[发明专利]旋转式激光加工装置及其应用、激光加工系统及方法

说明书

本发明公开了一种旋转式激光加工装置及其应用、激光加工系统及方法，该装置包括：支撑部和缩流传导装置，支撑部内通有与激光耦合的液体；缩流传导装置设置于支撑部的下方并与支撑部相连通；其中，缩流传导装置内设有液体腔室和封装气体层；封装气体层设置于液体腔室外；液体腔室的横截面直径沿激光的传输方向逐渐减小，并形成传导端，传导端的主轴与激光主光轴成锐角倾斜；缩流传导装置绕激光主光轴自转。本发明的另一方面还提供了该装置的应用、激光加工系统及方法。

技术领域

本发明涉及一种旋转式激光加工装置及其应用、激光加工系统及方法，属于激光加工领域。

背景技术

目前，常规激光加工的效率和质量随着激光加工深度的增加而快速下降，原因在于：聚焦式激光加工过程中存在加工锥度效应，使得激光加工方法存在深度极限；热量的不断积累使材料的热影响严重。因此，如何实现低热影响、大深度介入式加工是激光加工领域的主要技术问题。

现有常用的激光加工方法以短脉冲干式激光加工为主，该加工方法在浅层材料的瞬时去除效率和热影响控制方面具有优势，但仍存在突出的问题：加工的孔存在锥度，深度不足，大深度(5毫米)加工时易丧失短脉冲优势。

为了解决激光加工过程中材料的热影响问题，拓展激光加工深度，SYNOVA公司展开了微射流型水助激光加工技术。以SYNOVA公司为代表的微射流型水助激光加工方法对多种材料的穿透性切割具有优异的加工性能，相对干式激光加工具有加工锥度明显减小、加工热影响小、表面清洁等一系列优势，但该技术很难保持大深度加工的高效率，深度极限在10毫米左右；另外，为了保证可靠性，该方法的激光传输强度不能设置太高，限制了耦合功率的提高，影响了加工速度。

GE全球研发中心发明了液核光纤激光加工方法及其装置，该方法使用特殊的微管通水传光，管壁材料的光导系数低于纯净水，可以实现对光的全反射传输，可以在空气中射出层流水柱，等效于SYNOVA技术；但同时，其固体管壁允许光纤弯曲，可以深入狭窄空间或在水下进行激光加工。由于端部去除物对光的散射效应以及光纤头部过于接近加工区域导致的光纤易损性，介入式加工至今没有实现，最好记录是钻入材料约3毫米。

发明内容

根据本发明的一个方面，提供一种能实现超大功率激光、大深度加工的旋转式激光加工装置。激光与液体耦合在缩流传导装置中耦合，缩流传导装置内缩流内腔的末端轴线与缩流传导装置的轴线成锐角，通过旋转缩流传导装置实现千瓦级功率激光的微米级尺度可靠、高效耦合加工，实现超大功率与超大深度激光加工的高效集成。

所述旋转式激光加工装置，包括：支撑部和缩流传导装置，所述支撑部内通有与所述激光耦合的液体；所述缩流传导装置设置于所述支撑部的下方并与所述支撑部相连通；其中，所述缩流传导装置内设有液体腔室和封装气体层；所述封装气体层设置于所述液体腔室外；所述液体腔室的横截面直径沿所述激光的传输方向逐渐减小，并形成传导端，所述传导端的主轴与所述激光主光轴成锐角倾斜；所述缩流传导装置绕所述激光主光轴自转。

优选的，所述缩流传导装置包括：缩流内腔和外层支撑结构，所述外层支撑结构设置于所述缩流内腔的外侧，所述缩流内腔的外壁与所述外层支撑结构的内壁围成所述封装气体层；所述缩流内腔的内壁围成所述液体腔室。

优选的，所述传导端底端面的直径小于所述外层支撑结构底端面口径的1/2。

优选的，所述缩流传导装置包括液体缩流部和旋转传导部，所述液体缩流部设置于所述支撑部的下方并与所述支撑部相连通；所述旋转传导部设置于所述液体缩流部的下方，并与所述液体缩流部相连通；所述旋转传导部绕所述激光主光轴自转。

优选的，所述液体缩流部包括第一缩流内腔、第一外层支撑结构，所述第一外层支撑结构设置于所述第一缩流内腔外，所述第一缩流内腔与所述第一外层支撑结构围成封装气体层；所述旋转传导部包括第二缩流内腔、第二外层支撑结构，所述第二外层支撑结构设置于所述第二缩流内腔外，所述第二缩流内腔与所述第二外层支撑结构围成封装气体层。