CN113649697B - 一种具有安全保护的激光器 - Google Patents

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Abstract

一种具有安全保护的激光器，用于高功率光纤激光加工装置中，如激光焊接机，包括多种安全装置，如光路检测安全装置、中断开关、外部安全锁等等装置，通过各个装置的检测实现光纤激光器的安全运行。

Description

一种具有安全保护的激光器
技术领域
本发明涉及一种具有安全保护的便携式高功率光纤激光器，具有多种安全装置保证激光器的安全运行及防止误操作造成的人身安全。
背景技术
在工业激光器领域通常会使用高功率光纤激光器作为激光加工光源，而通常的激光加工中所使用的激光在安全等级上被定为4级，即对眼睛和皮肤都会带来伤害，激光会灼烧皮肤，在某些情况下，即使散射的激光也会对眼睛和皮肤造成伤害。因在，在激光加工装置的使用中，要尤其的注意系统的工作状态及防止误操作的安全设置。
在现有技术中，激光器需要外部的独立水冷设备，装置庞大不便携带和移动，多是固定在某个地方使用，造成了激光焊接装置使用上的局限性。其安全装置多是针对性的设置闭合大门，开关钥匙，遮挡装置，水量传感器等等，这些安全装置多是单独独立的设置起到相应的作用，并且多数安全装置不便于小型便携式激光焊接机的使用。
现有的辅助气体的气压保护装置，仅仅针对是否能够喷出足量的保护气体，并没有对辅助气体出射时的不同气压对焊缝的影响做具体的研究，导致在很多情况下辅助气体的气压过大或是较小，使得焊缝的质量差异较大，焊接的熔深效果不好，飞溅程度也难以得到控制。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供了一种针对小型便携式激光焊接机的激光安全系统，克服了现有技术的不足，设计合理。
为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：
本申请是针对小型便携式激光加工装置开发，激光加工装置包括泵浦激光器、泵浦控制电路、光纤激光器，输出光缆，显示操作屏幕，控制按钮，机箱等装置，具体的散热装置采用风冷散热系统，使得装置的小型化。
光纤激光器温控系统包括变频压缩机、热力膨胀阀、冷凝器、管道，半导体激光器、蒸发器，风机等组成。
一种便携式激光加工装置，包括一个激光安全系统，其包括控制模块，辅助气体保护模块，中断开关保护模块，用户接口保护模块，光纤通路保护模块，灯光示警模块，钥匙锁定模块等，用于保护激光器的安全运行。
优选的，所述控制模块包括控制电路与控制系统软件，控制模块可以包括安全模块，安全模块根据各个保护模块反馈的信号决定对安全模块的回路进行断开或是闭合，当安全模块的回路断开时，激光器被设定为不能够输出激光。优选的，安全模块可以为安全电路，优选的可以为安全互锁电路。
辅助气体保护模块：由于装置为小型便携式激光焊接系统，同时采用风冷进行散热，其设备在运行过程中会产生较大的热量，同时为了保护焊缝的质量，需要接入辅助气体，允许气流通过加工头喷嘴。辅助气体采用气管输入激光器，气管外部采用自卷式编制网进行防护。辅助气体优选的可以采用氩气、氮气、氩气+二氧化碳混合气体等。气体的压力需满足特定范围，优选的可以采用0.2bar-6bar的气体压力。
辅助气体出射时的不同气压对焊缝的影响不同，如会产生不同的熔深。
通常气压越高则越容易产生飞溅，优选的采用0.2-1bar，可以获得最好的熔深效果(而同时氧化程度和飞溅程度得以兼顾)，优选的，可以采用0.3-0.8bar的气压，优选的可以采用0.5-0.7bar取得最好的熔深，优选的可以采用0.6bar。
优选的辅助气体保护模块还包括一个气压检测装置，向控制模块输入第一检测信号，控制模块根据输入的第一检测信号，控制安全模块的通断和/或灯光示警模块的运行，当输入的气压不满足预设的要求时，控制模块的安全模块断开，同时可使得灯光示警模块输出相应的信号。
中断开关保护模块：由于激光焊接输出，如果意外发生超出工作区域对准非目标物时，高功率激光的破坏性及危险性较大，当意外发生时需要快速关闭激光器，因此，包括一个中断开关，用于在发生意外情况时快速关闭焊接机的输出。
优选的，中断开关的关断操作需要迅速的，明显的，易于确定操作结果的，而不易误操作为其他模式控制，同时为了便于焊接人员的理解以及操作便利和安全，希望能中断开关自身能同时实现激光器的工作复位。
优选的，中断开关位于焊接机的顶面或是侧面，优选的位于顶面，参见图1中的中断开关(2)，其位置旁为指示灯5，在附近区域没有其他按钮，防止在慌乱中按错为其他按钮，优选的在以中断开关2为中心，围绕其半径为R1的第一区域内没有任何别的控制开关，围绕其半径为R2的区域内存在指示灯，同时也没有其他控制开关，R1<R2,这样利于使用指示灯指示中断开关的位置，方便用户迅速按下，同时不会在慌乱中按到其他开关。优选的，风冷便携式激光加工装置的顶面以横向或纵向任一方向中心线为分界化为两个部分，在其中第一部分的下半部分或是上半部分只存在中断开关这一个可按压开关，不存在其他可按压开关，中断开关位于第一部分的一侧，同时，指示灯也位于第一部分靠近中断开关的一侧，利于操作人员的迅速关停。
优选的，中断开关的操作模式被设定为，当发生紧急情况时，可以按下中断按钮，快速切断电源，当危险情况解除后，当中断按钮处于按下状态时，旋转按钮可复位中断开关。
当中断按钮被按下时向控制模块输入第一中断信号，控制模块根据输入的第一中断信号，控制安全模块的通断和/或灯光示警模块的运行，当输入第一中断信号时，控制模块的安全模块断开，同时可使得灯光示警模块输出相应的信号。优选的，当中断按钮被复位时，可向控制模块输入第一恢复信号。
用户接口保护模块：由于在激光焊接机操作时，需要保证很多的外部条件的安全，如安全门被打开时应当停止操作，或若是在操作过程中不小心触及其他机械部件的禁止接触区域，应当立刻停止加工操作，调整位置，而通常用户本人由于集中精神于加工中，很难顾及到这些。
即，优选的，激光加工装置外部具有第一关联检测设备，该关联检测设备用于检测对应外部关联装置的状态变化，用户接口保护模块通过用户接口与外部关联装置信号连接，外部关联装置被定义为其状态直接影响到激光加工的安全性的关联装置，定义外部关联装备具有第一状态和第二状态，第一状态为预定的安全状态，第二状态为预定的不安全状态。关联检测设备可以检测到外部关联装置的状态，外部关联装置的工作状态涉及一部件(机械结构或人或动物)的空间位置变化，如检测安全门的打开与否，或是安全光栅是否有报警信息，该用户接口用于连接该第一关联检测设备，当关联检测设备检测到外部关联装置处于第二状态时(该第二状态为预定影响激光加工安全性的状态)，控制模块的安全模块断开，同时可使得灯光示警模块输出相应的信号。
优选的，用户接口保护模块可以连接安全光栅或安全门等外部联动器件。外部关联装置状态变化涉及安全门是否被被打开，或是重要移动机械的安全光栅是否被触碰。
同时，由于焊接人员通常在焊接时会专注于激光头加工的区域，有时很难顾及预定操作周期的结束，因此，具有一个辅助人员或是远程辅助安全控制系统来确保安全是有利的，由于激光焊接机体型较小，而辅助人员不利于围绕激光焊接机来操作，还可以在某些情况下包括远程监测控制接口连接外部的远程控制。优选的，其包括用于连接外部的DB25计算机接口、RS232通讯接口、以及WI-FI传输接口，用户可以通过上述接口和外部设备实现安全互锁控制、获取设备状态及告警信息，通过接口可以实现外部的监控操作和远程服务。
光纤通路保护模块：在输出光缆和焊接头之间设置耦合结构，只有当耦合结构被激活时才会输出激光，当耦合结构没有被激活时，控制模块的安全模块断开，同时可使得灯光示警模块输出相应的信号。
同时，在输出光缆的光纤周围设置若干传感器，沿着光缆延伸的方向，分别在每一个不同的位置都设置一个传感器，当输出光缆的光纤存在损坏时，传感器将接收到过量的光信号和/或温度传感信号，设定一个预设的安全光线阈值或温度阈值，当传感器接收到的光信号和/或温度传感信号超过预设的安全光线阈值或温度阈值时，控制模块的安全模块断开，同时可使得灯光示警模块输出相应的信号。
灯光示警模块：为了便于操作员能够直观的感受到激光器的运行状态并知晓激光器遇到的各种问题，在激光加工装置的机箱上设置多种灯光示警模块，由于系统状态多样，而指示灯不宜过多，若指示灯过于复杂则会导致用户分不清，因此，采用指示灯采用分大类的方式描述系统工作状态，如当系统正在准备或自检中指示灯发出第一颜色，如彩色；当系统准备就绪时可以发出第二颜色，如绿色；当安全互锁回路闭合，激光就绪或出光状态时采用第三颜色；当出现安全互锁回路断开时采用第四种颜色。
钥匙锁定模块：钥匙为整个激光加工装置的控制开关，钥匙可以在被插入后分别通过顺时针旋转或逆时针旋转至开状态或关状态。发明人意识到，如果在开状态钥匙能够被拔出，那么在下次插入钥匙时，会在用户还没有心理准备时直接打开激光器，容易造成意外的损害。为防止设备在运行过程中被拔掉钥匙，以导致续直接插入时不被期望的意外打开加光加工装置，钥匙装置被设置为在钥匙旋转在开状态时不能被拔出。
本发明提供了一种便携式激光加工装置安全系统。具备以下有益效果：通过设计各种针对风冷便携式激光加工装置会遇到的安全问题的保护装置，辅助气体保护模块，中断开关保护模块，使用环境保护模块，用户接口保护模块，工件安全保护模块，光纤通路保护模块，灯光示警模块，钥匙锁定模块等，解决了风冷便携式激光器会遇到的各种安全问题，实现整个加工装置的安全运行，同时由于安全装置的整体控制，使得激光器的控制逻辑更加简单，各个保护装置导致的回路断开都不会使激光出射，整体的控制更加的安全。
附图说明
为了更清楚地说明本发明或现有技术中的技术方案，下面将对现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。
图1本发明的便携式激光加工装置结构第一侧面示意图；
图2本发明的便携式激光加工装置结构第二侧面示意图；
图3本发明的焊接头示意图；
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述。
本申请是针对小型便携式激光加工装置开发，激光加工装置包括泵浦激光器、泵浦控制电路、光纤激光器，输出光缆，显示操作屏幕，控制按钮，机箱等装置，具体的散热装置采用风冷散热系统，使得装置的小型化。
光纤激光器温控系统包括变频压缩机、热力膨胀阀、冷凝器、半导体激光器、蒸发器，风机等组成。
一种便携式激光加工装置，包括一个激光安全系统，其包括控制模块，辅助气体保护模块，中断开关保护模块，使用环境保护模块，用户接口保护模块，工件安全保护模块，光纤通路保护模块，灯光示警模块，钥匙锁定模块等。
在一些实施例下，所述控制模块包括控制电路与控制系统软件，控制模块可以包括安全模块，安全模块根据各个保护模块反馈的信号决定对安全模块的回路进行断开或是闭合，当安全模块的回路断开时，激光器被设定为不能够输出激光。优选的，安全模块可以为安全电路，优选的可以为安全互锁电路。
辅助气体保护模块：由于装置为小型便携式激光焊接系统，同时采用风冷进行散热，其设备在运行过程中会产生较大的热量，同时为了保护焊缝的质量，需要接入辅助气体，允许气流通过加工头喷嘴。辅助气体采用气管输入激光器，气管外部采用自卷式编制网进行防护，辅助气体在一些实施例下可以采用氩气、氮气、氩气+二氧化碳混合气体等。输入气体的压力需满足特定范围，优选的可以采用0.2bar-6bar的气体压力。
辅助气体出射时的不同气压对焊缝的影响不同，如会产生不同的熔深。具体试验条件，采用功率100％，摆动宽度1.4mm，摆动频率120HZ，焊接速度约为3-4cm/s，焊接3mm厚铝合金，依次增大气压。效果如下：
Figure GDA0003271331170000071
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Figure GDA0003271331170000081
通常气压越高则越容易产生飞溅，基于上表可知，如果采用0.2-1bar，可以获得最好的熔深效果(而同时氧化程度和飞溅程度得以兼顾)，优选的，可以采用0.3-0.8bar的气压，优选的可以采用0.5-0.7bar取得最好的熔深，优选的可以采用0.6bar。
优选的辅助气体保护模块还包括一个气压检测装置，向控制模块输入第一检测信号，控制模块根据输入的第一检测信号，控制安全模块的通断和/或灯光示警模块的运行，当输入的气压不满足预设的要求时，控制模块的安全模块断开，同时可使得灯光示警模块输出相应的信号。
中断开关保护模块：由于激光焊接即时危险性较大，通常危险发生时需要快速关闭激光器，因此，包括一个中断开关，用于在发生意外情况时快速关闭焊接机的输出。
优选的，中断开关的关断操作需要迅速的，明显的，易于确定操作结果的，而不易误操作为其他模式控制，同时为了便于焊接人员的理解以及操作便利和安全，希望能中断开关自身能同时实现激光器的工作恢复。
优选的，中断开关位于焊接机的顶面或是侧面，优选的位于顶面，参见图1中的中断开关(2)，其位置旁为指示灯5，在附近区域没有其他按钮，防止在慌乱中按错为其他按钮，优选的在以中断开关2为中心，围绕其半径为R1的第一区域内没有任何别的控制开关，围绕其半径为R2的区域内存在指示灯，同时也没有其他控制开关，R1<R2,这样利于使用指示灯指示中断开关的位置，方便用户迅速按下，同时不会在慌乱中按到其他开关。优选的，风冷便携式激光加工装置的顶面以横向或纵向任一方向中心线为分界化为两个部分，在其中第一部分的下半部分或是上半部分只存在中断开关这一个可按压开关，不存在其他可按压开关，中断开关位于第一部分的一侧，同时，指示灯也位于第一部分靠近中断开关的一侧，利于操作人员的迅速关停。
优选的，中断开关的操作模式被设定为，当发生紧急情况时，可以按下中断按钮，快速切断电源，当危险情况解除后，当中断按钮处于按下状态时，旋转按钮可复位中断开关。
当中断按钮被按下时向控制模块输入第一中断信号，控制模块根据输入的第一中断信号，控制安全模块的通断和/或灯光示警模块的运行，当输入第一中断信号时，控制模块的安全模块断开，同时可使得灯光示警模块输出相应的信号。优选的，当中断按钮被复位时，可向控制模块输入第一恢复信号。
用户接口保护模块：示出在图2中，由于在激光焊接机操作时，需要保证很多的外部条件的安全，如安全门被打开时应当停止操作，或是若是在操作过程中不小心触及其他机械部件的禁止接触区域，应当立刻停止加工操作，调整位置，而通常用户本人由于集中精神于加工中，很难顾及到这些。
即，优选的，激光加工装置外部具有第一关联检测设备，该关联检测设备用于检测对应外部关联装置的状态变化，外部关联装置被定义为其状态直接影响到激光加工的安全性的关联装置，定义外部关联装备具有第一状态和第二状态，第一状态为预定的安全状态，第二状态为预定的不安全状态。关联检测设备可以检测到外部关联装置的状态，外部关联装置的工作状态涉及一部件的空间位置变化，如检测安全门的打开与否，或是安全光栅是否有报警信息，该用户接口用于连接该第一关联检测设备，当关联检测设备检测到外部关联装置处于第二状态时(该第二状态为预定影响激光加工安全性的状态)，控制模块的安全模块断开，同时可使得灯光示警模块输出相应的信号。
优选的，用户接口保护模块可以连接安全光栅或安全门等外部联动器件。外部关联装置状态变化涉及安全门是否被被打开，或是重要移动机械的安全光栅是否被触碰。
同时，由于焊接人员通常在焊接时会专注于激光头加工的区域，有时很难顾及预定操作周期的结束，因此，具有一个辅助人员或是远程辅助安全控制系统来确保安全时有利的，由于激光焊接机体型较小，而辅助人员不利于围绕激光焊接机来操作，还可以在某些情况下包括远程监测控制接口连接外部的远程控制。优选的，其包括用于连接外部的DB25计算机接口、RS232通讯接口、以及WI-FI传输接口，用户可以通过上述接口和外部设备实现安全互锁控制、获取设备状态及告警信息，通过接口可以实现外部的监控操作和远程服务，各个用户接口可参见图2中的(1)、(2)、(3)等，如用户接口3、RS232通讯接口2、WIFI接口1。
光纤通路保护模块：在输出光缆和焊接头之间设置耦合结构，只有当耦合结构被激活时才会输出激光，当耦合结构没有被激活时，控制模块的安全模块断开，同时可使得灯光示警模块输出相应的信号。
同时，在同时，在输出光缆的光纤周围设置若干传感器，沿着光缆延伸的方向，分别在每一个不同的位置都设置一个传感器，当输出光缆的光纤存在损坏时，传感器将接收到过量的光信号和/或温度传感信号，设定一个预设的安全光线阈值或温度阈值，当传感器接收到的光信号和/或温度传感信号超过预设的安全光线阈值或温度阈值时，控制模块的安全模块断开，同时可使得灯光示警模块输出相应的信号。
灯光示警模块：为了便于操作员能够直观的感受到激光器的运行状态并知晓激光器遇到的各种问题，在激光加工装置的机箱上设置多种灯光示警模块，由于系统状态多样，而指示灯不宜过多，若指示灯过于复杂则会导致用户分不清，因此，采用指示灯采用分大类的方式描述系统工作状态，如当系统正在准备或自检中指示灯发出第一颜色，如彩色；当系统准备就绪时可以发出第二颜色，如绿色；当安全互锁回路闭合，激光就绪或出光状态时采用第三颜色；当出现安全互锁回路断开时采用第四种颜色。
钥匙锁定模块：钥匙为整个激光加工装置的总安全阀门，钥匙可以在被插入后分别通过顺时针旋转或逆时针旋转至开状态或关状态。发明人意识到，如果在开状态钥匙能够被拔出，那么在下次插入钥匙时，会在用户还没有心理准备时直接打开激光器，容易造成意外的损害。为防止设备在运行过程中被拔掉钥匙，以导致续直接插入时不被期望的意外打开加光加工装置，钥匙装置被设置为在钥匙旋转在开状态时不能被拔出。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (1)

1.一种风冷便携式激光加工装置，包括激光器和激光安全系统，激光安全系统包括控制模块和保护模块，控制模块包括安全模块，安全模块根据保护模块反馈的信号决定对安全模块的回路进行断开或是闭合，当安全模块的回路断开时，激光器被设定为不能输出激光，其特征在于：保护模块包括用户接口保护模块，用于根据外部输入信号控制安全模块；激光加工装置外部具有关联检测设备，该关联检测设备用于检测对应外部关联装置的状态变化，用户接口保护模块通过用户接口与外部关联装置信号连接，外部关联装置被定义为其状态直接影响到激光加工的安全性的关联装置；外部关联装置具有第一状态和第二状态，第一状态为预定的安全状态，第二状态为预定的不安全状态；关联检测设备可以检测到外部关联装置的状态，外部关联装置的工作状态涉及一部件的空间位置变化；关联检测设备的检测结果包括检测安全门的打开与否；用户接口用于连接该关联检测设备，当关联检测设备检测到外部关联装置处于第二状态时，控制模块的安全模块断开；包括远程监测控制接口连接外部的远程控制，用户通过远程监测控制接口和外部设备实现安全互锁控制、获取设备状态及告警信息，通过远程监测控制接口实现外部的监控操作和远程服务；辅助气体保护模块，允许气流通过加工头喷嘴，预设的气体的压力为0.5-0.7bar的气体压力，辅助气体保护模块还包括一个气压检测装置，向控制模块输入第一检测信号，控制模块根据输入的第一检测信号，控制安全模块的通断和/或灯光示警模块的运行，当输入的气压不满足预设的气体的压力的要求时，控制模块的安全模块断开；辅助气体采用氩气、氮气、氩气+二氧化碳混合气体；包括中断开关用于快速关断，中断开关的操作模式被设定为，当发生紧急情况时，按下中断开关，快速切断电源，当危险情况解除后，当中断按钮处于按下状态时，旋转按钮可复位中断开关；在输出光缆和焊接头之间设置耦合结构，只有当耦合结构被激活时才会输出激光，当耦合结构没有被激活时，控制模块的安全模块断开，同时使得灯光示警模块输出相应的信号；在输出光缆的光纤周围设置传感器，当输出光缆的光纤存在损坏时，传感器将接收到过量的光信号，设定一个预设的安全光线阈值，当传感器接收到的光信号超过预设的安全光线阈值时，控制模块的安全模块断开；中断开关位于焊接机的顶面；以中断开关为中心，围绕其半径为R1的第一区域内没有其它的控制开关；围绕其半径为R2的区域内存在指示灯，同时也没有其它控制开关，R1<R2。
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