CN101966623A - 用激光切割圆形、弧形的装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种用激光切割圆形、弧形的装置，包括激光器、反射镜、圆锥状喷嘴、透镜和设置在喷嘴侧壁上的辅助气体进气口，其中喷嘴的侧壁为夹层，夹层的顶端密封、底部敞开，进气口与夹层联通，透镜设置在喷嘴的上方，且轴线与喷嘴的轴线重合，激光器的耦合输出口对准反射镜，反射镜的反射光与透镜的轴线平行且穿过透镜，其特征在于：透镜采用可变焦距透镜，在透镜的上方设置一透明圆锥体，圆锥体的轴线与透镜的轴线重合，且圆锥体的顶端与透镜的焦点重合，透镜的焦距

，其中R为待切割圆形或弧形的半径，α为圆锥体的半顶角。本发明由于不需要激光焦点扫描，所以不需要微机控制步进电机带动工作平台或激光输出设备的复杂移动，加工、操作简便。

Description

用激光切割圆形、弧形的装置

技术领域

本发明提供一种用激光切割圆形、弧形的装置，属于激光加工技术领域。

背景技术

激光切割是利用经聚焦获得的高功率密度激光束照射工件，使材料被照射的区域迅即达到熔点，使之熔化和烧蚀，同时借助与光束同轴的高速气流吹除熔融物质，从而实现割开工件的一种热切割方法。被切材料平放在回转工作台上，回转工作台由调频电机带动进行回转，同时调频电机由传感器控制进行分度。激光聚焦器放在机床的横梁上的垂直梁上，横梁放在纵向导轨上，并由步进电机分别带动纵向导轨和垂直导轨完成激光束的纵向进给和垂直进给运动，即激光焦点扫描，整个运动系统由微机控制完成。如果准确地控制激光的输出和加工物的移动速度便可实现高质量的切割。当切割较厚的材料时，应采用焦点深度较大的光束，以获得垂直较好的切割面，但是焦点深度较大，光斑直径也增大，照射功率密度减小，故切割速度降低，如保持一定切割速度，就要增大激光功率。因此焦深与焦斑不能兼顾。

影响切割质量的因素较多，大致主要影响因素如下：①激光器波长、输出功率、光束模式；②加工光学系统光束形状、光束直径、发散角、焦距、离焦、焦深、光点直径；③保护气体、辅助气体的成分；④加工对象的材料、形状、尺寸、表面状态、温度、湿度、进给速度等。

激光切割有很大一部分是对材料进行圆形切割，这时要求激光焦点运行轨迹是一条圆周线，并通过两种办法来实现，或控制工作平台移动或控制激光输出移动来完成，但不论哪种移动都必须由微机控制步进电机来完成，工作量较大。

发明内容

本发明的目的是提供一种能克服上述缺陷、焦深与焦斑能够兼顾、不需要微机控制步进电机带动工作平台或激光输出设备的复杂移动的用激光切割圆形、弧形的装置。技术方案为：

包括激光器、反射镜、圆锥状喷嘴、透镜和设置在喷嘴侧壁上的辅助气体进气口，其中喷嘴的侧壁为夹层，夹层的顶端密封、底部敞开，进气口与夹层联通，透镜设置在喷嘴的上方，且轴线与喷嘴的轴线重合，激光器的耦合输出口对准反射镜，反射镜的反射光与透镜的轴线平行且穿过透镜，其特征在于：透镜采用可变焦距透镜，在透镜的上方设置一透明圆锥体，圆锥体的轴线与透镜的轴线重合，且圆锥体的顶端与透镜的焦点重合，透镜的焦距

其中R为待切割圆形或弧形的半径，α为圆锥体的半顶角。

所述的用激光切割圆形、弧形的装置，设圆锥体的折射率为ξ、半顶角α、底面圆半径H，其中折射率取值为1.45843≤ξ≤1.75496，半顶角取值为0.06556(rad)＜α＜0.35(rad)，并且α＝(π/2-arcsin(1/ξ))/(2n-3)，其中n为整数、3≤n≤10、(n-1)为传输光线和圆锥体内侧壁的交点次数，圆锥体的高L＝H cotα。

其工作原理为：工作时，调节透镜使其焦距

并使透镜的焦点与透明圆锥体的顶点重合，其中R为待切割圆形或弧形的半径，α为圆锥体的半顶角。若待切割目标是半径为R的1/2圆弧，移动待切割目标使其圆心在透镜的轴线上。然后在圆锥体的圆形底面处，用不透光的遮蔽物遮去1/2圆，打开激光器，调整反射镜，让反射光束垂直圆锥体的底面入射，自圆锥体母线出来的光的截面呈1/2圆弧形，经透镜后作用于待切割目标上，即得到半径为R的1/2圆弧。与其同时高速气流自辅助气体进气口进入喷嘴的夹层，再由喷嘴喷出，借助与光束同轴的高速气流吹除熔融物质，从而实现割开工件的目的。

如果加工目标是半径为R的圆，操作同上，只是圆锥体的圆形底面不用被遮挡，打开激光器，即可完成加工。

本发明与现有技术相比，其优点是：

(1)由于不需要激光焦点扫描，所以不需要微机控制步进电机带动工作平台或激光输出设备的复杂移动，提高了效率，节省能耗和工序，加工、操作、控制、使用的简便。

(2)由喷嘴出射光束与加工工件垂直，不存在焦深和焦斑不能兼顾的问题，保证了切割面的严格垂直，提高了切割质量。

(3)由于选择变焦距透镜，可完成多种半径圆周的切割。

(4)当进入圆锥体的入射平行光束的光斑为二分之一圆面时，由喷嘴出射的光束光斑变为二分之一圆周，同理，当进入圆锥体的入射平行光束的光斑为三分之一圆面时，由喷嘴出射的光束光斑变为三分之一圆周，光能量全部聚集在上述圆周上，利用此装置可以方便的完成对不同类型圆弧的切割。

附图说明

图1是本发明实施例的结构示意图；

图2是本发明圆锥体光束模式转换原理示意图；

图3～6是本发明实施例入射光束的光斑变换效果图。

图中：1、激光器  2、反射镜  3、喷嘴  4、透镜  5、进气口  6、圆锥体  7、加工工件  8、入射光束  9、喷嘴处输出光束

具体实施方式

在图1所示的实施例中：喷嘴3的侧壁为夹层，夹层的顶端密封、底部敞开，辅助气体进气口5与夹层联通，透镜4采用可变焦距透镜，设置在喷嘴3的上方，且轴线与喷嘴3的轴线重合，激光器1的耦合输出口对准反射镜2，反射镜2的反射光与透镜4的轴线平行且穿过透镜4，在透镜4的上方设置一透明圆锥体6，圆锥体6的折射率为ξ、半顶角α、底面圆半径H，其中α＝(π/2-arcsin(1/ξ))/(2n-3)，公式中n为整数，3≤n≤10，(n-1)为传输光线和圆锥体6内侧壁的交点次数，圆锥体6的高L＝H cotα。圆锥体6的轴线与透镜4的轴线重合，且圆锥体6的顶端与透镜4的焦点重合，透镜4的焦距其中R为待切割圆形或弧形的半径。

在图2所示的实施例中：入射光线垂直于圆锥体6底面入射，经过(n-2)次全反射后从圆锥体6的侧壁折射出，(n-1)为传输光线和圆锥体6内侧壁的交点次数，入射光在圆锥体6内的全反射次数由式(1)决定，

(π/2-Ω)/(2n-3)≤α＜(π/2-Ω)/(2n-5)            (1)

其中Ω为圆锥体6侧壁发生全反的临界角。当光线在圆锥体6侧壁的入射角小于临界角时，光线从侧壁中折射出，光从侧壁中折射出圆锥体6时遵从折射定律，假定对于侧壁的入射角和折射角分别用θ_n和θ_n’表示，圆锥体6折射率用ξ表示，则有

$\mathrm{\ξ}\sin \left({\mathrm{\θ}}_n\right)=\sin \left({\mathrm{\θ}}_n^{\′}\right)---\left(2\right)$

${\mathrm{\θ}}_n^{\′}=\arcsin \left(\mathrm{\ξ}\sin \left({\mathrm{\θ}}_n\right)\right)$

其中，θ_n＝π/2-(2n-3)α。θ_n’决定了出射光束的方向。当θ_n’＝π/2时，出射光线沿着圆锥体6的母线射出。将θ_n和θ_n’代入到式(2)得，α＝(π/2-arcsin(1/ξ))/(2n-3)。也就是说半顶角α的大小决定了光线的出射情况，满足上式的α值和n值就是发生全反射次数(n-2)同时沿着圆锥体6母线出射的所要求的α值，可以看出，这样的α值有无限多个。考虑到加工、使用等困难，圆锥体6不能太细长，为了保证光线传输过程中至少发生一次全反射，一般取0.06556(rad)＜α＜0.35(rad)。为了降低加工成本，选择常用的光学玻璃作为加工圆锥体的料，玻璃的折射率范围选为1.45843≤ξ≤1.75496。

由于圆锥体6的对称性，出射光线沿着圆锥体6的母线射出的效果是，光能量全部集中在圆周上，达到能量聚集的目的。

在图3～6所示的实施例中：圆锥体6的折射率ξ＝1.52，经公式α＝(π/2-arcsin(1/ξ))/(2n-3)获得的半顶角α(单位：rad)与传输光线和圆锥体6内侧壁的交点次数即n-2的对应关系如下表所示。

n-2  1       2       3        4       5        6        7        8

                                                                       

α   0.2843  0.1706  0.12184  0.0948  0.07753  0.06556  0.05685  0.05020

Claims (2)

1.一种用激光切割圆形、弧形的装置，包括激光器(1)、反射镜(2)、圆锥状喷嘴(3)、透镜(4)和设置在喷嘴(3)侧壁上的辅助气体进气口(5)，其中喷嘴(3)的侧壁为夹层，夹层的顶端密封、底部敞开，进气口(5)与夹层联通，透镜(3)设置在喷嘴(3)的上方，且轴线与喷嘴(3)的轴线重合，激光器(1)的耦合输出口对准反射镜(2)，反射镜(2)的反射光与透镜(4)的轴线平行且穿过透镜(4)，其特征在于：透镜(4)采用可变焦距透镜，在透镜(4)的上方设置一透明圆锥体(6)，圆锥体(6)的轴线与透镜(4)的轴线重合，且圆锥体(6)的顶端与透镜(4)的焦点重合，透镜(4)的焦距

其中R为待切割圆形或弧形的半径，α为圆锥体(6)的半顶角。

2.如权利要求1所述的用激光切割圆形、弧形的装置，其特征在于：设圆锥体(6)的折射率为ξ，半顶角α，底面圆半径H，其中折射率取值为1.45843≤ξ≤1.75496，半顶角取值为0.06556(rad)＜α＜0.35(rad)，并且α＝(π/2-arcsin(1/ξ))/(2n-3)，其中n为整数、3≤n≤10、(n-1)为传输光线和圆锥体(6)内侧壁的交点次数，圆锥体(6)的高L＝H cotα。

Images