大體上，公開了一種用于液體射流引導(dǎo)的激光器系統(tǒng)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(lái)減少液體射流的干擾。

背景技術(shù)：

有時(shí)稱為液體微射流(lmj)的液體射流引導(dǎo)的激光器技術(shù)將激光焦點(diǎn)耦合到小液體射流中，例如，通過(guò)聚焦透鏡。這種耦合在耦合單元中發(fā)生。耦合單元可包括利用激光保護(hù)窗閉合的在聚焦透鏡一側(cè)的金屬室。在相對(duì)側(cè)，室承載噴嘴。提供至耦合單元的液體在窗與噴嘴之間流動(dòng)且以液體射流的形式離開噴嘴。焦平面中的激光點(diǎn)的能量俘獲在液體射流內(nèi)且通過(guò)內(nèi)部反射引導(dǎo)至工件。該方法消除了精確地控制工件的距離的需要，因?yàn)閳?zhí)行處理所需的能量貫穿液體射流的層流長(zhǎng)度可用。提供適合的光引導(dǎo)能力的任何液體都可用于形成液體射流。

液體射流的層流長(zhǎng)度可通過(guò)將輔助氣體提供至液體射流來(lái)增大以延長(zhǎng)過(guò)程的工作距離。輔助氣體作為直接邊界層引導(dǎo)至液體射流，以便減小液體與環(huán)境空氣之間的阻力，且因此增大液體射流的層流長(zhǎng)度。因此，液體射流由輔助氣體包圍且在耦合單元內(nèi)，輔助氣體朝液體射流引導(dǎo)。例如，輔助氣體可在水平面中朝在垂直平面中行進(jìn)的液體射流進(jìn)入耦合單元。輔助氣體和液體射流然后離開系統(tǒng)，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(dòng)性質(zhì)可選擇成優(yōu)化液體射流的層流。輔助氣體的其它操作狀態(tài)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激光束的內(nèi)部反射，從而影響激光處理功率。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本公開內(nèi)容的方面和優(yōu)點(diǎn)將在以下描述中部分地提出，或可從描述中清楚，或可通過(guò)實(shí)施本公開內(nèi)容學(xué)習(xí)到。

公開了一種用于液體射流引導(dǎo)的激光器系統(tǒng)的頭部組件，其具有：可除去地設(shè)置至激光器系統(tǒng)的激光聚焦光學(xué)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(gòu)造成形成液體射流。噴嘴帽具有噴嘴帽本體，其限定沿軸向?qū)?zhǔn)且延伸穿過(guò)噴嘴帽本體的中心的液體射流孔。多個(gè)軸向輔助氣體管道和靜態(tài)輔助氣體管道與輔助氣體源流體連通且通過(guò)以與液體射流孔同心的環(huán)形樣式定位的進(jìn)入端口進(jìn)入噴嘴帽本體。軸向輔助氣體管道和靜態(tài)輔助氣體管道延伸穿過(guò)噴嘴帽本體以將輔助氣體獨(dú)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端口和靜態(tài)出射端口。該多個(gè)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(dǎo)的激光器系統(tǒng)，其具有側(cè)向移動(dòng)組件，該組件構(gòu)造成使激光聚焦光學(xué)模塊與可除去地附接至側(cè)向移動(dòng)組件的耦合單元附接。

技術(shù)方案1.一種用于液體射流引導(dǎo)的激光器系統(tǒng)的頭部組件，包括；

可除去地設(shè)置至所述激光器系統(tǒng)的激光聚焦光學(xué)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(gòu)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?qū)?zhǔn)且延伸穿過(guò)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(gè)軸向輔助氣體管道和靜態(tài)輔助氣體管道，所述多個(gè)軸向輔助氣體管道和多個(gè)靜態(tài)輔助氣體管道通過(guò)以與所述液體射流孔同心的環(huán)形樣式定位的進(jìn)入端口進(jìn)入所述噴嘴帽本體且延伸穿過(guò)所述噴嘴帽本體以將輔助氣體獨(dú)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端口和靜態(tài)出射端口；以及

其中所述多個(gè)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(shù)方案2.根據(jù)技術(shù)方案1所述的頭部組件，其中，所述軸向出射端口的至少一部分定位成在大約10度到大約40度的范圍中的液體射流會(huì)聚角下射出所述輔助氣體。

技術(shù)方案3.根據(jù)技術(shù)方案1所述的頭部組件，其中，所述靜態(tài)出射端口的至少一部分定位成用于與所述液體射流孔徑向流體連通。

技術(shù)方案4.根據(jù)技術(shù)方案1所述的頭部組件，其中，所述多個(gè)軸向輔助氣體管道和所述多個(gè)靜態(tài)輔助氣體管道的直徑在大約0.005英寸到大約0.03英寸的范圍中。

技術(shù)方案5.根據(jù)技術(shù)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(shè)置在隔膜槽口中的隔膜。

技術(shù)方案6.根據(jù)技術(shù)方案5所述的頭部組件，其中，所述隔膜定位成垂直于所述液體射流的軸向方向且延伸足夠的距離來(lái)通過(guò)所述隔膜阻擋輔助氣體連通。

技術(shù)方案7.根據(jù)技術(shù)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的范圍中的形狀比的隔膜中心孔。

技術(shù)方案8.根據(jù)技術(shù)方案1所述的頭部組件，其中，所述耦合單元包括用于供應(yīng)環(huán)形導(dǎo)管的液體。

技術(shù)方案9.根據(jù)技術(shù)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(gòu)造成將輔助氣體通過(guò)環(huán)形空間供應(yīng)至所述多個(gè)軸向輔助氣體管道和多個(gè)靜態(tài)輔助氣體管道。

技術(shù)方案10.根據(jù)技術(shù)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(shè)置至所述噴嘴組件的窗元件。

實(shí)施方案11.一種液體射流引導(dǎo)的激光器系統(tǒng)，包括：

構(gòu)造成附接至激光聚焦光學(xué)模塊的側(cè)向移動(dòng)組件；

可除去地附接至所述側(cè)向移動(dòng)組件的耦合組件，其中所述側(cè)向移動(dòng)組件允許在垂直于所述液體射流引導(dǎo)的激光器系統(tǒng)的激光束的平面中調(diào)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(gòu)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?qū)?zhǔn)且延伸穿過(guò)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(gè)軸向輔助氣體管道和靜態(tài)輔助氣體管道，所述多個(gè)軸向輔助氣體管道和多個(gè)靜態(tài)輔助氣體管道通過(guò)以與所述液體射流孔同心的環(huán)形樣式定位的進(jìn)入端口進(jìn)入所述噴嘴帽本體且延伸穿過(guò)所述噴嘴帽本體以將輔助氣體獨(dú)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端口和靜態(tài)出射端口；且

其中所述多個(gè)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(shí)施方案12.根據(jù)實(shí)施方案11所述的激光器系統(tǒng)，其中，所述軸向出射端口的至少一部分定位成在大約10度到大約40度的范圍中的液體射流會(huì)聚角下射出所述輔助氣體。

實(shí)施方案13.根據(jù)實(shí)施方案11所述的激光器系統(tǒng)，其中，所述靜態(tài)出射端口的至少一部分定位成用于與所述液體射流孔徑向流體連通。

實(shí)施方案14.根據(jù)實(shí)施方案11所述的激光器系統(tǒng)，其中，所述多個(gè)軸向輔助氣體管道和所述多個(gè)靜態(tài)輔助氣體管道的直徑在大約0.005英寸到大約0.03英寸的范圍中。

實(shí)施方案15.根據(jù)權(quán)利要求11所述的激光器系統(tǒng)，其中，所述激光器系統(tǒng)還包括可除去地設(shè)置在隔膜槽口中的隔膜。

實(shí)施方案16.根據(jù)實(shí)施方案15所述的激光器系統(tǒng)，其中，所述隔膜定位成垂直于所述液體射流的軸向方向且延伸的足夠距離來(lái)通過(guò)所述隔膜阻擋輔助氣體連通。

實(shí)施方案17.根據(jù)實(shí)施方案15所述的激光器系統(tǒng)，其中，所述激光器系統(tǒng)還包括限定在大約1:2到1:10的范圍中的形狀比的隔膜中心孔。

實(shí)施方案18.根據(jù)實(shí)施方案11所述的激光器系統(tǒng)，其中，所述耦合單元包括用于供應(yīng)環(huán)形導(dǎo)管的液體。

實(shí)施方案19.根據(jù)實(shí)施方案11所述的激光器系統(tǒng)，其中，所述激光器系統(tǒng)還包括輔助氣體歧管，其構(gòu)造成將輔助氣體通過(guò)環(huán)形空間供應(yīng)至所述多個(gè)軸向輔助氣體管道和多個(gè)靜態(tài)輔助氣體管道。

實(shí)施方案20.根據(jù)實(shí)施方案11所述的激光器系統(tǒng)，其中，所述耦合單元包括可除去地設(shè)置至所述噴嘴組件的窗元件。

實(shí)施方案21.根據(jù)技術(shù)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的范圍中的形狀比的隔膜中心孔。

本公開內(nèi)容的這些及其它特征、方面和優(yōu)點(diǎn)將參照以下描述和所附權(quán)利要求變得更好理解。并入且構(gòu)成本說(shuō)明書的一部分的附圖說(shuō)明了本公開內(nèi)容的實(shí)施例，且連同描述用于闡釋本公開內(nèi)容的原理。

附圖說(shuō)明

針對(duì)本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員的包括其最佳模式的本發(fā)明的完整且開放的公開內(nèi)容在參照附圖的說(shuō)明書中提出，在附圖中：

圖1示出了穿過(guò)頭部組件的實(shí)施例的截面。

圖2為噴嘴帽的實(shí)施例的側(cè)視圖。

圖3為噴嘴帽的實(shí)施例的頂視圖。

圖4為噴嘴帽的實(shí)施例的透視圖。

圖5為具有靜態(tài)輔助氣體端口的噴嘴帽的另一個(gè)實(shí)施例的透視圖。

圖6為噴嘴帽的實(shí)施例的端視圖。

本說(shuō)明書和附圖中的參考標(biāo)號(hào)的重復(fù)使用意在表示本公開內(nèi)容的相同或相似的特征或元件。

構(gòu)件清單

20液體射流引導(dǎo)的激光器系統(tǒng)

21頭部組件

22耦合組件

24激光聚焦光學(xué)模塊

26激光束

28聚焦透鏡

30側(cè)向移動(dòng)組件

31輔助氣體

32靜態(tài)輔助氣體管道

33液體射流

35靜態(tài)出射端口

40側(cè)向移動(dòng)組件

41隔膜槽口

42隔膜

50激光聚焦光學(xué)模塊

51支座

53環(huán)形連接部分

55排放導(dǎo)管

57耦合單元

59圓錐形開口

60噴嘴組件

61a,61b進(jìn)入端口

62窗元件

63中間空間

65液體射流噴嘴

67徑向管線

69環(huán)形導(dǎo)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(huán)形空間

91a,91b軸向出射端口

θ液體射流會(huì)聚角。

具體實(shí)施方式

現(xiàn)在將對(duì)本公開內(nèi)容的實(shí)施例進(jìn)行詳細(xì)參照，其一個(gè)或多個(gè)示例在附圖中示出。各個(gè)示例通過(guò)闡釋本公開內(nèi)容的方式提供，而不限制本公開內(nèi)容。實(shí)際上，本領(lǐng)域的技術(shù)人員將清楚的是，在不脫離本公開內(nèi)容的范圍或精神的情況下，可在本公開內(nèi)容中作出各種改型和變型。例如，示為或描述為一個(gè)實(shí)施例的一部分的特征可結(jié)合另一個(gè)實(shí)施例使用以產(chǎn)生又一個(gè)實(shí)施例。因此，期望本公開內(nèi)容覆蓋歸入所附權(quán)利要求和其等同物的范圍內(nèi)的此類改型和變型。

如本文使用的用語(yǔ)"軸向"和"徑向"是指關(guān)于中心流體通路中的流體流的相對(duì)方向，其中"軸向"平行于中心流體通路，且"徑向"垂直于中心流體通路且從中心流體通路中的公共中心點(diǎn)發(fā)散。另外，"上游"是指流體流出的方向，且"下游"是指流體流至的方向。

所有方向參照(例如，徑向、軸向、近側(cè)、遠(yuǎn)側(cè)、上、下、向上、向下、左、右、側(cè)向、前、后、頂部、底部、上方、下方、垂直、水平、順時(shí)針、反時(shí)針等)僅用于識(shí)別目的以有助于讀者的理解，且不產(chǎn)生特別是關(guān)于本發(fā)明的位置、定向或使用的限制。連接參照(例如，附接、聯(lián)接、連接和連結(jié))寬泛地構(gòu)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(duì)移動(dòng)，除非另外指出。因此，連接參照不一定是指兩個(gè)元件直接地連接且與彼此成固定關(guān)系。示例性的圖僅出于說(shuō)明目的，且附于此的圖中反映的尺寸、位置、順序和相對(duì)大小可變化。

圖1示出了穿過(guò)液體射流引導(dǎo)的激光器系統(tǒng)20的頭部組件(21)的實(shí)施例的截面，其可包括耦合至激光聚焦光學(xué)模塊24的耦合組件22。激光聚焦光學(xué)模塊24可包括激光束26和光學(xué)元件(諸如聚焦透鏡28)。在一些實(shí)施例中，調(diào)整激光束26的聚焦由可耦合在激光聚焦光學(xué)模塊24與耦合組件22之間的側(cè)向移動(dòng)組件30輔助，因此允許耦合組件22在垂直于激光束26的方向的側(cè)向平面中移動(dòng)。

支座51具有環(huán)形連接部分53，支座51形成漏斗的類型以使聚焦的激光束26從激光聚焦光學(xué)模塊24穿過(guò)側(cè)向移動(dòng)組件30。激光束26穿過(guò)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(huán)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(cè)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(jīng)由環(huán)形導(dǎo)管69且然后經(jīng)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(nèi)部空間中。液體射流噴嘴65在其面向中間空間63的上側(cè)上具有凹口，流體噴嘴71插入凹口中。流體噴嘴71具有中心軸向?qū)Ч埽S向?qū)Ч苄纬闪黧w33(見圖2)的細(xì)射流，其以光學(xué)波導(dǎo)的方式引導(dǎo)激光輻射。導(dǎo)管具有與期望的流體射流的直徑對(duì)應(yīng)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膨脹而不干擾流體33的射流。

圖2-圖6為安裝在液體射流噴嘴65的下側(cè)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?qū)?zhǔn)且從形成下部部分空間75的腔延伸穿過(guò)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(guò)環(huán)形空間85(見圖1)供應(yīng)。輔助氣體31從歧管83引入到多個(gè)軸向輔助氣體管道81a、81b和靜態(tài)輔助氣體管道32。多個(gè)軸向氣體管道81a、81b和靜態(tài)輔助氣體管道32可為適合于將輔助氣體31輸送至不同位置的任何數(shù)目的管道。軸向輔助氣體管道81a、81b和靜態(tài)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)直徑到0.03''直徑的范圍中。多個(gè)軸向輔助氣體管道81a、81b與輔助氣體源31流體連通，通過(guò)進(jìn)入端口61a、61b(圖2)進(jìn)入噴嘴帽本體78且以與液體射流孔79同心的環(huán)形樣式定位。靜態(tài)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(lái)垂直于中心流體通路排出靜態(tài)輔助氣體。軸向輔助氣體管道81a、81b延伸穿過(guò)噴嘴帽本體78以將輔助氣體31獨(dú)立地輸送至定位成鄰近液體射流33排出輔助氣體31的軸向出射端口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。軸向出射端口91a、91b可構(gòu)造為形成為在大約10度到大約40度的范圍中的液體射流會(huì)聚角θ下射出輔助氣體的軸向出射端口。

圖2和圖5示出了隔膜42的實(shí)施例，其可除去地設(shè)置在隔膜槽口41中，槽口41定位成垂直于穿過(guò)液體射流孔79的軸向方向，且延伸足夠距離來(lái)通過(guò)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(nèi)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(gè)靜態(tài)輔助氣體管道32的噴嘴帽77的另一個(gè)實(shí)施例形狀，其中靜態(tài)出射端口35定位成排放到下部部分75中。靜態(tài)出射端口35以徑向樣式離開噴嘴帽本體78以大致垂直于中心流體通路排出靜態(tài)輔助氣體31。靜態(tài)出射端口從中心流體通路中的公共中心點(diǎn)發(fā)散。圖6為圖4的實(shí)施例的底視圖。

適用于構(gòu)造帶有軸向輔助氣體管道81a、81b、靜態(tài)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的增材制造技術(shù)包括但不限于材料噴射、粘結(jié)劑噴射、材料擠出、粉末床熔合、直接金屬激光熔化、選擇性激光熔化、選擇性激光燒結(jié)、直接金屬激光燒結(jié)、電子束熔化、選擇性熱燒結(jié)、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(lái)公開本發(fā)明，包括最佳模式，并且還使本領(lǐng)域技術(shù)人員能夠?qū)嵺`本發(fā)明，包括制造和使用任何裝置或系統(tǒng)以及執(zhí)行任何包含的方法。本公開內(nèi)容可申請(qǐng)專利的范圍由權(quán)利要求限定，并且可包括本領(lǐng)域技術(shù)人員想到的其它示例。如果這些其它示例具有不與權(quán)利要求的字面語(yǔ)言不同的結(jié)構(gòu)要素，或者如果它們包括與權(quán)利要求的字面語(yǔ)言無(wú)實(shí)質(zhì)差異的等同結(jié)構(gòu)要素，則意在使這些其它示例處于權(quán)利要求的范圍內(nèi)。