CN112276346A - 一种超高功率激光切割自动精准调焦加工头 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种超高功率激光切割自动精准调焦加工头，包括加工头壳体、激光入射窗口部件、准直扩束镜组部件、聚焦镜组部件、保护镜部件和喷嘴部件；所述加工头壳体的内部空腔为密封光学腔体，并在该密封光学腔体内部充满对加工激光束具有良好的透射性的流体。准直扩束镜组部件的多组镜片、聚焦镜组部件的镜片将密封光学腔体分隔成几段，所分隔得到的多段腔体上均对外设有多个流体通孔，流体通孔与外部流体循环系统相连。本发明通过多段腔体中的流体循环流动，实现了准直扩束镜组部件、聚焦镜组部件以及加工头壳体的良好散热，消除了切割头内光路系统光路镜片受到超高功率强激光辐照产生的热致透镜面型畸变等问题，彻底解决了焦点漂移问题。

Description

一种超高功率激光切割自动精准调焦加工头
技术领域
本发明属于激光加工技术领域，具体涉及一种超高功率激光切割自动精准调焦加工头。
背景技术
激光作为先进的切割利器，与火焰切割、高压水切割和等离子切割相比，由于激光切割具有速度快、切缝小、柔性好、热影响区小、低噪声、低污染等特点，被广泛地应用在船舶制造、航天航空、机械制造、石油石化、医疗等领域，越来越受来人们的重视和发展。
万瓦级功率激光从100μm左右的光纤芯径内射出，其功率密度之大可想而知。一般而言，激光传导经过的路径由光纤端面镜、QBH或QD接口、准直扩束镜组、变焦系统、聚焦镜及下保护镜等组成，鉴于超高的功率密度，对所有上述路径上的光学镜片提出严苛的洁净度和温升要求，整个光路必须严格密闭，不得与外界有介质交换，而且须在洁净空间内安装和清洁光学器件。另外，各环节冷却回路的压力、流量、水流进出顺序及水温同样重要，确保切割加工过程中温度保持相对恒定。
对万瓦级激光切割而言，需要在加工起刀孔位置和变厚度情况下进行自动变焦，当前一般是通过伺服电动机控制扩束镜组与聚焦镜的相对距离，实现聚焦光斑正负离焦量的变化。但是，超高功率激光切割存在严重的焦点漂移问题，即离焦量的非受控波动现象，它主要起源于切割头内光路系统的热致透镜面型畸变(热透镜效应)、折射率梯度分布效应和光-机装配结构热变形：切割头内部光路镜片受到超高功率强激光辐照产生面型的热致畸变和折射率的梯度分布，并且镜片与支撑结构之间导热换热使得关联的光-机装配结构发生热变形，从而使系统最终输出光束的波前相位分布发生畸变，导致输出聚焦光束的焦点漂移(亦即焦点位置与工件表面的相对距离变化)以及光束质量下降。如上所述的严重的焦点漂移问题使得当前的超高功率激光切割加工头无法实现精准调焦，从而割缝断面粗糙度和一致性变差。
发明内容
本发明针对上述现有技术的不足，提供了一种超高功率激光切割自动精准调焦加工头。
本发明是通过如下技术方案实现的：
一种超高功率激光切割自动精准调焦加工头，包括加工头壳体、激光入射窗口部件、准直扩束镜组部件、聚焦镜组部件、保护镜部件和喷嘴部件；
所述加工头壳体为中空筒状，外部设有螺栓安装结构，用于与激光切割机床加工轴滑块或机器人末端固定相连；加工头壳体内部空腔中，从一端开始至另一端依次安装有激光入射窗口部件、准直扩束镜组部件、聚焦镜组部件、保护镜部件和喷嘴部件；
所述加工头壳体在顶部或侧面开有将外部与内部空腔连通的激光入射通孔，激光入射通孔靠外部一侧有端面法兰结构或螺纹结构，用于固定安放加工激光束转换接口；所述激光入射窗口部件至少包括一个密封端面镜，其固定安放在激光入射通孔靠内部空腔一侧，以保持内部空腔的密封性并通过入射激光束；
所述加工头壳体在底部或侧面还设置有用于将外部与内部空腔连通的激光出射通孔，激光出射通孔靠外部一侧有端面法兰结构或螺纹结构，用于固定安放喷嘴部件；所述喷嘴部件为倒置的内空锥台结构，上部侧面设有辅助气体入口，内部有气体流道，下部有气体喷射端口；激光出射通孔靠内部空腔一侧设有保护镜部件，保护镜部件与激光出射通孔的安装具有气密性，用于防止切割烟尘进入加工头壳体的内部空腔；
所述加工头壳体内部空腔两端分别被安装在激光入射通孔的密封端面镜与安装在激光出射通孔的保护镜部件封闭，构成密封光学腔体；所述密封光学腔体内部充满流体，所述流体要求对加工激光束具有透射性；
所述准直扩束镜组部件安装在加工头壳体的内部空腔中，是多组镜片组合而成的透镜组件，用于改变加工激光束的光束直径、发散角和准直性；所述聚焦镜组部件安装在加工头壳体的内部空腔中，是由单镜片或多组镜片组合而成的透镜组件，用于实现加工激光束的会聚；
准直扩束镜组部件的多组镜片、聚焦镜组部件的单镜片或多组镜片将密封光学腔体分隔成多段，所分隔得到的多段腔体上对外设置有多个流体通孔，所述流体通孔与外部流体循环系统相连，用于实现多段腔体中的流体循环流动；
入射激光束由外部激光光源发出，经光纤传输、转换接口、密封端面镜，进入加工头壳体内部空腔中，并垂直入射至准直扩束镜组部件；经过聚焦镜组部件会聚后沿着激光出射通孔的中心轴线行进，穿透保护镜部件进入喷嘴部件，并沿着喷嘴部件内空中心轴线出射，到达切割工件表面。
优选的，所述聚焦镜组部件中有一组可移动镜片，与加工头壳体的内壁之间构成活塞滑动结构，使得可移动镜片在外部驱动力的作用下能够沿着入射激光束的光轴方向前后移动，以实现入射激光束焦点位置的调整；所述可移动镜片与相邻的一组镜片之间所隔成独立封闭的活塞腔体段对外设有流体通孔，流体通孔与外部液压驱动系统或者气压驱动系统相连，通过改变活塞腔体段的流体压力使得可移动镜片发生前后移动。
优选的，所述准直扩束镜组部件中有一组可移动镜片，与加工头壳体的内壁之间构成活塞滑动结构，使得可移动镜片在外部驱动力的作用下能够沿着入射激光束光轴方向前后移动，以实现入射激光束焦点位置的调整；准直扩束镜组部件的多组镜片将密封光学腔体分隔成几段，可移动镜片与相邻的一组镜片之间所隔成独立封闭的活塞腔体段对外设有流体通孔，流体通孔与外部液压驱动系统或者气压驱动系统相连，通过改变活塞腔体段的流体压力使得可移动镜片发生前后移动。
优选的，所述激光入射窗口部件还包括若干反射镜、透射镜及分光镜，以实现入射的加工激光束光路转折、光束整形、光束分路。
优选的，所述准直扩束镜组部件、聚焦镜组部件、保护镜部件之间还包括若干反射镜、透射镜及分光镜，以实现入射的加工激光束光路转折、光束整形、光束分路。
优选的，所述喷嘴部件内部设置有高度传感器和保护陶瓷体，用于实现喷嘴高度自动保持和防护。
本发明具有如下有益效果：
1、本发明通过将加工头壳体的内部空腔设计成密封光学腔体，并在该密封光学腔体内部充满对加工激光束具有良好的透射性的流体(如气体或纯净去离子水)，使得准直扩束镜组部件的多组镜片、聚焦镜组部件的镜片将密封光学腔体分隔成几段，所分隔得到的多段腔体上均对外设有多个流体通孔，流体通孔与外部流体循环系统相连，进而实现了多段腔体中的流体循环流动，将准直扩束镜组部件、聚焦镜组部件以及加工头壳体实现良好散热，保持接近恒温，从而消除切割头内光路系统光路镜片受到超高功率强激光辐照产生的热致透镜面型畸变(热透镜效应)、折射率梯度分布效应和光-机装配结构热变形，彻底解决焦点漂移问题，适应于超高功率激光切割。
2、本发明的加工头内部光路均浸入在密封光学腔体流体中，流体处于循环流动状态，从而有效清洁所有光路镜片，避免产生镜片污染；通过外部流体循环系统的过滤清洁可以保持流体的纯净，实现加工头的自动清洁。
3、本发明的加工头内部光路均浸入在密封光学腔体流体中，通过调节流体的光学折射率，可以有效缩短光程，从而缩短加工头长度，使得加工头简短小巧。
4、本发明中准直扩束镜组部件和/或聚焦镜组部件中设置有一组可移动镜片，与加工头壳体的内壁之间构成活塞滑动结构，使得可移动镜片在外部驱动力的作用下可以沿着入射激光束的光轴方向前后移动，实现入射激光束焦点位置的调整。聚焦镜组部件的可移动镜片与相邻的一组镜片之间所隔成独立封闭的活塞腔体段对外设有流体通孔，流体通孔与外部液压驱动系统或者气压驱动系统相连，可以通过改变活塞腔体段的流体压力使得可移动镜片发生前后移动，实现加工激光束焦点位置的精准调整。
5、本发明的自动精准调焦加工头，是一种通用的加工头结构，不仅适应于激光切割，对于激光焊接、熔覆等应用也是同样适用的。
附图说明
图1为本发明所述超高功率激光切割自动精准调焦加工头的结构图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细的说明。
如图1所示，本发明提供了一种超高功率激光切割自动精准调焦加工头，包括加工头壳体1、激光入射窗口部件2、准直扩束镜组部件3、聚焦镜组部件4、保护镜部件5和喷嘴部件6。
所述加工头壳体1为中空筒状，外部设有螺栓安装结构，可以与激光切割机床加工轴滑块或机器人末端固定相连。加工头壳体1内部空腔中，从一端开始至另一端依次安装有激光入射窗口部件2、准直扩束镜组部件3、聚焦镜组部件4、保护镜部件5和喷嘴部件6。
所述加工头壳体1在项部或侧面开有将外部与内部空腔连通的激光入射通孔7，激光入射通孔7靠外部一侧有端面法兰结构或螺纹结构，以固定安放加工激光束转换接口10(常见的如QBH或QD接口)。所述激光入射窗口部件2至少包括一个密封端面镜，其固定安放在激光入射通孔7靠内部空腔一侧，以保持内部空腔的密封性并通过入射激光束8。入射激光束8由外部激光光源发出，经光纤传输、转换接口、密封端面镜，进入加工头壳体1内部空腔中，并垂直入射至准直扩束镜组部件3。
优选的，激光入射窗口部件2还包括若干反射镜、透射镜及分光镜，以实现入射的加工激光束光路转折、光束整形、光束分路等功能。
加工头壳体1在底部或侧面还开有将外部与内部空腔连通的激光出射通孔9，激光出射通孔9靠外部一侧有端面法兰结构或螺纹结构，以固定安放喷嘴部件6。所述喷嘴部件6为倒置的内空锥台结构，上部侧面设有辅助气体入口，内部有气体流道，下部有气体喷射端口。激光出射通孔9靠内部空腔一侧设有保护镜部件5，保护镜部件5与激光出射通孔9的安装具有气密性，以防止切割烟尘进入加工头壳体1的内部空腔。经过聚焦镜组部件4会聚的加工激光束可沿着激光出射通孔9的中心轴线行进，穿透保护镜部件5进入喷嘴部件6，并沿着喷嘴部件6内空中心轴线出射，到达切割工件11表面，辅助气体与之同轴出射，将聚焦加工激光束辐照熔化的割缝切屑吹除。
优选的，喷嘴部件6内部设置有高度传感器(对于金属切割为电容传感器)、保护陶瓷体等装置，以实现喷嘴高度自动保持、切割过程高温和飞溅物防护的功能。
由以上结构可知，加工头壳体1的内部空腔两端分别被安装在激光入射通孔7的密封端面镜、激光出射通孔9的保护镜封闭，构成密封光学腔体。该密封光学腔体内部充满流体(如气体或纯净去离子水)，该流体要求对加工激光束具有良好的透射性。
所述准直扩束镜组部件3安装在加工头壳体1的内部空腔中，是多镜片组合的透镜组件，用于改变加工激光束的光束直径、发散角和准直性。典型的如“双凸-双凹-双凸”ZOOM镜组。
所述聚焦镜组部件4安装在加工头壳体1的内部空腔中，是单镜片或多镜片组合的透镜组件，用于实现加工激光束的会聚。
由准直扩束镜组部件3的多组镜片、聚焦镜组部件4的镜片将密封光学腔体分隔成几段，所分隔得到的多段腔体上对外设有多个流体通孔12，流体通孔12与外部流体循环系统相连，实现多段腔体中的流体循环流动，将准直扩束镜组部件3、聚焦镜组部件4以及加工头壳体1实现良好散热，保持接近恒温，从而消除切割头内光路系统光路镜片受到超高功率强激光辐照产生的热致透镜面型畸变(热透镜效应)、折射率梯度分布效应和光-机装配结构热变形，彻底解决焦点漂移问题。
优选的，聚焦镜组部件4中有一组可移动镜片，与加工头壳体1的内壁之间构成活塞滑动结构，使得可移动镜片在外部驱动力的作用下可以沿着入射激光束8的光轴方向前后移动，以实现入射激光束8焦点位置的调整。聚焦镜组部件4的可移动镜片与相邻的一组镜片(可以是聚焦镜组部4件中的某个镜片或准直扩束镜组部件3的最下方镜片或保护镜)之间所隔成独立封闭的活塞腔体段对外设有流体通孔，流体通孔与外部液压驱动系统或者气压驱动系统相连，可以通过改变活塞腔体段的流体压力使得可移动镜片发生前后移动，以实现加工激光束焦点位置的精准调整。
优选的，准直扩束镜组部件3中有一组可移动镜片，与加工头壳体1的内壁之间构成活塞滑动结构，使得可移动镜片在外部驱动力的作用下可以沿着入射激光束光轴方向前后移动，以实现入射激光束焦点位置的调整。准直扩束镜组部件3的多组镜片将密封光学腔体分隔成几段，可移动镜片与相邻的一组镜片之间所隔成独立封闭的活塞腔体段对外设有流体通孔，流体通孔与外部液压驱动系统或者气压驱动系统相连，可以通过改变活塞腔体段的流体压力使得可移动镜片发生前后移动，以实现加工激光束焦点位置的精准调整。
优选的，所述准直扩束镜组部件3、聚焦镜组部件4、保护镜部件5之间还包括若干反射镜、透射镜及分光镜，以实现入射的加工激光束光路转折、光束整形、光束分路。
本发明可改变为多种方式对本领域的技术人员是显而易见的，这样的改变不认为脱离本发明的范围。所有这样的对所述领域的技术人员显而易见的修改，将包括在本权利要求的范围之内。

Claims (6)

1.一种超高功率激光切割自动精准调焦加工头，其特征在于，包括加工头壳体(1)、激光入射窗口部件(2)、准直扩束镜组部件(3)、聚焦镜组部件(4)、保护镜部件(5)和喷嘴部件(6)；
所述加工头壳体(1)为中空筒状，外部设有螺栓安装结构，用于与激光切割机床加工轴滑块或机器人末端固定相连；加工头壳体(1)内部空腔中，从一端开始至另一端依次安装有激光入射窗口部件(2)、准直扩束镜组部件(3)、聚焦镜组部件(4)、保护镜部件(5)和喷嘴部件(6)；
所述加工头壳体(1)在顶部或侧面开有将外部与内部空腔连通的激光入射通孔(7)，激光入射通孔(7)靠外部一侧有端面法兰结构或螺纹结构，用于固定安放加工激光束转换接口；所述激光入射窗口部件(2)至少包括一个密封端面镜，其固定安放在激光入射通孔(7)靠内部空腔一侧，以保持内部空腔的密封性并通过入射激光束(8)；
所述加工头壳体(1)在底部或侧面还设置有用于将外部与内部空腔连通的激光出射通孔(9)，激光出射通孔(9)靠外部一侧有端面法兰结构或螺纹结构，用于固定安放喷嘴部件(6)；所述喷嘴部件(6)为倒置的内空锥台结构，上部侧面设有辅助气体入口，内部有气体流道，下部有气体喷射端口；激光出射通孔(9)靠内部空腔一侧设有保护镜部件(5)，保护镜部件(5)与激光出射通孔(9)的安装具有气密性，用于防止切割烟尘进入加工头壳体(1)的内部空腔；
所述加工头壳体(1)内部空腔两端分别被安装在激光入射通孔(7)的密封端面镜与安装在激光出射通孔(9)的保护镜部件(5)封闭，构成密封光学腔体；所述密封光学腔体内部充满流体，所述流体要求对加工激光束具有透射性；
所述准直扩束镜组部件(3)安装在加工头壳体(1)的内部空腔中，是多组镜片组合而成的透镜组件，用于改变加工激光束的光束直径、发散角和准直性；所述聚焦镜组部件(4)安装在加工头壳体(1)的内部空腔中，是由单镜片或多组镜片组合而成的透镜组件，用于实现加工激光束的会聚；
准直扩束镜组部件(3)的多组镜片、聚焦镜组部件(4)的单镜片或多组镜片将密封光学腔体分隔成多段，所分隔得到的多段腔体上对外设置有多个流体通孔(12)，所述流体通孔(12)与外部流体循环系统相连，用于实现多段腔体中的流体循环流动；
入射激光束(8)由外部激光光源发出，经光纤传输、转换接口、密封端面镜，进入加工头壳体(1)内部空腔中，并垂直入射至准直扩束镜组部件(3)；经过聚焦镜组部件(4)会聚后沿着激光出射通孔(9)的中心轴线行进，穿透保护镜部件(5)进入喷嘴部件(6)，并沿着喷嘴部件(6)内空中心轴线出射，到达切割工件(11)表面。
2.根据权利要求1所述的超高功率激光切割自动精准调焦加工头，其特征在于，所述聚焦镜组部件(4)中有一组可移动镜片，与加工头壳体(1)的内壁之间构成活塞滑动结构，使得可移动镜片在外部驱动力的作用下能够沿着入射激光束(8)的光轴方向前后移动，以实现入射激光束(8)焦点位置的调整；所述可移动镜片与相邻的一组镜片之间所隔成独立封闭的活塞腔体段对外设有流体通孔，流体通孔与外部液压驱动系统或者气压驱动系统相连，通过改变活塞腔体段的流体压力使得可移动镜片发生前后移动。
3.根据权利要求1所述的超高功率激光切割自动精准调焦加工头，其特征在于，所述准直扩束镜组部件(3)中有一组可移动镜片，与加工头壳体(1)的内壁之间构成活塞滑动结构，使得可移动镜片在外部驱动力的作用下能够沿着入射激光束光轴方向前后移动，以实现入射激光束焦点位置的调整；准直扩束镜组部件(3)的多组镜片将密封光学腔体分隔成几段，可移动镜片与相邻的一组镜片之间所隔成独立封闭的活塞腔体段对外设有流体通孔，流体通孔与外部液压驱动系统或者气压驱动系统相连，通过改变活塞腔体段的流体压力使得可移动镜片发生前后移动。
4.根据权利要求1所述的超高功率激光切割自动精准调焦加工头，其特征在于，所述激光入射窗口部件(2)还包括若干反射镜、透射镜及分光镜，以实现入射的加工激光束光路转折、光束整形、光束分路。
5.根据权利要求1所述的超高功率激光切割自动精准调焦加工头，其特征在于，所述准直扩束镜组部件(3)、聚焦镜组部件(4)、保护镜部件(5)之间还包括若干反射镜、透射镜及分光镜，以实现入射的加工激光束光路转折、光束整形、光束分路。
6.根据权利要求1所述的超高功率激光切割自动精准调焦加工头，其特征在于，所述喷嘴部件(6)内部设置有高度传感器和保护陶瓷体，用于实现喷嘴高度自动保持和防护。
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