CN101534990A - 具有压缩气体进口和可从喷嘴轴向移出的透镜保持器的激光切割头 - Google Patents

具有压缩气体进口和可从喷嘴轴向移出的透镜保持器的激光切割头 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种激光切割头(2)包括用于在激光束中产生腰部的透镜(22)，具有压缩空气的进口(32)的内腔(30)，与内腔相通的用于激光束和喷射压缩空气的出口喷嘴(10)，内部中空的大致圆柱形的用于保持透镜(22)的透镜保持器(6)。透镜保持器(6)具有一主体(7)，其(i)与外套筒(8)滑动配合；(ii)保持透镜(22)以及(iii)在使用中可从喷嘴(10)处轴向移开。多个横向销(70)延伸通过外套筒(8)中的槽(72)以接合透镜保持器(6)的主体，以及最外部的可调整限制环(78)，其轴向位置可以被反复设置并且其与套筒(8)接合，可调整限制环(78)限定透镜保持器(6)的轴向位置。

Description

具有压缩气体进口和可从喷嘴轴向移出的透镜保持器的激光切割头
技术领域
本发明涉及一种激光切割头。
背景技术
激光切割是一种公知的工业工艺。激光切割有多种不同的工艺。其中一种工艺是将激光束产生的热量融化被切割工件，从而产生一个切口。切割过程产生的碎屑往往堵塞在切口里。喷气流用于从切口处吹走碎屑。这种激光辅助气割工艺的应用有限制。另一种切割工艺利用激光将工件预热到能自发与氧气发生反应的温度，并且为了产生切口，则直接对着工件预热区域喷射氧气。
典型地，激光切割装置包括一个头部，该头部可与合适的激光器连接，激光器产生近似准直的激光束。在某些情况下，准直激光束可通过激光切割装置内的光学准直仪进行调整。典型的准直仪包括两个透镜，通过改变这两个透镜的距离可以改变激光束的准直特性。其它的准直装置可用于替换。头部带有可在选定位置产生激光束腰的透镜。这个选定位置可以是被切割工件的表面上。但是，在激光氧气切割中，激光束腰最好形成于离开被切割工件表面一段距离处，以使工件有足够的预热面积。激光束腰相对于表面的准确位置取决于头部携带的透镜的焦距，激光束的准直特征，如果安装有准直仪的话，还取决于准直仪的设置。典型地，在头部的末端具有一个喷嘴，气流从其中喷出。通常，激光束也通过这个喷嘴。
对于激光切割头来说，还需要其中的透镜按照被切割工件的特性可以反复轴向定位。本发明的目的是提供一种满足这种需要的激光切割头。
发明内容
按照本发明提供的激光切割头，其包括用于在激光束中产生腰部的透镜，具有压缩空气的进口的内腔，与内腔相连的用于激光束和喷射压缩空气的出口喷嘴，内部中空的大致圆柱形的支撑透镜的透镜保持器，透镜保持器具有主体，其(i)与外套筒滑动配合；(ii)支撑透镜以及(iii)使用中，从喷嘴处轴向移出，多个横向销延伸通过外套筒中的槽，以接合透镜保持器的主体，以及最外部的可调整限制环，其轴向位置可反复被设置，并且其与套筒接合，可调整限制环限定透镜保持器的轴向位置。
激光切割头优选可易于连接到激光切割装置。
可调整限制环优选地具有带刻度的可视表面，并且优选地与套筒外表面螺纹连接。典型地，在套筒上具有辅助记号，通过该记号与刻度的并置，使得限制环的任何轴向位置可被记录下来。
销的头部优选与滑动环接合，在使用中滑动环邻接限制环。
套筒优选也带有螺接在其上的固定环。固定环位于喷嘴和销的中间，并且可设置于在选定的位置，使得在内腔中释放压力瞬时的或其它释放时，防止透镜保持器向着喷嘴作任何轴向移动。
优选地，具有三个在圆周上相互之间等间距布置的销。
优选地，气体是氧气。典型地，提供的压力在10到20巴(bar)的范围内，但是也可使用更低的压力，例如低至1巴，尤其是用于穿孔时。如果使用氧气，头部结构的材料需要与之相适应。
喷嘴优选为可拆卸地连接到喷嘴保持器上，喷嘴保持器固定于套筒的末端。
内腔优选具有通过套筒的进口。
此处所用的术语“切割”包括切割、穿孔、刨削和对工件的任何其它加工。
附图说明
现在将参照附图通过实例来说明本发明的激光切割头，附图是头部的侧剖视图。
附图不是精确地按照比例绘制。
具体实施方式
参照附图，激光切割头具有近端2和远端4。激光切割头包括内部中空的大致圆柱形的透镜保持器6，该透镜保持器6具有延伸主体7，该主体与套筒8滑动配合。在头部的远端具有保持在喷嘴保持器12内的喷嘴10。喷嘴保持器12被固定于套筒8的远端。套筒8的近端接合适配器14，适配器14被构造成使其能连接于给定的具有足够动力实现给定切割的商用激光切割装置。例如，激光器可是二氧化碳激光器，但是也可以使用其它种类的激光器(如激光二极管、光纤激光器、Nd:YAG激光器)。如图1中所示，适配器14包括内部元件16和外部元件18，但是可以理解的是，适配器14的配置和构造取决于选择的激光切割装置。
透镜保持器6和套筒8与喷嘴10同轴定位。透镜保持器6在其远端具有内部截面放大的横截面部分20。在横截面部分20内保持着透镜22。通过与部分20接合的环24保持透镜。在透镜保持器6的远端部分20和环24之间保持有密封垫圈26。透镜22的近端还具有透镜密封圈28。设置垫圈26和密封圈28的目的是防止气体从内腔30泄漏到透镜保持器6的中空内部或者使其最小化，并且确保当头部被加压时，透镜22没有大的位移。加压气体源，例如气缸，可以被设置成通过套筒8的远端部分中的孔32与腔20相通。腔30包括大致环形的空间34，环形空间34被限定在套筒8的远端和喷嘴保持器12的近端之间，并且其确保了气体在圆周上均匀分布。喷嘴保持器12的近端有平坦表面36。
喷嘴保持器12包括三个主要的中空的开口端部件，即近端部件38，中间部件40和远端部件42。近端部件38具有一体成形的法兰44。喷嘴保持器12的中间部件40与近端部件38相邻，并且通过调整环50与近端部件38保持密封接合，该调整环50通过螺钉或螺栓46螺接或其它方式固定在近端部件38的法兰44上。多个圆周上等间距的螺钉或螺栓46(图中只示出了一个)延伸通过法兰44，并且将喷嘴保持器12的近端部件38固定在套筒8的远端。例如，可以提供10个这样的螺钉46。在喷嘴保持器12的中间部件40上承载着远端部件42。部件38，40和42中的每个都限定了截头圆锥体的气体通道。调整环50通过其上设置的两对径向上反向设置的螺钉93，能使截头圆锥体的气体通道的部件40和42轴向精确地定位，图中只示出其中的一个螺钉93。为了防止气体泄漏或者使其最小化，在喷嘴保持器12的各个部件和套筒8的远端之间设置有常规的密封圈58。喷嘴10优选地具有精确的轮廓形状以产生明显无发散高速气体射流。
使用中，腔30中的压缩气体迫使透镜保持器6远离喷嘴10。透镜保持器6的主体7带有四个横向销70(图中只示出其中之一)。销70延伸通过套筒8内的互补槽72。每个销70具有终止于套筒8外部的头部74。每个销70的头部74接合滑动定位环76。可调整限制环78位于滑动定位环76的近端侧。限制环78具有内螺纹，该内螺纹与套筒8外表面上的互补螺纹螺接。因此，限制环78的位置能被精确设定。如果需要的话，限制环78的面80上可以具有环形刻度(未示出)，可观测其相对于套筒8上的记号(未示出)的位置。相应地，限制环78的位置可以被反复设置。这个位置决定透镜保持器6的位置，并且从而决定激光切割头中使用的透镜22的位置。这反过来又决定透镜22的焦点相对于被切割的工件(未示出)的轴向位置。在一典型实施例中，供应给腔30的气体是商用纯氧气。在这种情况下，通常期望激光束的腰部位于工件的上部，使得散焦发散光束入射其上。相应地，对于激光束的给定准直特性和任何准直仪的给定设置(未示出)，透镜22相对于工件的轴向位置决定激光束入射工件的区域。那样，可以控制被激光束预加热区域的准确尺寸。
由于调整环78作为由销70承载的滑动定位环76的阻挡件，它的位置决定透镜保持器6的轴向位置，并且从而决定透镜22的轴向位置。这样，腔室30中的氧气或其它气体的压力迫使透镜保持器6到达准确位置，该位置中定位环76邻接限制环78。
通常，使用激光头进行切割时，腔30内的压力是不变的。但是，要是有任何的压力释放，例如，在穿孔过程中，可以在销70和滑动定位环76的远端侧另外提供螺纹连接环90。环90在其内表面具有螺纹(未示出)，内螺纹与套筒8外表面的互补螺纹螺接。沿螺纹旋转环90，以推动定位环76向上直到其邻接于限制环78。在这一位置上，在腔30中的压力发生变化时，环90确保透镜保持器6不改变位置。
为了防止透镜保持器6的主体7和套筒8的内表面之间的腔30中的气体泄漏，在它们之间结合一对加载弹性的聚四氟乙烯(PTFE)密封环92。除了通过旋转环90的螺纹，密封环92的耐磨性防止手动调整透镜保持器6的轴向位置。典型地，透镜保持器6，套筒8和喷嘴保持器12以及滑动定位环76都由不锈钢制成。环78和90可由铜或黄铜制成。喷嘴10优选由铜制成。喷嘴10可具有相对短的操作寿命。因此，该喷嘴可拆卸地设置于喷嘴保持器12中，以使其易于被同样的喷嘴替换。
如图所示，激光头在平常的使用中，其是与激光切割装置(未示出)耦合，使得头部的轴线是垂直的，从而喷嘴的轴线也是垂直的。相应地，销就处于水平位置。操作中，激光束从透镜保持器6的中空内部中发射出来，并且通过透镜22被聚焦，使得基本上所有的光束通过喷嘴10。氧气被提供到腔30中，并且氧气喷射流和激光束通过喷嘴10。如上所述，激光束预加热被切割的工件的选定表面区域。预加热有效地将工件表面的温度提高到该工件与氧气自发反应的温度。这种反应产生切口。通常来说，如果切口需要延长，激光头就相对于工件移动，或工件相对于激光头移动。

Claims (8)

1、一种激光切割头，包括用于在激光束中产生腰部的透镜，具有用于压缩气体的进口的内腔，与内腔相通的用于激光束和压缩气体射流的出口喷嘴，内部中空的大致圆柱形的用于保持透镜的透镜保持器，该透镜保持器具有主体，该主体(i)与外套筒滑动配合；(ii)保持透镜，以及(iii)在使用中从喷嘴处轴向移开，多个横向销，该销延伸通过外套筒中的槽以接合透镜保持器的主体，以及最外部的可调整限制环，该可调整限制环的轴向位置能够被反复设置并且与该套筒接合，该可调整限制环限定出透镜保持器的轴向位置。
2、如权利要求1所述的激光切割头，其中可调整限制环具有带刻度的可视表面。
3、如权利要求1或2所述的激光切割头，其中可调整限制环与套筒的外表面进行螺纹连接。
4、如权利要求3所述的激光切割头，其中在套筒上具有互补标记，通过刻度与记号的并置使得限制环的任何轴向位置被记录下来。
5、如前述任一项权利要求所述的激光切割头，其中具有四个在圆周上彼此等间距设置的销。
6、如前述任一项权利要求所述的激光切割头，其中销的头部与滑动环接合，在使用时该滑动环邻接限制环。
7、如前述任一项权利要求所述的激光切割头，其中套筒还承载螺接于其上的固定环，该固定环位于喷嘴和销的中间，从而固定环能够设置在选定的位置上，以便在内腔的压力释放时防止透镜保持器向着喷嘴作任何轴向移动。
8、如前述任一项权利要求所述的激光切割头，其中喷嘴可拆卸地与固定在套筒的远端的喷嘴保持器连接。
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