一种水导激光加工系统技术方案

本实用新型专利技术为一种水导激光加工系统，工件固定于工作台上的水槽底面，配有1套偏转水束装置，喷嘴产生的水束与激光束的中心线处于同一平面，水束下方设置电极，在电极非匀强电场使水束偏转竖直向下，激光聚焦于竖直向下流动的水束内，水束引导激光束作用于工作台上的工件。还可配2～5套偏转水束装置，各水束汇聚为竖直向下的总水束引导激光束。本实用新型专利技术激光的高温软化的工件表面材料同时水束冷却加工区域减小热损伤。无需与激光束中心线一致的喷嘴，喷嘴不会烧蚀，显著降低装置的成本，有利于水导激光的推广应用。

【技术实现步骤摘要】
一种水导激光加工系统
本技术涉及水导激光加工技术，具体为一种水导激光加工系统，采用非匀强电场偏转水束流向，以避免激光烧蚀产生水流的喷嘴。
技术介绍
水导激光加工方法将激光聚焦于细水束内部，激光在水束内部全反射沿水束传播，激光烧蚀工件表面的同时细水束冲击工件去除材料完成切割加工。因水束直径极小，所以水导激光加工实现了微损伤切割，且因水束冲刷激光产生的熔融物质和切屑，使加工断面平整，没有明显的重铸层，显著提高了加工质量。具有一些固有的缺陷需要加以克服。水导激光加工显然在精密加工领域水导激光加工的诸多优良的特性使之具有巨大的应用前景，但是现有的水导激光加工装置有一个明显的缺陷：激光和水束的耦合困难。现有的水导激光加工装置中激光束经过聚焦透镜，被聚焦到水腔喷嘴微孔的中心，耦合进喷嘴产生的低压微水柱中。微水柱通过水和空气之间界面的全反射引导激光束，达到工件表面，在激光加热软化工件的加工区域材料，同时，水柱的高速水流冲击去除软化区域的材料并且强化冷却效果。这样的装置中必须将调节激光焦点使之准确位于产生水束的喷嘴中心，稍有偏差，激光束的高温即会烧损喷嘴。另外加工过程中，喷嘴产生的水束如果受到外界环境影响可能被拉偏，也会造成激光烧蚀喷嘴的事故。要完成28μm以下的激光加工切痕，微水束的直径不能大于22μm，那么喷嘴微孔直径就不能超过26μm，而喷嘴的厚度一般在1～2mm，这就要求在钻石、金刚石等高硬度材料上，加工超过1mm长度，直径为26μm甚至更小的通孔，同时要求加工表面具有极高的光洁度，这对喷嘴的加工提出了极为苛刻的要求，导致喷嘴的成本较高。喷嘴成本高、又易损坏，这使得现有的水导激光设备投入成本和维护成本都较高，妨碍水导激光工艺的推广使用。
技术实现思路
本技术的目的是设计一种水导激光加工系统，包括水槽和固定水槽的工作台，工件固定于水槽底面，喷嘴产生的水束下方设置电极，在电极非匀强电场作用下水分子的极性使水束偏转竖直向下，激光聚焦于竖直向下的水束内，水束引导激光束作用于工作台上的工件，激光的高温软化的工件表面材料同时水束冷却加工区域减小热损伤。本系统无需与激光束中心线一致的喷嘴，显著降低装置的成本，有利于水导激光的推广应用。本技术设计的一种水导激光加工系统，包括水槽和工作台，工作台台面为水平面，水槽固定于工作台台面，工件固定于水槽内底面，激光器位于水槽上方，激光器发出的激光束中心线垂直于工作台台面，还配有1套偏转水束装置，其中包括喷嘴和正、负电极各一个。产生水束的喷嘴设置于激光束一侧，喷嘴中心线与激光束中心线处于同一铅垂平面，二中心线的夹角为10°～30°，喷嘴出口与激光束中心线的距离为10mm～30mm，喷嘴出口与工作台台面的距离为20～60mm。喷嘴出口水束的下方配有正电极，激光束另一侧与正电极相对处配有负电极，正、负电极的电压差为1000V～3000V，正、负电极产生的非匀强电场垂直于喷嘴中心线和激光束中心线组成的平面，正、负电极中心低于喷嘴出口，正、负电极中心与喷嘴出口的垂直距离为10mm～30mm。因水分子为极性分子，在非匀强电场中水的阴离子或阳离子受带电的电极吸引，非均匀电场作用于水束，使水束向下偏转、竖直向下流动。所述激光束聚焦于竖直向下流动的水束中，激光束在竖直向下的水束内发生全反射，在水束的光路中传播到达固定于工作台上的工件表面。所述竖直向下流动的水束和激光束的中心线重合。所述喷嘴出口孔径10μm～600μm，喷嘴出口的水流流速为5m/s～100m/s。所述正电极为电极棒，其直径等于或大于喷嘴口径，其长度为2mm～15mm，电极棒的轴向中心线为水平线，处于喷嘴中心线和激光束中心线构成的平面。电极棒的一端与激光束中心线的距离为喷嘴出口与激光束中心线距离的2/3～1/3。正电极固定于三维调整架上，以调节电极棒与喷嘴出口的相对位置。负电极为电极板，电极板板面与正电极的轴向中心线垂直。电极板板面的面积为正电极径向截面的20倍以上，正电极的轴向中心线的延长线穿过电极板板面，电极板板面与激光束中心线的距离为5～20mm，较佳方案为正电极的轴向中心线的延长线穿过电极板板面的中心。所述工作台为三维可调节的工作台。使用时调节喷嘴流量，使水束稳定；然后调节正、负电极的电压和位置，使水束偏转，且偏转后水束为竖直向下；最后调节激光器及聚焦透镜，使激光束聚焦在竖直向下的水束中。本技术设计的一种水导激光加工系统的另一方案为配有2～5套如上所述的偏转水束装置，各套偏转水束装置偏转的水束合为竖直向下流动的总水束，激光束聚焦于总水束内。各套偏转水束装置的正电极中心线与激光束中心线构成的铅垂平面之间的夹角为20°～160°。各套偏转水束装置相同。与现有技术相比，本技术一种水导激光加工系统的优点为：1、引导激光的水束不需要由大长径比的昂贵喷嘴产生，激光与水束的耦合过程不存在喷嘴烧蚀的问题，也不需要传统水导激光装置中复杂的腔室结构，设备成本和维护成本显著降低；2、水束的直径不受传统水导激光装置喷嘴直径的限制，可以采用更细小的水束，进一步提高加工精度；3、激光焦点无需精确地定位在产生水束喷嘴的特定位置，只需和竖直向下流动的水束重合共线即可，降低激光聚焦精度的要求，减小了激光束与水束的耦合难度；4、不存在喷嘴周围聚集的液滴拉偏水束、激光和水束偏离加工路径的问题，使水导激光加工质量稳定。附图说明图1为本水导激光加工系统实施例1结构示意图；图2为本水导激光加工系统实施例2结构示意图；图3为本水导激光加工系统实施例2的俯视示意图；图4为本水导激光加工系统实施例3的俯视示意图。图内标号为：1、喷嘴，2、水束，3、激光束，4、负电极，5、工件，6水槽，7、工作台，8、三维调整架，9、正电极，10、总水束。具体实施方式下面结合附图和实施例对本技术做详细的说明：水导激光加工系统实施例1本水导激光加工系统实施例1如图1所示，三维可调节的工作台7台面为水平面，水槽6固定于工作台7台面，工件5固定于水槽6内底面，激光器位于水槽6上方，激光器发出的激光束3中心线垂直于工作台7台面，还配有1套偏转水束装置，其中包括喷嘴1和正、负电极各一个。产生水束2的喷嘴1设置于激光束3一侧，喷嘴1中心线与激光束3中心线处于同一铅垂平面，本例二中心线的夹角θ＝25°，喷嘴1出口与激光束3中心线的距离为20mm，喷嘴1出口与工作台7台面的距离为40mm。本例喷嘴1出口孔径500μm，喷嘴出口的水流流速为50m/s。喷嘴1出口水束2的下方配有作为正电极9的电极棒，本例电极棒直径1mm、长度20mm，轴向中心线为水平线，处于喷嘴1中心线和激光束3中心线构成的平面，与喷嘴1出口的垂直距离为20mm。电极棒的一端与激光束3中心线的距离为20mm。作为正电极9的电极棒固定于三维调整架8上，以调节电极棒与喷嘴1的相对位置。正、负电极9、4产生的非匀强电场垂直于喷嘴中心线和激光束中心线组成的平面，正、负电极9、4中心低于喷嘴出口。因水分子为极性分子，在非匀强电场中水的阴离子或阳离子受带电的电极吸引，水束被偏转，流动方向竖直向下。本例激光束3另一侧与作为正电极9的电极棒相对配有作为负电极4的电极板，电极板板面与电极棒的轴向中心线垂直，电极板板面为边长10mm本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种水导激光加工系统，包括水槽(6)和工作台(7)，工作台(7)台面为水平面，水槽(6)固定于工作台(7)台面，工件(5)固定于水槽(6)内底面，激光器位于水槽(6)上方，激光器发出的激光束(3)中心线垂直于工作台(7)台面，其特征在于：还配有1套偏转水束装置，其中包括喷嘴(1)和正、负电极(9、4)各一个；产生水束(2)的喷嘴(1)设置于激光束(3)一侧，喷嘴(1)中心线与激光束(3)中心线处于同一铅垂平面，二中心线的夹角为10°～30°，喷嘴(1)出口与激光束(3)中心线的距离为10mm～30mm，喷嘴(1)出口与工作台(7)台面的距离为20～60mm；喷嘴(1)出口水束(2)的下方配有正电极(9)，激光束(3)另一侧与正电极(9)相对处配有负电极(4)，正、负电极(9、4)之间的电压差为1000V～3000V，正、负电极(9、4)产生的非匀强电场垂直于喷嘴(1)中心线和激光束(3)中心线组成的平面，正、负电极(9、4)中心低于喷嘴(1)出口，正、负电极(9、4)中心与喷嘴(1)出口的垂直距离为10mm～30mm；所述非匀强电场作用于水束(2)使之向下偏转、竖直向下流动；所述激光束(3)聚焦于竖直向下流动的水束(2)中，激光束(3)在竖直向下的水束(2)的光路中传播到达工件(5)表面。...

【技术特征摘要】
1.一种水导激光加工系统，包括水槽(6)和工作台(7)，工作台(7)台面为水平面，水槽(6)固定于工作台(7)台面，工件(5)固定于水槽(6)内底面，激光器位于水槽(6)上方，激光器发出的激光束(3)中心线垂直于工作台(7)台面，其特征在于：还配有1套偏转水束装置，其中包括喷嘴(1)和正、负电极(9、4)各一个；产生水束(2)的喷嘴(1)设置于激光束(3)一侧，喷嘴(1)中心线与激光束(3)中心线处于同一铅垂平面，二中心线的夹角为10°～30°，喷嘴(1)出口与激光束(3)中心线的距离为10mm～30mm，喷嘴(1)出口与工作台(7)台面的距离为20～60mm；喷嘴(1)出口水束(2)的下方配有正电极(9)，激光束(3)另一侧与正电极(9)相对处配有负电极(4)，正、负电极(9、4)之间的电压差为1000V～3000V，正、负电极(9、4)产生的非匀强电场垂直于喷嘴(1)中心线和激光束(3)中心线组成的平面，正、负电极(9、4)中心低于喷嘴(1)出口，正、负电极(9、4)中心与喷嘴(1)出口的垂直距离为10mm～30mm；所述非匀强电场作用于水束(2)使之向下偏转、竖直向下流动；所述激光束(3)聚焦于竖直向下流动的水束(2)中，激光束(3)在竖直向下的水束(2)的光路中传播到达工件(5)表面。2.根据权利要求1所述的水导激光加工系统，其特征在于：所述竖直向下流动的水束(2)和激光束(3)的中心线重合。3.根据权利要求1所述的水导激光加工系统，其...

【专利技术属性】
技术研发人员：龙芋宏，黄宇星，刘清原，周嘉，李海建，赵要武，杨林帆，焦辉，
申请(专利权)人：桂林电子科技大学，
类型：新型
国别省市：广西,45