CN113305450A - 一种加工质量可调的激光加工装置及其加工方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及激光加工的技术领域，更具体地，涉及一种加工质量可调的激光加工装置及其加工方法，激光加工装置包括激光器、驱动机构、固定组件、调节组件和包括有喷嘴的切割头，所述调节组件位于所述固定组件的一侧，所述光纤安装于所述固定组件与调节组件之间，所述驱动机构与调节组件连接以驱动所述调节组件沿靠近或远离所述固定组件的方向运动，还包括控制器和温度传感器，所述温度传感器装设于所述切割头的喷嘴上，所述温度传感器与所述控制器的输入端连接，所述控制器的输出端与所述驱动机构的输入端连接。本发明的加工质量可调的激光加工装置及其加工方法可根据喷嘴的温度，通过调整光纤弯曲半径进一步调整光束质量，以满足加工质量要求。

Description

一种加工质量可调的激光加工装置及其加工方法

技术领域

本发明涉及激光加工的技术领域，更具体地，涉及一种加工质量可调的激光加工装置及其加工方法。

背景技术

在激光加工领域，由于激光器光束质量的不同，对于材料的加工质量也有所不同。实际使用中发现，当激光器的光纤受压迫成一定的半径时，出射光束的质量会有所变化。如本申请说明书附图中的图3所示，切割头2包括依次同轴设置的准直镜21、聚焦镜22、保护镜23和喷嘴24，光纤3出射的光束经准直镜21出射后再通过聚焦镜22进行光束聚焦，当光束质量不同时，激光的发散角随之变化，激光发散角越大，同样的切割焦点时打在喷嘴24上的杂散光量越大，对应的喷嘴24将会受到更多杂散光激光照射而产生更多的热量，表现出不同的温度。

中国专利CN202011457631.8公开了一种光束质量调节器和光纤激光器，包括：微分头、调节块和固定座；所述调节块位于所述固定座的一侧，所述微分头的驱动端设有与所述调节块连接的位移平台，所述微分头通过所述位移平台驱动所述调节块沿靠近或远离所述固定座的方向运动。该发明提供的光束质量调节器和光纤激光器，通过微分头控制调节块与固定座之间的距离，对光纤进行弯曲挤压和固定，在光纤弯曲形变的过程中，打破光纤中传输激光的模式平衡，增强模间耦合作用，使能量充分传递和交换，达到匀化光束能量分布的目的，输出光束质量稳定的激光束。应用在高功率光纤激光器系统中，实现输出激光的光束质量和能量分布可调和可控。但是此方案中，光束质量调节器不能及时判断光束质量是否满足加工所需。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种加工质量可调的激光加工装置及其加工方法，能够通过调节光束质量来调节加工质量以满足加工所需。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

提供一种加工质量可调的激光加工装置，包括激光器、驱动机构、固定组件、调节组件和包括有喷嘴的切割头，所述激光器设有用于出射光束的光纤，所述光纤端部与切割头连接，所述调节组件位于所述固定组件的一侧，所述光纤安装于所述固定组件与调节组件之间，所述驱动机构与调节组件连接以驱动所述调节组件沿靠近或远离所述固定组件的方向运动，还包括控制器和温度传感器，所述温度传感器装设于所述切割头的喷嘴上，所述温度传感器与所述控制器的输入端连接，所述控制器的输出端与所述驱动机构的输入端连接。

本发明的加工质量可调的激光加工装置，光纤安装于固定组件与调节组件之间，利用温度传感器检测喷嘴的温度，将温度信号传输至控制器，控制器输出端与驱动机构连接，驱动机构驱动调节组件沿靠近或远离固定组件的方向运动，光纤在与固定组件的接触部位及与调节组件接触的部位产生弯曲且弯曲半径改变，去除杂散光，使切割头出射的激光的光束质量改变，进而改变加工质量，重复上述操作，直至温度传感器检测到的温度信号落入控制器的预设温度区间，控制器控制驱动机构停止运转。本发明的加工质量可调的激光加工装置可根据喷嘴的温度，通过调整光纤弯曲半径进一步调整光束质量，以满足加工质量要求。

进一步地，还包括信号盒，所述温度传感器与所述信号盒的输入端连接，所述信号盒的输出端与所述控制器的输入端连接。

进一步地，所述固定组件包括固定座和设于所述固定座末端的若干固定块，所述固定块与所述光纤的一侧接触。

进一步地，所述调节组件包括调节座和设于所述调节座末端的若干移动块，所述移动块挤压所述光纤的另一侧，且所述固定块与所述移动块交叉设置。

进一步地，所述驱动机构包括第一电机和第一丝杆，所述控制器的输出端与所述第一电机连接，所述第一电机的输出轴与所述第一丝杆通过第一联轴器连接，所述第一丝杆连接有第一螺母，所述第一螺母与所述调节组件通过第一滑块固定连接。

进一步地，还包括与所述切割头连接的调焦装置，所述调焦装置可自动调整光束的焦点位置。

进一步地，所述调焦装置包括第二电机和第二丝杆，所述控制器的输出端与所述第二电机连接，所述第二电机的输出轴与所述第二丝杆通过第二联轴器连接，所述第二丝杆连接有第二螺母，所述第二螺母与所述切割头的准直镜和/或聚焦镜通过第二滑块固定连接。

本发明还提供了一种上述质量可调的激光加工装置的激光加工方法，包括以下步骤：

S1：在控制器设置喷嘴的预设温度区间；

S2：利用温度传感器检测所述喷嘴的温度，并将温度信号传输至控制器判断是否落入所述预设温度区间，若否，则进入步骤S3；若是，则控制器控制驱动机构停止运转，进入步骤S4；

S3：控制器控制驱动机构，所述驱动机构驱动调节组件沿靠近或远离固定组件的方向运动，以调整光纤的弯曲半径R，重复步骤S2；

S4：光束从光纤端部射出，再射入准直镜，出射平行光束，所述平行光束射入聚焦镜和保护镜进行聚焦，聚焦后的光束从喷嘴喷出对待加工件进行切割。

本发明的加工质量可调的激光加工方法，利用温度传感器检测喷嘴的温度，将温度信号传输至控制器，控制器控制驱动机构驱动调节组件沿靠近或远离固定组件的方向运动，光纤在与固定组件的接触部位及与调节组件接触的部位产生弯曲且弯曲半径改变，使切割头出射的激光的光束质量改变，进而改变加工质量，重复上述操作，直至温度传感器检测到的温度信号落入控制器的预设温度区间，控制器控制驱动机构停止运转，光束从光纤端部射出，再射入准直镜，出射平行光束，平行光束射入聚焦镜和保护镜进行聚焦，聚焦后的光束从喷嘴喷出对待加工件进行切割。本发明可根据喷嘴的温度，通过调整光纤弯曲半径进一步调整光束质量，以满足加工质量要求

进一步地，步骤S3中，光纤的弯曲半径R与喷嘴的温度T之间的近似方程为：

T＝0.2145R+26.841

进一步地，切割头的准直径和/或聚焦镜连接有调焦装置，所述调焦装置可自动调整光束的焦点位置。

本发明的加工质量可调的激光加工装置及其加工方法与背景技术相比，产生的有益效果为：

可根据加工需要对光纤进行弯曲挤压和固定，调整光纤出射激光的光束质量进而调节加工质量。

附图说明

图1为本发明实施例中加工质量可调的激光加工装置的构成示意图；

图2为本发明实施例中驱动机构与调节组件的连接示意图；

图3为本发明实施例中调焦装置与准直镜连接的结构示意图；

附图中：1-激光器；2-切割头；21-准直镜；22-聚焦镜；23-保护镜；24-喷嘴；3-光纤；4-固定组件；41-固定座；42-固定块；5-调节组件；51-调节座；52-移动块；6-驱动机构；61-第一电机；62-第一联轴器；63-第一丝杆；64-第一螺母；65-第一滑块；7-控制器；71-信号盒；8-温度传感器；9-调焦装置；91-第二电机；92-第二联轴器；93-第二丝杆；94-第二螺母；95-第二滑块。

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

如图1至图3所示，一种加工质量可调的激光加工装置，包括激光器1、驱动机构6、固定组件4、调节组件5和包括有喷嘴24的切割头2，激光器1设有用于出射光束的光纤3，光纤3端部与切割头2连接，调节组件5位于固定组件4的一侧，光纤3安装于固定组件4与调节组件5之间，驱动机构6与调节组件5连接以驱动调节组件5沿靠近或远离固定组件4的方向运动，还包括控制器7和温度传感器8，温度传感器8装设于切割头2的喷嘴24上，温度传感器8与控制器7的输入端连接，控制器7的输出端与驱动机构6的输入端连接。

上述的加工质量可调的激光加工装置，光纤3安装于固定组件4与调节组件5之间，利用温度传感器8检测喷嘴24的温度，将温度信号传输至控制器7，控制器7输出端与驱动机构6连接，驱动机构6驱动调节组件5沿靠近或远离固定组件4的方向运动，光纤3在与固定组件4的接触部位及与调节组件5接触的部位产生弯曲且弯曲半径改变，去除杂散光，使切割头2出射的激光的光束质量改变，进而改变加工质量，重复上述操作，直至温度传感器8检测到的温度信号落入控制器7的预设温度区间，控制器7控制驱动机构6停止运转。本发明的加工质量可调的激光加工装置可根据喷嘴24的温度，通过调整光纤3弯曲半径进一步调整光束质量，以满足加工质量要求。

如图1、图3所示，还包括装设于切割头2的信号盒71，温度传感器8与信号盒71的输入端连接，信号盒71的输出端与控制器7的输入端连接，信号盒71将接收到的温度信号进行处理和转换并发送至控制器7。

如图1所示，固定组件4包括固定座41和设于固定座41末端的若干固定块42，固定块42与光纤3的一侧接触。

如图1、图2所示，调节组件5包括调节座51和设于调节座51末端的若干移动块52，移动块52挤压光纤3的另一侧，且固定块42与移动块52交叉设置。具体的，若干固定块42和移动块52分别挤压光纤3的两侧，使光纤3产生多处弯曲，驱动机构6可驱动调节组件5，使移动块52与固定块42挤压光纤3且改变光纤3在挤压部位的弯曲半径。本实施例中，固定块42和移动块52对光纤3直接挤压弯曲，免于去除光纤3保护层和包层，在弯曲过程中可对光纤3内层起保护作用。

如图2所示，驱动机构6包括第一电机61和第一丝杆63，控制器7的输出端与第一电机61连接，第一电机61的输出轴与第一丝杆63通过第一联轴器62连接，第一丝杆63连接有第一螺母64，第一螺母64与调节组件5通过第一滑块65固定连接。具体地，控制器7控制第一电机61运转，第一电机61带动第一丝杆63转动，与第一丝杆63连接的第一螺母64沿着第一丝杆63移动，带动第一滑块65和调节组件5移动，使调节组件5沿靠近或远离固定组件4的方向运动，减小或增大光纤3的弯曲半径。需要说明的是，其他能实现本发明中驱动调节组件5沿靠近或远离固定组件4的方向运动的驱动机构6均适用于本发明。

还包括与切割头2连接的调焦装置9，调焦装置9可自动调整光束的焦点位置，如图1、图3所示。如背景技术部分所述，切割头2包括依次同轴设置的准直镜21、聚焦镜22、保护镜23和喷嘴24，光纤3出射的光束经准直镜21出射后再通过聚焦镜22进行光束聚焦。

如图3所示，调焦装置9包括第二电机91和第二丝杆93，控制器7的输出端与第二电机91连接，第二电机91的输出轴与第二丝杆93通过第二联轴器92连接，第二丝杆93连接有第二螺母94，第二螺母94与切割头2的准直镜21和/或聚焦镜22通过第二滑块95固定连接。实际加工时，不同待加工件需要用到不同的喷嘴24和不同位置的焦点，对不同工件进行激光加工时，需要对准直镜21的位置进行调整、或对聚焦镜22的位置进行调整、或同时对准直镜21和聚焦镜22的位置进行调整，以调整不同工件加工所需的焦点位置。

第二螺母94可与切割头2的准直镜21通过第二滑块95固定连接，准直镜21可在光纤3端部与聚焦镜22之间运动，以调节焦点位置。

第二螺母94可与切割头2的聚焦镜22通过第二滑块95固定连接，聚焦镜22可在准直镜21与保护镜23之间运动，以调节焦点位置。

第二螺母94可同时与切割头2的准直镜21和聚焦镜22通过第二滑块95固定连接，此时准直镜21和聚焦镜22相对静止，且准直镜21和聚焦镜22可以一个整体在光纤3端部与保护镜23之间运动，以调节焦点位置。

实施例二

本实施例为一种上述质量可调的激光加工装置的加工方法，包括以下步骤：

S1：在控制器7设置喷嘴24的预设温度区间；

S2：利用温度传感器8检测喷嘴24的温度，并将温度信号传输至控制器7判断是否落入预设温度区间，若否，则进入步骤S3；若是，则控制器7控制驱动机构6停止运转，进入步骤S4；

S3：控制器7控制驱动机构6，驱动机构6驱动调节组件5沿靠近或远离固定组件4的方向运动，以调整光纤3的弯曲半径R重复步骤S2；

S4：光束从光纤3端部射出，再射入准直镜21，出射平行光束，平行光束射入聚焦镜22和保护镜23进行聚焦，聚焦后的光束从喷嘴24喷出对待加工件进行切割。

上述的激光加工方法，利用温度传感器8检测喷嘴24的温度，将温度信号传输至控制器7，控制器7控制驱动机构6驱动调节组件5沿靠近或远离固定组件4的方向运动，光纤3在与固定组件4的接触部位及与调节组件5接触的部位产生弯曲且弯曲半径改变，使切割头2出射的激光的光束质量改变，进而改变加工质量，重复上述操作，直至温度传感器8检测到的温度信号落入控制器7的预设温度区间，控制器7控制驱动机构6停止运转，光束从光纤3端部射出，再射入准直镜21，出射平行光束，平行光束射入聚焦镜22和保护镜23进行聚焦，聚焦后的光束从喷嘴24喷出对待加工件进行切割。本发明可根据喷嘴24的温度，通过调整光纤3弯曲半径进一步调整光束质量，以满足加工质量要求。

步骤S1中，预设温度区间为60℃～90℃，为切割效果最佳的喷嘴24温度，当温度低于60℃时，杂散光去除不足，当温度高于90℃时，随动装置变化太大无法稳定。

步骤S2中，调节组件5沿靠近或远离固定组件4的方向运动时，调节组件5与固定组件4的相对位移为20mm～200mm，即移动块52与固定块42的相对位移为20mm～200mm，光纤3弯曲半径R为150mm～350mm，此时，光束质量BPP、瑞利长度Zr和远场发散角Div随着光纤3弯曲半径R的变化如表1所示：

表1光束质量BPP、瑞利长度Zr和远场发散角Div随着光纤3弯曲半径R的变化：

可得到光束质量BPP、瑞利长度Zr和远场发散角Div与光纤3弯曲半径R的近似方程如下：

BBP＝0.0005R+3.6303

Zr＝-0.0093R+5.0928

Div＝0.1215R+42.24

可根据加工所需光束质量BPP、瑞利长度Zr和远场发散角Div，计算光纤3弯曲半径R，控制器7控制驱动系统运转到该计算所得光纤3弯曲半径。

步骤S3中，出光时间为5min时，喷嘴24的温度T与光纤3的弯曲半径R之间的变化如表2所示：

表2喷嘴24的温度T与光纤3的弯曲半径R之间的变化

可得到光纤3的弯曲半径R与喷嘴24的温度T之间的近似方程为：

T＝0.2145R+26.841

根据预设温度区间，可计算得到满足加工需求的光纤弯曲半径，进而得到满足加工需求的光束质量和加工质量。

实施例三

以厚度为20mm的碳钢为例，分别控制调节组件5与固定组件4的相对位移使光纤3弯曲半径在150mm、250mm和350mm，对碳钢进行切割，距离碳钢表面1mm和13mm处的碳钢切割断面的表面粗糙度如表3所示：

表3光纤3弯曲半径R分别为150mm、250mm、350mm时距离碳钢表面1mm和13mm处的碳钢切割断面的表面粗糙度：

由表3可知，光纤3弯曲半径越小，切割端面处的表面粗糙度越小，加工质量越高。

切割头2的准直径和/或聚焦镜22连接有调焦装置9，调焦装置9可自动调整光束的焦点位置。实际加工时，不同待加工件需要用到不同的喷嘴24和不同位置的焦点，对不同工件进行激光加工时，需要对准直镜21和/或聚焦镜22的位置进行调整，以调整不同工件加工所需的焦点位置。

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 (10)

1.一种加工质量可调的激光加工装置，包括激光器(1)、驱动机构(6)、固定组件(4)、调节组件(5)和包括有喷嘴(24)的切割头(2)，所述激光器(1)设有用于出射光束的光纤(3)，所述光纤(3)端部与切割头(2)连接，所述调节组件(5)位于所述固定组件(4)的一侧，所述光纤(3)安装于所述固定组件(4)与调节组件(5)之间，所述驱动机构(6)与调节组件(5)连接以驱动所述调节组件(5)沿靠近或远离所述固定组件(4)的方向运动，其特征在于，还包括控制器(7)和温度传感器(8)，所述温度传感器(8)装设于所述切割头(2)的喷嘴(24)上，所述温度传感器(8)与所述控制器(7)的输入端连接，所述控制器(7)的输出端与所述驱动机构(6)的输入端连接。

2.根据权利要求1所述的加工质量可调的激光加工装置，其特征在于，还包括信号盒(71)，所述温度传感器(8)与所述信号盒(71)的输入端连接，所述信号盒(71)的输出端与所述控制器(7)的输入端连接。

3.根据权利要求1所述的加工质量可调的激光加工装置，其特征在于，所述固定组件(4)包括固定座(41)和设于所述固定座(41)末端的若干固定块(42)，所述固定块(42)与所述光纤(3)的一侧接触。

4.根据权利要求3所述的加工质量可调的激光加工装置，其特征在于，所述调节组件(5)包括调节座(51)和设于所述调节座(51)末端的若干移动块(52)，所述移动块(52)挤压所述光纤(3)的另一侧，且所述固定块(42)与所述移动块(52)交叉设置。

5.根据权利要求1所述的加工质量可调的激光加工装置，其特征在于，所述驱动机构(6)包括第一电机(61)和第一丝杆(63)，所述控制器(7)的输出端与所述第一电机(61)连接，所述第一电机(61)的输出轴与所述第一丝杆(63)通过第一联轴器(62)连接，所述第一丝杆(63)连接有第一螺母(64)，所述第一螺母(64)与所述调节组件(5)通过第一滑块(65)固定连接。

6.根据权利要求1所述的加工质量可调的激光加工装置，其特征在于，还包括与所述切割头(2)连接的调焦装置(9)，所述调焦装置(9)可自动调整光束的焦点位置。

7.根据权利要求6所述的加工质量可调的激光加工装置，其特征在于，所述调焦装置(9)包括第二电机(91)和第二丝杆(93)，所述控制器(7)的输出端与所述第二电机(91)连接，所述第二电机(91)的输出轴与所述第二丝杆(93)通过第二联轴器(92)连接，所述第二丝杆(93)连接有第二螺母(94)，所述第二螺母(94)与所述切割头的准直镜(21)和/或聚焦镜(22)通过第二滑块(95)固定连接。

8.一种如权利要求1至7任一项所述的加工质量可调的激光加工装置的加工方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：在控制器(7)设置喷嘴(24)的预设温度区间；

S2：利用温度传感器(8)检测所述喷嘴(24)的温度，并将温度信号传输至控制器(7)判断是否落入所述预设温度区间，若否，则进入步骤S3；若是，则控制器(7)控制驱动机构(6)停止运转，进入步骤S4；

S3：控制器(7)控制驱动机构(6)，所述驱动机构(6)驱动调节组件(5)沿靠近或远离固定组件(4)的方向运动，以调整光纤(3)的弯曲半径R，重复步骤S2；

S4：光束从光纤(3)端部射出，再射入准直镜(21)，出射平行光束，所述平行光束射入聚焦镜(22)和保护镜(23)进行聚焦，聚焦后的光束从喷嘴(24)喷出对待加工件进行切割。

9.根据权利要求8所述的激光加工方法，其特征在于，步骤S3中，光纤(3)的弯曲半径R与喷嘴(24)的温度T之间的近似方程为：

T＝0.2145R+26.841。

10.根据权利要求9所述的激光加工方法，其特征在于，切割头(2)的准直径和/或聚焦镜(22)连接有调焦装置(9)，所述调焦装置(9)可自动调整光束的焦点位置。

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