[发明专利]水导激光加工装置及其应用、激光加工系统及方法

说明书

本发明公开了一种水导激光加工装置及其应用、激光加工系统及方法，该装置包括：透光壁，透光壁围成流体腔室；封装气体层，封装气体层设置于透光壁的外侧；其中，流体腔室的截面面积沿激光的传输方向逐渐减小，且流体腔室内通有流动的流体，激光与流体耦合后出射；激光在透光壁与封装气体层相接界面上发生全反射。激光在该装置中与流体进行耦合时，能实现折射和全反射，保证输出激光射流的功率，同时所形成气液界面稳定，保证激光在水流中耦合的稳定性。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

本发明涉及一种水导激光加工装置与方法，属于激光加工领域。

背景技术

目前，激光加工技术已经日益成熟，这项特种加工技术广泛应用于航空航天、汽车行业，但现有激光加工技术还无法运用如陶瓷基复合材料等难加工材料，亟待激光加工技术对此类难加工材料的加工实现突破。

常规干式激光加工技术虽然加工速度极快，但是加工材料表面的热影响区较大，严重影响加工深度的进一步加深。此类问题严重制约了激光加工技术向微纳加工领域迈进。为了减少热影响且保证加工深度，水辅助激光复合加工技术应运而生。

欧洲SYNOVA公司发明微射流型水助激光加工技术。利用水冷却和激光加工效应相结合，能够加工出几乎无热影响、加工锥度小的微孔。但该技术很难保持大深度加工的高效率，加工极限深度仅为10毫米左右；为了提高加工深度就需要增大激光加工功率密度，而提高激光加工功率密度就需要缩小水流直径，但随着水流直径的缩小，大功率激光就很难以与层流水柱耦合，水流无法发挥水冷降温的作用。这一矛盾严重制约功率密度的提升。

美国GE全球研发中心发明了液核光纤激光加工技术，该技术通过使用折射率低于纯净水的空管，形成了类似于水流与空气界面，激光通过该空管传导实现加工。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加工。由于该材料的熔点只有400℃，当深入加工区域内，容易受激光作用物质产生的高温高热等离子体及加工残渣损害，需频繁更换该空管，增加加工成本，到目前为止该方法较难用于实践生产。

如CN201410586246.1中公开了一种激光加工头及其应用、激光加工系统及方法，所提出的气包水辅助的激光加工头虽然解决了激光的高能量密度耦合与系统可靠性之间的矛盾问题，但该加工头较难保证加工过程中气液界面稳定存在，加工稳定性难以保证。

发明内容

根据本发明的一个方面，提供一种能保证水流界面的稳定性的水导激光加工装置。激光在该装置中与流体进行耦合时，能实现折射和全反射，保证输出激光射流的功率，同时所形成气液界面稳定，保证激光在水流中耦合的稳定性。

所述水导激光加工装置，包括：透光壁，所述透光壁围成流体腔室；

封装气体层，所述封装气体层设置于所述透光壁的外侧；

其中，所述流体腔室的截面面积沿所述激光的传输方向逐渐减小，且所述流体腔室内通有流动的流体，所述激光与所述流体耦合后出射；

所述激光在所述透光壁与所述封装气体层相接界面上发生全反射。

优选的，水导激光加工装置还包括外层结构，所述外层结构设置于所述透光壁的外侧，所述外层结构的内壁与所述透光壁的之间形成所述封装气体层。

优选的，水导激光加工装置还包括至少一个注流口，所述注流口开设于所述透光壁上并向所述流体腔室内注入流体。

优选的，水导激光加工装置还包括瓶体，所述透光壁设置于所述瓶体内。

优选的，水导激光加工装置还包括透明窗口，所述透明窗口设置于所述瓶体的入光面上；

所述水导激光加工装置还包括聚焦透镜，所述聚焦透镜与所述瓶体同轴地设置于所述透明窗口的顶上；

所述聚焦透镜为长聚焦透镜。