[發明專利]旋轉式激光加工裝置及其應用、激光加工系統及方法

有效

• 申請號: 201810390447.2
• 申請日: 2018-04-27
• 公開（公告）號: CN108581224B
• 公開（公告）日: 2020-05-12
• 發明（設計）人: 張廣義;張文武;張正;王玉峰;蔣彥華
• 申請（專利權）人: 中國科學院寧波材料技術與工程研究所
• 主分類號: B23K26/38
• 分類號: B23K26/38;B23K26/146;B23K26/046;B23K26/70
• 代理公司: 北京元周律知識產權代理有限公司 11540
• 代理人: 李花

本發明公開了一種旋轉式激光加工裝置及其應用、激光加工系統及方法，該裝置包括：支撐部和縮流傳導裝置，支撐部內通有與激光耦合的液體；縮流傳導裝置設置于支撐部的下方并與支撐部相連通；其中，縮流傳導裝置內設有液體腔室和封裝氣體層；封裝氣體層設置于液體腔室外；液體腔室的橫截面直徑沿激光的傳輸方向逐漸減小，并形成傳導端，傳導端的主軸與激光主光軸成銳角傾斜；縮流傳導裝置繞激光主光軸自轉。本發明的另一方面還提供了該裝置的應用、激光加工系統及方法。

技術領域

本發明涉及一種旋轉式激光加工裝置及其應用、激光加工系統及方法，屬于激光加工領域。

背景技術

目前，常規激光加工的效率和質量隨著激光加工深度的增加而快速下降，原因在于：聚焦式激光加工過程中存在加工錐度效應，使得激光加工方法存在深度極限；熱量的不斷積累使材料的熱影響嚴重。因此，如何實現低熱影響、大深度介入式加工是激光加工領域的主要技術問題。

現有常用的激光加工方法以短脈沖干式激光加工為主，該加工方法在淺層材料的瞬時去除效率和熱影響控制方面具有優勢，但仍存在突出的問題：加工的孔存在錐度，深度不足，大深度(5毫米)加工時易喪失短脈沖優勢。

為了解決激光加工過程中材料的熱影響問題，拓展激光加工深度，SYNOVA公司展開了微射流型水助激光加工技術。以SYNOVA公司為代表的微射流型水助激光加工方法對多種材料的穿透性切割具有優異的加工性能，相對干式激光加工具有加工錐度明顯減小、加工熱影響小、表面清潔等一系列優勢，但該技術很難保持大深度加工的高效率，深度極限在10毫米左右；另外，為了保證可靠性，該方法的激光傳輸強度不能設置太高，限制了耦合功率的提高，影響了加工速度。

GE全球研發中心發明了液核光纖激光加工方法及其裝置，該方法使用特殊的微管通水傳光，管壁材料的光導系數低于純凈水，可以實現對光的全反射傳輸，可以在空氣中射出層流水柱，等效于SYNOVA技術；但同時，其固體管壁允許光纖彎曲，可以深入狹窄空間或在水下進行激光加工。由于端部去除物對光的散射效應以及光纖頭部過于接近加工區域導致的光纖易損性，介入式加工至今沒有實現，最好記錄是鉆入材料約3毫米。

發明內容

根據本發明的一個方面，提供一種能實現超大功率激光、大深度加工的旋轉式激光加工裝置。激光與液體耦合在縮流傳導裝置中耦合，縮流傳導裝置內縮流內腔的末端軸線與縮流傳導裝置的軸線成銳角，通過旋轉縮流傳導裝置實現千瓦級功率激光的微米級尺度可靠、高效耦合加工，實現超大功率與超大深度激光加工的高效集成。

所述旋轉式激光加工裝置，包括：支撐部和縮流傳導裝置，所述支撐部內通有與所述激光耦合的液體；所述縮流傳導裝置設置于所述支撐部的下方并與所述支撐部相連通；其中，所述縮流傳導裝置內設有液體腔室和封裝氣體層；所述封裝氣體層設置于所述液體腔室外；所述液體腔室的橫截面直徑沿所述激光的傳輸方向逐漸減小，并形成傳導端，所述傳導端的主軸與所述激光主光軸成銳角傾斜；所述縮流傳導裝置繞所述激光主光軸自轉。

優選的，所述縮流傳導裝置包括：縮流內腔和外層支撐結構，所述外層支撐結構設置于所述縮流內腔的外側，所述縮流內腔的外壁與所述外層支撐結構的內壁圍成所述封裝氣體層；所述縮流內腔的內壁圍成所述液體腔室。

優選的，所述傳導端底端面的直徑小于所述外層支撐結構底端面口徑的1/2。

優選的，所述縮流傳導裝置包括液體縮流部和旋轉傳導部，所述液體縮流部設置于所述支撐部的下方并與所述支撐部相連通；所述旋轉傳導部設置于所述液體縮流部的下方，并與所述液體縮流部相連通；所述旋轉傳導部繞所述激光主光軸自轉。

優選的，所述液體縮流部包括第一縮流內腔、第一外層支撐結構，所述第一外層支撐結構設置于所述第一縮流內腔外，所述第一縮流內腔與所述第一外層支撐結構圍成封裝氣體層；所述旋轉傳導部包括第二縮流內腔、第二外層支撐結構，所述第二外層支撐結構設置于所述第二縮流內腔外，所述第二縮流內腔與所述第二外層支撐結構圍成封裝氣體層。