CN108620747B - 一种适于狭小空间作业的激光切割头 - Google Patents

Abstract

本发明的一种适于狭小空间作业的激光切割头，包括供气管、传能光纤、气管接头、光纤固定件、聚焦光学元件、夹持组件、主体套筒和喷嘴，聚焦光学元件通过夹持组件装于主体套筒内，供气管与气管接头连接，气管接头与光纤固定件连接，光纤固定件与主体套筒后端连接，喷嘴与主体套筒前端连接，聚焦光学元件后端为锥台，聚焦光学元件的后端面为锥台的小径端端面，聚焦光学元件的前端面为凸弧面，光纤依次穿过供气管和传能光纤固定件，并伸入主体套筒内与聚焦光学元件的锥台连接，光纤固定件内设有连通供气管和主体套筒的第一通气通道，供气管、主体套筒和喷嘴依次连通。本发明中光路和气路共用、免水冷、体积小，特别适用于狭小工作空间的激光切割。

Description

一种适于狭小空间作业的激光切割头

技术领域

本发明涉及光纤激光切割技术领域，尤其涉及一种适于狭小空间作业的激光切割头。

背景技术

高功率光纤激光切割机是现代智能制造中的重要装备。现有工业用光纤激光切割机采用的激光切割头主要由激光聚焦组件、切割辅助气体供应组件、冷却组件和喷嘴组成。激光聚焦组件由多片透镜和组合而成，前端设计光纤激光端帽安装接口，激光束经过传能光纤及其后熔接的端帽注入到激光聚焦组件前端，经由激光聚焦组件实现特定距离处的激光聚焦。激光切割工作中所需的辅助气体由切割头侧壁专门设计的供气接口注入，激光切割工作中所需的冷却液由切割头侧壁专门设计的冷却液接口注入。由于透镜光学元件加工工艺及装配技术的限制，激光切割头的聚焦光学组件的透镜直径大于10mm，并且考虑到侧壁注入的冷却液和辅助气体在切割头内部的流体分配设计，目前工业用切割头的整体尺寸较大(现有产品资料中激光切割头安装尺寸均大于50mm×50mm×200mm)。

在特殊切割应用场景下，例如救援中，面临着在狭小工作空间中实施激光切割作业，例如穿过狭小缝隙去对金属立柱进行切割，或穿过小孔对目标爆炸装置导线进行切割等，由于现有工业用激光切割头的尺寸太大，无法通过狭小空间接近切割目标，难以实施切割作业。

发明内容

本发明要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种光路和气路共用、免水冷、体积小、特别适用于在狭小工作空间中用于激光切割的适于狭小空间作业的激光切割头。

为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：

一种适于狭小空间作业的激光切割头，包括供气管、传能光纤、气管接头、光纤固定件、聚焦光学元件、夹持组件、主体套筒和喷嘴，所述聚焦光学元件通过夹持组件装于主体套筒内，所述供气管与气管接头连接，所述气管接头与光纤固定件连接，所述光纤固定件与主体套筒后端连接，所述喷嘴与主体套筒前端连接，所述聚焦光学元件的后端为锥台，且聚焦光学元件的后端面为锥台的小径端端面，所述聚焦光学元件的前端面为凸弧面，所述传能光纤依次穿过供气管和传能光纤固定件，并伸入主体套筒内与所述锥台连接，所述光纤固定件内设有连通供气管和主体套筒的第一通气通道，所述供气管、主体套筒和喷嘴依次连通。

作为上述技术方案的进一步改进：

所述激光切割头还包括套于聚焦光学元件的锥台外的尾纤保护套，所述尾纤保护套包括与传能光纤配合的直孔段和与锥台配合的锥孔段。

所述夹持组件包括第一夹持套，所述第一夹持套位于主体套筒内，且套于聚焦光学元件上，所述第一夹持套外壁第一设有径向螺纹孔，所述主体套筒对应设有径向连接孔，所述径向连接孔和径向螺纹孔内设有第一紧固螺栓，所述第一夹持套内壁设有第二通气通道。

所述夹持组件还包括第二夹持套，所述第二夹持套套于聚焦光学元件的前端，所述第二夹持套后端面上设有轴向连接孔，所述主体套筒前端面上对应设有轴向螺纹孔，所述轴向连接孔和轴向螺纹孔内设有第二紧固螺栓，所述喷嘴插于第二夹持套内，所述第二夹持套内设有连通主体套筒和喷嘴的第三通气通道。

所述光纤固定件前端面设有连接通孔，所述主体套筒后端面设有螺纹连接孔，所述连接通孔和螺纹连接孔内设有第三紧固螺栓，所述光纤固定件一端端面设有可与气管接头螺纹连接的气管接头螺纹孔，另一端设有可供传能光纤穿过的光纤孔和所述第一通气通道。

所述聚焦光学元件的前端面与后端面之间的距离为s，所述凸弧面的曲率半径为r，若激光束经凸弧面折射后在距离聚焦光学元件后端面顶点s’处实现聚焦，则r满足：

其中，n为所述聚焦光学元件折射率，n’为激光束经聚焦光学元件射出后所在空间的折射率。

所述传能光纤的数值孔径为NA，所述聚焦光学元件的锥台的锥角为φ，则φ＞2*NA；所述锥台的小径端直径为D₁，所述传能光纤的芯径为d₁，则D₁/d₁＞1。

所述激光束在聚焦光学元件中传输距离s后，在聚焦光学元件前端面处的光斑直径为D₀，则D₀＝d₁+2*NA*s；所述激光束的汇聚角α，则α＝D₀/s'，所述聚焦光学元件的前端面直径为D₂，则D₂＞1.4D₀。

所述聚焦光学元件的凸弧面为球面或抛物面。

所述聚焦光学元件于锥台与凸弧面之间的部分为圆柱体或棱柱体。与现有技术相比，本发明的优点在于：

本发明的适于狭小空间作业的激光切割头，采用单个光学元件实现切割激光束的聚焦，采用辅助气体冷却聚焦光学元件及其夹持组件固定聚焦光学元件，可实现激光切割头的小型化，并利用切割辅助气体对切割头冷却来取消传统水冷方式，缩小了切割头体积尺寸，适合在狭小切割空间下试试救援及爆炸物清除等特殊应用场合使用；该装置具有光学元件简单可靠、光路和气路共用，免水冷、体积小的特点，特别适用于在狭小工作空间中用于激光切割，可以在切割救援、爆炸物清除等方面推广应用。

附图说明

图1是本发明激光切割头的结构示意图。

图2是本发明中聚焦光学元件的立体结构示意图。

图3是本发明中聚焦光学元件的主视结构示意图。

图4是本发明中第一夹持套的立体结构示意图。

图5是本发明中第一夹持套的主视结构示意图。

图6是本发明中第二夹持套的立体结构示意图。

图7是本发明中第二夹持套的主视结构示意图。

图8是本发明中光纤固定件的立体结构示意图。

图9是本发明中光纤固定件的后端主视结构示意图。

图10是本发明中尾纤保护套的立体结构示意图。

图11是本发明中尾纤保护套的主视结构示意图。

图12是本发明中主体套筒的立体结构示意图。

图13是本发明中喷嘴的主视结构示意图。

图14是本发明中光纤的主视结构示意图。

图15是本发明中的激光束的光路原理图。

图中各标号表示：

1、传能光纤；2、尾纤保护套；21、直孔段；22、锥孔段；3、气管接头；4、光纤固定件；41、第一通气通道；42、连接通孔；43、气管接头螺纹孔；44、光纤孔；5、聚焦光学元件；51、锥台；52、凸弧面；6、夹持组件；61、第一夹持套；611、径向螺纹孔；612、第二通气通道；62、第二夹持套；621、轴向连接孔；622、第三通气通道；7、主体套筒；71、径向连接孔；72、轴向螺纹孔；73、螺纹连接孔；74、第三8、喷嘴；81、台阶。

具体实施方式

以下结合说明书附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。

如图1至图15所示，本实施例的适于狭小空间作业的激光切割头，包括供气管(图中未示出)、传能光纤1、气管接头3、光纤固定件4、聚焦光学元件5、夹持组件6、主体套筒7和喷嘴8，聚焦光学元件5通过夹持组件6装于主体套筒7内，供气管与气管接头3连接，气管接头3与光纤固定件4连接，光纤固定件4与主体套筒7后端连接，喷嘴8与主体套筒7前端连接，聚焦光学元件5的后端为锥台51，且聚焦光学元件5的后端面为锥台51的小径端端面，聚焦光学元件5的前端面为凸弧面52，传能光纤1依次穿过供气管和传能光纤固定件4，并伸入主体套筒7内与锥台51连接，光纤固定件4内设有连通供气管和主体套筒7的第一通气通道41，供气管、主体套筒7和喷嘴8依次连通。

本实施例中，聚焦光学元件5前端的凸弧面52为球面，后端为锥台51，中间部分为圆柱体，其由单个光学元件加工而成，设计参数如下：

聚焦光学元件5的前端面(凸弧面52曲面顶点)与后端面(锥台51小径端端面)之间的距离为s，凸弧面52的曲率半径为r，若激光束经凸弧面52折射后在距离聚焦光学元件5凸弧面52的曲面顶点s’处实现聚焦，则r满足：

其中，n为聚焦光学元件5折射率，n’为激光束经聚焦光学元件5射出后所在空间的折射率。上式(1-1)参考姚启钧《光学教程》(第二版)p177中式(3-17)。

本实施例中，传能光纤1的数值孔径为NA(数值孔径NA为光纤的物理参数，用于描述光纤的光学特性，类似于某个材料的密度、硬度等这类的固有物理参数，不同种类的光纤的NA会有不同)，聚焦光学元件5的锥台51的锥角为

则满足

锥台51的小径端直径为D₁，传能光纤1的芯径为d₁，则满足D₁/d₁＞1。

本实施例中，激光束在聚焦光学元件5中传输距离s后，在聚焦光学元件5前端面处的光斑直径为D₀，则D₀＝d₁+2*NA*s；激光束的汇聚角α，则α＝D₀/s’，聚焦光学元件5的前端面(凸弧面52)直径为D₂，D₂＞1.4D₀。

因此，本实施例的聚焦光学元件5聚焦光学元件5的前端面直径D₂选取标准为D₂＞1.4D₀，以避免其内部传输的激光在聚焦光学元件5的前端凸弧面52边缘处过热。相应的，聚焦光学元件5中间圆柱体的直径也为D₂。

除本实施例外，聚焦光学元件5的凸弧面52也可以为抛物面。聚焦光学元件5中间部分也可以为棱柱体。

本实施例中，传能光纤1的芯径为d₁，传能光纤1表面具有涂覆层，其直径为d₂，满足d₁＜d₂。该激光切割头还包括尾纤保护套2，其套于聚焦光学元件5的锥台51外，尾纤保护套2包括与传能光纤1配合的直孔段21和与锥台51配合的锥孔段22。尾纤保护套2的参数为：锥孔段22的大径端直径为D₂，小径端直径为d₀，如此设计可将聚焦光学元件5后端锥台51安装于锥孔段22中。直孔段21的直径为d₀(d₀略大于d₂)，深度为m的直孔，可将传能光纤1穿过其中。

本实施例中，夹持组件6包括第一夹持套61，第一夹持套61位于主体套筒7内，且套于聚焦光学元件5上，第一夹持套61外壁第一设有径向螺纹孔611，主体套筒7对应设有径向连接孔71，径向连接孔71和径向螺纹孔611内设有第一紧固螺栓(图中未示出)，第一夹持套61内壁设有第二通气通道612。第一夹持套61的内孔为D₂，其套在聚焦光学元件5中间的圆柱体外。第一夹持套61外壁与主体套筒7内壁接触，并通过第一紧固螺栓锁紧，第二通气通道612用于使第一夹持套61两端的主体套筒7连通。

本实施例中，夹持组件6还包括第二夹持套62，第二夹持套62套于聚焦光学元件5的前端，第二夹持套62后端面上设有轴向连接孔621，主体套筒7前端面上对应设有轴向螺纹孔72，轴向连接孔621和轴向螺纹孔72内设有第二紧固螺栓(图中未示出)。喷嘴8插于第二夹持套62内，凸弧面52伸出主体套筒7位于第二夹持套62内，朝向与喷嘴8。第二夹持套62内设有连通主体套筒7和喷嘴8的第三通气通道622。第二夹持套62一端容纳凸弧面52的孔直径为D₂，另一端具有容纳喷嘴8的孔，其孔径与喷嘴8的台阶81尺寸匹配。

本实施例中，主体套筒7为空腔结构，以便于气体在其中流动，且空腔可容纳聚焦光学元件5、第一夹持套61、第二夹持套62和尾纤保护套2。

本实施例中，光纤固定件4前端面设有连接通孔42，主体套筒7后端面设有螺纹连接孔73，连接通孔42和螺纹连接孔73内设有第三紧固螺栓(图中未示出)，光纤固定件4一端端面设有可与气管接头3螺纹连接的气管接头螺纹孔43，另一端设有可供传能光纤1穿过的光纤孔44和上述的第一通气通道41。光纤孔44的直径也为d₀略大于传能光纤1涂覆层直径d₂，第一通气通道41设置4个，位于光纤孔44外周。

本实施例中，供气管为供气软管，气管接头3采用工业用标准气管接头，可连接供气软管。

本实施例中，喷嘴8为具有收缩段的喷管，可以使气流高速喷出，其为常规的喷管。

本实施例的激光切割头的装配过程如下：

(1)使用光纤熔接机将聚焦光学元件5后端锥台51与传能光纤1熔接。熔接方法为常规方法。

(2)将传能光纤1穿过尾纤保护套2的直孔段21，并将锥台51固定在尾纤保护套2的锥孔段22中。固定方式采用胶粘。除本实施例外，也可以采用焊接、胶粘等材料允许的连接工艺固定。

(3)将第一夹持套61套在聚焦光学元件5的圆柱体上，采用胶粘方法固定聚焦光学元件5与第一夹持套61。除本实施例外，也可以采用焊接、胶粘等材料允许的连接工艺固定。

(4)将聚焦光学元件5与尾纤保护套2组装，并与第一夹持套61一起安装在主体套筒7的空腔内，聚焦光学元件5前端凸弧面52伸出主体套筒7前端，使第一夹持套61径向螺纹孔611对准主体套筒7的径向连接孔71处，使用第一紧固螺栓固定两者，接着，装上第二夹持套62，凸弧面52伸出部分套在第二夹持套62后端面内，并采用胶粘方式进行固定。除本实施例外，也可以采用焊接、胶粘等材料允许的连接工艺固定。喷嘴8插入第二夹持套62前端面内，使凸弧面52朝向喷嘴8，同时使第二夹持套62上的轴向连接孔621与主体套筒7上的轴向螺纹孔72对准，采用第二紧固螺栓锁紧。第二夹持套62与聚焦光学元件5采用胶粘方式进行固定。除本实施例外，也可以采用焊接、胶粘等材料允许的连接工艺固定。

(5)将传能光纤1依次穿过光纤固定件4和气管接头3。

(6)将气管接头3插入气管接头螺纹孔43内与光纤固定件4螺纹固定，并将光纤固定件4的连接通孔42与主体套筒7的螺纹连接孔73对准，采用第三紧固螺栓74锁紧，传能光纤1与光纤固定件4采用胶粘方式进行固定。

(7)供气管连接至气管接头3，连同传能光纤1连接至一标准三通接头(图中未示出)，经过三通接头后，一端采用供气管路(图中未示出)连接至供气装置(图中未示出)，另一端传能光纤1穿出，并将穿出部位采用密封胶密封以免气体从该端漏出，传能光纤1熔接至光纤激光器输出端光纤(图中未示出)。

(8)喷嘴8采用金属件连接工艺与第二夹持套62连接，具体连接方式为螺纹连接。除本实施例外，可以采用螺钉、焊接、胶粘等材料允许的连接工艺固定。

本实施例的激光切割头在切割作业实施过程中，工作原理如下：

如图15所示，激光束经传能光纤1入射到聚焦光学元件5中，在聚焦光学元件5中传输后经聚焦光学元件5前端的凸弧面52折射后以汇聚光束形式通过喷嘴8，在距离聚焦光学元件5前端面s'处的待切割材料(图中未示出)上形成激光焦点，切割用辅助气体经由供气管输送至主体套筒7，流经聚焦光学元件5外表面，对聚焦光学元件5及其夹持组件6进行冷却，再经过喷嘴8后以高速气流形式流出，喷射至待切割材料，待切割材料在聚焦激光和辅助气体联合作用下，产生材料相变(熔化或气化)，从而对材料实施切割作业。

本发明的激光切割头可以达到以下技术效果：

该激光切割头采用单个光学元件实现切割光束的聚焦，采用辅助气体冷却聚焦光学元件5及其夹持组件6，可实现激光切割头的小型化，并利用切割辅助气体对切割头冷却来取消传统水冷方式，缩小了切割头体积尺寸，适合在狭小切割空间下试试救援及爆炸物清除等特殊应用场合使用。该装置具有光学元件简单可靠、光路和气路共用，免水冷、体积小的特点，特别适用于在狭小工作空间中用于激光切割，可以在切割救援、爆炸物清除等方面推广应用。而采用普通的聚焦光学元件无法实现光路和气路共用，免水冷、体积小的特点，需本发明中进行特殊设计的小型的单个聚焦光学元件5；本发明特殊设计的聚焦光学元件5主要对实现激光在待切割材料的能量聚集，使待切割材料局部瞬间达到相变温度(熔化或气化)，配合辅助气体实现有效切割。

虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围的情况下，都可利用上述揭示的技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均应落在本发明技术方案保护的范围内。

Claims (8)

1.一种适于狭小空间作业的激光切割头，其特征在于：包括供气管、传能光纤（1）、气管接头（3）、光纤固定件（4）、聚焦光学元件（5）、夹持组件（6）、主体套筒（7）和喷嘴（8），所述聚焦光学元件（5）通过夹持组件（6）装于主体套筒（7）内，所述供气管与气管接头（3）连接，所述气管接头（3）与光纤固定件（4）连接，所述光纤固定件（4）与主体套筒（7）后端连接，所述喷嘴（8）与主体套筒（7）前端连接，所述聚焦光学元件（5）的后端为锥台（51），且聚焦光学元件（5）的后端面为锥台（51）的小径端端面，所述聚焦光学元件（5）的前端面为凸弧面（52），所述传能光纤（1）依次穿过供气管和传能光纤固定件（4），并伸入主体套筒（7）内与所述锥台（51）连接，所述光纤固定件（4）内设有连通供气管和主体套筒（7）的第一通气通道（41），所述供气管、主体套筒（7）和喷嘴（8）依次连通，所述聚焦光学元件（5）为单个光学元件，所述激光切割头还包括套于聚焦光学元件（5）的锥台（51）外的尾纤保护套（2），所述尾纤保护套（2）包括与传能光纤（1）配合的直孔段（21）和与锥台（51）配合的锥孔段（22），所述聚焦光学元件（5）的前端面与后端面之间的距离为s，所述凸弧面（52）的曲率半径为r，若激光束经凸弧面（52）折射后在距离聚焦光学元件（5）后端面顶点s’处实现聚焦，则r满足：

（1-1）

其中，n为所述聚焦光学元件（5）折射率，n’为激光束经聚焦光学元件（5）射出后所在空间的折射率。

2.根据权利要求1所述的适于狭小空间作业的激光切割头，其特征在于：所述夹持组件（6）包括第一夹持套（61），所述第一夹持套（61）位于主体套筒（7）内，且套于聚焦光学元件（5）上，所述第一夹持套（61）外壁设有径向螺纹孔（611），所述主体套筒（7）对应设有径向连接孔（71），所述径向连接孔（71）和径向螺纹孔（611）内设有第一紧固螺栓，所述第一夹持套（61）内壁设有第二通气通道（612）。

3.根据权利要求2所述的适于狭小空间作业的激光切割头，其特征在于：所述夹持组件（6）还包括第二夹持套（62），所述第二夹持套（62）套于聚焦光学元件（5）的前端，所述第二夹持套（62）后端面上设有轴向连接孔（621），所述主体套筒（7）前端面上对应设有轴向螺纹孔（72），所述轴向连接孔（621）和轴向螺纹孔（72）内设有第二紧固螺栓，所述喷嘴（8）插于第二夹持套（62）内，所述第二夹持套（62）内设有连通主体套筒（7）和喷嘴（8）的第三通气通道（622）。

4.根据权利要求1至3任意一项所述的适于狭小空间作业的激光切割头，其特征在于：所述光纤固定件（4）前端面设有连接通孔（42），所述主体套筒（7）后端面设有螺纹连接孔（73），所述连接通孔（42）和螺纹连接孔（73）内设有第三紧固螺栓，所述光纤固定件（4）一端端面设有可与气管接头（3）螺纹连接的气管接头螺纹孔（43），另一端设有可供传能光纤（1）穿过的光纤孔（44）和所述第一通气通道（41）。

5.根据权利要求4所述的适于狭小空间作业的激光切割头，其特征在于：所述传能光纤（1）的数值孔径为N A，所述聚焦光学元件（5）的锥台（51）的锥角为φ，则φ＞2*NA；所述锥台（51）的小径端直径为D₁，所述传能光纤（1）的芯径为d₁，则D₁/d₁＞1。

6.根据权利要求5所述的适于狭小空间作业的激光切割头，其特征在于：所述激光束在聚焦光学元件（5）中传输距离s后，在聚焦光学元件（5）前端面处的光斑直径为D₀，则D₀= d₁+2*NA*s；所述激光束的汇聚角α，则α=D₀/ s'，所述聚焦光学元件（5）的前端面直径为D₂，则D₂＞1.4D₀。

7.根据权利要求1至3任意一项所述的适于狭小空间作业的激光切割头，其特征在于：所述聚焦光学元件（5）的凸弧面（52）为球面或抛物面。

8.根据权利要求1至3任意一项所述的适于狭小空间作业的激光切割头，其特征在于：所述聚焦光学元件（5）于锥台（51）与凸弧面（52）之间的部分为圆柱体或棱柱体。

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