CN110170743A - 激光加工头 - Google Patents

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Abstract

激光加工头具有对辅助气体进行整流的功能，其包括：保护窗；喷嘴，其用于将辅助气体向被加工材料吹送；腔室，其划定保护窗和喷嘴之间的空间；流入口，其配置于腔室内且供辅助气体流入；以及分流突起，其配置在与流入口相向的位置且将来自流入口的辅助气体分流为沿着激光的光轴的周向流动的第1流和第2流。

Description

激光加工头
技术领域
本发明涉及一种激光加工头，特别是涉及一种具有对辅助气体进行整流的功能的激光加工头。
背景技术
激光加工装置构成为将在激光振荡器产生的激光由光纤等传送，利用设置于激光加工头的内部的聚光透镜使焦点聚集于被加工材料并进行照射。在聚光透镜与被加工材料之间设有保护窗，该保护窗用于保护聚光透镜免受在被加工材料的加工时产生的溅射、烟尘、粉尘等(以下，简称为“粉尘”。)。此外，激光加工头承担着将辅助气体向被加工材料吹送，并将熔融的材料吹走的职责，在激光加工头的顶端设有喷嘴，该喷嘴具有辅助气体的流出口。
作为与本申请关联的技术，公知例如后述的文献。在日本实开平6-66883号公报中，公开有为了在辅助气体产生回旋流，而在喷嘴内周面形成有用于引导气体的流动的螺旋状的突起的激光加工喷嘴。在上述喷嘴中，虽然由于在辅助气体积极地形成回旋流，在前进方向的左右对于被加工物的表面的效果不同，但是由于在前进方向的后方设有追随主喷嘴而移动的辅助喷嘴，因此在被切断物的切断面整体上得到良好的切断面。
在日本特开平8-118063号公报中，公开有在喷嘴孔的内表面设有凹凸(螺旋形的槽、内螺纹形的槽、环状的槽、颗粒状的突起部等。)的激光加工装置。在上述喷嘴中，穿过喷嘴孔的内表面附近的辅助气体的流速降低，另一方面，仅在喷嘴孔的中央部以高速流动，谋求辅助气体的流速分布的最佳化。
在日本特开2011-88195号公报中，公开有在喷嘴孔的内壁形成有螺旋状的槽等而具有辅助气体的整流作用的结构。在上述喷嘴中，由于气体的流动缓缓地集中，在顶端部的压力损失减少，能够使辅助气体自喷嘴孔顺利地喷射。
在日本特开平5-228679号公报中，公开有一种加工炬，对于该加工炬，在加工炬内排列沿着与光轴平行的方向延伸的整流板，并使得在自加工炬顶端喷出的辅助气体流中不产生回旋流。上述加工炬解决了如下的问题：在辅助气体的回转方向与切断方向一致的面上辅助气体较强地碰撞而切断面被剜削，另一方面，在相反方向的面上辅助气体较弱地碰撞而熔融了的被加工物的除去变得不充分。
发明内容
在将高压的辅助气体向被加工材料吹送的加工时，在自喷嘴顶端喷出的辅助气体的流动产生不均，辅助气体没有均匀地碰撞被加工材料，使激光加工的品质降低。但是，可知：喷嘴顶端的辅助气体的流动的不均的原因是激光加工头的内部，特别是用于划定保护窗和喷嘴之间的空间的腔室内的压力的不均。
因此，谋求一种在向喷嘴导入前对辅助气体进行整流而使自喷嘴顶端喷出的辅助气体的流动均匀化的技术。
本公开的一方式提供一种激光加工头，其具有对辅助气体进行整流的功能，所述激光加工头包括：保护窗；喷嘴，其用于将辅助气体向被加工材料吹送；腔室，其划定保护窗和喷嘴之间的空间；流入口，其配置于腔室内且供辅助气体流入；以及分流突起，其配置在与流入口相对的位置且将来自流入口的辅助气体分流为沿着激光的光轴的周向流动的第1流和第2流。
附图说明
图1是表示一实施方式的激光加工装置的概略结构的概略图。
图2A是第1实施方式的激光加工头的纵剖视图。
图2B是激光加工头的与图2A的截面A-A相对应的横剖视图。
图2C是表示自辅助气体的流入口观察的分流突起的主视图。
图2D是表示自辅助气体的流入口观察的分流突起的变形例的主视图。
图2E是表示自辅助气体的流入口观察的分流突起的变形例的主视图。
图3A是第2实施方式的激光加工头的纵剖视图。
图3B是激光加工头的与图3A的截面B-B相对应的横剖视图。
图4A是第3实施方式的激光加工头的纵剖视图。
图4B是激光加工头的与图4A的截面C-C相对应的横剖视图。
具体实施方式
以下，参照附图详细地说明本公开的实施方式。在各附图中，对于相同或者类似的构成要素附上相同或者类似的附图标记。此外，在以下记载的实施方式不限定权利要求书中记载的发明的技术的范围以及用语的意义。另外，本说明书中的用语“上”以及“上游”是指以顺向前进的激光的路径中的上游侧，用语“下”以及“下游”是指以顺向前进的激光的路径中的下游侧。
图1是表示一实施方式的激光加工装置10的概略结构的概略图。激光加工装置10包括：激光振荡器11、自激光振荡器11对激光进行导光而将激光向被加工材料15照射的激光加工头12、控制激光加工装置10的整体的数控装置13、以及对加工台16的X轴、Y轴以及Z轴的驱动以及聚光透镜24的V轴的驱动进行控制的驱动控制装置14。激光加工头12包括：中空圆筒状的头主体20、与头主体20连接着并将辅助气体自流出口21向被加工材料15吹送的喷嘴22。
头主体20包括：将来自激光振荡器11的激光变为平行光的准直透镜23、将激光向被加工材料15聚光的聚光透镜24、以及保护聚光透镜24免受粉尘的保护窗25。保护窗25由用反射涂层进行了表面处理的玻璃材料等形成，并将头主体20的内壁堵塞以使粉尘不附着于聚光透镜24。保护窗25相对于激光的光轴垂直地配置，但是也可以相对于激光的光轴倾斜15度以上。由此，在激光加工时朝向保护窗25飞来的粉尘的碰撞角度变浅，能够抑制保护窗25的污染。
图2A是第1实施方式的激光加工头12的纵剖视图。激光加工头12还包括：划定保护窗25和喷嘴22之间的空间的腔室26、配置于腔室26内且供辅助气体30流入的流入口27、以及配置在与流入口27相对的位置的分流突起28。辅助气体的流入口27的朝向与辅助气体的流出口21的朝向成直角。由于在辅助气体30与腔室26的内壁碰撞而产生了紊流的部位设有分流突起28，因此辅助气体30的紊流被抑制。
图2B是激光加工头12的与图2A的截面A-A相对应的横剖视图。分流突起28具有朝向流入口27而顶端变细的锥形形状，例如三棱柱的形状。分流突起28将辅助气体30分流为沿着激光的光轴O的周向流动的第1流31和第2流32。由于分流了的辅助气体30返回流入口27侧，因此流入口27侧不变为低压，减少腔室内的压力的不均。而且，由于难以在自喷嘴顶端喷出的辅助气体产生不均，因此辅助气体均匀地碰撞被加工材料，能够使激光加工的品质提高。
如图2B所示，优选的是，流入口27的中心位置27a、激光的光轴O以及分流突起28的顶端位置28a排列在一条直线上。由此，由于分流突起28将辅助气体30左右均等地分流，因此第1流31以及第2流32的流量比为1：1，能够使腔室26内的压力均等。
如图2A所示，流入口27以及分流突起28在与激光的光轴O平行的方向上分别具有第1宽度33、34，且优选的是，流入口27的第1宽度33形成为比分流突起28的第1宽度34小。由此，来自流入口27的辅助气体30的大部分与分流突起28碰撞，抑制腔室26内的紊流。
如图2B所示，流入口27以及分流突起28在与激光的光轴O正交的方向上分别具有第2宽度35、36，且优选的是，流入口27的第2宽度35形成为比分流突起28的第2宽度36小。由此，来自流入口27的辅助气体30的大部分与分流突起28碰撞，抑制腔室26内的紊流。
图2C是自辅助气体的流入口27观察的分流突起28的主视图。分流突起28由于如前述那样具有三棱柱的形状，因此将辅助气体分流为向与激光的光轴O垂直的周向，换言之，向右旋转地流动的第1流31和向左旋转地流动的第2流32。分流了的辅助气体在返回到流入口侧后自高压的腔室内朝向低压的流出口流去。此外，也优选的是，第1流31以及第2流32所碰撞的分流突起28的两个面的面积比是1：1，以使第1流31以及第2流32的流量比成为1：1。
图2D是表示自辅助气体的流入口27观察的分流突起29的变形例的主视图。分流突起29也可以具有朝向喷嘴的流出口而顶端变细的锥形形状，例如三棱锥的形状。分流突起29将辅助气体分流为向激光的光轴O的周向，换言之，向右下旋转地流动的第1流37和向左下旋转地流动的第2流38。分流了的辅助气体被整流为朝向下游，因此更进一步抑制腔室26内的紊流。此外，也优选的是，第1流37以及第2流38所碰撞的分流突起29的两个面的面积比是1：1，以使第1流37以及第2流38的流量比成为1：1。
图2E是表示自辅助气体的流入口27观察的分流突起52的变形例的主视图。分流突起52也可以具有朝向流入口27而顶端变细的锥形形状，例如在上游侧具有顶点55的四棱锥的形状。分流突起52将辅助气体不仅分流为向激光的光轴O的周向，换言之，向右旋转地流动的第1流53和向左旋转地流动的第2流54，还分流为向下游侧流动的第9流56。第1流53、第2流54以及第9流56的流量比优选是1：1：2。此外，也优选的是，第1流53、第2流54以及第9流56所碰撞的分流突起52的3个面的面积比是1：1：2，以使第1流53、第2流54以及第9流56的流量比成为1：1：2。
图3A是第2实施方式的激光加工头12的纵剖视图，图3B是激光加工头的与图3A的截面B-B相对应的横剖视图。需要注意的是，在以下仅说明与第1实施方式的激光加工头不同的部分，对于同样的部分省略说明。第2实施方式的激光加工头12不仅包括前述的分流突起29，还包括第1组整流突起42、43，该第1组整流突起42、43在分流突起29的两侧与激光的光轴O平行地延伸并将第1流37的至少一部分以及第2流38的至少一部分整流为朝向喷嘴22的流出口21的第3流40以及第4流41。另外，激光加工头12包括第2组整流突起46、47，该第2组整流突起46、47配置于比第1组整流突起42、43靠流入口27侧的位置，与激光的光轴O平行地延伸，并且将第1流37的至少一部分以及第2流38的至少一部分整流为朝向喷嘴22的流出口21的第5流44以及第6流45。另外，激光加工头12包括第3组整流突起50、51，该第3组整流突起50、51配置于比第2组整流突起46、47靠流入口27侧的位置，与激光的光轴O平行地延伸，并且将第1流37的至少一部分以及第2流38的至少一部分整流为朝向喷嘴22的流出口21的第7流48以及第8流49。
如图3A所示，第1组整流突起42、43、第2组整流突起46、47以及第3组整流突起50、51抑制辅助气体30在激光加工头12的内部回转的动作，并将辅助气体30整流为笔直地向喷嘴22的流出口21。由于自喷嘴22喷出的辅助气体相对于被加工材料大致垂直地碰撞，因此，防止辅助气体对于被加工材料的压力降低。
如图3B所示，优选的是，第1组整流突起42、43、第2组整流突起46、47以及第3组整流突起50、51在激光的光轴O的周向上均等地配置，例如以每中心角45度地配置。由此，更进一步减少激光加工头12的内部的压力的不均。
图4A是第3实施方式的激光加工头12的纵剖视图，图4B是激光加工头12的与图4A的截面C-C相对应的横剖视图。需要注意的是，在以下仅说明与第2实施方式的激光加工头不同的部分，对于同样的部分省略说明。第3实施方式的第1组整流突起62、63、第2组整流突起66、67以及第3组整流突起70、71具有朝向喷嘴22的流出口21而顶端变细的锥形形状，例如三棱柱的形状。由此，辅助气体30被整流为朝向下游，因此更进一步抑制腔室26内的紊流。
如图4B所示，第1组整流突起62、63、第2组整流突起66、67以及第3组整流突起70、71在朝向激光的光轴O的方向上分别具有第3宽度72、73、74，且优选的是，第1组整流突起62、63的第3宽度72比第2组整流突起66、67的第3宽度73小，第2组整流突起66、67的第3宽度73比第3组整流突起70、71的第3宽度74小。由此，被分流突起29分流而成的第1流37以及第2流38即使没有被第1组整流突起62、63整流也会被第2组整流突起66、67整流，即使没有被第2组整流突起66、67整流也会被第3组整流突起70、71整流。即，由于第1流37以及第2流38的流量合计与从第3流60至第8流69的流量合计相等，因此腔室26内的辅助气体被更进一步整流。
如图4A所示，优选的是，喷嘴22具有圆锥部分22a和与圆锥部分22a连结的圆筒部分22b，在圆筒部分22b形成有辅助气体的流出口21。由于圆筒部分22b将辅助气体整流为自喷嘴22的流出口21笔直地喷出，因此辅助气体相对于被加工材料大致垂直地碰撞，激光加工的品质提高。
另外，在前述的实施方式中，辅助气体的流出口21的直径比辅助气体的流入口27的直径大，但是在其他的实施方式中，辅助气体的流出口21的直径优选比辅助气体的流入口27的直径小。由此，自喷嘴22喷出的辅助气体的压力升高，将熔融了的材料吹走的力提高。
根据前述的激光加工头12，由于在辅助气体30碰撞腔室26的内壁而产生紊流的部位设置分流突起28、29，因此辅助气体30被向激光的光轴O的周向整流。由于被整流了的辅助气体30返回流入口27侧，因此流入口27侧不变为低压，减少腔室26内的压力的不均。而且，由于难以在自喷嘴顶端喷出的辅助气体产生不均，因此辅助气体均等地碰撞被加工材料，能够使激光加工的品质提高。
在本说明书中说明了各种实施方式，但需要认识到的是，本发明不限定于前述的各种实施方式，在所述的权利要求书中记载的范围内能够进行各种变更。

Claims (15)

1.一种激光加工头，其具有对辅助气体进行整流的功能，其特征在于，
所述激光加工头包括：
保护窗；
喷嘴，其用于将辅助气体向被加工材料吹送；
腔室，其划定所述保护窗和所述喷嘴之间的空间；
流入口，其配置于所述腔室内且供所述辅助气体流入；以及
分流突起，其配置在与所述流入口相对的位置且将来自所述流入口的辅助气体分流为沿着激光的光轴的周向流动的第1流和第2流。
2.根据权利要求1所述的激光加工头，其中，
所述分流突起具有朝向所述流入口而顶端变细的锥形形状。
3.根据权利要求2所述的激光加工头，其中，
所述分流突起具有朝向所述喷嘴的流出口而顶端变细的锥形形状。
4.根据权利要求1所述的激光加工头，其中，
所述激光加工头还包括：
第1组整流突起，其在所述分流突起的两侧与所述激光的光轴平行地延伸并且将所述第1流的至少一部分以及所述第2流的至少一部分整流为朝向所述喷嘴的流出口的第3流以及第4流。
5.根据权利要求4所述的激光加工头，其中，
所述激光加工头还包括：
第2组整流突起，其配置于比所述第1组整流突起靠所述流入口侧的位置，与所述激光的光轴平行地延伸，并且将所述第1流的至少一部分以及所述第2流的至少一部分整流为朝向所述喷嘴的流出口的第5流以及第6流。
6.根据权利要求5所述的激光加工头，其中，
所述激光加工头还包括：
第3组整流突起，其配置于比所述第2组整流突起靠所述流入口侧的位置，与所述激光的光轴平行地延伸，并且将所述第1流的至少一部分以及所述第2流的至少一部分整流为朝向所述喷嘴的流出口的第7流以及第8流。
7.根据权利要求6所述的激光加工头，其中，
所述第1组整流突起、所述第2组整流突起以及所述第3组整流突起具有朝向所述喷嘴的流出口而顶端变细的锥形形状。
8.根据权利要求1～7中任一项所述的激光加工头，其中，
所述第1流以及所述第2流的流量比是1：1。
9.根据权利要求6或7所述的激光加工头，其中，
所述分流突起具有在上游侧具有顶点的四棱锥的形状，并且进一步将所述辅助气体分流为流向下游侧的第9流，所述第1流、所述第2流以及所述第9流的流量比是1：1：2。
10.根据权利要求1～9中任一项所述的激光加工头，其中，
所述喷嘴具有圆锥部分和与所述圆锥部分连结的圆筒部分，在所述圆筒部分形成有所述辅助气体的流出口。
11.根据权利要求1～10中任一项所述的激光加工头，其中，
所述流入口的中心位置、所述激光的光轴以及所述分流突起的顶端位置排列在一条直线上。
12.根据权利要求1～11中任一项所述的激光加工头，其中，
所述流入口以及所述分流突起在与激光的光轴平行的方向上分别具有第1宽度，所述流入口的第1宽度形成为比所述分流突起的第1宽度小。
13.根据权利要求1～12中任一项所述的激光加工头，其中，
所述流入口以及所述分流突起在与激光的光轴正交的方向上分别具有第2宽度，所述流入口的第2宽度形成为比所述分流突起的第2宽度小。
14.根据权利要求6或7所述的激光加工头，其中，
所述第1组整流突起、所述第2组整流突起以及所述第3组整流突起在朝向激光的光轴的方向上分别具有第3宽度，所述第1组整流突起的第3宽度比所述第2组整流突起的第3宽度小，所述第2组整流突起的第3宽度比所述第3组整流突起的第3宽度小。
15.根据权利要求1～14中任一项所述的激光加工头，其中，所述辅助气体的流出口的直径比所述辅助气体的流入口的直径小。
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