一种水导激光耦合装置

1.本发明属于水导激光技术领域，具体涉及一种水导激光耦合装置。


背景技术：

2.水导激光加工技术的原理是利用水和空气光学特征的传播差异，当水束中入射激光的角度大于全反射的临界角时，激光束就能完全在水束中进行全反射，而不会分离出来，从而引导激光束在水束中进行折线传播，形成水束光纤。水导激光加工出来的熔渣被水带走，水的冷却作用带走了激光加工产生的热，无热影响区，没有重熔层，提高加工质量。
3.在水导激光加工技术中，激光束与微水束流的耦合情况直接决定了加工效果。水导激光耦合装置是核心装置，高压水进入形成纤细稳定的水束，并将激光耦合入水束中。耦合的原理是将激光束聚焦使其束腰尺寸小于水束直径，后需调整激光光斑与喷嘴的相对位置，使激光全部进入水束中，激光会在水束与空气交界处发生全反射，向前传输至待加工表面。
4.现有的水导激光耦合装置多采用单一进水口，流场内流道过于简单，流速易产生波动，较为不稳；且现有的耦合装置的喷嘴和光学窗口不易安装和拆卸，不利于检修、维护和更换。
5.基于上述问题，提出一种水导激光耦合装置，该装置可以提供稳定的高压水，喷嘴片、光学窗口易拆卸更换，密封能力强。


技术实现要素：

6.为了弥补现有技术的不足，本发明提供一种水导激光耦合装置，可使得水腔内液体压力稳定，从而有效提高微细水束稳定长度，并具有喷嘴片与光学窗口易更换、装置易清洁及密封能力强的优点。
7.本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：一种水导激光耦合装置，该耦合装置包括水腔、光学腔、喷嘴座；所述水腔为具有中空腔的环形结构，其包括上下依次连接的上腔体、中腔体、下腔体；所述光学腔嵌设于水腔的中空腔上部，其包括通光腔、光学窗口，光学窗口设置于通光腔下端开设的槽内，与中腔体上部通孔的台阶进行抵接；所述喷嘴座嵌设于水腔的中空腔下部，其包括喷嘴基座、喷嘴片，喷嘴设置于喷嘴基座上端的槽内，与下腔体顶部抵接，喷嘴与光学窗口之间形成薄水层。
8.所述上腔体中部开设通孔，该通孔安装通光腔。
9.所述中腔体顶部开设槽道，该槽道与上腔体形成顶部环形流道。
10.所述中腔体开设连通的进水口和第一上升流道，所述第一上升流道与顶部环形流道连通，所述中腔体开设与顶部环形流道连通的贯穿流道，将水引导至中腔体底部；所述中腔体底部开设槽道，该槽道与下腔体形成底部环形流道，中腔体与下腔体之间还形成第二上升流道，该第二上升流道与薄水层连通。为进一步提高流场内水流稳定性，所述中腔体采
用顶部和底部两个环形流道，对水流进行更好地引导。所述中腔体的第一上升流道与顶部环形流道连通，进水口进入的高压水经第一上升流道引入顶部环形流道。所述中腔体和下腔体配合形成第二上升流道归并水流至薄水层，提供稳定压力的薄水层。
11.所述下腔体中央开设通孔，该通孔安装喷嘴基座。
12.上述方案中，由进水口、第一上升流道、顶部环形流道、贯穿流道、底部环形流道、第二上升流道、薄水层构成的水腔内部流场形成两个凸型流场和一个凹型流场，可有效克服流场内流体压力不稳定的问题，有利于增加稳定水束的长度。喷嘴片中的喷嘴孔在加工过程中承受高压和激光侵蚀，属于易损件，喷嘴片和喷嘴基座采用可分离结构，便于喷嘴的检修更换，减少对加工进程的影响，同时也方便替换不同出口直径的喷嘴。
13.进一步地，所述喷嘴基座与下腔体中央的通孔螺纹连接；所述喷嘴基座为上细下粗阶梯轴管结构，其顶部开设安装喷嘴片的第一安装槽；所述喷嘴片、光学窗口、下腔体、中腔体之间形成薄水层。
14.进一步地，所述通光腔下部设置具有外螺纹的凸台，上腔体中央通孔与中腔体中央阶梯通孔均设置与通光腔匹配的内螺纹；所述光学窗口安装于通光腔凸台底部槽内。
15.进一步地，所述中腔体中央设置阶梯通孔，通孔上部设置与通光腔匹配的螺纹，通孔下部与下腔体中央的凸台外壁形成第二上升流道。
16.进一步地，为便于通光腔和喷嘴基座的拆装，所述光学腔的顶部与喷嘴基座的底部开设六角凹槽，通过内六角扳手将光学腔和喷嘴基座分别与上腔体和下腔体进行螺纹连接。
17.进一步地，所述上腔体与中腔体之间、下腔体与中腔体之间、通光腔与中腔体中央的阶梯通孔之间均设有o型密封圈。
18.进一步地，所述进水口、第一上升流道、顶部环形流道、贯穿流道、底部环形流道、第二上升流道为对称分布。
19.为进一步提高流场内水流稳定性，所述中腔体采用对称的两个进水口。
20.进一步地，所述喷嘴片中央采用蓝宝石嵌件，由金属外套和蓝宝石喷嘴嵌制而成。
21.进一步地，所述第二上升流道为圆周排布的多个。
22.为保证耦合装置的稳定性，所述中腔体中央开设阶梯通孔，上部通孔开设与上腔体中部相同尺寸的内螺纹，通光腔通过螺纹与上腔体、中腔体连接。所述中腔体下部开设通孔，与下腔体凸台贴合。
23.进一步地，所述通光腔采用圆柱形腔体结构；所述光学窗口采用承压能力强、硬度高、透光性好的石英玻璃材料。
24.与现有技术相比，本发明的有益效果是：1、流场内水流稳定：将进水口设置在中腔体，通过上腔体与中腔体、中腔体与下腔体之间的配合形成对称的多流道流场，同时采用多个上升流道，对水流的引导起到作用，提高了流场内水流的稳定性；2、安装简单：整体结构为汉堡型轴向安装的结构，上腔体与中腔体、中腔体与下腔体为螺纹紧固件连接；通光腔与喷嘴基座通过螺纹安装于耦合装置中；3、易损件检修更换方便：光学窗口与喷嘴片采用可分离结构，分别安装于通光腔与喷嘴基座的槽内，只需通过内六角扳手将通光腔或喷嘴基座旋转拆下，就能对光学窗口
或喷嘴片进行检修更换；4、密封性能好：耦合装置内有多个流场流道，设置o型密封圈提高装置密封性能。
附图说明
25.图1为本发明实施例1内部结构示意图；图2为本发明实施例1剖视图；图3为本发明实施例1另一方向剖视图；图4为本发明实施例1水腔流场示意图；图5为本发明实施例2剖视图。
26.图号标识：1、上腔体，2、中腔体，3、下腔体，4、通光腔，5、光学窗口，6、喷嘴基座，7、喷嘴片，8、o型密封圈，21、进水口，22、第一上升流道，23、顶部环形流道，24、贯穿流道，25、底部环形流道，26、第二上升流道，27、薄水层。
实施方式
27.下面结合附图对本发明做进一步说明。
实施例1
28.本实施例所述一种水导激光耦合装置，如图1-图4所示，其主体包括上腔体1、中腔体2、下腔体3、通光腔4、光学窗口5、喷嘴基座6和喷嘴片7。
29.如图1、2所示，上腔体1、中腔体2、下腔体3为轴向安装的结构，上腔体1与中腔体2顶部开设多个呈圆周均匀环布的螺纹安装孔，通过螺钉紧固连接。中腔体2与下腔体3也设有呈圆周均匀环布的螺纹安装孔，通过螺钉进行紧固连接。
30.继续参阅图1，上腔体1中部开设螺纹通孔，孔内安装通光腔4，通光腔4采用圆柱腔体结构，利于光束通过。通光腔4开设六角凹槽，通过内六角扳手将其与上腔体1进行螺纹连接。通光腔4凸台顶部开设圆形的第二安装槽，第二安装槽连通设置于六角凹槽下端，该第二安装槽下端形成一直径大于第二安装槽的沉槽，光学窗口5安装于该沉槽中。中腔体2中部开设阶梯通孔，阶梯通孔的上部开设与通光腔4匹配的螺纹，通光腔4与上腔体1、中腔体2通过螺纹连接，光学窗口5底端与中腔体2阶梯面抵接。实施例中光学窗口5采用石英玻璃材料，石英玻璃材料硬度高，承压能力强，透光性好。
31.继续参阅图1-图3，中腔体2顶部开设顶部环形流道23，底部开设底部环形流道25，进水口21通过第一上升流道22与顶部环形流道23连通。进水口21设置为对称的两个，水流具有较好的对称性，对水腔内水流稳定具有积极作用。中腔体2开设贯穿流道24，贯通流道24与顶部环形流道23和底部环形流道25连通。
32.继续参阅图1和图2，下腔体3中部开设螺纹通孔，孔内安装喷嘴基座6，喷嘴基座6采用圆柱腔体结构，便于水束射出。喷嘴基座6底部开设六角凹槽，通过内六角扳手将其与下腔体3进行螺纹连接。喷嘴基座6凸台开设圆形的第一安装槽，喷嘴片7安装于第一安装槽内，与下腔体3中央顶部的挡片抵接。下腔体3中央凸台伸入中腔体2底部通孔，与其配合形成第二上升流道26。
33.具体地，中腔体2通孔下部的内壁上环布多个上下贯通的凹槽，中腔体2通孔下部
的内壁与下腔体3中央凸台的外壁紧贴，使得凹槽与下腔体3中央凸台外壁之间配合形成第二上升流道26。
34.喷嘴片7与光学窗口5之间形成薄水层27。第一上升流道22、顶部环形流道23和贯穿流道24形成凸型流场，贯穿流道24、底部环形流道25和第二上升流道26形成凹型流场，底部环形流道25、第二上升流道26和薄水层27形成凸型流场。
35.进一步地，喷嘴片7中的蓝宝石嵌件中部开设喷嘴孔，喷嘴孔为上圆柱下锥形的结构，利于形成微细的水束。激光在喷嘴孔中心与水束进行校准耦合，在水束中全反射并传输至工件表面，进行水导激光加工。
36.如图2所示，上腔体1与中腔体2之间、通光腔4与中腔体2之间、中腔体2和下腔体3之间均设有o型密封圈。耦合装置内部形成多个流场流道，设置o型密封圈能提高装置密封性能。
37.本实施例的工作原理为：高压水通过进水口21进入第一上升流道22，升入顶部环形流道23，后通过贯穿流道24进入底部环形流道25，再通过第二上升流道26进入薄水层27，充满水腔流场。进水口21、第一上升流道22、贯穿流道24为轴对称结构，对水流进行引导输送。第一上升流道22和第二上升流道26提高了水流压力的稳定性。第二上升流道26归并水流至薄水层27，获得稳定的喷嘴孔出口压力。
38.激光经聚焦透镜聚焦后从通光腔4进入，通过光学窗口5进入薄水层27，在喷嘴片7中心的喷嘴孔中校准。激光在喷嘴孔的中心与水束耦合，通过喷嘴基座6中部的通孔射出。激光在水束中会发生全反射，高能激光经过水束引导到工件表面，激光可以对工件进行灼烧加工，水束可以快速冷却工件表面，并冲刷加工残留物。
实施例2
39.如图5所示，本实施例中，与实施例1不同的是：通光腔4安装于上腔体1中部的螺纹通孔中，上腔体1中央凸台安装于中腔体2上部通孔中。
40.最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

技术特征：
1.一种水导激光耦合装置，其特征在于，该耦合装置包括水腔、光学腔、喷嘴座；所述水腔为具有中空腔的环形结构，其包括上下依次连接的上腔体（1）、中腔体（2）、下腔体（3）；所述光学腔嵌设于水腔的中空腔上部，其包括通光腔（4）、光学窗口（5），光学窗口（5）设置于通光腔（4）下端开设的槽内，与中腔体（2）上部通孔的台阶进行抵接；所述喷嘴座嵌设于水腔的中空腔下部，其包括喷嘴基座（6）、喷嘴片（7），喷嘴（7）设置于喷嘴基座（6）上端的槽内，与下腔体（3）顶部抵接，喷嘴（7）与光学窗口（5）之间形成薄水层（27）；所述上腔体（1）中部开设通孔，该通孔安装通光腔（4）；所述中腔体（2）顶部开设槽道，该槽道与上腔体（1）形成顶部环形流道（23）；所述中腔体（2）开设连通的进水口（21）和第一上升流道（22），所述第一上升流道（22）与顶部环形流道（23）连通，所述中腔体（2）开设与顶部环形流道（23）连通的贯穿流道（24），将水引导至中腔体（2）底部；所述中腔体（2）底部开设槽道，该槽道与下腔体（3）形成底部环形流道（25），中腔体（2）与下腔体（3）之间还形成第二上升流道（26），该第二上升流道（26）与薄水层（27）连通；所述下腔体（3）中央开设通孔，该通孔安装喷嘴基座（6）。2.根据权利要求1所述的一种水导激光耦合装置，其特征在于：所述喷嘴基座（6）与下腔体（3）中央的通孔螺纹连接；所述喷嘴基座（6）为上细下粗阶梯轴管结构，其顶部开设安装喷嘴片（7）的第一安装槽；所述喷嘴片（7）、光学窗口（5）、下腔体（3）、中腔体（2）之间形成薄水层（27）。3.根据权利要求1所述的一种水导激光耦合装置，其特征在于：所述通光腔（4）下部设置具有外螺纹的凸台，上腔体（1）中央通孔与中腔体（2）中央阶梯通孔均设置与通光腔（4）匹配的内螺纹；所述光学窗口（5）安装于通光腔（4）凸台底部槽内。4.根据权利要求1所述的一种水导激光耦合装置，其特征在于：所述中腔体（2）中央设置阶梯通孔，通孔上部设置与通光腔（4）匹配的螺纹，通孔下部与下腔体（3）中央的凸台外壁形成第二上升流道（26）。5.根据权利要求1所述的一种水导激光耦合装置，其特征在于：所述光学腔（4）的顶部与喷嘴基座（6）的底部开设六角凹槽，通过内六角扳手将光学腔（4）和喷嘴基座（6）分别与上腔体（1）和下腔体（3）进行螺纹连接。6.根据权利要求1所述的一种水导激光耦合装置，其特征在于：所述上腔体（1）与中腔体（2）之间、下腔体（3）与中腔体（2）之间、通光腔（4）与中腔体（2）中央的阶梯通孔之间均设有o型密封圈（8）。7.根据权利要求1-6中任一所述的一种水导激光耦合装置，其特征在于：所述进水口（21）、第一上升流道（22）、顶部环形流道（23）、贯穿流道（24）、底部环形流道（25）、第二上升流道（26）为对称分布。8.根据权利要求1-6中任一所述的一种水导激光耦合装置，其特征在于：所述光学窗口（5）采用石英玻璃材料。9.根据权利要求1-6中任一所述的一种水导激光耦合装置，其特征在于：所述喷嘴片（7）中央采用蓝宝石嵌件，由金属外套和蓝宝石喷嘴嵌制而成。10.根据权利要求1-6中任一所述的一种水导激光耦合装置，其特征在于：所述第二上升流道（26）为圆周排布的多个。

技术总结
本发明属于水导激光技术领域，具体涉及一种水导激光耦合装置，该耦合装置包括水腔、光学腔、喷嘴座；所述水腔为具有中空腔的环形结构，其包括上下依次连接的上腔体、中腔体、下腔体；所述光学腔嵌设于水腔的中空腔上部，其包括通光腔、光学窗口，光学窗口设置于通光腔下端开设的槽内，与中腔体上部通孔的台阶进行抵接；所述喷嘴座嵌设于水腔的中空腔下部，其包括喷嘴基座、喷嘴片，喷嘴设置于喷嘴基座上端的槽内，与下腔体顶部抵接，喷嘴与光学窗口之间形成薄水层。与现有技术相比，本发明具有水腔内流场通道易加工、提供水流压力稳定、喷嘴片与光学窗口易拆卸更换、安装方便、密封性强等特点。等特点。等特点。


技术研发人员：陶麒羽 齐欢 维邦
受保护的技术使用者：浙江工业大学
技术研发日：2023.05.12
技术公布日：2023/7/12