激光加工头及其应用、激光加工系统及方法技术方案

本发明专利技术公开了一种激光加工头及其应用、激光加工系统及方法。其中，激光加工头用于将激光传输至待加工工件，包括：第一级喷嘴；以及第二级喷嘴，所述第二级喷嘴设置在所述第一级喷嘴的下行方向并与所述第一级喷嘴相连通；所述第二级喷嘴的内径沿着所述激光的传输方向逐渐减小，所述第一级喷嘴的最小内径大于所述第二级喷嘴的末端内径。本发明专利技术的激光加工头及其应用、激光加工系统及方法，通过分步耦合的方式解决了高能量密度激光与系统可靠性之间的矛盾。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及激光加工
，特别是涉及一种用于高能激光加工的激光加工头及其应用、激光加工系统及方法。
技术介绍
高能激光器，如数千瓦级的连续波光纤激光器、二氧化碳激光器、固体激光器，以及脉冲型的高功率激光器等，已经被广泛应用于工业制造中的去除类加工。激光去除加工时，当脉冲宽度较大(＞10皮秒)时，去除机理一般是熔化与升华并存，在辅助性气体的帮助下，将材料从基体上去除，该过程中会产生大量的热量，从而对加工工件产生影响。很多情况下，例如在进行热敏感材料的加工及金属钻孔时，要尽量避免热量对加工工件的影响。为了减小热影响，研究人员在激光加工领域采用了一系列措施。其中之一是使用辅助性流体，如水流，来减少激光加工中的热影响。相关报道揭示了将激光耦合进水流中，从而将水冷却和激光加工效应复合，既以激光为主，去除材料，又能通过水流冷却限制热影响区。同样的思路，欧洲的SYNOVA公司专利技术了微射流激光加工系统，通过高压腔体和宝石喷嘴形成微细的水射流，再将激光汇聚入宝石喷嘴，于是，脉冲激光随着直径小于100微米的水射流射出，在空气中形成自然的光导效应(通过全反射实现长距离的低损耗传输)，耦合了脉冲激光能量的水射流可以用纳秒脉冲激光实现热影响极小的加工。上述思路依赖于空气中水射流的光导效应，理论上，一旦失去层状水流和空气界面，其光导效应就不复存在，所以，上述水助激光加工方法很难高效率实现超大深度(＞10mm)的加工。美国GE公司专利技术了液核光纤激光加工系统，其利用了一种光导系数低于水的中空管，该中空管的材质为特种聚合物质特氟隆，熔点低于400℃。当水流过该中空管时，水和管壁就形成了光导系统。实验证实，该光导系统可通过能量超过4GW/cm2的纳秒绿光，达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进行激光加工，原理上可以钻入材料中，实现无深度限制的激光去除加工。但是，上述两种激光加工系统以及现有的其它水助激光加工系统均面临着一个技术难题，即：一方面为了产生微射流需要将喷嘴/中空管的内径做得很小，以便提升耦合后激光的能量密度；另一方面又要严格避免激光在狭小的入射口对中空管造成的损伤。以SYNOVA公司的微射流激光加工系统为例，尽管该系统正常工作时加工较薄的器件效果良好，但是，其可靠性因为喷嘴的易损性而很难提高。这里，“喷嘴的易损性”是由于系统在使用过程中有可能出现光斑位置的漂移，当高能激光直接打到喷嘴的非空部位时，可能会直接毁坏昂贵的宝石喷嘴；另外，即使没有光斑漂移，当有杂质颗粒通过狭窄的喷嘴部位时，杂质颗粒会被升华，产生高温等离子体，腐蚀入射口，从而对喷嘴造成损伤。鉴于上述原因，为了保证系统的可靠性，目前的水助激光加工系统的适用功率偏低。为了进一步提升激光加工的能力，激光的高能量密度耦合与系统可靠性之间的矛盾成为急需解决的问题。
技术实现思路
本专利技术提供了一种激光加工头及其应用、激光加工系统及方法，有效解决了激光加工过程中激光的高能量密度耦合与系统可靠性之间的矛盾。为达到上述目的，本专利技术采用如下技术方案：一种激光加工头，用于将激光传输至待加工工件，包括：第一级喷嘴；以及第二级喷嘴，所述第二级喷嘴设置在所述第一级喷嘴的下行方向并与所述第一级喷嘴相连通；其中，所述第二级喷嘴的内径沿着所述激光的传输方向逐渐减小，所述第一级喷嘴的最小内径大于所述第二级喷嘴的末端内径。在其中一个实施例中，所述激光加工头还包括聚焦透镜，所述聚焦透镜设置在所述第一级喷嘴的上行方向。在其中一个实施例中，所述激光加工头还包括透明窗口，所述透明窗口设置在所述聚焦透镜的上行方向。在其中一个实施例中，所述第一级喷嘴的最小内径大于所述激光聚焦后的光斑直径的两倍；所述第二级喷嘴的末端内径小于所述第一级喷嘴的最小内径的1/2。在其中一个实施例中，所述第二级喷嘴与所述第一级喷嘴一体成型。在其中一个实施例中，所述第一级喷嘴和所述第二级喷嘴均为内壁光滑的金属管、玻璃管、陶瓷管或塑料管。在其中一个实施例中，所述激光加工头还包括第一腔体和第二腔体；所述第一腔体和所述第一级喷嘴相连通，所述第二腔体和所述第二级喷嘴相连通。在其中一个实施例中，所述第一腔体设置在所述第一级喷嘴的上行方向；第一级喷嘴的外侧壁为直径逐渐减小的曲线结构，第二级喷嘴中内径较大的部分围设在第一级喷嘴的外侧，所述第二腔体设置在所述第一级喷嘴的外侧壁和所述第二级喷嘴的内侧壁之间。一种激光加工系统，包括：激光器，所述激光器用于产生激光；所述的激光加工头，所述激光加工头用于将所述激光传输至待加工工件；第一供给单元和第二供给单元，所述第一供给单元用于为所述激光加工头提供一定压力的第一流体，所述第二供给单元用于为所述激光加工头提供一定压力的第二流体；以及控制单元，所述控制单元用于控制所述第一供给单元、第二供给单元和所述激光器的动作。在其中一个实施例中，所述第一流体对光的折射率大于所述第二流体对光的折射率。在其中一个实施例中，所述第一流体为液体，所述第二流体为气体。在其中一个实施例中，所述激光加工头的第一级喷嘴对光的折射率小于所述第一流体对光的折射率。在其中一个实施例中，所述激光加工系统还包括光学单元，所述光学单元设置在激光器和激光加工头之间。一种激光加工方法，包括以下步骤：S100，将激光聚焦后耦合到第一级喷嘴的第一流体中；S200，所述耦合有激光的第一流体流入第二级喷嘴，并被所述第二级喷嘴中的第二流体包裹；S300，在所述第二级喷嘴和所述第二流体的双重约束下，所述耦合有激光的第一流体的直径逐渐减小，最终形成激光射流从所述第二级喷嘴的末端射出；S400，所述激光射流作用于待加工工件上，进行激光加工。在其中一个实施例中，所述第一流体为液体，所述第二流体为气体。在其中一个实施例中，所述第一流体对光的折射率大于所述第二流体对光的折射率。在其中一个实施例中，所述第一级喷嘴的最小内径大于所述激光聚焦后的光斑直径的两倍；所述第二级喷嘴的末端内径小于所述第一级喷嘴的最小内径的1/2。在其中一个实施例中，所述激光射流的直径大小通过所述第一流体和所述第二流体的压力进行调节。一种所述的激光加工头的应用，用于深入工件或流体内部进行激光加工。本专利技术具有如下有益效果：本专利技术提供的激光加工头及其应用、激光加工系统及方法，通过分步耦合的方本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种激光加工头，用于将激光传输至待加工工件，其特征在于，包括：第一级喷嘴；以及第二级喷嘴，所述第二级喷嘴设置在所述第一级喷嘴的下行方向并与所述第一级喷嘴相连通；其中，所述第二级喷嘴的内径沿着所述激光的传输方向逐渐减小，所述第一级喷嘴的最小内径大于所述第二级喷嘴的末端内径。

【技术特征摘要】
1.一种激光加工头，用于将激光传输至待加工工件，其特征在于，包括：
第一级喷嘴；以及
第二级喷嘴，所述第二级喷嘴设置在所述第一级喷嘴的下行方向并与所述
第一级喷嘴相连通；
其中，所述第二级喷嘴的内径沿着所述激光的传输方向逐渐减小，所述第
一级喷嘴的最小内径大于所述第二级喷嘴的末端内径。
2.根据权利要求1所述的激光加工头，其特征在于，所述激光加工头还包
括聚焦透镜，所述聚焦透镜设置在所述第一级喷嘴的上行方向。
3.根据权利要求2所述的激光加工头，其特征在于，所述激光加工头还包
括透明窗口，所述透明窗口设置在所述聚焦透镜的上行方向。
4.根据权利要求2所述的激光加工头，其特征在于，所述第一级喷嘴的最
小内径大于所述激光聚焦后的光斑直径的两倍；所述第二级喷嘴的末端内径小
于所述第一级喷嘴的最小内径的1/2。
5.根据权利要求1所述的激光加工头，其特征在于，所述第二级喷嘴与所
述第一级喷嘴一体成型。
6.根据权利要求1所述的激光加工头，其特征在于，所述第一级喷嘴和所
述第二级喷嘴均为内壁光滑的金属管、玻璃管、陶瓷管或塑料管。
7.根据权利要求1所述的激光加工头，其特征在于，所述激光加工头还包
括第一腔体和第二腔体；
所述第一腔体和所述第一级喷嘴相连通，所述第二腔体和所述第二级喷嘴
相连通。
8.根据权利要求7所述的激光加工头，其特征在于，所述第一腔体设置在
所述第一级喷嘴的上行方向；
第一级喷嘴的外侧壁为直径逐渐减小的曲线结构，第二级喷嘴中内径较大
的部分围设在第一级喷嘴的外侧，所述第二腔体设置在所述第一级喷嘴的外侧
壁和所述第二级喷嘴的内侧壁之间。
9.一种激光加工系统，其特征在于，包括：
激光器，所述激光器用于产生激光；
权利要求1～8任一项所述的激光加工头，所述激光加工头用于将所述激光
传输至待加工工件；
第一供给单元和第二供给单元，所述第一供给单元用于为所述激光加工头
提供一定压力的第一流体，所...

【专利技术属性】
技术研发人员：张文武，张天润，郭春海，杨旸，
申请(专利权)人：中国科学院宁波材料技术与工程研究所，
类型：发明
国别省市：浙江;33