去耦的液體射流引導的雷射器噴嘴帽的製作方法
2023-09-15 15:18:05 2
大體上，公開了一種用於液體射流引導的雷射器系統的噴嘴帽。具體而言，噴嘴帽使液體射流與軸向輔助氣體去耦來減少液體射流的幹擾。
背景技術：
有時稱為液體微射流(lmj)的液體射流引導的雷射器技術將雷射焦點耦合到小液體射流中，例如，通過聚焦透鏡。這種耦合在耦合單元中發生。耦合單元可包括利用雷射保護窗閉合的在聚焦透鏡一側的金屬室。在相對側，室承載噴嘴。提供至耦合單元的液體在窗與噴嘴之間流動且以液體射流的形式離開噴嘴。焦平面中的雷射點的能量俘獲在液體射流內且通過內部反射引導至工件。該方法消除了精確地控制工件的距離的需要，因為執行處理所需的能量貫穿液體射流的層流長度可用。提供適合的光引導能力的任何液體都可用於形成液體射流。
液體射流的層流長度可通過將輔助氣體提供至液體射流來增大以延長過程的工作距離。輔助氣體作為直接邊界層引導至液體射流，以便減小液體與環境空氣之間的阻力，且因此增大液體射流的層流長度。因此，液體射流由輔助氣體包圍且在耦合單元內，輔助氣體朝液體射流引導。例如，輔助氣體可在水平面中朝在垂直平面中行進的液體射流進入耦合單元。輔助氣體和液體射流然後離開系統，其中液體射流在由輔助氣體包圍的中部。
存在輔助氣體與液體射流之間的從屬性。例如，輔助氣體的壓力和流動性質可選擇成優化液體射流的層流。輔助氣體的其它操作狀態可不利地影響液體射流。例如，輔助氣體的高壓力可縮短液體射流的層流，且輔助氣體的甚至更高的壓力可破壞液體射流。輔助氣體還可中斷液體射流中的雷射束的內部反射，從而影響雷射處理功率。
技術實現要素：
本公開內容的方面和優點將在以下描述中部分地提出，或可從描述中清楚，或可通過實施本公開內容學習到。
公開了一種用於液體射流引導的雷射器系統的頭部組件，其具有：可除去地設置至雷射器系統的雷射聚焦光學模塊的耦合單元。耦合單元具有可除去地連接至耦合單元的噴嘴組件。噴嘴組件限定軸向方向和徑向方向且具有液體射流噴嘴和噴嘴帽。液體射流噴嘴構造成形成液體射流。噴嘴帽具有噴嘴帽本體，其限定沿軸向對準且延伸穿過噴嘴帽本體的中心的液體射流孔。多個軸向輔助氣體管道和靜態輔助氣體管道與輔助氣體源流體連通且通過以與液體射流孔同心的環形樣式定位的進入埠進入噴嘴帽本體。軸向輔助氣體管道和靜態輔助氣體管道延伸穿過噴嘴帽本體以將輔助氣體獨立地輸送至定位成鄰近液體射流排出輔助氣體的軸向出射埠和靜態出射埠。該多個軸向輔助氣體管道的至少一部分與液體射流孔分隔開以免流體連通。還公開了液體射流引導的雷射器系統，其具有側向移動組件，該組件構造成使雷射聚焦光學模塊與可除去地附接至側向移動組件的耦合單元附接。
技術方案1.一種用於液體射流引導的雷射器系統的頭部組件，包括；
可除去地設置至所述雷射器系統的雷射聚焦光學模塊的耦合單元，所述耦合單元包括；
可除去地連接至所述耦合單元的噴嘴組件，所述噴嘴組件限定軸向方向和徑向方向且包括液體射流噴嘴和噴嘴帽，其中所述液體射流噴嘴構造成形成液體射流，所述噴嘴帽包括；
噴嘴帽本體，其限定沿軸向對準且延伸穿過所述噴嘴帽本體的中心的液體射流孔，
與輔助氣體源流體連通的多個軸向輔助氣體管道和靜態輔助氣體管道，所述多個軸向輔助氣體管道和多個靜態輔助氣體管道通過以與所述液體射流孔同心的環形樣式定位的進入埠進入所述噴嘴帽本體且延伸穿過所述噴嘴帽本體以將輔助氣體獨立地輸送至定位成鄰近所述液體射流排出輔助氣體的軸向出射埠和靜態出射埠；以及
其中所述多個軸向輔助氣體管道的至少一部分與所述液體射流孔分隔開以免流體連通。
技術方案2.根據技術方案1所述的頭部組件，其中，所述軸向出射埠的至少一部分定位成在大約10度到大約40度的範圍中的液體射流會聚角下射出所述輔助氣體。
技術方案3.根據技術方案1所述的頭部組件，其中，所述靜態出射埠的至少一部分定位成用於與所述液體射流孔徑向流體連通。
技術方案4.根據技術方案1所述的頭部組件，其中，所述多個軸向輔助氣體管道和所述多個靜態輔助氣體管道的直徑在大約0.005英寸到大約0.03英寸的範圍中。
技術方案5.根據技術方案1所述的頭部組件，其中，所述頭部組件還包括可除去地設置在隔膜槽口中的隔膜。
技術方案6.根據技術方案5所述的頭部組件，其中，所述隔膜定位成垂直於所述液體射流的軸向方向且延伸足夠的距離來通過所述隔膜阻擋輔助氣體連通。
技術方案7.根據技術方案5所述的頭部組件，其中，所述頭部組件還包括限定在大約1:4到1:10的範圍中的形狀比的隔膜中心孔。
技術方案8.根據技術方案1所述的頭部組件，其中，所述耦合單元包括用於供應環形導管的液體。
技術方案9.根據技術方案1所述的頭部組件，其中，所述頭部組件還包括輔助氣體歧管，其構造成將輔助氣體通過環形空間供應至所述多個軸向輔助氣體管道和多個靜態輔助氣體管道。
技術方案10.根據技術方案1所述的頭部組件，其中，所述耦合單元包括可除去地設置至所述噴嘴組件的窗元件。
實施方案11.一種液體射流引導的雷射器系統，包括：
構造成附接至雷射聚焦光學模塊的側向移動組件；
可除去地附接至所述側向移動組件的耦合組件，其中所述側向移動組件允許在垂直於所述液體射流引導的雷射器系統的雷射束的平面中調整所述耦合組件的位置，所述耦合組件包括；
可除去地連接至耦合單元的噴嘴組件，所述噴嘴組件限定軸向方向和徑向方向且包括液體射流噴嘴和噴嘴帽，其中所述液體射流噴嘴構造成形成液體射流，所述噴嘴帽包括；
噴嘴帽本體，其限定沿軸向對準且延伸穿過所述噴嘴帽本體的中心的液體射流孔，
與輔助氣體源流體連通的多個軸向輔助氣體管道和靜態輔助氣體管道，所述多個軸向輔助氣體管道和多個靜態輔助氣體管道通過以與所述液體射流孔同心的環形樣式定位的進入埠進入所述噴嘴帽本體且延伸穿過所述噴嘴帽本體以將輔助氣體獨立地輸送至定位成鄰近所述液體射流排出輔助氣體的軸向出射埠和靜態出射埠；且
其中所述多個軸向輔助氣體管道的至少一部分與所述液體射流孔分隔開以免流體連通。
實施方案12.根據實施方案11所述的雷射器系統，其中，所述軸向出射埠的至少一部分定位成在大約10度到大約40度的範圍中的液體射流會聚角下射出所述輔助氣體。
實施方案13.根據實施方案11所述的雷射器系統，其中，所述靜態出射埠的至少一部分定位成用於與所述液體射流孔徑向流體連通。
實施方案14.根據實施方案11所述的雷射器系統，其中，所述多個軸向輔助氣體管道和所述多個靜態輔助氣體管道的直徑在大約0.005英寸到大約0.03英寸的範圍中。
實施方案15.根據權利要求11所述的雷射器系統，其中，所述雷射器系統還包括可除去地設置在隔膜槽口中的隔膜。
實施方案16.根據實施方案15所述的雷射器系統，其中，所述隔膜定位成垂直於所述液體射流的軸向方向且延伸的足夠距離來通過所述隔膜阻擋輔助氣體連通。
實施方案17.根據實施方案15所述的雷射器系統，其中，所述雷射器系統還包括限定在大約1:2到1:10的範圍中的形狀比的隔膜中心孔。
實施方案18.根據實施方案11所述的雷射器系統，其中，所述耦合單元包括用於供應環形導管的液體。
實施方案19.根據實施方案11所述的雷射器系統，其中，所述雷射器系統還包括輔助氣體歧管，其構造成將輔助氣體通過環形空間供應至所述多個軸向輔助氣體管道和多個靜態輔助氣體管道。
實施方案20.根據實施方案11所述的雷射器系統，其中，所述耦合單元包括可除去地設置至所述噴嘴組件的窗元件。
實施方案21.根據技術方案5所述的頭部組件，其中，所述頭部組件還包括限定在大約1:2到1:10的範圍中的形狀比的隔膜中心孔。
本公開內容的這些及其它特徵、方面和優點將參照以下描述和所附權利要求變得更好理解。併入且構成本說明書的一部分的附圖說明了本公開內容的實施例，且連同描述用於闡釋本公開內容的原理。
附圖說明
針對本領域的普通技術人員的包括其最佳模式的本發明的完整且開放的公開內容在參照附圖的說明書中提出，在附圖中：
圖1示出了穿過頭部組件的實施例的截面。
圖2為噴嘴帽的實施例的側視圖。
圖3為噴嘴帽的實施例的頂視圖。
圖4為噴嘴帽的實施例的透視圖。
圖5為具有靜態輔助氣體埠的噴嘴帽的另一個實施例的透視圖。
圖6為噴嘴帽的實施例的端視圖。
本說明書和附圖中的參考標號的重複使用意在表示本公開內容的相同或相似的特徵或元件。
構件清單
20液體射流引導的雷射器系統
21頭部組件
22耦合組件
24雷射聚焦光學模塊
26雷射束
28聚焦透鏡
30側向移動組件
31輔助氣體
32靜態輔助氣體管道
33液體射流
35靜態出射埠
40側向移動組件
41隔膜槽口
42隔膜
50雷射聚焦光學模塊
51支座
53環形連接部分
55排放導管
57耦合單元
59圓錐形開口
60噴嘴組件
61a,61b進入埠
62窗元件
63中間空間
65液體射流噴嘴
67徑向管線
69環形導管
70液體
71流體噴嘴
73上部部分空間
75下部部分空間
77噴嘴帽
78噴嘴帽本體
79液體射流孔
81a,81b軸向輔助氣體管道
83輔助氣體歧管
85環形空間
91a,91b軸向出射埠
θ液體射流會聚角。
具體實施方式
現在將對本公開內容的實施例進行詳細參照，其一個或多個示例在附圖中示出。各個示例通過闡釋本公開內容的方式提供，而不限制本公開內容。實際上，本領域的技術人員將清楚的是，在不脫離本公開內容的範圍或精神的情況下，可在本公開內容中作出各種改型和變型。例如，示為或描述為一個實施例的一部分的特徵可結合另一個實施例使用以產生又一個實施例。因此，期望本公開內容覆蓋歸入所附權利要求和其等同物的範圍內的此類改型和變型。
如本文使用的用語"軸向"和"徑向"是指關於中心流體通路中的流體流的相對方向，其中"軸向"平行於中心流體通路，且"徑向"垂直於中心流體通路且從中心流體通路中的公共中心點發散。另外，"上遊"是指流體流出的方向，且"下遊"是指流體流至的方向。
所有方向參照(例如，徑向、軸向、近側、遠側、上、下、向上、向下、左、右、側向、前、後、頂部、底部、上方、下方、垂直、水平、順時針、反時針等)僅用於識別目的以有助於讀者的理解，且不產生特別是關於本發明的位置、定向或使用的限制。連接參照(例如，附接、聯接、連接和連結)寬泛地構想出，且可包括一系列元件之間的中間部件以及元件之間的相對移動，除非另外指出。因此，連接參照不一定是指兩個元件直接地連接且與彼此成固定關係。示例性的圖僅出於說明目的，且附於此的圖中反映的尺寸、位置、順序和相對大小可變化。
圖1示出了穿過液體射流引導的雷射器系統20的頭部組件(21)的實施例的截面，其可包括耦合至雷射聚焦光學模塊24的耦合組件22。雷射聚焦光學模塊24可包括雷射束26和光學元件(諸如聚焦透鏡28)。在一些實施例中，調整雷射束26的聚焦由可耦合在雷射聚焦光學模塊24與耦合組件22之間的側向移動組件30輔助，因此允許耦合組件22在垂直於雷射束26的方向的側向平面中移動。
支座51具有環形連接部分53，支座51形成漏鬥的類型以使聚焦的雷射束26從雷射聚焦光學模塊24穿過側向移動組件30。雷射束26穿過窗元件62聚焦到液體射流噴嘴65中的液體噴嘴71中。支座51以環形形狀包圍耦合單元57且以同軸布置將其保持。在頂部，耦合單元57具有開口59，開口59從頂部到底部圓錐形地漸縮。在圓錐形開口59的下端處形成了肩部，窗元件62接觸在肩部上。在窗元件62的下側上，存在具有液體射流噴嘴65和噴嘴帽77的噴嘴組件60。薄的中間空間63用作窗元件62與液體射流噴嘴65之間的流體流入管線。
液體70(例如，水)經由環形導管69且然後經由徑向管線67以必要的壓力(例如，400巴)給送到中間空間63中。液體射流噴嘴65鄰近流體噴嘴71從下方插入耦合單元57的圓柱形內部空間中。液體射流噴嘴65在其面向中間空間63的上側上具有凹口，流體噴嘴71插入凹口中。流體噴嘴71具有中心軸嚮導管，軸嚮導管形成流體33(見圖2)的細射流，其以光學波導的方式引導雷射輻射。導管具有與期望的流體射流的直徑對應的直徑，例如，30到60微米。
鄰近流體噴嘴71，存在氣體保持空間，其在本示例中由上部部分空間73和下部部分空間75形成。這允許了在液體射流噴嘴65的下端給送的輔助氣體31膨脹而不幹擾流體33的射流。
圖2-圖6為安裝在液體射流噴嘴65的下側的噴嘴帽77的各種視圖。噴嘴帽77在上部部分空間73和下部部分空間75鄰接彼此的位置處連接。噴嘴帽77具有噴嘴帽本體78，其限定沿軸向對準且從形成下部部分空間75的腔延伸穿過噴嘴帽本體78的中心至底部末梢的液體射流孔79。其從頂部到底部在軸向方向上圓錐形地漸縮。例如，液體射流孔79具有1到2mm的直徑。
噴嘴帽77具有定位在噴嘴帽77的頂面附近的輔助氣體歧管83(見圖1)。歧管83通過環形空間85(見圖1)供應。輔助氣體31從歧管83引入到多個軸向輔助氣體管道81a、81b和靜態輔助氣體管道32。多個軸向氣體管道81a、81b和靜態輔助氣體管道32可為適合於將輔助氣體31輸送至不同位置的任何數目的管道。軸向輔助氣體管道81a、81b和靜態輔助氣體管道32兩者的直徑可為不同或相同的，且可在大約0.005''(英寸)直逕到0.03''直徑的範圍中。多個軸向輔助氣體管道81a、81b與輔助氣體源31流體連通，通過進入埠61a、61b(圖2)進入噴嘴帽本體78且以與液體射流孔79同心的環形樣式定位。靜態輔助氣體管道32也與輔助氣體源31流體連通，且可定位成以徑向樣式延伸來垂直於中心流體通路排出靜態輔助氣體。軸向輔助氣體管道81a、81b延伸穿過噴嘴帽本體78以將輔助氣體31獨立地輸送至定位成鄰近液體射流33排出輔助氣體31的軸向出射埠91a、91b。軸向輔助氣體管道81a、81b的至少一部分與液體射流孔79分隔開以免流體連通以使輔助氣體31與液體射流33去耦。軸向出射埠91a、91b可構造為形成為在大約10度到大約40度的範圍中的液體射流會聚角θ下射出輔助氣體的軸向出射埠。
圖2和圖5示出了隔膜42的實施例，其可除去地設置在隔膜槽口41中，槽口41定位成垂直於穿過液體射流孔79的軸向方向，且延伸足夠距離來通過隔膜42阻擋輔助氣體連通。隔膜可為大約0.04''到0.5''厚，帶有大約0.02''到0.05''直徑的中心孔。這些尺寸可在大約1:2到1:10之間的形狀比(孔直徑:隔膜厚度)內變化。圖3和圖4為圖2中所示的噴嘴帽77的頂視圖和透視圖。
圖5為具有多個靜態輔助氣體管道32的噴嘴帽77的另一個實施例形狀，其中靜態出射埠35定位成排放到下部部分75中。靜態出射埠35以徑向樣式離開噴嘴帽本體78以大致垂直於中心流體通路排出靜態輔助氣體31。靜態出射埠從中心流體通路中的公共中心點發散。圖6為圖4的實施例的底視圖。
適用於構造帶有軸向輔助氣體管道81a、81b、靜態輔助氣體管道32、隔膜42和lmj頭部組件(21)的其它部分的噴嘴帽77的增材製造技術包括但不限於材料噴射、粘結劑噴射、材料擠出、粉末床熔合、直接金屬雷射熔化、選擇性雷射熔化、選擇性雷射燒結、直接金屬雷射燒結、電子束熔化、選擇性熱燒結、板層疊、直接能量沉積和/或它們的組合。
該書面描述使用示例來公開本發明，包括最佳模式，並且還使本領域技術人員能夠實踐本發明，包括製造和使用任何裝置或系統以及執行任何包含的方法。本公開內容可申請專利的範圍由權利要求限定，並且可包括本領域技術人員想到的其它示例。如果這些其它示例具有不與權利要求的字面語言不同的結構要素，或者如果它們包括與權利要求的字面語言無實質差異的等同結構要素，則意在使這些其它示例處於權利要求的範圍內。