CN103212802A - 用于薄壁管材激光微加工的同轴式喷嘴 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种适用于薄壁管材激光微加工的同轴式喷嘴，主要解决现有技术中激光加工微小管径管材的过程中，激光喷嘴的耗损较大、导水机构复杂的问题，本发明通过采用一种同轴式喷嘴，包括三部分：上部分为与激光发生器连接的连接模块Ⅰ，中部为过渡模块Ⅱ，下部为喷嘴模块Ⅲ，喷嘴模块Ⅲ由喷嘴内芯（9）和喷嘴外芯（7）组成，在喷嘴内芯（9）和喷嘴外芯（7）上有螺纹，二者通过螺纹配合连接，并在连接处通过O形密封圈（6）密封；高压水入口（8）设置于喷嘴外芯（7）的侧壁上，开口方向与喷嘴方向垂直的技术方案，较好地解决了该问题，可用于激光湿切割加工的工业生产中。

Description

用于薄壁管材激光微加工的同轴式喷嘴

 

技术领域

本发明涉及一种用于薄壁管材激光微加工的同轴式喷嘴。

背景技术

激光切割技术由于具有减少加工时间，降低加工成本，提高工件质量的优点，被广泛应用于金属和非金属材料的加工中，而激光切割加工也渐渐有取代传统刀具的趋势。

激光微加工由于加工效率高、切割残渣少、非接触加工、易实现加工过程的自动化等特点，因而成为薄壁管材加工的主要方法。薄壁管材的激光切割是由相互重叠的激光脉冲点在管材上沿切割线移动,同时输入高压氧辅助熔化切割。激光聚焦点处材料熔融气化，熔渣被气体吹出,在金属管壁上形成切割轨迹。熔融气体和熔渣起初向外发射，但是最后，大部分的蒸汽都变成了碎屑，散布在烧蚀图样表面四周和刻槽内。碎屑的形成破坏了零件的外观和性能。它也降低了烧蚀效率，由于前一次留下来的碎屑可能挡住下一次扫描时激光光束传播的路径。

在激光切割大管径的管材时，小区域过热带来的影响不大。但是，很多应用中需要切割微小管径的管材，（管径一般小于5mm）在激光加工过程中会快速产生热量，零件的热扩散会产生热损伤，无论是热影响区、融化区域、重铸，还是渣滓，都改变了微结构。零件热影响区域危害了零件的完整性，进而明显降低了加工产量。

CN202006338U公开一种高功率激光切割机和导光系统领域，尤其是水冷激光切割头，其包括水冷聚焦镜内筒、水冷聚焦镜外套，水冷聚焦镜内筒、水冷聚焦镜外套之间通有冷却水，聚集镜及其保护片安装在水冷聚焦镜内筒中，所述水冷聚焦镜内筒的激光输出端安装有纵向截面呈两端小、中间大的双锥形吹气套，在吹气套的上锥部外侧表面上设置有进气接头。

 CN1827282公开了一种用于CO₂数控激光切割机的数控激光切割头及其制造方法。数控激光切割头包括水冷组件，所述水冷组件的上、下部分均是整体式环形冷却水道结构，其环形冷却水槽是一次性机械加工成型的；采用以上技术使数控激光切割头在使用时气压与光能量的损耗小、聚焦效果好、密封性好、被切割的板材厚度更大、板材利用率高，并具有高强度、高耐压性和高导热性。

现有技术中的薄壁管材的激光切割是由相互重叠的激光脉冲点在管材上沿切割线移动,同时输入高压氧辅助熔化切割。激光聚焦点处材料熔融气化,熔渣被气体吹出，在金属管壁上形成切割轨迹。在激光加工技术中，激光喷嘴是最为关键的设备之一，喷嘴用于向切割区喷射辅助气体和聚焦后的激光束。在激光湿切加工是需要导水机构把冷却水引入到切割点辅助加工，这些导水机构需要借助一些复杂的辅助设备才能把水顺利导入到切割点。

因此本发明提出一种适用于薄壁管材激光微加工的同轴式喷嘴，实现激光束、辅助气体和冷却水三者同轴，可以方便、简单的把冷却水引入到切割点辅助加工。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是现有技术中激光加工微小管径管材的过程中，激光喷嘴的耗损较大、导水机构复杂的问题，提供一种适用于薄壁管材激光微加工的同轴式喷嘴，采用该喷嘴具有激光损耗小，对零件造成热损伤小，导水机构简单的优点。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案如下：一种适用于薄壁管材激光微加工的同轴式喷嘴，包括三部分：上部分为与激光发生器连接的连接模块Ⅰ，中部为过渡模块Ⅱ，下部为喷嘴模块Ⅲ，上连接座1内部上设有聚焦镜10，连接模块Ⅰ上设有上连接座1，上连接座1上端有外螺纹与激光发生器连接，下端的螺纹与过滤连接套4连接，并在接合处安装硅胶垫2和滚花调节螺钉3；过渡模块Ⅱ上设有过渡连接套4，过渡连接套4上设有辅助气体入口5；喷嘴模块Ⅲ由喷嘴内芯9和喷嘴外芯7组成，在喷嘴内芯9和喷嘴外芯7上有螺纹，二者通过螺纹配合连接，并在连接处通过O形密封圈6密封；高压水入口8设置于喷嘴外芯7的侧壁上，开口方向与喷嘴方向垂直。

上述技术方案中，优选的技术方案为辅助气体入口5用于向切割区喷射辅助气体，通入的辅助气体与激光束同轴。优选的技术方案为从激光发生器出射的激光通过安装在上连接座1上的聚焦镜10聚焦后，发射到喷嘴内芯9上，冷却水通过喷嘴外芯7上的高压水入口8，进入喷嘴外芯的通道内。优选的技术方案为喷嘴内芯9和喷嘴外芯7采用紫铜材料制作。优选的技术方案为喷嘴内芯9比喷嘴外芯7长。优选的技术方案为在喷嘴内芯9上有外螺纹，喷嘴外芯7上有内螺纹，二者通过螺纹配合连接。优选的技术方案为高压水为进行脱气处理的纯净水或二次过滤后的纯净水。

本发明提出的同轴式的激光喷嘴中：

上连接座上端攻有外螺纹与激光发生器连接，下端的螺纹与过滤连接套连接，在连接的接合处安装硅胶垫，起缓冲和微调作用。滚花调节螺钉用于手动调节喷嘴模块与激光发生器的同轴度。

在辅助气体入口通入高压辅助气体，从激光发生器出射的激光通过安装在上连接座上的聚焦镜聚焦后，发射到喷嘴内芯。因此喷嘴内芯为高压辅助气体和激光束的共同通道。冷却水通过喷嘴外芯上的高压水入口，进入喷嘴外芯的通道内。在喷嘴内芯和外芯的连接处通过O形密封圈密封，防止水流进入喷嘴内芯。高压水入口设置于喷嘴外芯的侧壁上，通孔的方向与喷嘴芯垂直。控制水流压力使工作水射流不会在水容积中变成涡流。 

辅助气体入口用于向切割区喷射辅助气体，通入的辅助气体与激光束同轴。若气流与光束不同轴时，则在切割时易产生大量飞溅。

因为紫铜具有优良的导电性﹑导热性﹑延展性和耐蚀性，因此喷嘴内外芯采用紫铜材料制作。喷嘴内芯孔壁光滑，可保证气流的顺畅，避免因出现紊流而影响切口质量。又因为紫铜材料优良的导热性能，喷嘴内外芯的密封腔充入高压冷却水可以降低喷嘴内芯的温度，降低喷嘴内芯的耗损。喷嘴内芯是易耗损件，喷嘴模块采用内外芯配合的方式制作，一旦喷嘴内芯损坏，只要更换喷嘴内芯，不需要整个喷嘴更换。

在激光加工时水流会吸收部分激光，激光在水流中的距离越长，激光能量耗损越多。因此在本发明中为尽可能减少水流对激光的吸收，设计中喷嘴内芯比喷嘴外芯距离长，尽可能使得激光在水中穿行的距离短。为了减小激光在水束中传播的能量衰减，本发明中使用脱气或二次过滤后的纯净水。

本发明提出一种同轴式水射流激光喷嘴，激光加工过程中保证激光束、辅助气体和高压水流三者同轴的喷嘴。利用同轴式的冷却水流对喷嘴进行冷却，可以降低激光加工过程中喷嘴的耗损，同时把冷却水简单，方便的引入到切割点。对于价格昂贵且唯一有损耗可能的喷嘴而言，由于本发明提出的同轴式喷嘴装置，使用低压纯水不但时时降低了喷嘴温度，使得光和喷嘴组合位置被控制在低光照强度，减少了喷嘴敏感边缘的光照强度，而且对喷嘴无任何损害，在薄壁管材激光微加工技术领域中，取得了较好的技术效果。

附图说明

图1为同轴式喷嘴结构示意图。

图2 同轴式喷嘴俯视图。

图1中，Ⅰ为连接模块；Ⅱ为过度模块；Ⅲ喷嘴模块。

1为上连接座，2为硅胶垫，3为滚花调节螺钉，4为过渡连接套，5为辅助气体入口，6为O形密封圈，7为喷嘴外芯，8为高压水入口，9为喷嘴内芯，10为聚焦镜。

图2中，3为滚花调节螺钉，8为高压水入口。

下面通过实施例对本发明作进一步的阐述，但不仅限于本实施例。

 

具体实施例

 

【实施例1】

本实施例提供一种适用于薄壁管材激光微加工的同轴式喷嘴，如图1所示，包括三部分：上部分为与激光发生器连接的连接模块Ⅰ，中部为过渡模块Ⅱ，下部为喷嘴模块Ⅲ，上连接座1内部上设有聚焦镜10，连接模块Ⅰ上设有上连接座1，上连接座1上端有外螺纹与激光发生器连接，下端的螺纹与过滤连接套4连接，并在接合处安装硅胶垫2和滚花调节螺钉3；过渡模块Ⅱ上设有过渡连接套4，过渡连接套4上设有辅助气体入口5；喷嘴模块Ⅲ由喷嘴内芯9和喷嘴外芯7组成，在喷嘴内芯9和喷嘴外芯7上有螺纹，二者通过螺纹配合连接，并在连接处通过O形密封圈6密封；高压水入口8设置于喷嘴外芯7的侧壁上，开口方向与喷嘴方向垂直。

辅助气体入口5用于向切割区喷射辅助气体，通入的辅助气体与激光束同轴，从激光发生器出射的激光通过安装在上连接座1上的聚焦镜10聚焦后，发射到喷嘴内芯9上，冷却水通过喷嘴外芯7上的高压水入口8，进入喷嘴外芯的通道内，喷嘴内芯9和喷嘴外芯7采用紫铜材料制作，喷嘴内芯9比喷嘴外芯7长，在喷嘴内芯9上有外螺纹，喷嘴外芯7上有内螺纹，二者通过螺纹配合连接，高压水为进行脱气处理的纯净水。

该同轴式水射流激光喷嘴，利用同轴式的冷却水流对喷嘴进行冷却，可以降低激光加工过程中喷嘴的耗损，同时把冷却水简单，方便的引入到切割点。

该实施例的同轴式喷嘴装置，使用低压纯水不但降低了喷嘴温度，使得光和喷嘴组合位置被控制在低光照强度，减少了喷嘴敏感边缘的光照强度，并且而且对喷嘴无任何损害，在激光加工微小管径管材的过程中引入高压水快速冷却，防止管材的过度灼烧，减少切割过程中的污染。

Claims (7)

1.一种用于薄壁管材激光微加工的同轴式喷嘴，包括三部分：上部分为与激光发生器连接的连接模块Ⅰ，中部为过渡模块Ⅱ，下部为喷嘴模块Ⅲ，连接模块Ⅰ上设有上连接座（1），上连接座（1）内部上设有聚焦镜（10），上连接座（1）上端有外螺纹与激光发生器连接，下端的螺纹与过滤连接套（4）连接，并在接合处安装硅胶垫(2)和滚花调节螺钉（3）；过渡模块Ⅱ上设有过渡连接套(4)，过渡连接套(4)上设有辅助气体入口（5）；喷嘴模块Ⅲ由喷嘴内芯（9）和喷嘴外芯（7）组成，在喷嘴内芯（9）和喷嘴外芯（7）上有螺纹，二者通过螺纹配合连接，并在连接处设有O形密封圈（6）密封；高压水入口（8）设置于喷嘴外芯（7）的侧壁上，开口方向与喷嘴方向垂直。

2.根据权利要求1所述的用于薄壁管材激光微加工的同轴式喷嘴，其特征在于辅助气体入口（5）通入的辅助气体与激光束同轴。

3.根据权利要求1所述的用于薄壁管材激光微加工的同轴式喷嘴，其特征在于从激光发生器出射的激光通过安装在上连接座（1）上的聚焦镜（10）聚焦后，发射到喷嘴内芯（9）上，冷却水通过喷嘴外芯（7）上的高压水入口（8），进入喷嘴外芯（7）的通道内。

4.根据权利要求1所述的用于薄壁管材激光微加工的同轴式喷嘴，其特征在于喷嘴内芯（9）和喷嘴外芯（7）采用紫铜材料制作。

5.根据权利要求1所述的适用于薄壁管材激光微加工的同轴式喷嘴，其特征在于喷嘴内芯（9）比喷嘴外芯（7）长。

6.根据权利要求1所述的用于薄壁管材激光微加工的同轴式喷嘴，其特征在于在喷嘴内芯（9）上有外螺纹，喷嘴外芯（7）上有内螺纹，二者通过螺纹配合连接。

7.根据权利要求1所述的用于薄壁管材激光微加工的同轴式喷嘴，其特征在于高压水为进行脱气处理的纯净水或二次过滤后的纯净水。

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