[发明专利]一种激光水射流复合加工系统

说明书

本发明为一种激光水射流复合加工系统，射流喷嘴出射水射流，水射流落点在工件表面的加工路径上。激光器产生的激光束在处于保护壳体内的导引光纤中传播，导引光纤末端连接金刚石导引头。金刚石导引头的导光端与工件表面的距离小于100微米，激光在金刚石导引头内经多次全反射汇聚为直线光束输出，直接作用于水中工件表面的加工路径上。本发明激光束的光路处于保护壳体内，保证光束传播过程中不受射流溅射水雾的干扰，激光束和高压射流协同作用，准确高效地去除预定加工路径上的材料，激光光路稳定，激光光斑半径缩小，划切线宽缩小，提高加工精度和质量。

技术领域

本发明涉及激光水射流复合加工技术，具体为金刚石导引的一种激光水射流复合加工系统。

背景技术

激光水射流复合加工技术采用激光照射工件，工件局部受热温度升高，局部高温的材料软化、力学强度下降，激光照射的同时采用一束高压液体射流冲击工件上的激光受热区，射流去除力学强度降低的材料，完成对工件的加工。

由于激光水射流复合加工技术在加工过程中，激光的照射并未使工件的材料发生熔融、汽化的相变，所以该加工技术具有热损伤小的优点。此外，高速射流冲击加工部位的过程中，强烈的对流冷却作用使加工区域在短时间内迅速冷却，进一步降低了工件的热损伤。

传统激光加工工艺是使工件加工部位产生相变(熔融、汽化)以去除局部的材料。与之相比，激光高压水射流复合加工方法除了热损伤小的优势外，还有材料去除率高的特点，因为去除的材料不需要相变，就降低了材料去除所需的温度阈值。

虽然激光高压水射流复合加工方法有上述突出优点，但是现有的激光水射流复合加工装置有明显的缺陷。该装置运行过程中，由于高速的水流冲击工件，射流强力撞击固体工件表面时，流体四向飞溅，液滴反弹破碎，破碎的液滴溅射成水雾，液滴和水雾干扰激光光路，水雾、液滴不仅吸收激光能量，还使激光束产生偏折、散射，影响激光束的加工质量。

已有一些设计采用侧向吹气方法以抑制水射流的溅射。但由于高压水射流高速撞击工件的溅射作用剧烈，吹气方法需要大幅提高吹气压力，才能抵消溅射的影响。高压吹气势必影响暴露于空气中的射流水束的稳定性。

也有的设计在激光光路安装防溅射装置，但加装的防溅射装置决不能阻隔激光出射部位至工件表面的光路，因此防溅射装置无法隔绝高压射流强烈溅射对激光光路的干扰。

总之现有的激光高压水射流复合加工系统运行时的射流溅射影响激光束的问题正在阻碍此项激光高压水射流复合加工技术应用。

发明内容

本发明的目的是设计一种激光水射流复合加工系统，激光器产生的激光束经处于保护壳体内的导引光纤和金刚石导引头到达工件表面，由于激光束的光路处于壳体内，保证光束传播过程中不受射流溅射水雾的干扰，激光束和高压射流协同作用，准确高效地去除预定加工路径上的材料，高质量地完成工件的加工。

本发明设计的一种激光水射流复合加工系统包括与水箱连接的射流喷嘴、激光器和工作台，工作台台面为水平面，工件固定于工作台台面。射流喷嘴出射水射流，水射流落点在工件表面的加工路径上。激光器产生的激光束中心线垂直于工作台台面。激光器产生的激光束在导引光纤中传播，所述导引光纤位于保护壳体内，导引光纤末端连接金刚石导引头，金刚石导引头的导光端与工件表面的距离小于100微米，激光在金刚石导引头内经多次全反射汇聚为直线光束输出，直接作用于水中工件表面的加工路径上。

激光器产生的激光的波长为200～900nm(为了输出较小的光斑直径选用较短波长激光)，激光能量密度为20J/cm²～50J/cm²,脉宽40ns～200ns,重复频率10kHz～60kHz。