[发明专利]水射流辅助激光加工系统及方法

说明书

本发明公开了一种水射流辅助激光加工系统及方法，其光束传输聚焦单元包括激光发射器和光束传输变换机构，激光发射器的前方设置45°倾斜的反光镜，设于反光镜下方的光束传输变换机构包括保护套管，保护套管的上部管孔内设有光束传输变换元件、下部管孔内设有自聚焦透镜和球透镜；其工作台单元设于保护套管下方，包括三维调节的工作台，固定台板设于工作台上的水槽内，工件装夹于固定台板上并与球透镜相对；其供液单元的泵管连通喷管，喷管的喷嘴向工件斜伸，可调节喷嘴斜伸角度的喷管设于三维及角度调节的喷管调节架上，水槽通过回流管连通供液单元。本发明减少了激光束在自由空间传输的光程，降低了水射流冲击溅射对光路传输的干扰。

技术领域

本发明涉及激光加工技术，具体为一种水射流辅助激光加工系统及方法。

背景技术

传统激光加工技术是利用激光产生的高能量密度使加工工件部位产生相变熔融、汽化来去除局部工件；然而，激光加工过程中，由于高能密度会促使加工后的工件产生热影响区、残渣、微裂纹等，严重影响加工后工件的表面质量及力学性能。

水射流辅助激光加工技术在激光照射工件、工件局部受热温度升高、局部高温的材料软化、力学强度下降的同时，利用一束液体射流冲击工件上的激光受热区，利用射流所产生的冲击力去除激光熔融过程中力学强度降低的材料而完成对工件的加工。此外，由于水射流辅助激光加工过程中，利用水射流的冷却作用，能够加快对流散热，高速射流冲击加工部位，在射流的对流冷却作用下使加工区域在短时间内迅速冷却，能够降低加工工件的热损伤。水射流辅助激光加工与传统激光加工相比具有热影响区小、微裂纹少及表面熔渣少等特点。

虽然水射流辅助激光加工技术有上述优点，但是现有的水射流辅助激光加工过程中也存在如下显著缺陷：

1、该系统在加工工件过程中，激光束聚焦采用传统的单凸透镜进行聚焦，聚焦过程中由于焦距较大，光束从透镜聚焦端面到加工工件表面暴露在自由空间的光程过长，容易造成光束聚焦过程中的非稳定性。

2、由于高速水射流冲击工件表面，射流对工件的冲击力使得射流反弹、飞溅，形成的液滴进一步破碎、雾化而形成水雾，此过程形成的液滴和水束会吸收激光的能量，还会使激光束产生偏折和散射，降低激光能量的利用率，影响工件的加工质量。

针对射流溅射的缺点，也有提出利用侧向吹气方法来降低射流溅射的影响，但由于射流作用在工件表面的冲击力较强烈，需要相匹配的辅助吹气压力，对于吹气系统压力的设计也有一定的难度；除此，一些设计中也利用防溅射装置来防止液滴溅射及雾化对光束传输的影响，但由于传统单凸透镜聚焦光路过长，光束绝大部分暴露在自由空间中，在光束聚焦射出部位阻隔溅射液滴及雾气有一定的难度。

分析现有的水射流辅助激光加工技术的特点，由于光束聚焦过程中光路过长，使光束绝大部分光束暴露在自由空间，加上水射流冲击工件表面产生的液体溅射、雾化等阻碍了光束能量传输利用率及其传输中的稳定性。

发明内容

针对现有水射流辅助激光技术的缺陷，本发明提出了一种水射流辅助激光加工系统及方法，以消除现有技术的阻碍而使水射流辅助激光技术更好的应用及发展。

本发明水射流辅助激光加工系统，其技术方案包括光束传输聚焦单元、工作台单元和供液单元，所不同的是：

1、所述光束传输聚焦单元包括激光发射器、反光镜和光束传输变换机构，所述激光发射器的前方设置45°倾斜的反光镜，设于反光镜下方的光束传输变换机构包括保护套管，所述保护套管的上部管孔内设有光束传输变换元件，保护套管的下部管孔内设有由自聚焦透镜和球透镜构成的激光聚焦组件。

2、所述工作台单元设于光束传输变换机构下方，包括能进行X/Y/Z向移动(三维调节)的工作台，固定台板设于工作台上的水槽内，工件装夹于固定台板上并与球透镜相对而使激光聚焦点位于工件表面上。