用於薄壁管材雷射微加工的同軸水射流裝置的製作方法

2023-05-26 21:55:16

專利名稱：用於薄壁管材雷射微加工的同軸水射流裝置的製作方法
技術領域：
本實用新型 涉及一種用於薄壁管材雷射微加工的同軸水射流裝置。
背景技術：
雷射微加工由於加工效率高、切割殘渣少、非接觸加工、易實現加工過程的自動化等特點，因而成為薄壁管材加工的主要方法。薄壁管材的雷射切割是由相互重疊的雷射脈衝點在管材上沿切割線移動，同時輸入高壓氧輔助熔化切割。雷射聚焦點處材料熔融氣化，熔渣被氣體吹出，在金屬管壁上形成切割軌跡。熔融氣體和熔渣起初向外發射，但是最後，大部分的蒸汽都變成了碎屑，散布在燒蝕圖樣表面四周和刻槽內。碎屑的形成破壞了零件的外觀和性能。它也降低了燒蝕效率，由於前一次留下來的碎屑可能擋住下一次掃描時雷射光束傳播的路徑。在雷射切割大管徑的管材時，小區域過熱帶來的影響不大。但是，很多應用中需要切割微小管徑的管材，(管徑一般小於5mm)在雷射加工過程中會快速產生熱量，零件的熱擴散會產生熱損傷，無論是熱影響區、融化區域、重鑄，還是渣滓，都改變了微結構。零件熱影響區域危害了零件的完整性，進而明顯降低了加工產量。一般雷射微加工工藝有幹切和溼切兩種工藝，幹切工藝是將輔助氣體吹在雷射與材質作用區域，用於去除切口的碎渣並冷卻雷射作用區。溼切通常在小零件切割中有優勢，因為小的金屬零件在切割過程中會快速產生熱量，溼切在保持熱影響區溫度最小方面具有重要作用，尤其是因為特擴散導致的溫度增加，溼切能幫助維持工件中最佳的熱管理。同時由於熔化及凝結後的材料仍殘留在切口及切割表面。為了消除它們，有限氣壓的輔助氣流通常在雷射束附近被生成。但是，這一氣流並不十分有效，因為僅有一小部分的氣體穿透進入切口。除了切口附近的碎屑，還有熔化顆粒以及蒸發材料在表面的沉積。而引入高壓水到切割點，在工件表面會產生一層很薄的水膜。落在薄膜上的顆粒很快冷卻並無法粘結在工件的表面。導水方式的具體實現相比於幹切工藝，溼切工藝多了導水環節，需要向切割點位置導入冷卻水。CN202006338U公開一種高功率雷射切割機和導光系統，其包括水冷聚焦鏡內筒、水冷聚焦鏡外套，水冷聚焦鏡內筒、水冷聚焦鏡外套之間通有冷卻水，聚集鏡及其保護片安裝在水冷聚焦鏡內筒中，所述水冷聚焦鏡內筒的雷射輸出端安裝有縱向截面呈兩端小、中間大的雙錐形吹氣套，在吹氣套的上錐部外側表面上設置有進氣接頭。CN1827282公開了一種用於CO2數控雷射切割機的數控雷射切割頭及其製造方法。數控雷射切割頭包括水冷組件，所述水冷組件的上、下部分均是整體式環形冷卻水道結構，其環形冷卻水槽是一次性機械加工成型的；採用以上技術使數控雷射切割頭在使用時氣壓與光能量的損耗小、聚焦效果好、密封性好、被切割的板材厚度更大、板材利用率高，並具有聞強度、聞耐壓性和聞導熱性。現有技術中並沒有報導採用同軸進入冷卻水的雷射切割機，也沒有報導採用同軸入射的水流減少熱影響區，降低熱應力以抑制工件表面裂紋產生的技術。
實用新型內容本實用新型所要解決的技術問題是雷射加工微小管徑管材的過程中，產生的熱量對零件造成熱損傷，碎屑不易清除，加工的工件使用壽命低的問題，提供一種用於薄壁管材雷射微加工的同軸水射流裝置，採用該裝置加工微小管徑的薄壁管材，具有熱損傷小，碎屑易清除，加工的工件使用壽命長的優點。為解決上述技術問題，本實用新型採用的技術方案如下一種用於薄壁管材雷射微加工的同軸水射流裝置，呈中空圓柱形，上端有光電傳感器安裝座3，光電傳感器I和光電傳感器調焦旋鈕2設在光電傳感器安裝座3的上面，光電傳感器安裝座3下面，同軸水射流裝置內部設有45°反射鏡4，與45°反射鏡4對應的圓柱體側壁上，設有照明光源5，照明光源5的下面設有雷射發生器6，45°反射鏡4下面設有聚焦鏡7，聚焦鏡7對應的圓柱體側壁上設有聚焦鏡調焦微分頭8，聚焦鏡7的下面設有保護鏡9，保護鏡9的下面為具有雙層結構的噴嘴11，水射流12從噴嘴11雙層結構間通過，噴嘴11通過側壁上的進水口 13和高壓供水單元10連接。上述技術方案中，優選的技術方案同軸水射流裝置還包括工作檯15，上面放置待加工工件14，待加工工件14位於噴嘴11下方。優選的技術方案雷射發生器6為光纖雷射發生器。優選的技術方案噴嘴11呈圓環形，水射流12呈柱狀。聚焦鏡調焦微分頭8用於水平或垂直調節聚焦鏡7。本實用新型採用最先進的光纖雷射器，獲得足夠高的峰值功率。高壓水供給單元。用於提供高壓水。採用圓形的噴嘴，水射流基本上呈柱狀。保護鏡9在加工過程中避免熔融飛濺的碎屑和水流對聚焦鏡和雷射發生器的影響。本實用新型提出的適用於薄壁管材雷射微加工的同軸水射流裝置的原理為在雷射加工過程中引入與雷射束同軸的冷卻水輔助切割，採用將雷射束聚焦後在水柱維持穩定的範圍內，將工件浸於其中對待加工的工件進行加工，使得雷射能量積累和傳導產生的熱量被水帶走，可以避免雷射在對薄壁管材切割時的熱損傷及灼熱。同軸入射的水流可以有效減少熱影響區，降低熱應力以抑制工件表面裂紋產生。同時在工件加工過程中引入同軸水射流可以提高材料的斷裂強度能夠更好的保障後續的加工以及器件的使用壽命。同時雷射的高溫使水溫上升，產生的氣泡和加熱液體的活動有助於熔渣的排出，提高加工質量。水流的衝刷使大多數熔化的材料被水射流帶走，只有少部分碎屑留下來。在工件表面會產生一層很薄的水膜，落在薄膜上的顆粒很快冷卻並無法粘結在工件的表面。高壓水射流可以代替輔助高壓氣體，對工件進行冷卻和帶走加工過程中產生的熔渣和碎屑。本實用新型提出的用於薄壁微小管徑管材溼切加工的同軸水射流裝置，在水柱維持穩定的範圍內，對待加工的產品進行加工，使得雷射能量積累和傳導產生的熱量被水帶走，可以避免雷射在對薄壁管材切割時的熱損傷及灼熱，同時清除切割過程中產生的碎屑。因為水射流非常細，其作用力在工件上是微乎其微的，對水的消耗也很少，由於不產生任何熱損傷，能夠比乾式雷射更好地加工多種類型的材料。相比於輔助高壓氣體的高成本，加工過程中的高消耗，水可以就地取材，損耗少，成本低，加工過程中的蒸發物或熔渣基本都被水流帶走，是一種綠色加工技術，保護了環境，取得了較好的技術效果。。
圖I為用於薄壁管材雷射微加工的同軸水射流裝置，圖I中，I為光電傳感器；2為光電傳感器調焦旋鈕，3為光電傳感器安裝座，4為45°反射鏡，5為照明光源，6為雷射發生器，7為聚焦鏡，8為聚焦鏡調焦微分頭，9為保護鏡，10為高壓供水單元，11為噴嘴，12為水射流，13為進水口，14為待加工工件，15為工作檯。照明光源5發射的照明光和光纖雷射器6發射的雷射同時入射到45°反射鏡4，45°反射鏡4對雷射全反，並對照明光45度增透，光束垂直入射到聚焦鏡7上，通過控制聚焦鏡7與加工平臺15之間的距離可以調整加工平面聚焦光斑的能量分布，透過聚焦鏡7聚焦後的雷射，通過保護鏡9後打到加工平臺15上的加工工件14表面。從高壓水供給單元10引入高壓水流，使在加工過程中工件浸於高壓水射流12形成的水射流中。下面通過實施例對本實用新型作進一步的闡述，但不僅限於本實施例。 具體實施例實施例I一種用於薄壁管材雷射微加工的同軸水射流裝置，如圖I所示，呈中空圓柱形，上端有光電傳感器安裝座3，光電傳感器I和光電傳感器調焦旋鈕2設在光電傳感器安裝座3的上面，光電傳感器安裝座3下面，同軸水射流裝置內部設有45°反射鏡4，與45°反射鏡4對應的圓柱體側壁上，設有照明光源5，照明光源5的下面設有雷射發生器6，45°反射鏡4下面設有聚焦鏡7，聚焦鏡7對應的圓柱體側壁上設有聚焦鏡調焦微分頭8，聚焦鏡7的下面設有保護鏡9，保護鏡9的下面為具有雙層結構的噴嘴11，水射流12從噴嘴11雙層結構間通過，噴嘴11通過側壁上的進水口 13和高壓供水單元10連接。同軸水射流裝置還包括工作檯15，上面放置待加工工件14，待加工工件14位於噴嘴11下方。雷射發生器6為光纖雷射發生器，噴嘴11呈圓環形，水射流12呈柱狀。採用該實施例的雷射切割機的同軸水射流裝置，用於雷射加工微小管徑管材的過程中引入高壓水快速冷卻，防止管材的過度灼燒，使得雷射能量積累和傳導產生的熱量被水帶走，可以避免雷射在對薄壁管材切割時的熱損傷及灼熱，同時清除切割過程中產生的碎屑，減少切割過程中的汙染。
權利要求1.一種用於薄壁管材雷射微加工的同軸水射流裝置，呈中空圓柱形，上端有光電傳感器安裝座(3 )，光電傳感器(I)和光電傳感器調焦旋鈕(2 )設在光電傳感器安裝座(3 )的上面，光電傳感器安裝座(3)下面，同軸水射流裝置內部設有45°反射鏡(4)， 與45°反射鏡(4)對應的圓柱體側壁上，設有照明光源(5)，照明光源(5)的下面設有雷射發生器(6)，45°反射鏡(4)下面設有聚焦鏡(7)，聚焦鏡(7)對應的圓柱體側壁上設有聚焦鏡調焦微分頭(8)，聚焦鏡(7)的下面設有保護鏡(9)，保護鏡(9)的下面為具有雙層結構的噴嘴(11)，水射流(12 )從噴嘴(11)雙層結構間通過，噴嘴(11)通過側壁上的進水口( 13 )和高壓供水單元(10)連接。
2.根據權利要求I所述的用於薄壁管材雷射微加工的同軸水射流裝置，其特徵在於同軸水射流裝置還包括工作檯(15)，上面放置待加工工件(14)，待加工工件(14)位於噴嘴(11)下方。
3.根據權利要求I所述的用於薄壁管材雷射微加工的同軸水射流裝置，其特徵在於雷射發生器(6)為光纖雷射發生器。
4.根據權利要求I所述的用於薄壁管材雷射微加工的同軸水射流裝置，其特徵在於噴嘴(11)呈圓環形，水射流(12)呈柱狀。
5.根據權利要求I所述的用於薄壁管材雷射微加工的同軸水射流裝置，其特徵在於聚焦鏡調焦微分頭(8)用於水平或垂直調節聚焦鏡(J)。
專利摘要本實用新型涉及一種用於薄壁管材雷射微加工的同軸水射流裝置，主要解決現有技術中雷射切割小尺寸零件時過度灼熱和冷卻碎屑大量沉積在加工零件表面，影響加工質量的問題，本實用新型通過採用一種同軸水射流裝置，呈中空圓柱形，內部設有450反射鏡，圓柱體側壁上設有照明光源，照明光源的下面設有雷射發生器，反射鏡下面設有聚焦鏡，水射流從噴嘴雙層結構間通過，噴嘴通過側壁上的進水口和高壓供水單元連接的技術方案，較好地解決了該問題，可用於薄壁管材雷射微加工的工業生產中。
文檔編號B23K26/36GK202506971SQ20122002349
公開日2012年10月31日 申請日期2012年1月19日 優先權日2012年1月19日
發明者夏發平, 寧軍, 馬秀雲, 魏志凌 申請人:崑山思拓機器有限公司