[实用新型]一种激光材料加工用亚音速横向气帘装置

说明书

技术领域

本实用新型涉及一种在激光材料加工过程中保护光学系统及元件不受飞溅、烟雾、金属蒸汽等污染的横向气帘装置，属于激光材料加工技术领域。 

背景技术

激光是先进的、新型的、绿色型热源，由于其较高的能量密度、精确的热输入量控制、较小的热影响区、较快的加工速度、几乎无限制的可达性等优于传统热源的特点越来越多的用于材料加工领域。在激光材料加工过程中，激光与被加工的材料之间形成了了相互作用区，发生了复杂的物理、化学变化。其中材料部分吸收(由于材料对激光的吸收率较低)激光辐照的能量，不仅发生了材料内部的温升，而且在相互作用区由于温度的迅速升高材料表面发生了强烈的汽化，出现了烟雾，甚至发生了飞溅。特别是激光焊接过程中，在相互作用区产生了蒸发沟槽、出现了等离子体等复杂的现象。焊接过程中蒸发沟槽和等离子体的稳定、连续是评价焊接过程稳定性的重要指标。这些金属蒸汽、烟雾和飞溅会污染和损坏光学系统元件。光学元件污染会造成光学系统发热、聚焦不良，甚至影响激光材料加工的效果。光学原件的频繁更换会严重影响加工的效率。大量的飞溅还会造成光学元件的直接破裂。 

目前激光加工过程中使用的气帘为喷射腔体是拉伐尔曲线的激光焊接横向气帘保护装置。喷射腔的结构由收缩段、喉部、初始膨胀段和平行出口段组成。在喉部气流速度达到声速，随后在扩张段，气流膨胀减压加速并形成超音速气流。超音速气流为具有一定宽度的薄层气流，由于气流速度快，能够迅速、有效地将在激光材料加工过程中产生的蒸汽、烟雾和飞溅吹除(主要是飞溅)，实现对光学元件的有效保护。另外在薄层超音速气流的下部会形成负压气流通道，保护焊接区周围空气不受扰动。 

上述喷射腔为拉伐尔曲线的激光焊接横向气帘保护装置在CO₂ 激光为主要光源进行材料加工的过程中起到了保护光学元件和系统的作用。随着激光技术的发展，新型的、短波长的、高功率的光源如半导体泵浦的Disk激光器、光纤激光器、半导体激光器等不断涌现，提高了激光与物质作用的效率，也改变了激光与物质作用的规律，激光在与材料相互作用时不再产生等离子体，而是高亮度的“火团”，产生了更多的飞溅和烟雾，对于短焦距的半导体激光器来说，气流下方的负压通道距离相互作用区较近，会对焊接熔池附近产生一定的影响。在这种情况下以拉伐尔曲线为基础的保护气帘已经不能满足快速发展的激光以及激光材料加工技术的需求，通过重新考量其中的物理、化学现象，设计了文丘里型喷管结构喷嘴，借用其在气流上方产生的吸附作用实现对光学系统的保护。该保护装置不仅适用于半导体激光器，也适用高光束质量的半导体泵浦的Disk激光器和光纤激光器。 

实用新型内容

本实用新型要解决的技术问题在于提供一种激光材料加工用亚音速横向气帘保护装置，这种横向气帘装置不仅能有效地吹除激光焊接过程中产生的金属蒸汽、飞溅和烟雾，保证光学系统元件不受污染或少受污染，而且在短焦距的情况下，不会对焊接熔池产生影响。 

本实用新型的气帘装置，按照图-图的技术方案实施。 

一种激光材料加工用亚音速横向气帘装置，包括有喷射腔体和气帘盖板，其特征在于：喷射腔体的内腔为平直腔，即其内底面和顶面均为平面；喷射腔体由上方的气帘上盖、下方气帘下盖以及一侧的衬垫围成一侧封闭，靠近衬垫一侧开放的腔体。 

衬垫为依次由第一端段、中心段和第二端段组成C形块体。中心段上、下底面与上方的气帘上盖、下方气帘下盖存在上底面端距和下底面端距。 

喷射腔体内腔设计符合文丘里喷管设计原理。 

平直的气帘上、下盖由于上底面端距和下底面端距的存在与衬垫之间分别形成窄缝状的上、下喉道。 

由于衬垫的特殊结构设计，平直的上、下盖板分别与衬垫的上、下端口形成间隙较小的上、下喉道，喉道之外为开放的区域，是气帘的扩展段。上底面端距大于下底面端距。 

进一步，上底面端距为0.1-0.5mm之间，和下底面端距在0.05-0.3mm之间。 

一般上喉道的端距大于下喉道的端距，端距越大，缝隙宽度越大，喷出气流的流量越多。上喉道的端距一般为0.1-0.5mm之间，下喉道的端距一般在0.05-0.3mm之间，上/下喉道喷射的气流分别作为主/辅气流对光学系统进行保护。 

进一步，衬垫中心段的高度在8-15mm之间。 

上/下喉道喷射的气流分别作为主/辅气流对光学系统进行保护。