CN111212702A - 利用流体射流引导的激光束加工工件的设备及其组装 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种用于利用激光束(102)加工工件(101)的设备(100，200，300，900)和方法(400)。特别地，设备(100，200，300)包括用于生成加压的流体射流(104)的喷嘴(103)、和配置成将激光束(102)耦合至流体射流(104)中的至少一个光学元件(105)。设备(100，200，300)还包括围绕喷嘴(103)和所述至少一个光学元件(105)的密闭的外壳(106)。密闭的外壳(106)包括设置有接口单元(108)的上侧部分(107)和通过接口单元(108)可移除地附接至上侧部分(107)的下侧部分(109)。下侧部分(109)包括用于朝向工件(101)输出流体射流(104)的出口孔(110)，其中，出口孔(110)与流体射流(104)同轴地对准。设备(900)具有附接至上侧部分(109)并包括用于朝向工件输出流体射流的通道的不同的下侧部分(901)，其中，通道的长度与通道的直径(特别是恒定直径)的比率为1：1至20：1、优选地为5：1至15：1。

Description

利用流体射流引导的激光束加工工件的设备及其组装
技术领域
本发明涉及一种用于利用激光束加工工件的设备，并且涉及一种组装该设备的方法。该设备专门用于利用耦合至流体射流中的激光束加工工件。特别地，本发明的设备具有改进的防溅罩，即，具有防止流体和微粒从工件溅回至该设备中的改进的保护。另外，本发明的组装方法包括支持改进的防溅罩保护的对准过程。
背景技术
用于利用激光束(该激光束耦合至撞击到工件上的流体射流中)加工工件的传统设备是众所周知的。
在一种这样的传统设备中，将防溅罩设置于该设备的流体射流出口。防溅罩由薄金属片实现，并且具有在利用激光束加工工件时减少从工件溅回至设备中的流体量的目的。这是因为，返回进入至设备中的流体可能会对设备内部的流体射流的生成造成负面影响。流体射流通常由流体喷嘴生成。如果溅回的流体进入设备并粘附至喷嘴，则它可能会干扰液体射流的生成，从而使得液体射流颤动或甚至断开。这将使工件加工过程不可行或至少效率非常低。薄金属片提供了相对便宜的方案，但是具有如下所描述的多个缺点。
金属片防溅罩在设备的操作开始之前安装至该设备上，并且没有用于流体射流的出口孔。当设备的操作开始时，激光束在薄金属片中钻孔，该孔允许流体射流流出。然而，不能控制该出口孔的形状和直径。特别地，所产生的出口孔通常不像流体射流那样是圆形的，而是椭圆形的形状。因此，产生了不必要的空间，从工件溅回的流体可能通过该空间进入设备。此外，当由激光束钻出出口孔时，已经产生了流体射流，从而使得流体开始在设备内部积聚。该流体需要从设备中释放，并且因此防溅罩设置有另外的孔。遗憾的是，这些另外的孔也潜在地允许从工件溅回的流体进入设备，并且在那里恶化流体射流的质量。显然，对流体射流的生成的任何干扰都会导致***性地缩短有效的流体射流，并且因此导致工件加工效率显著降低。具体地，在采用薄金属片方案的传统设备中，效率可能从该方案的最佳情况下的值降低多达30％或更多。
此外，在设备操作期间，由于激光束吸收，出口孔将不利地变形，特别是变宽。这种不可避免的变形不断地增大流体溅回至设备中的可能性。另外，防溅罩必须相当频繁地(每次重新启动设备时或多或少地)更换，因为薄金属片在设备的操作期间会被腐蚀。
因此，其它的传统设备使用固定安装的覆盖部件。该覆盖部件沿工件方向至少部分地封闭相应的设备，并且具有用于流体射流的预制出口孔。然而，覆盖部件没有充分地防止溅回的流体进入设备。这是因为预制的出口孔太大，或者在覆盖部件中设置了另外的孔以便允许流体或气体排出。此外，由于在操作设备之前就已经将覆盖部件固定地安装，因此出口孔与流体射流的对准或重新对准是困难的。实际上，这是为这些覆盖部件设置相对较大的出口孔(与流体射流的直径相比)的一个原因。此外，覆盖部件的更换是不可行的或至少是很困难的(例如如果在长时间使用设备之后需要清洁或更换覆盖部件)。
考虑到这些问题和缺点，本发明旨在改进传统设备。因此，本发明的目的是提供一种用于利用耦合至流体射流中的激光束来加工工件的设备，该设备可以更有效地加工工件并且具有改善的工艺稳定性。特别地，本发明旨在当加工工件时，特别是在钻孔和铣削工件时，更好地稳定流体射流。为此目的，本发明期望防止溅回的流体的改进的保护，并且期望设备内部的流体射流因此不受干扰地产生，同时期望随之而来的使用寿命的增加以及部件性能的提高。另外，本发明还旨在在提供包裹流体射流的保护性气体层的情况下减少气体消耗。
发明内容
本发明的目的是通过所附独立权利要求中提供的方案来实现的。在从属权利要求中限定了本发明的有利实施方式。
特别地，本发明提出了一种具有外壳(该外壳用作改进的防溅罩)的设备，并且提出了该设备的组装方法，该方法包括外壳的出口孔与流体射流的对准过程。该设备的结构特征和组装方法有利地配合。
本发明的第一方面提供了一种用于利用激光束加工工件的设备，该设备包括用于产生加压的流体射流的喷嘴、被配置成将激光束耦合至流体射流中的至少一个光学元件、围绕所述喷嘴以及所述至少一个光学元件的密闭的外壳，其中，该密闭的外壳包括：上侧部分和下侧部分，该上侧部分设置有接口单元，该下侧部分通过所述接口单元可移除地附接至所述上侧部分且包括用于朝向工件输出所述流体射流的出口孔，其中，所述出口孔与所述流体射流同轴地对准。
加压的流体射流用作用于激光束的波导，并通过全内反射将激光束引导至工件上。因此，可以利用该激光束加工工件。
“密闭的外壳”是指防止流体和气体除通过出口孔外在设备内部与设备周围的大气之间进行交换的外壳。因此，形成上侧部分和下侧部分的材料对于流体和气体是不可渗透的。此外，上侧部分和下侧部分之间的连接是液密和气密的。当然，为了在设备中生成流体射流，流体需要被供应至设备的内部。此外，在优选的情况下，流体射流将被气体层包裹，保护气体也需要被供应至设备的内部。然而，流体和/或气体被供应使得设备与外部流体和/或气体供应部形成闭合的***。因此，这种有目的地供应的流体和/或气体将不与设备周围的大气进行交换，并因此不意味着外壳是不密闭的。密闭的外壳的优选结果是，进入设备的流体(用于生成流体射流)的流量等于通过出口孔流出设备的流体的流量。同样，进入设备的气体(用于提供围绕流体射流的保护性气体层)的流量优选地等于通过出口孔流出设备的气体的流量。
“可移除地附接”是指下侧部分可以以非破坏性的方式从上侧部分拆卸下来，而不损坏设备的任何部分。这特别地是指下侧部分旨在被移除。优选地，这是指下侧部分可以容易地从上侧部分移除，即，分别地，无需对该设备或其外壳进行任何复杂且费时的拆解。
“同轴地对准”意味着出口孔是圆形的(至少与完美圆度有至多5微米、优选地至多3微米的偏差)，并且该圆形孔的中心与流体射流的假定的圆形横截面的中心对准。特别地，同轴地对准是指流体射流在圆形出口孔内居中(至少与完美的居中有小于10微米、优选地小于5微米的偏差)。
设备的密闭的外壳用作改进的流体防溅保护部，这显著地降低了流体从工件溅回至设备中的可能性。因此，该设备可以执行工件加工过程，这比利用传统设备执行的加工过程明显更有效和稳定。
改进的防溅保护(并且实际上从本文的意义上说是外壳的密闭性)的一个原因是，外壳没有任何另外的流体和/或气体释放孔。由于该设备的组装方法(下面将更详细描述)、尤其是由于下侧部分组装到上侧部分的程序，因此可以避免这种释放孔。该组装程序包括出口孔与流体射流的对准过程，该对准过程可以有利地在下侧部分从上侧部分拆卸下来的情况下进行。由于下侧部分可移除地附接至密闭的外壳的上侧部分的设计，以及由于接口单元和密闭的接口的设计，因此这是可能行的。因此，在对准过程中，流体不会积聚在设备中，并且因此不需要流体释放孔。
另一原因是圆形的流体射流与圆形的出口孔之间的同轴对准减少了不必要的空间(飞溅的流体可以通过该空间进入设备)。同轴对准是对准过程的另一有利结果，该对准过程在设备的组装期间进行并且改善了流体射流的稳定性。
由于下侧部分可从上侧部分移除，因此简化了设备的清洁和设备的部件的更换。
在该设备的优选实施形式中，上侧部分和下侧部分之间的密闭的接口例如通过如橡胶V形环的橡胶绝缘单元、通过涂脂的板对板接触、或通过超平整的板对板接触而形成。
虽然上侧部分和下侧部分是分离的部分并且优选可容易地彼此移除，但是密闭的接口仍确保了外壳的密闭性。
在该设备的另一优选实施形式中，下侧部分可容易地通过将该下侧部分从上侧部分拉离而被容易地移除。
因此，为了移除下侧部分，不需要进行诸如旋松或脱焊的机械操作。特别地，下侧部分可以无损地从上侧部分拉下。这使得能够快速且容易地更换下侧部分，并且还支持在设备的组装期间的对准过程。
在该设备的另一实施形式中，当下侧部分被移除时，通过将下侧部分简单地靠近上侧部分就可以将下侧部分重新附接。
通过简单地将下侧部分和上侧部分朝向彼此靠近而使下侧部分可重新附接，在设备的组装期间的对准过程变得特别容易实施。
在该设备的另一优选实施形式中，设备被配置成当下侧部分被移除时执行流体射流与出口孔的对准过程。
这意味着设备具有对准模式，该对准模式允许在下侧部分被拆卸下的情况下操作设备。在该对准模式下，该设备能够提供流体射流并将激光束耦合至流体射流中，并且然后优选地使用激光束对流体射流与出口孔在水平面中的预对准进行监控。特别地，该设备可以配置成通过监控一个或多个激光束反射图案来确定流体射流的状态，当流体射流与某个机械部件碰撞时，这些图案改变。这可以用来确定流体射流与下侧部分的出口孔的边缘碰撞以及流体射流何时与下侧部分的出口孔的边缘碰撞，以便将流体射流至少粗略地对准在该出口孔内。
在该设备的另一优选实施形式中，至少下侧部分的包括出口孔的出口喷嘴由硬质材料制成，优选地由蓝宝石、碳化钨或金刚石制成。
出口孔可以是预先制造的，并且可以由硬质材料制成，因为在意图使用该设备之前，出口孔没有被激光束钻孔。因此，下侧部分的出口孔可以被制成永久的，即，使得当操作设备时，出口孔不会由于激光束的交互而改变其形状和/或尺寸。因此，在长时间跨度上保持同轴对准，这导致了改进的加工过程(特别是在效率和稳定性方面)。
在该设备的另一优选实施形式中，出口孔的直径是流体射流的直径的1倍至6倍、优选地1倍至3倍。
因此，出口孔可以紧密地引导流体射流，其中，优选地，流体射流被气体层包裹。因此，没有产生不必要的空间(流体可以通过该空间从工件溅回至设备中)。由于组装设备的特定方法，因此仅小的出口孔直径就是可行的。
在该设备的另一优选实施形式中，接口单元包括磁性元件，并且下侧部分通过磁性元件磁性地附接至上侧部分。
至少一个磁性元件支持下侧部分到上侧部分的容易的组装程序，并因此支持流体射流与出口孔的对准过程。
在该设备的另一优选实施形式中，接口单元包括机械元件，该机械元件优选为弹簧元件，并且下侧部分通过该机械元件机械地附接至上侧部分。
接口单元的这种替选实施形式支持下侧部分到上侧部分的组装程序以及流体射流与出口孔的对准过程。
在该设备的另一优选实施形式中，上侧部分设置有保持流体射流生成喷嘴的喷嘴保持件。
这意味着上侧部分优选地为不可移除的部分，上侧部分为流体射流生成喷嘴提供了稳定的底座。这使得流体射流的生成更加精确和稳定。
在该设备的另一优选实施形式中，喷嘴的流体孔由硬质材料制成，优选地由蓝宝石或金刚石制成。
由于流体射流生成喷嘴的孔是由这些优选材料之一制成的，因此其形状和尺寸可以更好地承受流体压力和入射的激光辐射。因此，流体射流通路是持久稳定的。
在该设备的另一优选实施形式中，喷嘴包括直径为10μm至200μm的流体孔，并且流体射流的直径为流体孔的直径的0.64倍至0.94倍。
这些尺寸在利用激光束加工工件以及流体射流的稳定性方面提供了优势。
在该设备的另一优选实施形式中，该设备还包括气体供应单元，该气体供应单元被配置成提供在流体射流通过出口孔输出之前包裹该流体射流的气体。
包裹流体射流的气体使流体射流稳定，并且因此得到改善的流体射流特性和加工过程效率。由于密闭的外壳和同轴对准的小的出口孔，因此可大大减少保护性气体层的气体消耗，而不会使流体射流变得不稳定。
在该设备的另一优选实施形式中，气体供应单元包括设置为穿过上侧部分的气体进入孔以及被密闭的外壳围绕并配置成将气体提供给流体射流的气体供应室。
值得注意的是，尽管气体进入孔设置成穿过密闭的外壳，但是不影响外壳的密闭性。这是由于以下事实：在设备的操作期间，设备内部、气体供应单元和外部气体供应部形成了封闭的***，该***不允许在设备内部和设备周围的大气之间进行任何流体和气体交换。
在该设备的另一优选实施形式中，该设备还包括防流体单元，该防流体单元被配置成防止流体积聚在下侧部分的外表面上、特别是积聚在出口孔附近。
防流体单元的使用将流体从下侧部分的外表面移除。积聚在下侧部分的外表面上的流体可能与流体射流和/或支持气体流相互作用。这会对流体射流的特性产生负面影响，并降低加工过程的效率。因此，防流体单元的使用在效率和稳定性方面改善了加工过程。防流体单元还可以被配置成防止流体在上侧部分与下侧部分的连接处附近积聚在上侧部分的外表面上。例如，上侧部分可以包括上侧联接主体和下侧联接螺母。在这种情况下，抗流体单元可以被配置成防止流体积聚在联接螺母的外表面上。
在该设备的另一优选实施形式中，防流体单元包括流体抽吸单元，该流体抽吸单元被配置成将流体从下侧部分的外表面输送走。
在该设备的另一优选实施形式中，防流体元件包括毛细元件，该毛细元件被配置成从下侧部分的外表面吸收流体。
在该设备的另一优选实施形式中，防流体单元包括设置在下侧部分的外表面上的防流体材料。
在该设备的另一优选实施形式中，防流体单元包括加热单元，该加热单元被配置成加热下侧部分的外表面，从而使流体蒸发走。
利用防流体单元的这些优选实施形式，实现了从下侧部分的外表面的特别可靠的流体移除。
本发明的第二方面提供了一种组装根据第一方面或根据第一方面的任何实施形式的设备的方法，该方法包括：提供移除了下侧部分的所述设备；将流体射流与出口孔在水平面中预对准；沿竖直方向使上侧部分和下侧部分靠近，直到下侧部分通过接口单元附接至上侧部分；以及将流体射流与出口孔精确地对准。
流体射流与出口孔在水平面中的精确对准确保了流体射流和出口孔的同轴取向在小于10微米、优选地小于5微米的范围内。
由于组装方法包括对准过程(该对准过程包括预对准和精确对准)，因此支持了设备的上述优势。例如，由于预对准是在下侧部分被从上侧部分移除的情况下进行的，所以在精确对准阶段期间流体不能积聚在设备内部，并且因此下侧部分不需要流体释放孔。因此，可以使设备的外壳是密闭的。此外，通过设置到外壳的上侧部分的接口单元，可以容易地进行上侧部分和下侧部分的附接。这允许在下侧部分被拆卸的情况下进行预对准，因为下侧部分然后可以简单地附接至上侧部分而不会使该粗略对准失调(dis-adjusting)。另外，还能够实现流体射流与出口孔的精细对准，并因此产生有利的同轴取向，即，流体射流在出口孔内居中。
如果该设备包括防流体单元，则优选地，该防流体单元在流体射流与出口孔的精确对准步骤之后安装。
因此，这样组装的设备可以设置有密闭的外壳，并且可以因此受益于如上所述的所有优势和效果。对准过程可以简单且快速地进行。可以容易地重复对准过程，例如，在发生意外的未对准或由于清洁或维护的原因而拆解设备的情况下。
本发明的第三方面提供了一种用于利用激光束加工工件的设备，该设备包括用于生成加压的流体射流的喷嘴、配置成将激光束耦合至流体射流中的至少一个光学元件、围绕所述喷嘴和所述至少一个光学元件的密闭的外壳，其中，所述密闭的外壳包括设置有接口单元的上侧部分、和通过所述接口单元附接至上侧部分且包括用于将流体射流朝向工件输出的通道的下侧部分，其中，该通道的长度与该通道的直径(特别是恒定直径)的比率为1∶1至20∶1、优选地为5∶1至15∶1。
第三方面的设备是第一方面的设备的替选方案。第三方面的设备也具有密闭的外壳，并可以因此在该方面中受益于上面针对第一方面的设备所描述的所有优势和效果。即，由第三方面的设备提供的改进的防溅保护的一个原因再次是外壳的密闭性(从本文的意义上来说)。
另一个原因是通道长度与通道直径(宽度)的比率，其中，优选地，直径在通道长度上是恒定的。通道从外壳的内部向下侧部分的向外端部延伸，在该向外端部处形成出口孔(从第一方面的设备的意义上来说)。由于相对较长的通道(即，大的长度与宽度的比率)，因此从工件溅回的流体和微粒较不可能进入设备、特别是进入设备的在密闭的外壳内生成流体射流的部分。实际上，大于5∶1、大于10∶1、大于15∶1或甚至大于20∶1的比率使得流体和/或微粒极不可能到达流体射流生成喷嘴。
作为相对较长的通道的另一个结果，通道的绝对直径(即同样地形成在下侧部分的端部处的出口孔的绝对直径)例如与第一方面的设备的出口孔相比，可以被加宽。由于较宽的通道/孔，因此可以适应流体射流的对准中的变化(即，如在第一方面的设备中的，与流体射流和通道/出口孔的同轴对准的偏差)，而不会恶化防溅保护。这些宽松的对准要求允许以传统方式将下侧部分(例如，固定地)附接至上侧部分，使得不容易通过例如把下侧部分拉下而使其可移除。例如，下侧部分可以被螺纹连接(例如通过细螺纹)或被旋拧至上侧部分。
优选地，通道直径被选择成使得，即使当流体射流被气体包裹时，该流体射流也可以不受阻碍地穿过下侧部分，即，气体包裹物也不受干扰。特别地，在第一方面的设备中的出口孔的直径小于在第三方面的设备中的通道的直径。
在该设备的优选实施形式中，下侧部分包括附接至上侧部分的附接部，以及从附接部延伸并引导通道的管，其中，该管的长度与管的直径的比率大于2：1。
相对长的管防止了流体(特别是水)积聚在下侧部分的外部上，并因此防止了桥接通道/孔。因此，流体不太可能进入设备外壳。同样地，承载激光束的流体射流不会受到这种流体桥的负面影响。
在设备的另一优选实施形式中，管的直径与通道的直径的比率小于5∶1。
由于该相对较窄的管，因此该管的暴露的端部表面很小，并且因此流体(特别是水)不太可能在管上积聚和/或在该表面上形成液滴。
在该设备的另一优选实施形式中，管的端部包括锋利的边缘。
该锋利的边缘导致流体(特别是水)的分离，因此降低了流体桥接通道/孔、和/或进入设备外壳的可能性。
在该设备的另一优选实施形式中，通道的直径是流体射流的直径的1倍至10倍、优选地4倍至10倍。
因此，优选地，通道的直径大于第一方面的设备中的出口孔的直径。
值得注意的是，第三方面的设备可以进一步设置有气体供应单元和/或设置有防流体单元，如在第一方面的设备的各个实施形式中所描述的气体供应单元和/或防流体单元。
附图说明
本发明的上述各个方面和优选的实现形式在以下关于附图的具体实施方式的描述中进行了说明，其中：
图1示出了根据本发明的一实施方式的设备。
图2示出了根据本发明的一实施方式的设备。
图3示出了根据本发明的一实施方式的设备。
图4示出了根据本发明的一实施方式的方法。
图5示出了与根据本发明的一实施方式的设备相关的根据本发明的一实施方式的组装方法的第一步骤。
图6示出了与根据本发明的一实施方式的设备相关的根据本发明的一实施方式的组装方法的第二步骤。
图7示出了与根据本发明的一实施方式的设备相关的根据本发明的一实施方式的组装方法的第三步骤。
图8示出了与根据本发明的一实施方式的设备相关的根据本发明的一实施方式的组装方法的第四步骤。
图9示出了根据本发明的一实施方式的设备。
图10示出了根据本发明的一实施方式的设备的下侧部分。
具体实施方式
图1示出了根据本发明的一实施方式的设备100。特别地，设备100被配置成利用激光束102加工工件101。工件101可以由包括例如金属、陶瓷、金刚石、半导体、碳化物、合金、复合材料或超硬材料的材料制成。工件101尤其不是设备100的一部分。然而，工件101可以定位在加工面上，该加工面可以是或可以不是设备100的一部分。在任一种情况下，设备100都可以布置为使得该设备100可以加工放置在加工面上的工件101。设备100还可以控制加工面在多达三个维度上的移动。
该设备包括喷嘴103、至少一个光学元件105以及密闭的外壳106，密闭的外壳106包括上侧部分107和下侧部分109。密闭的外壳106围绕喷嘴103和所述至少一个光学元件105。密闭的外壳106还可以围绕设备100的另外的单元和部件。
流体射流生成喷嘴103被配置成生成加压的流体射流104。加压的流体射流104由设备100提供至工件101上。所述至少一个光学元件105被配置成使激光束102特别地穿过流体射流生成喷嘴孔并朝向工件101耦合至流体射流104中。所述至少一个光学元件105例如可以包括一个或多个透镜、透镜组件、导光光学器件、分束器、镜子、滤光器、或偏光器。喷嘴103和所述至少一个光学元件105可以例如通过光学窗分开，以防止光学元件105和流体接触。
激光束102由优选地细的(即，具有在μm范围内的直径)流体射流104引导，原则上就像激光束102在光纤中被引导一样。激光束102被朝向工件101引导且被引导到工件101上，并因此可以用于精确地加工工件101，同时流体射流104持续地冷却工件101并潜在地移除碎片。例如，设备100可以具体地配置成精确地切割工件101或使工件101成形。
激光束102可以是脉冲的或连续的激光束102。激光束102由激光器提供，该激光器可以是设备100的一部分，或者可以是外部的但将激光束102耦合至设备100的激光供应端口中。激光束102可以是可见的，并且优选地来自绿色光谱。例如，激光束102可以具有在355nm至1064nm的范围内、优选地为515nm或532nm的波长。
密闭的外壳106的上侧部分107设置有接口单元108。接口单元108可以是上侧部分107的一部分，或者可以连接至上侧部分107。上侧部分107和接口单元108也可以一体地形成。在替选但不太优选的实施形式中，可以将接口单元108设置到下侧部分109而不是上侧部分107。通过接口单元108，下侧部分109可移除地附接至上侧部分107。也就是说，下侧部分109实际上由接口单元108保持在附接状态，但是从接口单元108与上侧部分107接触的意义上说也附接至上侧部分107，从而下侧部分109和上侧部分107一起形成密闭的外壳106。
下侧部分109具有用于将流体射流104朝向工件101输出的出口孔110。如图1中所示，出口孔110可以通过延伸穿过下侧部分109的通道形成在下侧部分109的端部处，即，出口孔110在下侧部分109的向外端部处的直径与该通道在下侧部分109内的直径相同。然而，出口孔110也可以由下侧部分109的专用部分形成，例如该专用部分的直径小于这种通道在下侧部分109中的直径。至少下侧部分109的出口孔110(即至少下侧部分109的限定出口孔110的部分)优选地由硬质材料(如蓝宝石、碳化钨或金刚石)制成或为硬质材料。然而，也可以整个下侧部分109由这种硬质材料制成。这些材料相对于流体和气体是密闭的。然而，即使下侧部分109的某部分由另一种材料制成，该材料相对于流体和气体也是密闭的，以便(除了通过出口孔110的交换以外)防止在设备100的内部与设备100周围的大气之间的流体和气体的任何交换。对于上侧部分107的材料也是如此。上侧部分107可以例如由金属或硬塑料制成。当然，下侧部分109和上侧部分107也可以由相同的材料制成。
出口孔110与流体射流104同轴地对准，即，流体射流104在出口孔110内居中。因此，优选地，出口孔110具有紧密围绕流体射流104的直径。特别地，出口孔110的直径优选为流体射流104的直径的1倍至6倍、更优选地1倍至3倍。流体射流104的直径由喷嘴103确定。优选地，喷嘴103具有直径为10μm至200μm的孔，并且优选地，流体射流104的直径为喷嘴孔的直径的0.64倍至0.94倍。
图2示出了根据本发明的一实施方式的设备200，其建立在图1中所示的设备100的基础上。图2和图1中的相同元件用相同的附图标记进行标记并且具有相同的功能。因此，图2的设备200再次包括上述流体射流生成喷嘴103和所述至少一个光学元件105，该设备200被配置成提供引导激光束102的加压的流体射流104。另外，设备200再次具有上述密闭的外壳106，该外壳106由上侧部分107和下侧部分109组成，上侧部分107和下侧部分109通过接口单元108可移除地附接至彼此。如图2中所示，接口单元108可以围绕流体射流104形成。接口单元108可以由单个部件或多个部件组成，并且可以附接至上侧部分107或者是上侧部分107的一部分。
在图2中，上侧部分107被示出为包括两部分，即联接主体107b和联接螺母107a。联接螺母107a可以可移除地附接至联接主体107b。联接主体107b与联接螺母107a之间的接口可以通过O形环、通过涂脂的板对板接触或通过超平整的板对板接触而密闭。优选地，联接螺母107a包括接口单元108或与接口单元108形成一个单元。因此，下侧部分109通过接口单元108可移除地附接至联接螺母107a。
另外，在图2中，上侧部分107和下侧部分109通过接口单元108如此附接，使得上侧部分107和下侧部分109形成密闭的接口207，即，上侧部分107和下侧部分109仅以密闭的方式附接至彼此。特别地，密闭的接口207形成在联接螺母107a和下侧部分109之间。优选地，密闭的接口207由设置在上侧部分107(特别地，联接螺母107a)与下侧部分109之间的V形环(优选地，橡胶V形环)形成。可替选地，密闭的接口207由上侧部分107(特别地，联接螺母107a)的至少一部分与下侧部分109的涂脂的板对板接触形成，或者通过超平整的板对板接触形成。因此，超平整的板对板接触是指下侧部分109和上侧部分107(特别地，联接螺母107a)的连接区域的平均表面粗糙度相应地为0.1μm或更小、优选为0.05μm或更小。
在图2中还可以看出，下侧部分109可以具有专用的出口喷嘴208，在出口喷嘴208中设置有出口孔110。因此，出口喷嘴208可以与下侧部分109一体地形成，即出口喷嘴208与下侧部分109可以由相同的材料制成。然而，优选地，出口喷嘴208由与下侧部分109的其余部分不同的材料(更优选地，更硬的材料)制成。优选地，喷嘴208由坚硬且耐用的材料形成，并且因此孔110由坚硬且耐用的材料形成，该材料如蓝宝石、碳化钨、或金刚石。以这种方式，出口孔110可以具有精确且稳定的形状和直径。可以形成从外壳106的内部延伸穿过下侧部分109的通道211，该通道211可以在设置在下侧部分109的向外端部处的出口孔110(此处位于出口喷嘴208中)处终止或与设置在下侧部分109的向外端部处的出口孔110(此处位于出口喷嘴208中)一起终止。通道211在下侧部分109中的直径可以大于出口孔110在下侧部分109的端部处的直径。
图2还示出了设备200可以包括流体供应单元203、204。流体供应单元203、204可以包括流体供应室203，例如可以通过外部流体供应部经由设置成穿过上侧部分107的流体孔来将流体供应至流体供应室203。流体供应单元203、204还包括流体加速室204，该流体加速室204用于在所供应的流体进入流体射流生成喷嘴103的流体进入孔201之前对所供应的流体进行加速，使得可以形成加压的流体射流104。值得注意的是，在设备200的使用中，外部流体供应部与流体供应室203和流体加速室204形成闭合回路，使得从本文的意义上来说，即使在具有流体孔的情况下，外壳106也是密闭的。供应至流体供应室204的流体优选为水。优选地，流体加速室204具有平坦的盘形形状，其优选高度小于1mm、更优选小于0.5mm，以便充分地加速流体。优选地，用于生成加压的流体射流104的喷嘴103的流体进入孔201的直径为10μm至200μm。
图2还示出了喷嘴保持件202，喷嘴保持件202可以是设备200的一部分，并被配置成保持喷嘴103。优选地，喷嘴保持件202连接至密闭的外壳106的上侧部分107，并且甚至可以是上侧部分107的一部分。优选地，喷嘴保持件202被上侧部分107的联接主体107b围绕，即，喷嘴保持件202被***至联接主体107b中。在联接主体107b中，可以通过附接至联接主体107b的联接螺母107a将喷嘴保持件202保持在适当位置(优选地从下方)。也就是说，喷嘴保持件202可以固定在联接主体107b和联接螺母107a之间。优选地，喷嘴保持件202由金属制成。优选地，喷嘴保持件202形成为使得在设备200内形成空间210。在通过喷嘴103的流体进入孔201生成流体射流104之后，流体射流104行进通过该空间210。可以有利地使用空间210，以向流体射流104提供气体，然后该气体可以围绕流体射流104形成稳定的气体层。空间210的形状配置成提供流体射流104的有利的稳定效果。
为了产生这种包裹的气体层，如图2中所示，设备200还可以包括气体供应室205，气体供应室205被配置成将气体提供至空间210，并从而提供至流体射流104。然后，在流体射流104通过出口孔110输出之前，气体包裹流体射流104。因此，气体供应室205和空间210一起形成气体供应单元，其中气体供应室205具有通往空间210的孔206。气体供应单元还可以包括气体进入孔，该气体进入孔设置成穿过密闭的外壳106的上侧部分107、特别是穿过联接主体107b并通往设备200的被密闭的外壳106包裹的气体供应室205。值得注意的是，以与上述流体供应单元203、204相同的方式，气体由外部气体供应部来供应，该外部气体供应部在设备200的使用中与气体供应单元205、210形成闭合的气体回路，并因此不允许在设备200的内部和设备200周围的大气之间进行任何气体交换。因此，即使具有气体进入孔，密闭的外壳106的密闭性也不受影响。优选地，经由气体进入孔供应至气体供应室205的气体是氦气。在流体射流104从出口孔110输出之前，在空间210内包裹流体射流104的氦气有助于稳定流体射流104。
图2还示出了设备200可以包括光学窗209，该光学窗209将流体生成喷嘴103与设备200的激光束102所源自的区域(特别地，所述至少一个光学元件105(在图2中未示出)也位于该区域中)分开。优选地，光学窗209由熔融石英制成。另外，优选地，光学窗209布置在喷嘴保持件202和流体加速室204上方。
图2还示出了接口单元108主要负责在设备200被完全组装时将下侧部分109保持在适当的位置，并且下侧部分109通过形成密闭的接口207而附接至上侧部分107、特别是附接至联接螺母107a。优选地，上侧部分107本身不将任何保持力施加到下侧部分109上。
图3示出了根据本发明的一实施方式的设备300，设备300建立在图1中所示的设备100和图2中所示的设备200的基础上。图3与图1和/或图2中的相同元件用相同的附图标记进行标记并且具有相同的功能。也就是说，设备300再次包括上述喷嘴103、所述至少一个光学元件105和密闭的外壳106，该密闭的外壳106包括上侧部分107且包括下侧部分109，优选地，上侧部分107被分成联接主体107b和联接螺母107a，如图2中所示，联接螺母107a具有接口单元108，下侧部分109具有出口孔110。
特别地，图3示出设备300还可以设置有防流体元件301，防流体元件301被配置成防止流体积聚在下侧部分109的外表面上，并且可选地还防止流体积聚在联接螺母107a的外表面上。特别地，防流体单元301防止流体积聚在出口孔110附近、特别是积聚在出口喷嘴208上、或者甚至积聚在下侧部分109的出口孔110中。因此，防流体单元301用于防止外部流体积聚，并优选地附接至上侧部分107、特别是附接至联接螺母107a。
优选地，防流体单元是流体抽吸单元，该流体抽吸单元被配置成从下侧部分109的外表面吸收流体。例如，这种抽吸单元可以通过真空***或产生负压(under-pressure)的模块来实现。流体抽吸单元适于将流体从下侧部分109的外表面抽吸走。可替选地，防流体单元301可以是被配置成从下侧部分109的外表面抽吸流体的毛细元件。特别地，这种毛细元件具有某种毛细孔或微结构，当流体开始在下侧部分109的外表面上积聚时，流体通过毛细作用被拉入该毛细孔或微结构中。毛细元件可以是海绵状的或是海绵，其能够吸收流体。可替选地，防流体单元301可以包括设置在下侧部分109的外表面上的例如作为层或涂漆的防流体材料。例如，防流体材料可以防止流体例如由于流体不能粘附在下侧部分109的外表面上而积聚在下侧部分109的外表面上。最后，防流体单元301还可以包括加热单元，该加热单元被配置成加热下侧部分109的外表面，并因此使得积聚在下侧部分109的外表面上的流体蒸发。值得注意的是，在本文中，流体优选地是水，从而在每种情况下，防流体单元301都可以特别地适于从下侧部分109的外表面吸收或移除水。
图4示出了根据本发明的一实施方式的方法400。方法400特别用于组装先前附图中所示的设备100、200或300的至少一些部分。特别地，方法400至少涉及下侧部分109到上侧部分107的组装程序。该组装程序包括对准过程。特别地，方法400包括第一步骤401：提供移除了下侧部分109的设备100、200、300。例如，在设备100、200、300的第一次完全组装之前，除下侧部分109之外，这些设备的所有部分都可以被组装。或者，在设备100、200、300已经被组装之后，可以移除下侧部分109，并且可以重新组装设备100、200、300。方法400还包括第二步骤402：将流体射流104与出口孔110在水平面中预对准。由此，水平面由垂直于竖直方向的平面限定，其中，当流体射流104通过流体生成喷嘴103、特别是喷嘴103的流体进入孔201生成时，竖直方向由(笔直的)流体射流104的方向限定。方法400还包括步骤403：使上侧部分107和下侧部分109沿竖直方向靠近，直到下侧部分109通过接口单元108附接至上侧部分107。由此，下侧部分109可以朝向上侧部分107移动，或者上侧部分107可以朝向下侧部分109移动，或者上侧部分107和下侧部分109可以朝向彼此移动。最后，方法400包括步骤404：将流体射流104与出口孔110精确地对准。可以通过在水平面中移动下侧部分109来完成该精细对准步骤404。通过将流体射流104和出口孔110精确地对准，可以确保流体射流104和出口孔110的同轴对准。然而，也可以在水平面中移动下侧部分109的仅一部分，例如移动具有出口孔110的出口喷嘴208。为此，出口喷嘴208可以在水平面中至少相对于下侧部分109的其余部分移动。
图5至图8分别示出了在使用图2中所示的设备200的示例时图4的方法400的步骤401至步骤404。也就是说，上侧部分107被分为联接主体107b和联接螺母107a。对于图1中所示的设备100或图3中所示的设备300(如果在后续步骤中安装防流体单元301的话)，相同的方法400当然也是可行的。
特别地，图5示出了方法400的第一步骤401，其中，下侧部分109被设置为从上侧部分107移除。这可以通过(在第一次组装设备200的其余部分之后)不组装下侧部分109来实现，或者也可以通过使下侧部分109沿竖直方向(z方向)相对地远离上侧部分107移动来实现，如图5中所示。例如，下侧部分109可以被简单地从上侧部分107、特别是从联接螺母107a拉离，以便拆卸下下侧部分109。
图6示出了方法400的第二步骤402。特别地，在这里，可以在水平面(x方向和y方向)上进行流体射流104与出口孔110的粗略对准，使得在预对准步骤402结束时，流体射流104至少穿过出口孔110，而不会撞击在出口孔110的边缘上。然而，流体射流104与出口孔110尚未必然地同轴对准。
图7示出了方法400的第三步骤403，其中，下侧部分109和上侧部分107沿竖直方向(z方向)汇聚在一起。因此，下侧部分109通过接口单元108附接至上侧部分107、特别是附接至联接螺母107a。由于流体射流104与出口孔110已经在水平面中粗略对准而使得流体射流104穿过出口孔110，因此可以避免流体在设备200中积聚。在该附接步骤403中形成密闭的外壳106。
图8示出了方法400的第四步骤404，其中，最后完成了流体射流104与出口孔110的精细对准。特别地，流体射流104与出口孔110在水平面(x方向和y方向)上进一步对准，直到流体射流104与出口孔110同轴地对准。密闭的外壳106不受该精细对准步骤404的影响。
例如，基于光解耦的量，可以很好地检测出所实现的本发明意义上的同轴对准。对于流体射流104与出口孔110的轻微未对准，可以观察到不规则的光解耦。对于较大的未对准，观察到永久性的解耦。该光解耦可作为特定的光图案被检测到，该特定的光图案由激光束102在工件101(或所使用的专用校准表面而不是工件101)上产生。
图9示出了根据本发明的一实施方式的设备900。设备900与图1中所示的设备具有相同的元件。图9和图1中的相同元件用相同的附图标记进行标记，并且具有相同的功能。因此，图1的设备900还包括用于生成加压的流体射流104的喷嘴103、用于将激光束102耦合至流体射流104中的至少一个光学元件105、以及密闭的外壳106，所述密闭的外壳106包围喷嘴106和光学元件105。所述密闭的外壳106包括上侧部分107、接口单元108和下侧部分901。
图1的设备100与图9的设备900之间的区别在于下侧部分901。设备900中的下侧部分901经由接口单元108附接至上侧部分107，优选地，下侧部分901固定地附接至上侧部分107。另外，下侧部分901具有用于输出流体射流104的通道902。通道902形成在下侧部分901内，即延伸穿过下侧部分901，并且可以在下侧部分901的向外端部处形成出口孔。通道902在下侧部分109内具有直径、优选地恒定的直径，并且在下侧部分901的向外端部处形成的出口孔在其端部处具有通道的直径。通道902的长度与其直径(优选地其恒定直径)或其平均直径或其在出口孔处的直径的比率为1：1至20：1(即，通道的长度为其宽度的高达20倍)，并且优选地为5：1至15：1。
与图1的设备100相比，通道902比通道/出口孔110更长。这允许与设备100的至少出口孔110的直径相比，通道902具有更大的直径。与图2的设备200相比，通道902比通过下侧部分109和喷嘴208中的出口孔110的通道211的长度更长。
图10示出了根据本发明的一实施方式的这种设备900的下侧部分901的示例，该示例建立在图9的设备900的基础上。图10中所示的下侧部分901包括附接部1000，该附接部1000适于将下侧部分901附接至外壳106的上侧部分107。特别地，图10中用两个箭头所示的一个表面或两个表面(即，附接部1000的顶表面或侧表面)可以特别地固定(例如，螺纹联接、旋拧、胶粘或铆接等)至接口单元108，并因此固定至上侧部分107。另外，下侧部分901包括管1001，管1001从附接部1000延伸、特别是以垂直于附接部1000的底表面的角度延伸，并引导通道902。也就是说，通道902延伸穿过管1001，和/或管1001包括通道902的至少一部分。
下侧部分901可以具有有利的尺寸，特别是有利的纵横比，即，通道902的长度L1(对应于下侧部分901的长度)与通道902的直径ID的比率在20至1的范围内(即在20：1和1：1之间)。管1001的直径OD与通道902的直径ID的比率小于5(即小于5：1)。管1001的长度LO与管1001的直径OD的比率大于2(即大于2∶1)。通道902的直径ID与流体射流104的直径的比率在1至10的范围内(即在1∶1和10∶1之间)、优选地在4至10的范围内。
图10还示出了管1001的端部(即向外端部，该向外端部未附接至上侧部分109并且背对上侧部分109，即，该向外端部在工件101的加工期间朝向工件101取向)具有一个或多个锋利的边缘，其用于分离从工件101溅回并积聚在下侧部分901的外表面上的流体。
总而言之，本发明提供了设备100、设备200、设备300和设备900，以及用于所述设备100、设备200和设备300的组装方法400，上述设备和方法使得能够利用耦合至流体射流104中的激光束102更有效且稳定地加工工件101。特别地，由于由密闭的外壳106提供的改进的防溅保护，在加工工件101时，流体射流104的稳定性得到改善。
已经结合作为示例的各种实施方式以及实施形式描述了本发明。然而，通过对附图、说明书和独立权利要求的研究，本领域的技术人员可以理解并实现其它变型，以及实践所要求保护的本发明。在权利要求书以及说明书中，“包括”一词并不排除其它元件或步骤，并且不定冠词“一”(“a”或“an”)不排除多个。单个元件或其它单元可以实现权利要求中记载的多个实体或项目的功能。在相互不同的从属权利要求中记载特定措施的仅有事实并不表示不能在有利的实施方式中使用这些措施的组合。

Claims (16)

1.一种用于利用激光束(102)加工工件(101)的设备(100，200，300)，所述设备(100，200，300)包括：
用于生成加压的流体射流(104)的喷嘴(103)，
至少一个光学元件(105)，所述至少一个光学元件(105)被配置成将所述激光束(102)耦合至所述流体射流(104)中，
围绕所述喷嘴(103)和所述至少一个光学元件(105)的密闭的外壳(106)，其中，所述密闭的外壳(106)包括：
上侧部分(107)，所述上侧部分(107)设置有接口单元(108)，以及
下侧部分(109)，所述下侧部分(109)通过所述接口单元(108)可移除地附接至所述上侧部分(107)并包括出口孔(110)，所述出口孔(110)用于朝向所述工件(101)输出所述流体射流(104)，
其中，所述出口孔(110)与所述流体射流(104)同轴地对准。
2.根据权利要求1所述的设备(200，300)，其中，
所述上侧部分(107)和所述下侧部分(109)之间的密闭的接口(207)被形成，优选地通过橡胶V形环、通过涂脂的板对板接触、或通过超平整的板对板接触形成。
3.根据权利要求1或2所述的设备(100，200，300)，其中，
所述下侧部分(109)能够通过将该下侧部分(109)从所述上侧部分(107)拉离而被容易地移除。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的设备(100，200，300)，其中，当所述下侧部分(109)被移除时，
所述下侧部分(109)能够通过简单地将该下侧部分(109)靠近所述上侧部分(109)而重新附接。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的设备(100，200，300)，所述设备(100，200，300)被配置成：
在所述下侧部分(109)被移除时，执行所述流体射流(104)与所述出口孔(110)的对准过程(400)。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的设备(100，200，300)，其中，
所述出口孔(110)的直径是所述流体射流(104)的直径的1倍至6倍、优选地1倍至3倍。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的设备(100，200，300)，其中，
所述接口单元(108)包括磁性元件，并且
所述下侧部分(109)通过所述磁性元件磁性地附接至所述上侧部分(107)。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的设备(100，200，300)，其中，
所述接口单元(108)包括机械元件，所述机械元件优选为弹簧元件，并且
所述下侧部分(109)通过所述机械元件机械地附接至所述上侧部分(107)。
9.一种用于利用激光束(102)加工工件(101)的设备(900)，所述设备(900)包括：
用于生成加压的流体射流(104)的喷嘴(103)，
至少一个光学元件(105)，所述至少一个光学元件(105)被配置成将所述激光束(102)耦合至所述流体射流(104)中，
围绕所述喷嘴(103)和所述至少一个光学元件(105)的密闭的外壳(106)，其中，所述密闭的外壳(106)包括：
上侧部分(107)，所述上侧部分(107)设置有接口单元(108)，以及
下侧部分(901)，所述下侧部分(901)通过所述接口单元(108)附接至所述上侧部分(107)并包括通道(902)，所述通道(902)用于朝向所述工件(101)输出所述流体射流(104)，
其中，所述通道(902)的长度与所述通道(902)的直径的比率为1∶1至20∶1、优选地为5∶1至15∶1。
10.根据权利要求9所述的设备(900)，其中，所述下侧部分(901)包括：
附接至所述上侧部分(107)的附接部(1000)，以及
从所述附接部(1000)延伸并引导所述通道(902)的管(1001)，
其中，所述管(1001)的长度与所述管(1001)的直径的比率大于2：1。
11.根据权利要求9或10所述的设备，其中，
所述管(1001)的直径与所述通道(901)的直径的比率小于5∶1。
12.根据权利要求10或11所述的设备，其中，
所述管(1001)的端部包括锋利的边缘。
13.根据权利要求9至12中任一项所述的设备，其中，
所述通道(902)的直径是所述流体射流(104)的直径的1倍至10倍、优选地4倍至10倍。
14.根据权利要求1至13中任一项所述的设备(100，900)，还包括：
气体供应单元(205，210)，所述气体供应单元(205，210)被配置成提供在所述流体射流(104)通过所述出口孔(110)输出之前包裹所述流体射流(104)的气体，
其中，特别地，所述气体供应单元(205，210)包括设置成穿过所述上侧部分(107)的气体进入孔(205)、以及被所述密闭的外壳(106)围绕并配置成向所述流体射流(104)提供所述气体的气体供应室(210)。
15.根据权利要求1至14中任一项所述的设备(300)，还包括：
防流体单元(301)，所述防流体单元(301)被配置成防止流体积聚在所述下侧部分(109)的外表面上、特别是积聚在所述出口孔(110)附近。
16.一种组装根据权利要求1至8中任一项所述的设备(100，200，300)的方法(400)，所述方法(400)包括：
提供(401)移除了所述下侧部分(109)的所述设备(100)，
将所述流体射流(104)与所述出口孔(110)在水平面中预对准(402)，
使所述上侧部分(107)和所述下侧部分(109)沿竖直方向靠近(403)，直到所述下侧部分(109)通过所述接口单元(108)附接至所述上侧部分(107)，以及
将所述流体射流(104)与所述出口孔(110)精确地对准(404)。
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