CN116727844B - 一种水导激光水射流稳定增强耦合装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种水导激光水射流稳定增强耦合装置，包括：上壳体，上壳体内开设有激光入射腔，用于为激光射入耦合装置提供入射口；下壳体底面开设有射流腔；下壳体内还安装有双面喷嘴；中间壳体中心开设有容纳腔，上壳体及下壳体均安装于容纳腔内；中间壳体顶面还向下开设有与容纳腔连通的灌注腔；灌注腔内形成有灌注组件；本发明通过灌注腔供高压水射入容纳腔内，压水通过径向分流沟槽实现流量的均匀分布，通过喷嘴形成高压水射流，在喷嘴下方设有环形气缝，在水射流周围形成保护气氛，以增强水射流的稳定性，延长了激光与水射流完全耦合长度，提高了水导激光加工设备的加工距离和加工精度。

Description

一种水导激光水射流稳定增强耦合装置

技术领域

本发明属水导激光加工设备技术领域，尤其涉及一种水导激光水射流稳定增强耦合装置。

背景技术

水导激光加工技术是基于全内反射原理，可以生成完全包含在水射流中的激光束，激光束在具有较低密度介质的空气-水界面处反射，激光束从喷嘴沿着微米级水束传播到工件表面，激光用于烧蚀工件；水可用于冷却切削区，并将激光烧蚀碎屑及时冲刷去除。常规激光加工技术中激光的导热效应会产生极高的温度梯度，致使加工区域形成热影响区，使得工件产生裂纹，并伴有熔渣，影响微细加工工件的质量，甚至严重降低加工材料的机械性能。因此，激光加工过程中热致微裂纹、热变形、断面残留熔渣等问题是目前精密激光加工行业亟待解决的关键问题。与传统激光直接烧蚀去除相比，水导激光加工中产生的热累积和毛刺少，加工区表面更光滑，且水导激光加工技术的工作距离更大，激光在稳定水射流柱段中进行全反射，不需要聚焦在焦点位置加工，激光与水射流耦合形成具有高能量密度的导光水射流，在切割过程中会带走熔融的材料，减少了加工材料残渣，没有热影响区和圆周毛刺，加工质量均匀，适合复杂表面及多层材料的切割。

水导激光加工的基本原理就是通过激光束进入水射流束进行全反射，稳定的水射流束能够提高加工深度及精度，同时也是实现水导激光加工的基础，因而目前的研究难点是进一步改善耦合装置水射流束的稳定流态。目前现有的水导激光水射流流态稳定增强方法有很多，但都存在一定的局限性，如单入口单流道、多入口多流道等耦合水腔结构生成的导光水射流稳定状态长度短、射流水柱直径大、水射流压力损耗高。

为了提高水光耦合效率，一方面需要优化耦合水腔及喷嘴结构以提高导光水射流稳定性；另一方面也采用空气射流来增强导光水射流长度和稳定流态以提升加工距离。

发明内容

本发明的目的是提供一种水导激光水射流稳定增强耦合装置，以解决上述问题。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种水导激光水射流稳定增强耦合装置，包括：

上壳体，所述上壳体内开设有激光入射腔，用于为激光射入耦合装置提供入射口；

下壳体；所述下壳体底面开设有射流腔，所述射流腔与所述激光入射腔位置上下对应；所述下壳体内还安装有双面喷嘴；

中间壳体，所述中间壳体中心开设有容纳腔，所述上壳体及下壳体均安装于所述容纳腔内；所述中间壳体顶面还向下开设有与所述容纳腔连通的灌注腔；所述灌注腔内形成有灌注组件；

密封盖，所述密封盖盖设在所述灌注腔顶部。

还包括有透光玻璃；所述透光玻璃嵌设于所述上壳体底面，且设置于所述激光入射腔底部；所述透光玻璃与双面喷嘴之间形成有薄水层；所述灌注腔连通至所述薄水层处。

所述灌注组件包括环形壁；所述环形壁将所述灌注腔分割为外环形通道和内环形通道；所述内环形通道底部开设有轴向入水通道，所述轴向入水通道连通至所述薄水层处；

所述灌注腔外壁还向所述外环形通道内开设有切向入水孔；

所述环形壁上等间距开设有若干个径向分流沟槽；所述径向分流沟槽用于连通所述外环形通道和内环形通道。

所述轴向入水通道顶端对应设置在径向分流沟槽开设处；所述轴向入水通道截面为“L”形结构，且所述轴向入水通道底端朝向所述薄水层设置。

所述切向入水孔开设有至少两个，且等间距对称分布。

所述双面喷嘴顶面和底面分别对应开设有喷嘴上锥面和喷嘴下锥面；所述喷嘴上锥面和喷嘴下锥面之间通过喷嘴喷孔连通；所述喷嘴上锥面与激光入射腔中心位置对应；所述喷嘴下锥面与射流腔位置对应。

所述中间壳体底部还开设有进气通道，所述进气通道延伸至所述下壳体内；所述下壳体内形成有环形气缝；所述进气通道与环形气缝连通。

所述喷嘴上锥面和喷嘴下锥面锥面角度为60°-120°，所述喷嘴喷孔深径比小于2。

与现有技术相比，本发明具有如下优点和技术效果：1、本发明在中间壳体外侧设有若干个对称的切向入水口，减小了传统正向入水口高压水与腔体壁面对冲造成的压力损失，并且减小了容纳腔体内的湍流，提高了导光水射流的喷射压力，促进了稳定均匀的导光水射流形成。

2、本发明在中间壳体内部设有径向分流沟槽，利用分流沟槽将切向进入腔体内的高压水进行压力和流量的均匀分布，并通过轴向入水通道将高压水导入分流沟槽，进入薄水层，提高了喷嘴附近流场的流态稳定性，解决了喷嘴周围流量不一致导致的导光水射流不稳定的问题。

3、本发明在下壳体设有双面喷嘴，双面喷嘴上部分承接薄水层的高压水，下部分生成导光水射流，相比传统的单面下锥形喷嘴，双面喷嘴上锥面通过聚拢高压水形成稳定的向下水射流，解决了喷嘴直角边缘因受高压水长期冲击产生的磨损问题，提高了导光水射流稳定长度的同时进一步增加了喷嘴的使用寿命，而喷嘴下锥面便于生成缩流状态的导光水射流，解决了射流空化现象，促进了导光水射流的稳定形成，同时双面锥形喷嘴增加了喷嘴材料的厚度，提高了喷嘴的耐受压力。

4、本发明在下壳体设有环形气缝，通过进气口输送高压气体至环形气缝，利用环形气缝在水射流周围形成保护气幕，实现导光水射流稳定性提升及稳定长度延长。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图：

图1为本发明水导激光系统耦合装置主剖视图；

图2为本发明水导激光系统耦合装置显示轴向入水通道部分的剖面图；

图3为本发明水导激光系统耦合装置切向入水孔及流道的剖视图；

图4为本发明水导激光系统耦合装置双面喷嘴的剖视图；

图5为本发明水导激光系统耦合装置装配图；

其中，1为上壳体，2为中间壳体，3为切向入水孔，4为激光入射腔，5为透光玻璃，6为进气通道，7为密封盖，8为双面喷嘴，9为下壳体，10为环形气缝，11为环形壁，12为轴向入水通道，13为薄水层，14为径向分流沟槽,15为喷嘴上锥面，16为喷嘴喷孔，17为喷嘴下锥面。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

一种水导激光水射流稳定增强耦合装置，包括：

上壳体1，上壳体1内开设有激光入射腔4，用于为激光射入耦合装置提供入射口；

下壳体9；下壳体9底面开设有射流腔，射流腔与激光入射腔4位置上下对应；下壳体9内还安装有双面喷嘴8；

中间壳体2，中间壳体2中心开设有容纳腔，上壳体1及下壳体9均安装于容纳腔内；中间壳体2顶面还向下开设有与容纳腔连通的灌注腔；灌注腔内形成有灌注组件；

密封盖7，密封盖7盖设在灌注腔顶部。

还包括有透光玻璃5；透光玻璃嵌设于上壳体1底面，且设置于激光入射腔4底部；透光玻璃5与双面喷嘴8之间形成有薄水层13；灌注腔连通至薄水层13处。

灌注组件包括环形壁11；环形壁11将灌注腔分割为外环形通道和内环形通道；内环形通道底部开设有轴向入水通道12，轴向入水通道12连通至薄水层13处；

灌注腔外壁还向外环形通道内开设有切向入水孔3；

环形壁11上等间距开设有若干个径向分流沟槽14；径向分流沟槽14用于连通外环形通道和内环形通道。

轴向入水通道12顶端对应设置在径向分流沟槽14开设处；轴向入水通道12截面为“L”形结构，且轴向入水通道12底端朝向薄水层13设置。

切向入水孔3开设有至少两个，且等间距对称分布。

双面喷嘴8顶面和底面分别对应开设有喷嘴上锥面15和喷嘴下锥面17；喷嘴上锥面15和喷嘴下锥面17之间通过喷嘴喷孔16连通；喷嘴上锥面15与激光入射腔4中心位置对应；喷嘴下锥面17与射流腔位置对应。

喷嘴上锥面15和喷嘴下锥面17锥面角度为60°-120°，喷嘴喷孔16深径比小于2。

中间壳体2底部还开设有进气通道6，进气通道6延伸至下壳体9内；下壳体9内形成有环形气缝10；进气通道6与环形气缝10连通。

在本发明的一个实施例中，如图1-3所示，本发明包括上壳体1、中间壳体2、密封盖7和下壳体9，上壳体1设有激光入射腔4，激光入射腔4为激光射入耦合装置提供入射空间，激光入射腔4底部设有透光玻璃5，用以隔绝水层并用来透射激光；

进一步的，中间壳体2内部设有灌注腔，中间壳体2靠近密封盖7一侧，距离中间壳体2与下壳体9连接端一定高度处，在中间壳体2周向设有两个同心布置的外环形通道和内环形通道，中间壳体2靠近密封盖7一侧沿周向有两个对称的切向入水孔3，两个对称的切向入水孔3与外环形通道和内环形通道连通，供高压水射入耦合装置内，高压水从切向入水孔3进入灌注腔，切向角度的入水口降低了传统正向入水口与腔体壁面对冲造成的压力损失，并且减小了容纳腔体内的湍流，提高了导光水射流的喷射压力，促进了稳定均匀的导光水射流形成。

进一步的，两个同心布置的外环形通道和内环形通道连接壁面为环形壁11，环形壁11上开设有四个周向均布的径向分流沟槽14，高压水通过径向分流沟槽14实现流量的均匀分布，内环形通道对应径向分流沟槽处14处，设有四个沿中间壳体2轴向朝向中间壳体2容纳腔的轴向入水通道12，轴向入水通道12为“L”型结构，用于引导高压水进入所述薄水层13，中间壳体2内部设有四个径向分流沟槽14，利用径向分流沟槽14将切向进入腔体内的高压水进行压力和流量的均匀分布，并通过四个轴向入水通道12将高压水导入径向分流沟槽14，进入薄水层13，提高了双面喷嘴8附近流场的流态稳定性，解决了双面喷嘴8周围流量不一致导致的导光水射流不稳定的问题，随后通过双面喷嘴8形成高压水射流。

进一步的，中间壳体2与下壳体9采用螺纹连接，便于双面喷嘴8的更换，下壳体9与双面喷嘴8采用过盈固定连接，同时在下壳体9远离双面喷嘴8一侧设有环形气缝10，在下壳体9上设置有连通环形气缝10的进气通道6，进气通道6在水射流周围形成保护气氛，以增强水射流的稳定性，进一步延长了激光与水射流完全耦合长度，从而大大提高了水导激光加工设备的加工距离和加工精度。

在本发明的一个实施例中，进气通道6内通入保护气。

在本发明的一个实施例中，如图1所示，时上壳体1与中间壳体2采用螺纹连接。

在本发明的一个实施例中，如图1和图4所示，下壳体9设有双面喷嘴8，双面喷嘴8上部分承接薄水层13的高压水，下部分生成水射流，相比传统的单面下锥形喷嘴，喷嘴上锥面15通过聚拢高压水形成稳定的向下水射流，解决了喷嘴直角边缘因受高压水长期冲击产生的磨损问题，提高了水射流稳定长度的同时进一步增加了喷嘴8的使用寿命，而喷嘴下锥面17便于生成缩流状态的水射流，解决了水射流空化现象，促进了水射流的稳定形成，同时双面喷嘴8增加了喷嘴材料的厚度，提高了喷嘴的耐受压力。

本发明的工作原理为：

本发明工作时，高压水从切向入水孔3以切向角度进入耦合装置，减小了高压水与耦合装置壁面对冲造成的压力损失，经过环形壁11从径向分流沟槽14流入轴向入水通道12，将切向进入腔体内的高压水进行压力和流量的均匀分布，高压水通过为“L”型结构轴向入水通道12，在双面喷嘴8上锥面与透光玻璃5形成的间隙内生成薄水层13，提高了双面喷嘴8附近流场的流态稳定性，解决了双面喷嘴8周围流量不一致导致的导光水射流不稳定的问题，薄水层13高压水通过双面喷嘴8向下生成水射流；进行深孔加工时，激光从激光入射腔4射入耦合装置，穿过透光玻璃5及薄水层13后聚焦于双面喷嘴8处，激光进入水射流，在水射流内部形成全反射，沿着水射流射出方向形成用于加工的水导激光，当水导激光生成后，高压气体从进气通道6进入环形气缝10，环形气缝10在出口方向以水射流方向一致，并且沿双面喷嘴8环形分布，高压气体从环形气缝10喷出，可以防止周围环境空气进入水射流，从而影响稳定水射流的生成，并且高压空气可以将加工残渣迅速清除加工区域，防止残渣堆积导致加工效率下降，提高了加工过程中导光水射流的稳定性，进而大大提高了水导激光的加工距离和精度。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

以上所述的实施例仅是对本发明的优选方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (5)

1.一种水导激光水射流稳定增强耦合装置，其特征在于，包括：

上壳体(1)，所述上壳体(1)内开设有激光入射腔(4)，用于为激光射入耦合装置提供入射口；

下壳体(9)；所述下壳体(9)底面开设有射流腔，所述射流腔与所述激光入射腔(4)位置上下对应；所述下壳体(9)内还安装有双面喷嘴(8)；

中间壳体(2)，所述中间壳体(2)中心开设有容纳腔，所述上壳体(1)及下壳体(9)均安装于所述容纳腔内；所述中间壳体(2)顶面还向下开设有与所述容纳腔连通的灌注腔；所述灌注腔内形成有灌注组件；

密封盖(7)，所述密封盖(7)盖设在所述灌注腔顶部；还包括有透光玻璃(5)；所述透光玻璃嵌设于所述上壳体(1)底面，且设置于所述激光入射腔(4)底部；所述透光玻璃(5)与双面喷嘴(8)之间形成有薄水层(13)；所述灌注腔连通至所述薄水层(13)处；所述灌注组件包括环形壁(11)；所述环形壁(11)将所述灌注腔分割为外环形通道和内环形通道；所述内环形通道底部开设有轴向入水通道(12)，所述轴向入水通道(12)连通至所述薄水层(13)处；

所述灌注腔外壁还向所述外环形通道内开设有切向入水孔(3)；

所述环形壁(11)上等间距开设有若干个径向分流沟槽(14)；所述径向分流沟槽(14)用于连通所述外环形通道和内环形通道；所述双面喷嘴(8)顶面和底面分别对应开设有喷嘴上锥面(15)和喷嘴下锥面(17)；所述喷嘴上锥面(15)和喷嘴下锥面(17)之间通过喷嘴喷孔(16)连通；所述喷嘴上锥面(15)与激光入射腔(4)中心位置对应；所述喷嘴下锥面(17)与射流腔位置对应。

2.根据权利要求1所述的一种水导激光水射流稳定增强耦合装置，其特征在于：所述轴向入水通道(12)顶端对应设置在径向分流沟槽(14)开设处；所述轴向入水通道(12)截面为“L”形结构，且所述轴向入水通道(12)底端朝向所述薄水层(13)设置。

3.根据权利要求1所述的一种水导激光水射流稳定增强耦合装置，其特征在于：所述切向入水孔(3)开设有至少两个，且等间距对称分布。

4.根据权利要求1所述的一种水导激光水射流稳定增强耦合装置，其特征在于：所述喷嘴上锥面(15)和喷嘴下锥面(17)锥面角度为60°-120°，所述喷嘴喷孔(16)深径比小于2。

5.根据权利要求1所述的一种水导激光水射流稳定增强耦合装置，其特征在于：所述中间壳体(2)底部还开设有进气通道(6)，所述进气通道(6)延伸至所述下壳体(9)内；所述下壳体(9)内形成有环形气缝(10)；所述进气通道(6)与环形气缝(10)连通。