CN113059279B - 一种激光切割装置及其切割方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及钣金金属加工领域，更具体地，涉及一种激光切割装置及其切割方法，包括依次同轴设置的激光器、准直镜、第一异形镜、第二异形镜、聚光镜和喷嘴，所述第一异形镜和/或第二异形镜连接有用于改变第一异形镜、第二异形镜之间间距的驱动机构，所述激光器设有用于出射光束的光纤头，所述光纤头位于所述准直镜的焦点处，所述聚光镜的焦点位于所述喷嘴内侧。本发明通过调整驱动机构的运行状况，调整第一异形镜与第二异形镜至今的间距，使光束截面变小且能量集中，改变了激光的能量分布，使得低焦点就可以实现碳钢的高品质切割，防止喷嘴发烫损坏，提高设备稳定性。

Description

一种激光切割装置及其切割方法
技术领域
本发明涉及钣金金属加工的领域，更具体地，涉及一种激光切割装置及其切割方法。
背景技术
在目前激光切割领域，氧气辅助碳钢切割时，使用直径1.2mm到1.4mm的喷嘴，并且通过设定较高的激光焦点，让喷嘴挡住一部分激光外层杂光，来实现碳钢高品质切割。这种加工方法目前存在的问题是高焦点导致有部分激光会直接射在喷嘴上面，导致喷嘴温度过高，随动传感器装置控制异常，且喷嘴容易烧坏损耗，增加使用成本。
中国专利CN201710286941.X公开了一种激光切割装置及其切割方法，包括激光器、光束整形系统和第一聚光镜，所述激光器为皮秒激光器；所述激光器用于出射激光，所述激光为高斯光束；所述光束整形系统用于将所述高斯光束转换为贝塞尔光束；所述第一聚光镜用于将所述贝塞尔光束聚焦到待切割样品的待切割区域，以使所述贝塞尔光束对所述待切割区域进行预切割，此方案涉及微加工领域，且聚焦后的贝塞尔光束会导致喷嘴温度过高，喷嘴容易烧坏损耗。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种激光切割装置及其切割方法，通过改变激光的能量分布，使得低焦点就可以实现碳钢的高品质切割，防止喷嘴发烫损坏，提高设备稳定性。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：
提供一种激光切割装置，包括依次同轴设置的激光器、准直镜、第一异形镜、第二异形镜、聚光镜和喷嘴，所述第一异形镜和/或第二异形镜连接有用于改变第一异形镜、第二异形镜之间间距的驱动机构，所述激光器设有用于出射光束的光纤头，所述光纤头位于所述准直镜的焦点处，所述聚光镜的焦点位于所述喷嘴内侧。
本发明的激光切割装置，当激光器在准直镜的焦点处出射光束，从准直镜出射的光束为平行光；通过调整驱动机构的运行状况，调整第一异形镜和第二异形镜之间的间距，使光束截面变小且能量集中，利用聚光镜聚焦于喷嘴内侧，防止光束照射在喷嘴上导致的喷嘴温度过高甚至损坏喷嘴，且从喷嘴出射的光束能量集中，对待切割件进行激光切割，能实现高品质切割。
进一步地，所述第一异形镜与所述第二异形镜的结构相同且折射率相同，所述第一异形镜与所述第二异形镜对称设置。
进一步地，所述第一异形镜的一端和第二异形镜的一端为圆锥状结构，所述第一异形镜另一端和第二异形镜的另一端为圆柱状结构，且两个所述圆锥状结构的顶点相对。
进一步地，还包括用于支撑待切割件的平台，所述激光器、准直镜、第一异形镜、第二异形镜、聚光镜和喷嘴安装于所述平台并沿预设轨迹运动。
进一步地，所述平台包括第一控制器和第二控制器，所述第一控制器控制所述驱动机构的运行状况，所述第二控制器控制激光器出射光束和停止出射光束。
进一步地，所述驱动机构包括同步带、电机、连接杆、通过同步带连接的第一同步带轮和第二同步带轮，所述第一同步带轮与电机的输出轴连接，所述第一异形镜或第二异形镜通过连接杆与所述同步带连接。
本发明还提供了一种激光切割方法，应用于上述的激光切割装置，包括以下步骤：
S1：根据能量空心率ε，调整驱动机构运行状况使第一异形镜或第二异形镜沿中轴线移动，以调整第一异形镜和第二异形镜之间的间距L；
S2：激光器出射光束；
S3：步骤S2中的光束经准直镜折射出平行光束，平行光束射入第一异形镜再经第二异形镜射出平行光束；
S4：步骤S3中所述平行光束通过聚光镜聚焦后从喷嘴喷出对待切割件进行激光切割，所述聚光镜的焦点位于喷嘴内侧。
本发明的激光切割方法，通过调整驱动机构的运行状况，调整第一异形镜或第二异形镜的位置以改变第一异形镜与第二异形镜之间的间距，当调整第一异形镜靠近第二异形镜，或调整第二异形镜靠近第一异形镜时，激光器出射的光束经准直镜折射出平行光束后，再通过第一异形镜和第二异形镜出射平行光束，利用聚光镜聚焦于喷嘴内侧，喷嘴处的光束的截面变小，防止光束照射在喷嘴上，导致的喷嘴温度过高甚至损坏喷嘴，且从喷嘴出射的光束能量集中，对待切割件进行激光切割，能实现高品质切割。
步骤S1中，所述能量空心率ε与第一异形镜和第二异形镜之间的间距L之间的关系按下式计算：
Figure BDA0002981899880000031
γ+β＝90°
Figure BDA0002981899880000032
Figure BDA0002981899880000033
Figure BDA0002981899880000034
Figure BDA0002981899880000035
求解，得
Figure BDA0002981899880000036
式中，L为第一异形镜和第二异形镜之间的间距，ε为待切割件表面上光束的能量空心率，Sw为待切割件表面上光束截面内无能量部分的面积，S为待切割件表面上光束截面面积，
Figure BDA0002981899880000037
为光束从第一异形镜射入时的光束直径，D为从第二异形镜射出时的光束直径，α为第一异形镜和第二异形镜的圆锥母线与圆锥底面的夹角，γ为光束从第一异形镜射出时与圆锥底面的夹角，β为从第一异形镜射出的光束与中轴线的夹角，a为光束从第一异形镜射出至与中轴线相交的最大距离在中轴线上的投影；
优选地，步骤S2中，所述激光器上用于出射光束的光纤头位于所述准直镜焦点处。
优选地，步骤S4中，步骤S3中，在距离聚光镜的焦点前、后15mm内的光束直径小于喷嘴的直径。
本发明的激光切割装置及其切割法法与背景技术相比，产生的有益效果为：
通过调整第一异形镜与第二异形镜之间的间距，使光束截面变小且能量集中，改变了激光光束的能量分布，使得低焦点就可以实现碳钢的高品质切割，防止喷嘴发烫损坏，提高设备稳定性。
附图说明
图1为实施例一中激光切割装置的结构示意图；
图2为调整第二异形镜前后的激光能量分布对比图；
图3为光束从第一异形镜射入至从第二异形镜射出的示意图；
图4为实施例一中驱动机构的结构示意图；
附图中：1-激光器；2-准直镜；3-第一异形镜；4-第二异形镜；5-聚光镜；6-喷嘴；7-电机；71-电机；72-第一同步带轮；73-第二同步带轮；74-同步带；75-连接杆。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明作进一步的说明。其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本专利的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。
本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
实施例一
一种激光切割装置，如图1所示，包括依次同轴设置的激光器1、准直镜2、第一异形镜3、第二异形镜4、聚光镜5和喷嘴6，第一异形镜3和/或第二异形镜4连接有用于改变第一异形镜3、第二异形镜4之间间距的驱动机构7，激光器1设有用于出射光束的光纤头，光纤头位于准直镜2的焦点处，聚光镜5的焦点位于喷嘴6内侧。
上述的激光切割装置，当激光器1上的的光纤头在准直镜2的焦点处出射光束，从准直镜2出射的光束为平行光；通过调整驱动机构7的运行状况，调整第一异形镜3和第二异形镜4之间的间距，使光束截面变小且能量集中，利用聚光镜5聚焦于喷嘴6内侧，防止光束照射在喷嘴6上导致的喷嘴6温度过高甚至损坏喷嘴6，且从喷嘴6出射的光束能量集中，对待切割件进行激光切割，能实现高品质切割。
如图1至图3所示，第一异形镜3与第二异形镜4的结构相同且折射率相同，第一异形镜3与第二异形镜4对称设置，保证平行光束从第一异形镜3射入，并通过第二异形镜4射出时依旧为平行光束。
第一异形镜3的一端和第二异形镜4的一端为圆锥状结构，第一异形镜3另一端和第二异形镜4的另一端为圆柱状结构，且两个所述圆锥状结构的顶点相对。具体地，从准直镜2出射的平行光从第一异形镜3另一端的圆柱状结构的底面射入后从第一异形镜3一端的圆锥状结构的圆锥侧面射出，再从第二异形镜4一端的圆锥状结构的圆锥侧面射入，最后从第二异形镜4另一端的圆柱状结构的底面平行射出，由聚光镜5对平行光束进行聚焦。
还包括用于支撑待切割件的平台，激光器1、准直镜2、第一异形镜3、第二异形镜4、聚光镜5和喷嘴6安装于平台并沿预设轨迹运动。
平台包括第一控制器和第二控制器，所述第一控制器控制所述驱动机构7的运行状况，所述第二控制器控制激光器1出射光束和停止出射光束。
驱动机构7包括同步带74、电机71、连接杆75、通过同步带74连接的第一同步带轮72和第二同步带轮73，第一同步带轮72与电机71的输出轴连接，第一异形镜3或第二异形镜4通过连接杆75与同步带74连接。具体地，运行电机71，带动第一同步带轮72转动，通过同步带74带动第二同步带轮73转动，当电机71正反转时，同步带74往复运动，带动第一异形镜3或第二异形镜4沿中轴线方向做往复直线运动，如图4所示，同步带带动第二异形镜4沿中轴线方向做往复直线运动。
驱动机构7包括分别与第一异形镜3和第二异形镜4连接的第一驱动机构和第二驱动机构，第一异形镜3和第二异形镜4分别通过两组连接杆75与两组同步带74连接，两组同步带74分别带动第一异形镜3和第二异形镜4做沿中轴线方向的往复直线运动。需要说明的是，圆柱凸轮机构、曲柄滑块机构、齿轮齿条机构、蜗轮蜗杆机构等其他能够将本发明中电机71的旋转运动转化为第一异形镜3或第二异形镜4的直线运动的机构均适用于本发明。
实施例二
一种激光切割方法，应用于上述的激光切割装置，包括以下步骤：
S1：根据能量空心率ε，调整驱动机构7运行状况使第一异形镜3或第二异形镜4沿中轴线移动，以调整第一异形镜3和第二异形镜4之间的间距L；
S2：激光器1出射光束；
S3：步骤S2中的光束经准直镜2折射出平行光束，平行光束射入第一异形镜3再经第二异形镜4射出平行光束；
S4：步骤S3中平行光束通过聚光镜5聚焦后从喷嘴6喷出对待切割件进行激光切割，聚光镜5的焦点位于喷嘴6内侧。
上述的激光切割方法，通过调整驱动机构7的运行状况，调整第一异形镜3或第二异形镜4的位置，当调整第一异形镜3靠近第二异形镜4，或调整第二异形镜4靠近第一异形镜3时，如图2所示，激光器1出射的光束经准直镜2折射出平行光束后，再通过第一异形镜3和第二异形镜4出射平行光束，从第一异形镜3射出的光束在第二异形镜4的照射面积变小，能量更集中，经聚光镜5聚焦于喷嘴6处的光束截面也随之变小，防止光束照射在喷嘴6上导致的喷嘴6温度过高甚至损坏喷嘴6，且从喷嘴6出射的光束能量集中，对待切割件进行激光切割，使得低焦点就能实现待切割件的高品质切割。
步骤S1中，能量空心率ε与第一异形镜3和第二异形镜4之间的间距L之间的关系按下式计算：
Figure BDA0002981899880000061
γ+β＝90°
Figure BDA0002981899880000062
Figure BDA0002981899880000063
Figure BDA0002981899880000064
Figure BDA0002981899880000065
求解，得
Figure BDA0002981899880000071
式中，L为第一异形镜3和第二异形镜4之间的间距，ε为待切割件表面上光束的能量空心率，Sw为待切割件表面上光束截面内无能量部分的面积，S为待切割件表面上光束截面面积，
Figure BDA0002981899880000072
为光束从第一异形镜3射入时的光束直径，D为从第二异形镜4射出时的光束直径，α为第一异形镜3和第二异形镜4的圆锥母线与圆锥底面的夹角，γ为光束从第一异形镜3射出时与圆锥底面的夹角，β为从第一异形镜3射出的光束与中轴线的夹角，a为光束从第一异形镜3射出至与中轴线相交的最大距离在中轴线上的投影；
可根据光束在待切割件表面的能量空心率ε，调整第一异形镜3与第二异形镜4的顶点之间的距离L。
当α为1°～5°时，激光切割待切割件的效果更好。
步骤S2中，激光器1上用于出射光束的光纤头位于所述准直镜2焦点处，保证从准直镜2出射的光束平行。
步骤S4中，在距离聚光镜5的焦点前、后15mm内的光束直径小于喷嘴6的直径，防止光束照射在喷嘴6上导致的喷嘴6温度过高甚至损坏喷嘴6。
实施例三
以厚度为20mm的碳钢为例，喷嘴6与碳钢距离0.5mm，氧气辅助对碳钢进行切割，距离碳钢表面1mm和13mm处的碳钢切割段面粗糙度如表1所示：
Figure BDA0002981899880000073
Figure BDA0002981899880000081
由表1可知，使用第一异形镜3和第二异形镜4后，切割断面表面粗糙度减小，表面更光滑，激光切割品质更高。
在上述具体实施方式的具体内容中，各技术特征可以进行任意不矛盾的组合，为使描述简洁，未对上述各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种激光切割方法，其特征在于，应用于激光切割装置，激光切割装置包括依次同轴设置的激光器(1)、准直镜(2)、第一异形镜(3)、第二异形镜(4)、聚光镜(5)和喷嘴(6)，所述第一异形镜(3)和/或第二异形镜(4)连接有用于改变第一异形镜(3)、第二异形镜(4)之间间距的驱动机构(7)，所述激光器(1)设有用于出射光束的光纤头，所述光纤头位于所述准直镜(2)的焦点处，所述第一异形镜(3)与所述第二异形镜(4)的结构相同且折射率相同，所述第一异形镜(3)与所述第二异形镜(4)对称设置；包括以下步骤：
S1：根据能量空心率ε，调整驱动机构(7)运行状况使第一异形镜(3)或第二异形镜(4)沿中轴线移动，以调整第一异形镜(3)和第二异形镜(4)之间的间距L；
S2：激光器(1)出射光束；
S3：步骤S2中的光束经准直镜(2)折射出平行光束，平行光束射入第一异形镜(3)再经第二异形镜(4)射出平行光束；
S4：步骤S3中所述平行光束通过聚光镜(5)聚焦后从喷嘴(6)喷出对待切割件进行激光切割，所述聚光镜(5)的焦点位于喷嘴(6)内侧，且在距离聚光镜(5)的焦点前、后15mm内的光束直径小于喷嘴(6)的直径。
2.根据权利要求1所述的激光切割方法，其特征在于，所述第一异形镜(3)的一端和第二异形镜(4)的一端为圆锥状结构，所述第一异形镜(3)另一端和第二异形镜(4)的另一端为圆柱状结构，且两个所述圆锥状结构的顶点相对。
3.根据权利要求2所述的激光切割方法，其特征在于，还包括用于支撑待切割件的平台，所述激光器(1)、准直镜(2)、第一异形镜(3)、第二异形镜(4)、聚光镜(5)和喷嘴(6)安装于所述平台并沿预设轨迹运动。
4.根据权利要求3所述的激光切割方法，其特征在于，所述平台包括控制器，所述控制器控制所述驱动机构(7)的运行状况，并控制激光器(1)出射光束和停止出射光束。
5.根据权利要求4所述的激光切割方法，其特征在于，所述驱动机构(7)包括同步带(74)、电机(71)、连接杆(75)、通过同步带(74)连接的第一同步带轮(72)和第二同步带轮(73)，所述第一同步带轮(72)与电机(71)的输出轴连接，所述第一异形镜(3)或第二异形镜(4)通过连接杆(75)与所述同步带(74)连接。
6.根据权利要求1所述的激光切割方法，其特征在于，步骤S1中，所述能量空心率ε与第一异形镜(3)和第二异形镜(4)之间的间距L之间的关系按下式计算：
Figure FDA0004112908510000021
γ+β＝90°
Figure FDA0004112908510000022
Figure FDA0004112908510000023
Figure FDA0004112908510000024
Figure FDA0004112908510000025
求解，得
Figure FDA0004112908510000026
式中，L为第一异形镜(3)和第二异形镜(4)之间的间距，ε为待切割件表面上光束的能量空心率，Sw为待切割件表面上光束截面内无能量部分的面积，S为待切割件表面上光束截面面积，
Figure FDA0004112908510000027
为光束从第一异形镜(3)射入时的光束直径，D为从第二异形镜(4)射出时的光束直径，α为第一异形镜(3)和第二异形镜(4)的圆锥母线与圆锥底面的夹角，γ为光束从第一异形镜(3)射出时与圆锥底面的夹角，β为从第一异形镜(3)射出的光束与中轴线的夹角，a为光束从第一异形镜(3)射出至与中轴线相交的最大距离在中轴线上的投影。
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