本發明涉及激光加工，具體涉及一種利用旁軸水束冷卻進行有效冷卻輔助，耦合模塊將激光耦合進對接光纖，且可根據不同環境和需求完成光纖深入加工材料，使激光切割硬脆性材料時實現低損傷，高深寬比的方法和系統。

背景技術：

1、在針對硬脆性材料的深度加工時，目前主流的金剛石線切割、電火花加工，往往不能同時滿足加工深度和加工精度的雙重要求，并且由于加工材料物理性質特殊，傳統的加工方法耗材大，成本高。因此，人們迫切需要針對硬脆性材料深度加工的新型加工裝置。

2、研究發現激光燒蝕硬脆性材料具有成本低、操作簡單、效率高等特點。其中脈沖激光加工材料具有熱影響區域小的優勢，為提高加工精度奠定了理論基礎。

3、早期人們通過激光加工硬脆性材料時，由于光纖直接輸出的光束發散角較大、光束質量不佳，從而導致加工材料精度和深度不理想，如：深度切割等。后來隨著光纖微透鏡的研究發展，在輸出光纖末端制作透鏡。由于采用與光纖纖芯匹配的微透鏡，且直接制作于光纖端面，既避免了后續透鏡與光纖的裝配問題，也降低了器件的插入損耗。在材料的深度加工時，透鏡由于固定在光纖末端，可以在保證光束質量的同時，跟隨光纖不斷深入狹小的細縫中完成進一步加工，但透鏡制作成本高且永久作用于一根光纖端面。此外在光纖深入加工材料時，材料的飛濺不可避免地會污染光纖，即使在水下環境加工情況下，材料蒸汽引起的射流使熔融液體更易發生噴濺排除。在高寬深比的環境下，由于激光消融內部空間狹小，冷卻水不易均勻傳輸至加工深處，更深處的廢屑容易受熱不均勻導致在內部積壓形成堆積，此外不均勻的散熱會導致熱量通過對流的方式傳遞給工件周圍，從而造成熱損傷，進而影響工件的加工質量。

4、因此，光纖深入切縫進行深度加工的核心問題是：如何在保證加工精度和加工深度的雙重要求時，可以適配不同種激光器輸出光纖，滿足不同的加工環境和加工需求；如何保護光纖能夠安全深入切縫中完成高質量加工。

技術實現思路

1、本專利設計了一種旁軸水束輔助對接光纖深度切割硬脆性材料系統。將光纖對接技術和激光加工技術相結合，激光器發出的激光能量，先透過平凸透鏡耦合進雙頭光纖中，再通過光纖對接耦合器將能量傳輸至拔插光纖中，拔插光纖由于端面經過特定處理，可大大提高加工效率。隨著光纖的不斷深入，噴嘴也隨之移動，控制旁軸水束能以一定角度和速度作用于加工區域，既能能保護光纖不受損傷又能降低熱影響區與、輔助廢屑排出。

2、為達到上述技術目的，本發明通過以下技術方案解決上述問題：

3、一種一種旁軸水束輔助對接光纖深度切割硬脆性材料系統由外及內、由上到下一次包括激光聚焦模塊、光纖對接耦合模塊、旁軸水束冷卻模塊、外框架、供液模塊。

4、所述激光聚焦模塊包括聚焦筒、平凸聚焦透鏡，聚焦筒支架、光纖法蘭、螺栓、螺母。激光器外部接頭通過聚焦筒固定相對位置，輸出激光經平凸聚焦透鏡整形至雙頭光纖；聚焦筒上端保證激光器接頭、下端和聚焦筒支架通過螺紋配合固定，由于透鏡聚焦有一定誤差，可以通過下端螺紋控制透鏡聚焦后焦點距離，保證最大程度的激光能量進入雙頭光纖，聚焦筒支架下端通過螺栓和螺母固定在外部支架上；光纖法蘭固定在聚焦筒內部，法蘭外端和聚焦筒內壁同軸配合、內端固定雙頭光纖。

5、所述光纖對接耦合模塊包括雙頭光纖、光纖對接耦合器、光纖接頭、螺旋夾具、拔插光纖。雙頭光纖上端插入光纖法蘭中，使聚焦激光通過透鏡耦合進雙頭光纖內部，下端插入光纖對接耦合器中；光纖對接耦合器上端固定雙頭光纖、下端插入光纖接頭，光纖接頭內部通過螺旋夾具夾緊拔插光纖。拔插光纖經螺旋夾具安裝在光纖接頭內部，上端面通過光纖耦合器接觸式對接雙頭光纖傳輸激光。

6、所述旁軸水束模塊包括側端燕尾槽、旁軸水束鈑金件、鈑金件固定螺栓、噴嘴固定件、噴嘴、噴嘴固定螺栓、噴嘴固定螺母。旁軸水束鈑金件通過鈑金件固定螺栓安裝在側端燕尾槽上；噴嘴固定件通過噴嘴固定螺栓和噴嘴固定螺母安裝在旁軸水束鈑金件下端，噴嘴固定件和噴嘴相互連接，；噴嘴后端兩個孔分別輸入氣體、液體保證高質量水束。

7、所述外框架包括主端燕尾槽、固定鈑金件、固定螺栓、固定鈑金件通過固定螺栓安裝在主端燕尾槽中，固定鈑金件分別聚焦筒支架和光纖耦合器提供支撐。

8、所述供液模塊包括流量傳感器、流量調節閥、液壓泵、蓄能器、液位傳感器、水箱、過濾器。液壓泵通過蓄能器穩壓，將水箱中的冷卻水經過濾器穩定泵出，通過流量調節閥進行水流量調節，同時在水箱處有液面傳感器檢測水箱中水容量的大小。水箱中的液位傳感器，可防止冷卻水不足，影響消融效果。

9、一種旁軸水束輔助對接光纖深度切割硬脆性材料的方法和系統，包括以下步驟：

10、1、啟動供液模塊，供液模塊通過調節流量調節閥獲得所需要的進水流量并產生的穩定水流，經過管道傳輸后進入旁軸水束系統中，在旁軸水束模塊內通過噴嘴耦合獲得旁軸水射流，調節一定角度后抵達待消融區域，在開啟激光前，旁軸水束可起到清潔消融區域的作用。

11、2、啟動激光器，激光器發出激光，通過聚焦筒固定激光器接頭相對位置，聚焦平凸透鏡將激光束實現大角度變換后耦合進雙頭光纖內，經光纖耦合器和拔插光纖對接耦合，拔插光纖的末端則貼近加工區域；在激光加工材料的同時，獲得整流的旁軸水束抵達加工區域，獲得及時有效的冷卻，保護周圍非目標區域。

12、3、加工完成后，先關閉激光器，后再關閉旁軸水束模塊中的出水端，在保證加工區域無多余積水后，搜集廢渣、廢水，定期進行分類處理。

13、本發明具備以下有益效果：

14、1、本發明的一種旁軸水束輔助對接光纖深度切割硬脆性材料的方法和系統，采用1064nm紅外激光，經過激光聚焦模塊和光纖對接耦合模塊耦合進拔插光纖中，在面對復雜多變的加工環境和加工需求下，可通過更換拔插光纖的類型來完成加工任務，大幅度提升應用范圍。

15、2、本發明的一種旁軸水束輔助對接光纖深度切割硬脆性材料的方法和系統，利用光纖深入加工的特點，可以有效增加加工深度，且光纖深入的加工方式也可完成部分曲面加工，同時也避免了傳統激光實時調焦等問題。

16、3、本發明的一種旁軸水束輔助對接光纖深度切割硬脆性材料的方法和系統，利用旁軸水束冷卻模塊生成穩定水束，通過調整角度作用于加工區域，既能保護光纖深入切縫實現大深度加工，又能降低熱影響區域、輔助廢屑排出，可以實現高深寬比、低損傷加工。

17、4、本發明的一種旁軸水束輔助對接光纖深度切割硬脆性材料的方法和系統，采用拔插光纖用于傳輸激光能量至加工表面，能夠在光纖不斷深入加工的過程中，因發生灼燒、破碎以及污染時及時更換，避免了整體設備的維修，既降低了維護成本又能保證加工設備的清潔性與安全性。

技術特征：

1.本發明一種旁軸水束輔助對接光纖深度切割硬脆性材料的方法和系統。包括激光聚焦模塊、光纖對接耦合模塊、旁軸水束冷卻模塊、供液模塊。激光聚焦模塊中從激光器輸出激光，通過聚焦筒上端確定光束位置，再通過聚焦筒內透鏡耦合進雙頭光纖中。光纖對接耦合模塊中經過平凸透鏡整形后的光束先聚焦到固定雙頭光纖，再通過光纖對接耦合器對接下端拔插光纖。旁軸水束冷卻模塊中，通過定制的噴嘴耦合氣體和冷卻水，再以一定壓力和角度的水射流作用于切縫，降低熱影響區且輔助排出廢屑。供液模塊通過傳感器實時提供冷卻所需要的穩定且純凈氣體和液體。上述模塊之間相互配合，可進行高深寬比、低損傷的硬脆性材料的加工。

2.根據權利要求1中所述一種旁軸水束輔助對接光纖深度切割硬脆性材料的方法和系統，其特征在于：通過拔插光纖和雙頭光纖的接觸對接耦合，能夠更換不同類型拔插光纖來應對不同的加工環境和加工需求。

3.根據權利要求1中所述一種旁軸水束輔助對接光纖深度切割硬脆性材料的方法和系統，其特征在于：本專利中激光傳輸系統中采用聚焦透鏡，實現將激光能量從散射外光源耦合先進雙頭光纖內，再通過雙頭光纖對接傳輸到拔插光纖。增大實際使用環境范圍，提高系統的使用壽命，減少成本。

4.根據權利要求1中所述一種旁軸水束輔助對接光纖深度切割硬脆性材料的方法和系統，其特征在于：本專利中雙頭光纖與拔插光纖由光纖對接耦合器實現接觸式對接耦合，可實現激光能量在光纖間的高效傳輸，而激光器光源與雙頭光纖耦合由透鏡完成，在不改變激光器的配置下僅需更換拔插光纖即可。

5.根據權利要求1中所述一種旁軸水束輔助對接光纖深度切割硬脆性材料的方法和系統，其特征在于：所述拔插光纖可以進行拔插更換，由于激光能量傳輸或激光消融過程中，光纖損耗可以及時更換，或根據所需要的加工深度選擇更換合適的拔插光纖長度。

6.根據權利要求1中所述一種旁軸水束輔助對接光纖深度切割硬脆性材料的方法和系統，其特征在于：光纖能夠在冷卻水的保護下不斷深入細小切縫中加工材料，能夠始終保持輸出端的聚焦光斑作用于加工面，可以有效提高加工精度。

7.根據權利要求1中所述一種旁軸水束輔助對接光纖深度切割硬脆性材料的方法和系統，其特征在于：所述供液系統是以高穩定性泵為主，搭配流量調節閥與流量傳感器可實現不同速度的水流供給，搭配蓄能器可以減小因泵產生的水壓力不穩定，輸出持續穩定的水流，在供液池內設計有液位傳感器，確保水流供應正常。

8.根據權利要求1中所述一種旁軸水束輔助對接光纖深度切割硬脆性材料的方法和系統，其特征在于：本專利中旁軸水射流通過特制噴嘴，將設置好的氣體和水流進入噴嘴內腔，通過內部耦合后將水流以一定角度和速度作用到切割處，輔助廢屑排出以及降低熱影響區。

9.根據權利要求1中所述一種旁軸水束輔助對接光纖深度切割硬脆性材料的方法和系統，其特征在于，使用步驟如下：

技術總結
本發明一種旁軸水束輔助對接光纖深度切割硬脆性材料的方法和系統。包括激光聚焦模塊、光纖對接耦合模塊、旁軸水束冷卻模塊、供液模塊、外框架。激光聚焦模塊中，從激光器輸出的激光通過聚焦筒上端確定光束位置，再通過聚焦筒內透鏡耦合進雙頭光纖中。光纖對接耦合模塊中，雙頭光纖傳輸的激光能量通過光纖對接耦合器對接下端拔插光纖。旁軸水束冷卻模塊中，通過定制的噴嘴耦合氣體和冷卻水，再以一定壓力和角度的水射流作用于切縫，降低熱影響區和輔助排出廢屑。供液模塊通過傳感器實時提供冷卻所需要的氣體和液體。本發明采用光纖直引深度加工的方式，針對大深度的加工時，光纖在旁軸水束輔助下能夠不斷深入細小區域完成高質量加工。

技術研發人員：龍芋宏,吳龍飛,何欣平,張瀾,陳志創,陸慶安
受保護的技術使用者：桂林電子科技大學
技術研發日：
技術公布日：2025/4/28