激光加工頭及其應用、激光加工系統(tǒng)及方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種激光加工頭及其應用、激光加工系統(tǒng)及方法。其中，激光加工頭用于將激光傳輸至待加工工件，包括：第一級噴嘴；以及第二級噴嘴，所述第二級噴嘴設置在所述第一級噴嘴的下行方向并與所述第一級噴嘴相連通；所述第二級噴嘴的內(nèi)徑沿著所述激光的傳輸方向逐漸減小，所述第一級噴嘴的最小內(nèi)徑大于所述第二級噴嘴的末端內(nèi)徑。本發(fā)明的激光加工頭及其應用、激光加工系統(tǒng)及方法，通過分步耦合的方式解決了高能量密度激光與系統(tǒng)可靠性之間的矛盾。
【專利說明】
激光加工頭及其應用、激光加工系統(tǒng)及方法

【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及激光加工【技術領域】，特別是涉及一種用于高能激光加工的激光加工頭及其應用、激光加工系統(tǒng)及方法。

【背景技術】
[0002]高能激光器，如數(shù)千瓦級的連續(xù)波光纖激光器、二氧化碳激光器、固體激光器，以及脈沖型的高功率激光器等，已經(jīng)被廣泛應用于工業(yè)制造中的去除類加工。激光去除加工時，當脈沖寬度較大(> 10皮秒)時，去除機理一般是熔化與升華并存，在輔助性氣體的幫助下，將材料從基體上去除，該過程中會產(chǎn)生大量的熱量，從而對加工工件產(chǎn)生影響。很多情況下，例如在進行熱敏感材料的加工及金屬鉆孔時，要盡量避免熱量對加工工件的影響。
[0003]為了減小熱影響，研究人員在激光加工領域采用了一系列措施。其中之一是使用輔助性流體，如水流，來減少激光加工中的熱影響。
[0004]相關報道揭示了將激光耦合進水流中，從而將水冷卻和激光加工效應復合，既以激光為主，去除材料，又能通過水流冷卻限制熱影響區(qū)。同樣的思路，歐洲的SYNOVA公司發(fā)明了微射流激光加工系統(tǒng)，通過高壓腔體和寶石噴嘴形成微細的水射流，再將激光匯聚入寶石噴嘴，于是，脈沖激光隨著直徑小于100微米的水射流射出，在空氣中形成自然的光導效應(通過全反射實現(xiàn)長距離的低損耗傳輸)，耦合了脈沖激光能量的水射流可以用納秒脈沖激光實現(xiàn)熱影響極小的加工。
[0005]上述思路依賴于空氣中水射流的光導效應，理論上，一旦失去層狀水流和空氣界面，其光導效應就不復存在，所以，上述水助激光加工方法很難高效率實現(xiàn)超大深度(>1mm)的加工。
[0006]美國GE公司發(fā)明了液核光纖激光加工系統(tǒng)，其利用了一種光導系數(shù)低于水的中空管，該中空管的材質為特種聚合物質特氟隆，熔點低于400 V。當水流過該中空管時，水和管壁就形成了光導系統(tǒng)。實驗證實，該光導系統(tǒng)可通過能量超過4GW/cm2的納秒綠光，達到很多激光加工中的能量要求。并且，上述中空管可深入水下進行激光加工，原理上可以鉆入材料中，實現(xiàn)無深度限制的激光去除加工。
[0007]但是，上述兩種激光加工系統(tǒng)以及現(xiàn)有的其它水助激光加工系統(tǒng)均面臨著一個技術難題，即:一方面為了產(chǎn)生微射流需要將噴嘴/中空管的內(nèi)徑做得很小，以便提升耦合后激光的能量密度；另一方面又要嚴格避免激光在狹小的入射口對中空管造成的損傷。以SYNOVA公司的微射流激光加工系統(tǒng)為例，盡管該系統(tǒng)正常工作時加工較薄的器件效果良好，但是，其可靠性因為噴嘴的易損性而很難提高。這里，“噴嘴的易損性”是由于系統(tǒng)在使用過程中有可能出現(xiàn)光斑位置的漂移，當高能激光直接打到噴嘴的非空部位時，可能會直接毀壞昂貴的寶石噴嘴；另外，即使沒有光斑漂移，當有雜質顆粒通過狹窄的噴嘴部位時，雜質顆粒會被升華,產(chǎn)生高溫等離子體,腐蝕入射口，從而對噴嘴造成損傷。
[0008]鑒于上述原因，為了保證系統(tǒng)的可靠性，目前的水助激光加工系統(tǒng)的適用功率偏低。為了進一步提升激光加工的能力，激光的高能量密度耦合與系統(tǒng)可靠性之間的矛盾成為急需解決的問題。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0009]本發(fā)明提供了一種激光加工頭及其應用、激光加工系統(tǒng)及方法，有效解決了激光加工過程中激光的高能量密度耦合與系統(tǒng)可靠性之間的矛盾。
[0010]為達到上述目的，本發(fā)明采用如下技術方案:
[0011]一種激光加工頭，用于將激光傳輸至待加工工件，包括:
[0012]第一級噴嘴；以及
[0013]第二級噴嘴，所述第二級噴嘴設置在所述第一級噴嘴的下行方向并與所述第一級噴嘴相連通；
[0014]其中，所述第二級噴嘴的內(nèi)徑沿著所述激光的傳輸方向逐漸減小，所述第一級噴嘴的最小內(nèi)徑大于所述第二級噴嘴的末端內(nèi)徑。
[0015]在其中一個實施例中，所述激光加工頭還包括聚焦透鏡，所述聚焦透鏡設置在所述第一級噴嘴的上行方向。
[0016]在其中一個實施例中，所述激光加工頭還包括透明窗口，所述透明窗口設置在所述聚焦透鏡的上行方向。
[0017]在其中一個實施例中，所述第一級噴嘴的最小內(nèi)徑大于所述激光聚焦后的光斑直徑的兩倍；所述第二級噴嘴的末端內(nèi)徑小于所述第一級噴嘴的最小內(nèi)徑的1/2。
[0018]在其中一個實施例中，所述第二級噴嘴與所述第一級噴嘴一體成型。
[0019]在其中一個實施例中，所述第一級噴嘴和所述第二級噴嘴均為內(nèi)壁光滑的金屬管、玻璃管、陶瓷管或塑料管。
[0020]在其中一個實施例中，所述激光加工頭還包括第一腔體和第二腔體；
[0021]所述第一腔體和所述第一級噴嘴相連通，所述第二腔體和所述第二級噴嘴相連通。
[0022]在其中一個實施例中，所述第一腔體設置在所述第一級噴嘴的上行方向；
[0023]第一級噴嘴的外側壁為直徑逐漸減小的曲線結構，第二級噴嘴中內(nèi)徑較大的部分圍設在第一級噴嘴的外側，所述第二腔體設置在所述第一級噴嘴的外側壁和所述第二級噴嘴的內(nèi)側壁之間。
[0024]—種激光加工系統(tǒng),包括:
[0025]激光器，所述激光器用于產(chǎn)生激光；
[0026]所述的激光加工頭，所述激光加工頭用于將所述激光傳輸至待加工工件；
[0027]第一供給單元和第二供給單元，所述第一供給單元用于為所述激光加工頭提供一定壓力的第一流體，所述第二供給單元用于為所述激光加工頭提供一定壓力的第二流體；以及
[0028]控制單元，所述控制單元用于控制所述第一供給單元、第二供給單元和所述激光器的動作。
[0029]在其中一個實施例中，所述第一流體對光的折射率大于所述第二流體對光的折射率。
[0030]在其中一個實施例中，所述第一流體為液體，所述第二流體為氣體。
[0031]在其中一個實施例中，所述激光加工頭的第一級噴嘴對光的折射率小于所述第一流體對光的折射率。
[0032]在其中一個實施例中，所述激光加工系統(tǒng)還包括光學單元，所述光學單元設置在激光器和激光加工頭之間。
[0033]一種激光加工方法，包括以下步驟:
[0034]S100，將激光聚焦后耦合到第一級噴嘴的第一流體中；
[0035]S200，所述耦合有激光的第一流體流入第二級噴嘴，并被所述第二級噴嘴中的第二流體包裹；
[0036]S300，在所述第二級噴嘴和所述第二流體的雙重約束下，所述耦合有激光的第一流體的直徑逐漸減小，最終形成激光射流從所述第二級噴嘴的末端射出；
[0037]S400，所述激光射流作用于待加工工件上，進行激光加工。
[0038]在其中一個實施例中，所述第一流體為液體，所述第二流體為氣體。
[0039]在其中一個實施例中，所述第一流體對光的折射率大于所述第二流體對光的折射率。
[0040]在其中一個實施例中，所述第一級噴嘴的最小內(nèi)徑大于所述激光聚焦后的光斑直徑的兩倍；
[0041]所述第二級噴嘴的末端內(nèi)徑小于所述第一級噴嘴的最小內(nèi)徑的1/2。
[0042]在其中一個實施例中，所述激光射流的直徑大小通過所述第一流體和所述第二流體的壓力進行調節(jié)。
[0043]一種所述的激光加工頭的應用，用于深入工件或流體內(nèi)部進行激光加工。
[0044]本發(fā)明具有如下有益效果:
[0045]本發(fā)明提供的激光加工頭及其應用、激光加工系統(tǒng)及方法，通過分步耦合的方式解決了高能量密度激光與系統(tǒng)可靠性之間的矛盾。工作時，首先將激光耦合進第一級噴嘴的第一流體中，由于第一級噴嘴的直徑較大，因此，降低了激光的耦合難度，避免了由于激光光斑的漂移或雜質顆粒的腐蝕對激光加工頭造成的損傷，增加了系統(tǒng)的可靠性；然后通過外界約束將第一流體的直徑逐漸減小，使其最終形成激光射流射出，在第一流體的直徑逐漸減小的過程中，耦合到第一流體中的激光的光束也會逐漸縮小，激光的能量密度逐步增大，最終輸出高能激光束；這種輸出激光能量的方式可以通過產(chǎn)生極細微的激光射流突破傳統(tǒng)激光聚焦的分辨率極限，達到5微米甚至亞微米量級，同時保持遠遠大于末端水流直徑長度的加工深度能力；最后，由于可靠性的提高，千瓦級激光的水助激光加工成為可能，相對目前的水助激光加工大大提高了加工速度。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0046]圖1為本發(fā)明激光加工頭一實施例的結構示意圖；
[0047]圖2為本發(fā)明激光加工頭深入工件進行加工一實施例的結構示意圖；
[0048]圖3為本發(fā)明激光加工頭深入流體內(nèi)部進行加工一實施例的結構示意圖；
[0049]圖4為本發(fā)明激光加工系統(tǒng)一實施例的功能示意圖；
[0050]圖5為流體約束仿真截圖。

【具體實施方式】
[0051]以下對本發(fā)明的【具體實施方式】進行詳細說明。應當理解的是，此處所描述的【具體實施方式】僅用于說明和解釋本發(fā)明，并不用于限制本發(fā)明。為了方便各個部件的位置關系描述，本發(fā)明定義激光的傳輸方向為下行方向，反之即為上行方向。
[0052]本發(fā)明提供了一種激光加工頭，用于將激光器發(fā)出的激光傳輸至待加工工件，尤其適用于高能量激光的傳輸。
[0053]參見圖1，本發(fā)明的激光加工頭100包括相互連通的第一級噴嘴110和第二級噴嘴120，其中，第二級噴嘴120位于第一級噴嘴110的下行方向，即激光器發(fā)出的激光先進入第一級噴嘴110，再進入第二級噴嘴120。圖中箭頭所指示的方向為激光的傳輸方向。
[0054]第二級噴嘴120的內(nèi)徑沿著激光的傳輸方向逐漸減小，第一級噴嘴110的最小內(nèi)徑大于所述第二級噴嘴120的末端(激光的出射端)內(nèi)徑。
[0055]需要說明的是，本發(fā)明中，第一級噴嘴110可為等內(nèi)徑結構，也可為變內(nèi)徑結構。較優(yōu)地，如圖1所示，第一級噴嘴110為等內(nèi)徑結構，即內(nèi)部直徑相等，此時，其最小內(nèi)徑即為其內(nèi)部直徑。等內(nèi)徑的設計有利于激光的初步耦合，能夠有效避免激光在初步耦合過程中所造成的損耗。
[0056]工作時，在第一級噴嘴110中通入一定壓力的第一流體，并在第二級噴嘴120中通入一定壓力的第二流體；其中，第一流體用于耦合射入第一級噴嘴110的激光，第二流體用于包裹耦合有激光的第一流體。在進行激光加工時，首先將激光耦合到第一流體中；而后，耦合至第一流體的激光隨著第一流體進入第二級噴嘴120，在第二級噴嘴120中，第二流體將耦合有激光的第一流體包裹在內(nèi)，由于第二級噴嘴120的內(nèi)徑沿著激光的傳輸方向逐漸減小，同時，第二流體具有一定的壓力，因此，耦合有激光的第一流體的直徑在第二級噴嘴120和第二流體的雙重約束下逐漸減小，激光的光斑也隨之逐漸減小，激光的能量密度(激光強度)逐漸增大；耦合有激光的第一流體最終在第二流體的包裹下形成激光射流從第二級噴嘴120的末端射出，作用于待加工工件，實現(xiàn)高能量激光加工。
[0057]本發(fā)明的激光加工頭100，通過逐步耦合的方式解決了高能量激光密度和系統(tǒng)可靠性之間的矛盾。由于第一級噴嘴I1的最小內(nèi)徑大于所述第二級噴嘴120的末端內(nèi)徑，因此，第一流體具有相對較大的內(nèi)徑，在進行激光耦合時，可以使用較大的激光光斑，降低了初始耦合時激光的能量密度，從而降低了激光對第一級噴嘴110造成損傷的風險，提高了激光的耦合效率及系統(tǒng)的可靠性，而且，第一級噴嘴110可以采用低成本耐高溫的材質，如石英管，相比于寶石噴嘴，大大降低了成本；同時，由于采用第二流體約束而非固體直接約束的形式來逐步減小第一流體的直徑，在激光強度升高的區(qū)域，有效防止了激光和第二級噴嘴120的直接接觸，進一步增加了系統(tǒng)的可靠性，可將超大功率連續(xù)波激光(1000W以上)或高平均功率脈沖激光(百瓦級以上納秒、皮秒、飛秒激光器)的能量耦合到非常細的終端激光射流中，從而發(fā)揮激光高去除速度和高加工質量的優(yōu)勢。
[0058]較佳地，第一級噴嘴110的末端內(nèi)徑小于等于第二級噴嘴120的初始端內(nèi)徑。該方式有助于第二流體對第一流體形成包裹，并能夠有效避免紊流。
[0059]本發(fā)明中，第一流體的最終直徑(從第二級噴嘴120末端射出時的直徑)的大小可通過調整第一流體和第二流體的壓力來進行調節(jié)，也可通過改變第二級噴嘴120的末端直徑大小來進行調節(jié)，基本要求是保證耦合有激光的第一流體為層流狀態(tài)，避免紊流，從而使得激光能夠順利傳輸。
[0060]在具體的激光加工過程中，第一流體的最終直徑的大小與輸入的激光功率和所需的激光強度有關。比如，對于納秒脈沖激光去除加工來說，需要達到500MW/cm2以上的激光強度，一般需要100 μ m以下的最終直徑；而對于1000W的連續(xù)波激光來講，如果需要達到5MW/cm2以上的激光強度，則最終直徑需要達到小于150 μ m。
[0061]較佳地，如圖1所示，本發(fā)明的激光加工頭100還包括聚焦透鏡130。聚焦透鏡130設置在第一級噴嘴110的上行方向，即激光器發(fā)出的激光經(jīng)過聚焦透鏡130的聚焦后再進入第一級噴嘴110。聚焦透鏡130能夠起到匯聚光束的作用，將激光的能量聚焦為一個光斑，使其能夠更容易耦合到第一流體中，減小激光在傳輸及耦合過程中的能量損耗。
[0062]其中，聚焦透鏡130的焦距和具體設置位置可根據(jù)實際需要進行選擇，當?shù)谝患墖娮?10中不使用光導結構時(即第一流體對光的折射率小于等于第一級噴嘴110對光的折射率時)，可以使激光的焦點聚焦到第一級噴嘴110的出口下方，以便減少激光的能量損耗；當?shù)谝患墖娮?10中使用光導結構時(即第一流體對光的折射率大于第一級噴嘴110對光的折射率時)，激光的聚焦點可以位于第一級噴嘴110的任何位置處。
[0063]更佳地，上述的激光加工頭100還包括透明窗口 140。該透明窗口 140設置在聚焦透鏡130的上行方向，用于保護聚焦透鏡130，防止聚焦透鏡130污染而影響聚焦效果。一般地，透明窗口 140的材質為石英玻璃。
[0064]為了增加激光耦合的可靠性，避免激光在入射時對激光加工頭100造成損傷，作為優(yōu)選，第一級噴嘴110的最小內(nèi)徑大于激光聚焦后的光斑直徑的2倍，優(yōu)選為0.25mm?0.75mm ;同時，為了提高最終輸出的激光的能量密度，第二級噴嘴120的最小內(nèi)徑(即第二級噴嘴120的末端內(nèi)徑)小于第一級噴嘴110的最小內(nèi)徑的1/2，優(yōu)選為5μπι?ΙΟΟμπι，，需要時可以更小，達到亞微米級。
[0065]進一步地，為了避免激光對噴嘴的損傷，同時降低成本，第一級噴嘴110可以使用內(nèi)壁光滑的金屬管、陶瓷管或玻璃管，在滿足長期穩(wěn)定性的前提下也可使用塑料管。其中，金屬管包括不銹鋼管、銅管等，玻璃管包括石英管等。第二級噴嘴120也可為上述的管材。
[0066]繼續(xù)參見圖1，上述的激光加工頭100還包括第一腔體150和第二腔體160。其中，第一腔體150與第一級噴嘴110相連通，第二腔體160與第二級噴嘴120相連通，在進行激光加工時，第一流體通過第一腔體150通入到第一級噴嘴110中；第二流體通過第二腔體160通入到第二級噴嘴120中。
[0067]如圖1所示，為了便于第一流體通入，作為一種可實施方式，第一腔體150設置在第一級噴嘴110的上行方向，以圖1中的方位來看，即為第一腔體150設置在第一級噴嘴110的正上方；為了便于第二流體的通入，同時對第一流體形成包裹，第一級噴嘴110的外側壁設計為直徑逐漸減小的弧形或其它曲線結構，而第二級噴嘴120的內(nèi)徑較大的部分則圍設在第一級噴嘴I1的外側，此時，第一級噴嘴110的外側壁與第二級噴嘴120的內(nèi)側壁之間形成弧形區(qū)域，第二腔體160則設置在該弧形區(qū)域中。該方式增加了第二流體流動的均勻性，可對耦合有激光的第一流體形成均勻的包裹，利于激光的傳輸。
[0068]較佳地，本發(fā)明的激光加工頭100中，第一級噴嘴和第二級噴嘴密封連接。第一級噴嘴I1和第二級噴嘴120可通過一體成型的方式連接在一起，該方式增加了第一級噴嘴110和第二級噴嘴120之間連接的密封性，有助于腔體內(nèi)壓力的控制。此外，第一級噴嘴110和第二級噴嘴120也可通過焊接或螺紋連接等分裝的方式進行連接。分裝的方式便于第二級噴嘴120的更換。
[0069]本發(fā)明的激光加工頭100可以實現(xiàn)高能量的激光輸出，具有熱影響小、加工質量高、系統(tǒng)可靠性高等優(yōu)點。當輸出的激光強度達到一定的水平時，就可以用于清洗、表面刻劃、切割、鉆孔、激光沖擊強化等加工。由于采用逐步耦合能量的方式，避免了激光入射時對第一級噴嘴110造成的損傷，在激光強度升高的區(qū)域避免了固體管壁與激光的直接接觸，以雙層流體(第一流體和第二流體)隔離，解決了目前水助激光加工中普遍存在的系統(tǒng)可靠性與高能量密度耦合之間的矛盾。此外，可通過調整激光加工頭100的噴嘴型號、第一流體和第二流體的壓力參數(shù)，實現(xiàn)終端激光射流的可控性調整，為優(yōu)化工藝和實現(xiàn)技術的通用性奠定了基礎。
[0070]同時，本發(fā)明還提供了上述激光加工頭100在深入工件或流體內(nèi)部進行激光加工的應用，克服了以往在深入復雜環(huán)境或狹窄區(qū)域進行加工時遇到的技術難題，并保證了加工質量。參見圖2和圖3，分別為本發(fā)明的激光加工頭100在深入工件內(nèi)部和深入流體內(nèi)部進行激光加工的結構示意圖。較優(yōu)地，第二級噴嘴120的末端長度可以根據(jù)需要進行延伸，以便更好的深入復雜環(huán)境，順利實現(xiàn)加工。
[0071]參見圖4，本發(fā)明還提供了一種激光加工系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括激光加工頭100、激光器200、第一供給單元300、第二供給單元400和控制單元500。
[0072]其中，激光器200用于產(chǎn)生激光；激光加工頭100用于將激光器產(chǎn)生的激光傳輸至待加工工件；第一供給單元300用于為激光加工頭100提供一定壓力的第一流體，第二供給單元400用于為激光加工頭100提供一定壓力的第二流體；控制單元500用于控制第一供給單元300、第二供給單元400和激光器200的動作。
[0073]結合圖1和圖4，在進行激光加工時，激光器200產(chǎn)生激光；第一供給單元300將一定壓力的第一流體壓入第一腔體150，隨后，第一流體流入第一級噴嘴110 ;第二供給單元400將第二流體壓入第二腔體160，隨后，第二流體流入第二級噴嘴120 ;激光器200產(chǎn)生的激光首先耦合到第一流體中，然后隨著第一流體進入第二級噴嘴120中，第一流體在第二級噴嘴120中被第二流體包裹；在第二流體和第二級噴嘴120的雙重約束下的第一流體的直徑逐漸減小，最終形成激光射流從第二級噴嘴120的末端射出，作用于待加工工件，進行激光加工。
[0074]作為優(yōu)選，在上述的激光加工系統(tǒng)中，第一流體對光的折射率大于第二流體對光的折射率。由于耦合有激光的第一流體最終是在第二流體的包裹下從第二級噴嘴120末端射出并作用于待加工工件，當?shù)谝涣黧w對光的折射率大于第二流體對光的折射率時，第一流體和第二流體可形成光導結構，大大降低了激光在傳輸過程中的能量損耗，同時由于第一流體和第二流體的雙重延展性，增加了激光的有效作用距離，有助于實現(xiàn)大深度、超大深度的激光加工。
[0075]較佳地，在上述的激光加工系統(tǒng)中，第一流體為液體，第二流體為氣體。此方式利于激光的耦合，便于形成第二流體包裹的形態(tài)，具有更優(yōu)的可控性。其中，第一流體優(yōu)選為水，也可為其他液體；第二流體優(yōu)選為濾掉雜質的空氣、氮氣、氖氣或氬氣，也可為其他氣體。由于氣體的光導系數(shù)約為1，水的光折射率約為1.334，二者的全反射入射角約為48°，因此，氣體和水的組合可形成自然光纖效應，即全反射效應，且較大的全反射角有利于縮短直徑變化所需的傳輸長度，降低激光耦合過程中的能量損失，同時，激光加工過程中，在氣流和水流的雙重作用下具有良好的排屑性能，避免了周邊去除材料的二次堆積，提高了激光加工的質量。
[0076]此外，當?shù)谝涣黧w為液體時，第二流體也可選用密度小于第一流體的液體。
[0077]當?shù)谝涣黧w為水，第二流體為氣體時，由于激光在純凈水中傳輸?shù)哪芰繌姸葮O限很高,如對納秒級532nm或1064nm的激光，水發(fā)生破壞的激光強度大于6000兆瓦每平方厘米，遠高于常規(guī)的固體光纖(低于1000兆瓦每平方厘米)，加上自然的水冷效應，本發(fā)明的激光加工系統(tǒng)可以傳輸大功率的激光，包括連續(xù)波和脈沖激光。例如，25 μ m直徑的層流水柱原則上可以傳輸超過37.5千瓦的532ns或1064ns的激光，而100 μ m的層流水柱可以傳輸600千瓦的激光功率。發(fā)明人對飛秒800nm激光，皮秒1064nm激光和532nm激光，納秒1064nm激光和532nm激光,連續(xù)波1064nm激光均進行了實驗證實，證明了本發(fā)明的技術方案的可靠性。
[0078]發(fā)明人對利用流體約束來縮小直徑進行了仿真和實驗研究，均證明了其可行性。參見圖5，為利用ANSYS軟件得出的空氣對水流的約束仿真截圖，其中，中間黑色部分為水；外側顏色較淺的部分為空氣。仿真結果表明，可以通過調節(jié)水流和氣體的相關參數(shù)，生成穩(wěn)態(tài)包裹的層流微射流。
[0079]進一步地，激光加工頭100的第一級噴嘴110對光的折射率小于第一流體對光的折射率，即第一級噴嘴110中采用光導結構。當?shù)谝涣黧w為水時，第一級噴嘴110可采用氟樹脂(TEFLON AF)，氟樹脂的光學折射率為1.29，而水的光學折射率為1.334，因此，二者之間可形成光導結構，降低激光在耦合過程中的能量損失。
[0080]作為一種可實施方式，上述的激光加工系統(tǒng)中，還包括設置在激光器和激光加工頭100之間的光學單元600。該光學單元600包括反射鏡片、鏡片調整架、擴束鏡、光柵等元件，用于保證激光器200發(fā)出的激光能夠精確入射到激光加工頭100中。
[0081]本發(fā)明的激光加工系統(tǒng)中，激光器發(fā)射的激光的波長可為266nm?llOOnm，該波長范圍的激光在水中傳輸時都有一定程度的衰減，其中以532nm的激光的衰減幅度最小，有效傳輸距離為20m以上；1064nm的激光的有效傳輸距離也可達到100mm。
[0082]本發(fā)明的激光加工系統(tǒng)，由于采用本發(fā)明的激光加工頭100，可實現(xiàn)激光能量的分步耦合，具有耦合可靠性高、耦合效率高、不損傷固體器件、熱影響小、加工質量高、可擴展加工范圍和加工的有效性等一系列優(yōu)點。利用本發(fā)明的激光加工系統(tǒng)可直接應用于激光切害I]、激光打孔或激光三維去除加工。經(jīng)過改造，可以用于更多其它加工工藝，如水下清洗、焊接等。
[0083]此外，本發(fā)明還提供了一種激光加工方法，包括以下步驟:
[0084]S100，將激光聚焦后耦合到第一級噴嘴的第一流體中；
[0085]S200，耦合有激光的第一流體流入第二級噴嘴，并被第二級噴嘴中的第二流體包裹;
[0086]S300，在第二級噴嘴和第二流體的雙重約束下，耦合有激光的第一流體的直徑逐漸減小，最終形成激光射流從第二級噴嘴的末端射出；
[0087]S400，激光射流作用于待加工工件上，進行激光加工。
[0088]上述激光加工方法中，第一流體為液體，第二流體為氣體。優(yōu)選地，第一流體對光的折射率大于第二流體對光的折射率。更優(yōu)地，第一級噴嘴的最小內(nèi)徑大于所述激光聚焦后的光斑直徑的兩倍；第二級噴嘴的末端內(nèi)徑小于所述第一級噴嘴的最小內(nèi)徑的1/2。上述方案的有益效果在激光加工頭的部分已經(jīng)做了詳細說明，此處不再贅述。
[0089]本發(fā)明的激光加工方法中，可通過調整激光加工頭的噴嘴型號、第一流體和第二流體的壓力參數(shù)，實現(xiàn)激光射流直徑的可控性調整，為優(yōu)化工藝和實現(xiàn)技術的通用性奠定了基礎。
[0090]本發(fā)明提供的激光加工方法，通過逐步耦合的方式解決了高能量密度激光與系統(tǒng)可靠性之間的矛盾，可實現(xiàn)大功率的激光加工。需要說明的是，本發(fā)明的激光加工方法可通過本發(fā)明的激光加工頭和本發(fā)明的激光加工系統(tǒng)來實現(xiàn)。此外,本發(fā)明的激光加工方法也可通過其他能夠滿足條件的設備來實現(xiàn)。
[0091]以上所述實施例僅表達了本發(fā)明的幾種實施方式，其描述較為具體和詳細，但并不能因此而理解為對本發(fā)明專利范圍的限制。應當指出的是，對于本領域的普通技術人員來說，在不脫離本發(fā)明構思的前提下，還可以做出若干變形和改進，這些都屬于本發(fā)明的保護范圍。因此，本發(fā)明專利的保護范圍應以所附權利要求為準。
【權利要求】
1.一種激光加工頭，用于將激光傳輸至待加工工件，其特征在于，包括: 第一級噴嘴；以及 第二級噴嘴，所述第二級噴嘴設置在所述第一級噴嘴的下行方向并與所述第一級噴嘴相連通； 其中，所述第二級噴嘴的內(nèi)徑沿著所述激光的傳輸方向逐漸減小，所述第一級噴嘴的最小內(nèi)徑大于所述第二級噴嘴的末端內(nèi)徑。
2.根據(jù)權利要求1所述的激光加工頭，其特征在于，所述激光加工頭還包括聚焦透鏡，所述聚焦透鏡設置在所述第一級噴嘴的上行方向。
3.根據(jù)權利要求2所述的激光加工頭，其特征在于，所述激光加工頭還包括透明窗口，所述透明窗口設置在所述聚焦透鏡的上行方向。
4.根據(jù)權利要求2所述的激光加工頭，其特征在于，所述第一級噴嘴的最小內(nèi)徑大于所述激光聚焦后的光斑直徑的兩倍；所述第二級噴嘴的末端內(nèi)徑小于所述第一級噴嘴的最小內(nèi)徑的1/2。
5.根據(jù)權利要求1所述的激光加工頭，其特征在于，所述第二級噴嘴與所述第一級噴嘴一體成型。
6.根據(jù)權利要求1所述的激光加工頭，其特征在于，所述第一級噴嘴和所述第二級噴嘴均為內(nèi)壁光滑的金屬管、玻璃管、陶瓷管或塑料管。
7.根據(jù)權利要求1所述的激光加工頭，其特征在于，所述激光加工頭還包括第一腔體和第二腔體； 所述第一腔體和所述第一級噴嘴相連通，所述第二腔體和所述第二級噴嘴相連通。
8.根據(jù)權利要求7所述的激光加工頭，其特征在于，所述第一腔體設置在所述第一級噴嘴的上行方向； 第一級噴嘴的外側壁為直徑逐漸減小的曲線結構，第二級噴嘴中內(nèi)徑較大的部分圍設在第一級噴嘴的外側，所述第二腔體設置在所述第一級噴嘴的外側壁和所述第二級噴嘴的內(nèi)側壁之間。
9.一種激光加工系統(tǒng)，其特征在于，包括: 激光器，所述激光器用于產(chǎn)生激光； 權利要求1?8任一項所述的激光加工頭，所述激光加工頭用于將所述激光傳輸至待加工工件； 第一供給單元和第二供給單元，所述第一供給單元用于為所述激光加工頭提供一定壓力的第一流體，所述第二供給單元用于為所述激光加工頭提供一定壓力的第二流體；以及 控制單元，所述控制單元用于控制所述第一供給單元、第二供給單元和所述激光器的動作。
10.根據(jù)權利要求9所述的激光加工系統(tǒng)，其特征在于，所述第一流體對光的折射率大于所述第二流體對光的折射率。
11.根據(jù)權利要求9所述的激光加工系統(tǒng)，其特征在于，所述第一流體為液體，所述第二流體為氣體。
12.根據(jù)權利要求9所述的激光加工系統(tǒng)，其特征在于，所述激光加工頭的第一級噴嘴對光的折射率小于所述第一流體對光的折射率。
13.根據(jù)權利要求9所述的激光加工系統(tǒng)，其特征在于，所述激光加工系統(tǒng)還包括光學單元，所述光學單元設置在激光器和激光加工頭之間。
14.一種激光加工方法，其特征在于，包括以下步驟: S100，將激光聚焦后耦合到第一級噴嘴的第一流體中； S200，所述耦合有激光的第一流體流入第二級噴嘴，并被所述第二級噴嘴中的第二流體包裹； S300，在所述第二級噴嘴和所述第二流體的雙重約束下，所述耦合有激光的第一流體的直徑逐漸減小，最終形成激光射流從所述第二級噴嘴的末端射出； S400，所述激光射流作用于待加工工件上，進行激光加工。
15.根據(jù)權利要求14所述的激光加工方法，其特征在于，所述第一流體為液體，所述第二流體為氣體。
16.根據(jù)權利要求14所述的激光加工方法，其特征在于，所述第一流體對光的折射率大于所述第二流體對光的折射率。
17.根據(jù)權利要求14所述的激光加工方法，其特征在于，所述第一級噴嘴的最小內(nèi)徑大于所述激光聚焦后的光斑直徑的兩倍； 所述第二級噴嘴的末端內(nèi)徑小于所述第一級噴嘴的最小內(nèi)徑的1/2。
18.根據(jù)權利要求14?17任一項所述的激光加工方法，其特征在于，所述激光射流的直徑大小通過所述第一流體和所述第二流體的壓力進行調節(jié)。
19.一種如權利要求1?8任一項所述的激光加工頭的應用，用于深入工件或流體內(nèi)部進行激光加工。
【文檔編號】B23K26/06GK104368911SQ201410586246
【公開日】2015年2月25日 申請日期:2014年10月28日 優(yōu)先權日:2014年10月28日
【發(fā)明者】張文武, 張?zhí)鞚? 郭春海, 楊旸 申請人:中國科學院寧波材料技術與工程研究所