CN113695766A - 一种光斑轨迹形状可变的激光切割头及其切割工艺 - Google Patents

Abstract

本发明为一种光斑轨迹形状可变的激光切割头及切割工艺，属于激光切割加工领域。其技术方案为，一种光斑轨迹形状可变的激光切割头，包括沿光路方向依次设置的光束整形器、轨迹控制组件和聚焦组件，轨迹控制组件包括反射镜，X轴振镜和Y轴振镜，X轴振镜的转动轴为竖直轴，Y轴振镜的转动轴为水平轴，反射镜的反射面与X轴振镜的反射面相对，Y轴振镜的反射面与X轴振镜的反射面相对。本发明的有益效果为，通过控制X轴振镜和Y轴振镜的摆动，在激光头主体移动进行激光切割的过程中，控制光斑在水平面内做循环往复运动，使现有功率的激光器能够实现更高功率的切割效果和速度，降低生产采购成本。

Description

一种光斑轨迹形状可变的激光切割头及其切割工艺

技术领域

本发明涉及激光切割加工领域，特别是涉及一种光斑轨迹形状可变的激光切割头，以及切割工艺。

背景技术

激光切割利用经聚焦后的高功率密度激光束照射金属板材，使金属板材迅速熔化、气化、烧蚀或达到燃点，同时借助与光束同轴的高速气流吹除熔融物质，从而实现金属板材的切割。与等离子切割、火焰切割、线切割等方法相比，激光切割具有热影响区小，切割速度快，切割质量好等优点，在金属板材切割加工中迅速得到了广泛应用。而且激光切割对光束的切割精度要求更高，比如0.1mm，而且激光切割需要考虑切缝、熔融金属的及时排出等问题，否则会出现爆孔或穿不透等问题。

随着市场需求的变化，目前对激光切割机的要求逐渐提高，希望能够在不采购新机的情况下，通过相同功率的设备实现更快的切割速度、更好的切割面以及更大的切割厚度等。若使用更长焦距的聚焦镜以增大聚焦光斑获得更宽的切缝，会导致焦点附近的激光能量密度减小，降低切割效率，也会导致激光发散角减小，导致在焦点两侧的板材厚度处光斑大小与焦点处光斑大小差别较小，无法满足所有厚度处更宽切缝的要求。目前的激光切割头的光路结构如图1所示，激光源发出的光束经过准直镜、聚焦镜等结构输出后的光斑只能实现基本的上下移动，不能实现平面内方向的变化，其切割速度、切割厚度、切割面受到局限性。

发明内容

本发明提供了一种能够在激光头移动过程中同时改变光斑轨迹形状，提高切割能力的光斑轨迹形状可变的激光切割头。

为解决以上问题，本发明采用的技术方案为，一种光斑轨迹形状可变的激光切割头，包括沿光路方向依次设置的光束整形器、轨迹控制组件、聚焦组件和喷嘴，轨迹控制组件包括X轴振镜和Y轴振镜，X轴振镜的转动轴为竖直轴，Y轴振镜的转动轴为水平轴，Y轴振镜的反射面与X轴振镜的反射面相对。在轨迹控制组件中，激光在X轴振镜和Y轴振镜之间传递，通过控制X轴振镜和Y轴振镜的摆动，在激光头主体移动进行激光切割的过程中，控制光斑在水平面内按照设定的图形做循环往复运动，使现有功率的激光器能够实现更高功率的切割效果和速度，降低采购成本；采用模块化的设计，便于装配，减少干涉。

优选的，轨迹控制组件包括安装座，安装座为内部中空结构，安装座上安装有X轴振镜组件和Y轴振镜组件，X轴振镜组件包括X轴电机，X轴振镜安装在X轴电机的输出轴上，X轴振镜位于安装座的内部；Y轴振镜组件包括Y轴电机，Y轴振镜安装在Y轴电机的输出轴上，Y轴振镜位于安装座的内部。X轴振镜组件和Y轴振镜组件还分别包括电机架，电机架包括固定块，固定块的一侧设有活动块，固定块和活动块之间通过螺栓连接，电机安装在固定块和活动块之间，固定块中设有电机冷却组件，电机的尾部还设有尾部护罩。通过电机控制振镜，能够更好的配合控制程序，实现更精确的轨迹控制；电机安装牢固且便于拆装。

优选的，轨迹控制组件还包括反射镜，在光路方向上，反射镜位于X轴振镜的前方，Y轴振镜位于X轴振镜的后方，反射镜安装在安装座内部。激光源发出的激光打在反射镜上，反射镜将激光反射到X轴振镜上，X轴振镜将激光再次反射到Y轴振镜上，Y轴振镜将激光输出至下一组件。

优选的，轨迹控制组件还包括反射镜，在光路方向上，Y轴振镜位于X轴振镜的前方，反射镜位于X轴振镜的后方。激光源发出的激光打在Y轴振镜上，Y轴振镜将激光反射到X轴振镜上，X轴振镜将激光再次反射到反射镜上，反射镜将激光反射到下一组件。

优选的，光束整形器为水平设置，在光路方向上，Y轴振镜位于X轴振镜的后方。当激光源为水平设置时，轨迹控制组件能够拆除反射镜，直接使入射光投射在振镜上，具有多种安装形式，使用更加灵活。

优选的，X轴振镜组件和Y轴振镜组件还分别包括振镜冷却组件，振镜冷却组件包括振镜冷却板，振镜冷却板的正面靠近X轴振镜或Y轴振镜反光面的背面，振镜冷却板上设有冷却水槽，振镜冷却板与X轴振镜或Y轴振镜之间的距离为2-10mm。冷却组件能够避免振镜发热造成镜片曲率变化而引起的精度下降，冷却板与振镜距离合理，保证冷却效果的同时不会干涉振镜转动。

优选的，X轴振镜的反射面前方或后方设有限位板，Y轴振镜的反射面前方或后方设有限位板，当X轴振镜转动到两侧的预设位置时，X轴振镜分别与限位板的两侧边相接触；当Y轴振镜转动到两侧的设定位置时，Y轴振镜分别与限位板的两侧边相接触，防止振镜意外过转导致输出激光超出安全范围发生危险。

优选的，限位板与X轴振镜或Y轴振镜之间的距离为m，m=kl，k为设定的系数，l为X轴振镜或Y轴振镜的长度，m为0.5-13.5mm。

优选的，光束整形器包括光束过滤组件和准直镜组件，在光路方向上，光束过滤组件位于准直镜组件的前方，光束整形器上安装有上保护镜。光束过滤组件将激光源的杂光滤除，准直镜组件将发散的光束汇聚为一束平行光，安装光纤时，上保护镜能够避免灰尘落入激光头内。

优选的，光束过滤组件的中部设置有光束通过孔，光束通过孔的上方设置有锥形的光束吸收面，激光器的出光点到光束通过孔的锥角大于等于激光器的光束发散角，光束通过孔的下方也可根据需求设置锥形的光束吸收面。通过该设置，可将光束的中部高能量光束通过，进而提高激光切割精度。

优选的，准直镜组件包括准直镜外壳和准直镜，准直镜外壳上安装有同轴调节件，用于保证输出激光束与喷嘴的同轴性。激光源中的发散激光通过准直镜组件后平行射入下一组件，同时设置同轴调节件，通过对准直镜位置的微调保证光路的同轴性。

优选的，聚焦组件包括聚焦镜、聚焦保护镜和升降机构，聚焦镜安装在镜筒中，聚焦镜的上方设有压簧，压簧将聚焦镜压紧，升降机构包括升降电机，升降电机的输出轴上设有丝杠，丝杠上配合安装有镜组安装座，丝杠能够驱动镜组安装座沿丝杠运动，镜筒安装在镜组安装座上，聚焦保护镜的下端设有下保护镜，聚焦组件下方还设有喷嘴和切割气路。通过升降聚焦镜进行调焦；同时设置下保护镜，防止反渣对聚焦透镜造成损伤；切割气路经喷嘴喷出高速气体，及时吹除熔融金属。

优选的，聚焦组件和光束整形器的变倍比为1.2-3.5。

基于以上切割头，本发明还提供一种切割工艺，步骤如下：

S1.确定所切割板材参数，如材料和厚度等；

S2.设置光斑参数，光斑参数包括光斑轨迹图形、光斑半径和摆动频率或摆动速度；

S3.设置切割参数，切割参数包括切割图形、切割高度、切割焦点、切割速度和切割气体压力等；

S4.标定，包括同轴性调整、高度标定和切割范围标定；

S5.对板材进行切割，切割过程中，激光切割头根据所设置的切割参数进行切割，同时X轴振镜与Y轴振镜配合光斑参数使光斑进行连续微小运动；

S6.完成切割。

优选的，S1中，上位机预设材料选项和厚度选项；

S2中，光斑轨迹图形包括“8”字形、马蹄形、“∞”形和“O”形。

优选的，光斑参数和切割参数包括以下参数的至少一种：

切割不锈钢中板或厚板时，光斑轨迹直径为40-160像素，摆动频率为80-300Hz，采用负焦切割，切割辅助气体为氮气或空气，气体压力为5-25bar；

切割碳钢中板或厚板时，光斑轨迹直径为10-80像素，摆动频率为100-200Hz，采用正焦切割，切割辅助气体为氧气，气体压力为0.4-2.8bar；

切割铜或铝的中板或厚板时，光斑轨迹直径为40-90像素，摆动频率为100-300Hz，采用负焦切割，切割辅助气体为氮气或空气，气体压力为5-25bar。

优选的，切割机的轴动系统按照所设置的切割图形切割，同时X轴振镜和Y轴振镜连续摆动，通过X轴振镜和Y轴振镜的摆动使光斑按照设定的光斑参数运动。

优选的，S4中：

同轴性调整包括：通过同轴调节件调整准直镜的位置，确定输入光束的对中性和/或通过调节X轴振镜和Y轴振镜的偏转角度，确定输出光束与喷嘴的同轴度；

高度标定包括：控制切割机的轴动系统使激光头第一次碰到切割板材后上抬至预设高度后再次下降，再次碰板后上升至激光头限定高度；

切割范围标定包括：激光头发出引导光，激光头沿预设的切割图形轨迹运行，确认待切割图形是否完全落入板材之内。

通过以上技术方案可以看出，本发明的优点在于，通过控制X轴振镜和Y轴振镜，可改变光斑轨迹形状，光斑在水平面内做循环往复运动，相比于现有的激光束相对于切割头机械本体静止，不会产生相对于激光头机械本体的运动轨迹的情况，本方案中激光的最高能量点可良好的传递到板材的待加工区域，进而提高激光光束能量利用率和切割效率，大幅提高能够切割的板材厚度和切割速度，使现有功率的激光器能够实现更高功率的切割效果和速度，降低生产采购成本；具有散热功能，保证激光头的长时间运行；具有保护镜，防止对激光头内部的损坏与污染；整体采用模块化设计，轨迹控制组件具有多种使用形式，便于装配使用；利用本发明提供的切割工艺，能够获得更快的切割速度，相同功率下能够切割的板材厚度更大。

附图说明

为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为现有切割激光头的光路结构示意图。

图2为本发明实施例一的结构示意图一。

图3为本发明实施例一的结构示意图二。

图4为本发明实施例一中轨迹控制组件的结构示意图。

图5为本发明实施例一中X轴振镜组件和Y轴振镜组件的结构示意图。

图6为本发明实施例一中准直镜组件的结构示意图。

图7为本发明实施例一中升降机构的结构示意图。

图8为本发明实施例一中激光头的光路示意图一。

图9为本发明实施例一中激光头的光路示意图二。

图10为本发明实施例二中激光头的光路示意图。

图11为本发明实施例三中激光头的光路示意图。

图12为本发明实施例中冷却组件的结构示意图。

图13为本发明切割头“8”字形光斑轨迹示意图。

图14为本发明中切割工艺的流程图。

图中：1.钣金外壳，2.喷嘴，3.升降机构，4.光束整形器，5.上保护镜，6.反射镜，7-1.X轴振镜组件，7-2.Y轴振镜组件，701.尾部护罩，702.电机冷却组件，703.固定块，704.限位板，705-1.X轴振镜，705-2.Y轴振镜，706.联轴器，707.活动块，708-1.X轴电机，708-2.Y轴电机，8.下保护镜，10.安装座，11.准直镜，12.准直镜外壳，13.调节螺丝，14.螺母，15.聚焦镜，16.光斑轨迹，17.升降电机，18.丝杠，19.镜组安装座，20.导轨，21.丝杠联轴器，22.镜筒，23.压簧，24.振镜冷却板，25.冷却水槽。

具体实施方式

为使得本发明的目的、特征、优点能够更加的明显和易懂，下面将结合本具体实施例中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，下面所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而非全部的实施例。基于本专利中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本专利保护的范围。

实施例一

如图2-6所示，一种光斑轨迹形状可变的激光切割头，包括沿光路方向依次设置的光束整形器4、轨迹控制组件、聚焦组件和喷嘴，光束整形器4包括光束过滤组件和准直镜组件，在光路方向上，光束过滤组件位于准直镜组件的前方，光束整形器4上安装有上保护镜5，上保护镜5位于光束过滤组件和准直镜组件之间，轨迹控制组件的外部设有钣金外壳1。

光束过滤组件的中部设置有光束通过孔，光束通过孔的上方设置有锥形的光束吸收面，激光器的出光点到光束通过孔的锥角大于等于激光器的光束发散角，光束通过孔的下方也可根据需求设置锥形的光束吸收面。通过该设置，可将光束的中部高能量光束通过，进而提高激光切割精度。

如图6所示，准直镜组件包括准直镜外壳12和准直镜11，准直镜外壳12上安装同轴调节件，用以保证激光束由喷嘴的中心对称通过，以确保切割精度并保证切割面的切割效果一致。

在本实施例中，同轴调节件采用调节螺丝13，调节螺丝13环绕于准直镜11设置，在本实施例中，调节螺丝13数量为四个，分别设置在准直镜11的四个侧面，调节螺丝13穿过准直镜外壳12，调节螺丝13位于准直镜外壳12内的一端抵在准直镜11的侧面，调节螺丝13位于准直镜外壳12外部的一段上安装有螺母14，使用过程中通过调节四周的螺丝13，微调准直镜11的位置，实现光路的同轴度调节。

如图4所示，轨迹控制组件包括安装座10，安装座10为内部中空结构，安装座10上安装有X轴振镜组件7-1和Y轴振镜组件7-2，X轴振镜组件7-1和Y轴振镜组件7-2的结构如图5所示，X轴振镜组件7-1包括X轴电机708-1，X轴电机708-1的输出轴上通过联轴器706安装有X轴振镜705-1；Y轴振镜组件7-2包括Y轴电机708-2，Y轴电机708-2的输出轴上通过联轴器706安装有Y轴振镜705-2。

X轴振镜705-1的反射面前方或后方和Y轴振镜705-2的反射面前方或后方分别设有限位板704，限位板与相应的振镜间的距离m为kl,k为系数，l为振镜的长度，m一般设置为0.5-13.5mm。当X轴振镜705-1转动到第一预设位置和第二预设位置时，X轴振镜705-1分别与限位板704的两侧边相接触，第一预设位置和第二预设位置为X轴振镜转动范围两端的极限位置；同理，当Y轴振镜705-2转动到第三预设位置和第四预设位置时，Y轴振镜705-2分别与限位板704的两侧边相接触；X轴振镜组件7-1和Y轴振镜组件7-2均安装在安装座10上，以使用时的方向（即激光头的输出激光竖直向下时）为参考，X轴振镜组件7-1为竖直安装，即X轴电机708-1的输出轴为竖直设置，X轴振镜705-1的转轴为竖直轴，Y轴振镜组件7-2为水平安装，即Y轴电机708-2的输出轴为水平设置，Y轴振镜705-2的转轴为水平轴，X轴振镜705-1和Y轴振镜705-2均位于安装座10的内部，安装座10的内部还设有反射镜6，反射镜6的反射面倾斜向上，在光路方向上，反射镜6位于X轴振镜705-1的前方，Y轴振镜705-2位于X轴振镜705-1的后方，反射镜6的反射面与X轴振镜705-1的反射面相对，Y轴振镜705-2的反射面与X轴振镜705-1的反射面相对。

第一预设位置和第二预设位置为X轴振镜转动范围两端的极限位置，第三预设位置和第四预设位置为Y轴振镜转动范围两端的极限位置，设置限位板对两振镜进行转动范围限位，能够避免振镜过转导致输出激光扫描超出安全范围。

在X轴振镜组件7-1和Y轴振镜组件7-2中，电机均安装在电机架上，电机架包括固定块703和活动块707，活动块707位于固定块703的一侧，固定块703与活动块707通过螺栓连接，电机安装在固定块703和活动块707之间，并被二者夹紧固定，固定块703中还安装有电机冷却组件702，在电机的尾部还设有尾部护罩701。

聚焦组件包括聚焦镜15、聚焦保护镜和升降机构3，聚焦镜15安装在镜筒22中，聚焦镜15的上方设有压簧，压簧将聚焦镜15压紧，升降机构采用电机驱动的丝杠，包括升降电机17，升降电机17的输出轴上设有丝杠18，丝杠18上配合安装有镜组安装座19，丝杠18能够驱动镜组安装座19沿丝杠18运动，镜筒安装在镜组安装座19上，升降机构带动镜筒及聚焦透镜、聚焦保护镜升降运动，聚焦保护镜的下端设置有下保护镜。聚焦镜与准直镜的变倍比设置为1.2-3.5。

聚焦组件的下方设有喷嘴及切割气路，激光切割时，喷嘴的喷头与板材间的距离设置为0.2-2mm。聚焦组件输出的光束从喷嘴的喷头射出，切割气路的切割辅助气体通过喷嘴后，气体变为高速气体，气体在切割过程中将切割的熔渣吹到板材下方，防止熔渣在熔池内黏连。

本实施例的光路结构如图8、9所示，切割机激光源发出的激光束经过光束过滤组件滤除光纤杂散光后，经上保护镜射入准直镜组件，准直镜11将扩散的光束整形为一束平行光束，光束打在反射镜6上，经反射镜6反射到X轴振镜705-1上，X轴振镜705-1将光束反射到Y轴振镜705-2上，Y轴振镜705-2再次将光束向下反射，经过聚焦镜15聚焦并透过下保护镜8由喷头输出为切割激光；

由于经过X轴振镜和Y轴振镜两次反射，可以通过程序控制，通过控制两个振镜的摆动，使输出激光的光斑能够在平面内沿预定轨迹动作，如图13所示，在加工平面中，设图示X轴为激光头随切割机轴动系统运行的方向，即当前的切割方向，Y轴为与X轴垂直的方向，在切割过程中，X轴电机驱动X轴振镜高速摆动，使光斑在X方向上不断高速位移，Y轴电机驱动Y轴振镜高速摆动，使光斑在Y轴方向上不断高速位移，两个方向配合，实现光斑在沿切割方向作主运动的同时，不断进行“8”字形微运动，使切割轨迹上具有更高的热量，并增大了切割宽度，能够获得更好的切割面，相对于传统的完全直线切割具有更高的切割效率，利用本激光头可以通过现有的激光设备实现更高功率设备的切割效果，大大节约生产成本。另外，本设计中，激光束经由振镜到喷头喷出的光束光路短，进而在形成预定图形的光斑时，振镜电机摆动的角度大，电机输出的精度高，进而进一步达成激光切割的高精度要求。

需要说明，图13所示的“8”字形轨迹只是一种切割方式，通过控制两个振镜，还能够实现马蹄形、“∞”形、圆形等其他轨迹形状。

同时，X轴、Y轴为在加工平面内相互垂直的两个方向，仅为便于说明作出的设置，而非对实际加工中轴动方向的限定，也并非是指X轴振镜和Y轴振镜的转轴方向。

实施例二

本实施例的激光头结构与实施例一基本相同，区别在于，在本实施例的轨迹控制组件中，在光路方向上，Y轴振镜705-2位于X轴振镜705-1的前方，反射镜6位于X轴振镜705-1的后方，反射镜6的反射面倾斜向下设置；

基于此设置，本实施例中光路结构如图10所示，激光源发出的激光束经过光束过滤组件滤除光纤杂散光后，经上保护镜射入准直镜组件，准直镜11将扩散的光束整形为一束平行光束，光束打在Y轴振镜705-2上，经Y轴振镜705-2反射到X轴振镜705-1上，X轴振镜705-1将光束反射到反射镜6上，反射镜6再次将光束向下反射，经过聚焦镜15聚焦并透过下保护镜8由喷嘴输出为切割激光，光斑轨迹控制原理与实施例一相同。

实施例三

适配于激光源光纤接口为水平设置的激光切割机，在本实施例的轨迹控制组件中不设置反射镜，光纤接口横向插入光束整形器，本实施例中光路如图11所示，此时经光束整形器处理过的光束直接投射在X轴振镜705-1上，经X轴振镜705-1反射至Y轴振镜705-2，然后经过聚焦镜15聚焦并透过下保护镜8由喷嘴输出为切割激光，光斑轨迹控制原理与实施例一相同。

实施例四

在以上三个实施例的基础上，本实施例中X轴振镜组件7-1和Y轴振镜组件7-2中还安装有振镜冷却组件，如图12所示，振镜冷却组件包括振镜冷却板24，振镜冷却板24的正面靠近X轴振镜705-1或Y轴振镜705-2反光面的背面，振镜冷却板24上设有冷却水槽25，振镜冷却板24与X轴振镜705-1或Y轴振镜705-2之间的距离为2-10mm，在不干涉振镜摆动的前提下保证冷却效果。

另一方面，基于以上设备和原理，本发明还提供一种切割工艺，步骤如下：

S1.确定所切割板材参数，如材料和厚度等；

S2.设置光斑参数，光斑参数包括光斑轨迹图形、光斑半径和摆动频率或摆动速度；

S3.设置切割参数，切割参数包括切割图形、切割高度、切割焦点、切割速度和切割气体压力等；

S4.标定，包括同轴性调整、高度标定和切割范围标定；

S5.对板材进行切割，切割过程中，激光切割头根据所设置的切割参数进行切割，同时X轴振镜与Y轴振镜配合光斑参数使光斑进行连续微小运动；

S6.完成切割。

具体的，上位机中的材料选项包括不锈钢和/或碳钢和/或铜和/或铝等常用的金属板材原料；厚度选项包括薄板、中板和厚板，具体的，厚度为1mm~6mm为薄板，7mm~15mm为中板，16mm以上为厚板；

具体的，将被切割板材放置在切割操作台上，在光斑轨迹控制软件上选取光斑轨迹的形状并设置其半径大小及摆动频率，设置切割高度，切割焦点，切割速度，切割气体压力参数完成；

标定板材，先通过调节同轴调节件调整准直镜11的位置，确定输入光束的对中性，并通过调节X轴振镜和Y轴振镜的偏转角度，确定输出光束与喷嘴的同轴度，本发明采用调节准直镜和调节振镜角度的方式更加的智能与便利；然后进行高度标定，控制切割机的轴动系统使激光头碰到切割板材后上抬至预设高度后再次下降，第二次碰板上升至激光头限定高度，此时为激光头高度设置完毕；然后使激光头按照预设轨迹运行，确认待切割图形是否完全落入板材之内；标定结束后按照设定的光斑参数和切割参数进行切割即可。

对于不同厚度的各种板材，切割参数可依照以下设置：

切割不锈钢中板或厚板时，光斑轨迹直径为40-160像素，摆动频率为80-300Hz，采用负焦切割，切割辅助气体为氮气或空气时压力为5-25bar，采用本方法，相对同种切割参数但光斑不可调的激光切割工艺，对不锈钢中厚板的切割速度能够提高30-80%；

切割碳钢中板及厚板时，光斑轨迹直径为10-80像素，摆动频率为100-200Hz，采用正焦切割，切割辅助气体为氧气时压力为0.4-2.8bar，采用本方法后，切割碳钢中厚板时切割速度能够相对同种切割参数参数但光斑不可调的激光切割工艺提高10-45%；

切割铜或铝的中板或厚板时，光斑轨迹直径为40-90像素，摆动频率为100-300Hz，采用负焦切割，切割辅助气体为氮气或空气时压力为5-25bar，采用本切割工艺，相对同种切割参数但光斑不可调的激光切割工艺，切割速度能够提高20-300%。

此外，对于不锈钢薄板、碳钢的薄板和中板、铜或铝的薄板，切割时可根据切割需求选择开启或关闭光斑轨迹可调功能。

由于光斑发生连续微小运动，实际输出光束与垂直方向成一定的角度，切缝相应的变大，板材熔池变大，有利于板材熔融物的流出，大大的减小切割过程中爆孔的可能性，并且光束在切割过程中焦点位置也相应的降低，保证激光能量在板材中的均匀性，使切割速度更快，切割板材熔池的增大为切割更厚的板材提供良好的条件，此外切割气体压力相比光斑轨迹不可调时数值降低，因此本方式能够在加速排出熔融金属的情况下，减弱切割气体的冷却效果，提高激光切割的热量利用率。

下给出四个加工例，以说明本发明的有益效果：

加工例	切割材料	光斑直径（像素）	摆动频率(Hz)	焦点	切割气体气压（bar）	切割速度(m/min)
							例1	16mm不锈钢板	60	110	负焦	22	1.6
例2	12mm铜板	45	135	负焦	20	2.1
							例3	12mm碳钢板	45	135	正焦	1.5	2.5

其中上述例子为设置光斑轨迹为圆形的具体加工例，以辅助说明本方案的有益效果。

本专利的激光头可根据实际切割需求进行选择，若不启动电机驱动振镜转动，即不开启光斑可调功能。

通过以上实施方式可以看出，本发明的有益效果为，通过控制X轴振镜和Y轴振镜，可改变光斑轨迹形状，光斑在水平面内做循环往复运动，大幅提高能够切割的板材厚度和切割速度，使现有功率的激光器能够实现更高功率的切割效果和速度，降低生产采购成本；具有散热功能，保证激光头的长时间运行；具有保护镜，防止对激光头内部的损坏与污染；整体采用模块化设计，轨迹控制组件具有多种使用形式，便于装配使用；利用本发明提供的切割工艺，能够获得更快的切割速度，相同功率下能够切割的板材厚度更大。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (16)

1.一种光斑轨迹形状可变的激光切割头，其特征在于，包括沿光路方向依次设置的光束整形器（4）、轨迹控制组件、聚焦组件和喷嘴，所述轨迹控制组件包括X轴振镜（705-1）和Y轴振镜（705-2），所述X轴振镜（705-1）的转动轴为竖直轴，所述Y轴振镜（705-2）的转动轴为水平轴，所述Y轴振镜（705-2）的反射面与所述X轴振镜（705-1）的反射面相对。

2.根据权利要求1所述的光斑轨迹形状可变的激光切割头，其特征在于，所述轨迹控制组件包括安装座（10），所述安装座（10）上安装有X轴振镜组件（7-1）和Y轴振镜组件（7-2），所述X轴振镜组件（7-1）包括X轴电机（708-1），所述X轴振镜（705-1）安装在所述X轴电机（708-1）的输出轴上，所述X轴振镜（705-1）位于所述安装座（10）的内部；所述Y轴振镜组件（7-2）包括Y轴电机（708-2），所述Y轴振镜（705-2）安装在所述Y轴电机（708-2）的输出轴上，所述Y轴振镜（705-2）位于所述安装座（10）的内部。

3.根据权利要求2所述的光斑轨迹形状可变的激光切割头，其特征在于，所述轨迹控制组件还包括反射镜（6），在光路方向上，所述反射镜（6）位于所述X轴振镜（705-1）的前方，所述Y轴振镜（705-2）位于所述X轴振镜（705-1）的后方，所述反射镜安装在安装座内。

4.根据权利要求2所述的光斑轨迹形状可变的激光切割头，其特征在于，所述轨迹控制组件还包括反射镜（6），在光路方向上，所述Y轴振镜（705-2）位于所述X轴振镜（705-1）的前方，所述反射镜（6）位于所述X轴振镜（705-1）的后方。

5.根据权利要求2所述的光斑轨迹形状可变的激光切割头，其特征在于，所述光束整形器（4）为水平设置，在光路方向上，所述Y轴振镜（705-2）位于所述X轴振镜（705-1）的后方。

6.根据权利要求2-5任一所述的光斑轨迹形状可变的激光切割头，其特征在于，所述X轴振镜组件（7-1）和Y轴振镜组件（7-2）还分别包括振镜冷却组件，所述振镜冷却组件包括振镜冷却板（24），所述振镜冷却板（24）的正面靠近所述X轴振镜（705-1）或Y轴振镜（705-2）反光面的背面，所述振镜冷却板（24）上设有冷却水槽（25），振镜冷却板（24）与所述X轴振镜（705-1）或Y轴振镜（705-2）之间的距离为2-10mm。

7.根据权利要求1-5任一所述的光斑轨迹形状可变的激光切割头，其特征在于，所述X轴振镜（705-1）的反射面前方或后方设有限位板（704），所述Y轴振镜（705-2）的反射面前方或后方设有限位板（704），当所述X轴振镜（705-1）转动到两侧的预设位置时，所述X轴振镜（705-1）分别与所述限位板（704）的两侧边相接触；当所述Y轴振镜（705-2）转动到两侧的设定位置时，所述Y轴振镜（705-2）分别与所述限位板（704）的两侧边相接触。

8.根据权利要求7所述的光斑轨迹形状可变的激光切割头，其特征在于，所述限位板（704）与所述X轴振镜（705-1）或Y轴振镜（705-2）之间的距离为m，m=kl，k为设定的系数，l为所述X轴振镜或所述Y轴振镜的长度，m为0.5-13.5mm。

9.根据权利要求1-5任一所述的光斑轨迹形状可变的激光切割头，其特征在于，所述光束整形器（4）包括光束过滤组件和准直镜组件，在光路方向上，所述光束过滤组件位于所述准直镜组件的前方；所述光束过滤组件的中部设置有光束通过孔，光束通过孔的上方设置有锥形的光束吸收面，激光器的出光点到光束通过孔的锥角大于等于激光器的光束发散角。

10.根据权利要求9所述的光斑轨迹形状可变的激光切割头，其特征在于，所述准直镜组件包括准直镜外壳（12）和准直镜（11），所述准直镜外壳（12）上安装有同轴调节件，用于保证输出激光束与所述喷嘴的同轴性。

11.根据权利要求1-5任一所述的光斑轨迹形状可变的激光切割头，其特征在于，所述聚焦组件包括聚焦镜（15）、聚焦保护镜和升降机构（3），所述聚焦镜（15）安装在镜筒（22）中，所述聚焦镜（15）的上方设有压簧（23），所述压簧（23）将所述聚焦镜（15）压紧，所述升降机构包括升降电机（17），升降电机（17）的输出轴上设有丝杠（18），所述丝杠（18）上配合安装有镜组安装座（19），所述丝杠（18）能够驱动所述镜组安装座（19）沿所述丝杠（18）运动，所述镜筒安装在所述镜组安装座（19）上，所述聚焦保护镜的下端设有下保护镜（8），所述聚焦组件下方设有喷嘴和切割气路。

12.根据权利要求11所述的光斑轨迹形状可变的激光切割头，其特征在于，所述聚焦组件和所述光束整形器的变倍比为1.2-3.5。

13.一种切割工艺，其特征在于，步骤如下：

S1.确定切割板材参数；

S2.设置光斑参数，光斑参数包括光斑轨迹图形、光斑半径和摆动频率或摆动速度；

S3.设置切割参数，切割参数包括切割图形、切割高度、切割焦点、切割速度和切割气体压力；

S4.标定，包括同轴性调整、高度标定和切割范围标定；

S5.对板材进行切割，切割过程中，激光切割头根据所设置的切割参数进行切割，同时X轴振镜与Y轴振镜配合光斑参数使光斑进行连续微小运动；

S6.完成切割。

14.根据权利要求13所述的切割工艺，其特征在于，

所述S1中，通过上位机预设材料选项和厚度选项；

所述S2中，光斑运动轨迹图形包括“8”字形、马蹄形、“∞”形、椭圆形中的一种或多种。

15.根据权利要求14所述的切割工艺，其特征在于，光斑参数和切割参数包括以下参数的至少一种：

切割不锈钢中板或厚板时，光斑轨迹直径为40-160像素，摆动频率为80-300Hz，采用负焦切割，切割辅助气体为氮气或空气，气体压力为5-25bar；

切割碳钢中板或厚板时，光斑轨迹直径为10-80像素，摆动频率为100-200Hz，采用正焦切割，切割辅助气体为氧气，气体压力为0.4-2.8bar；

切割铜或铝的中板或厚板时，光斑轨迹直径为40-90像素，摆动频率为100-300Hz，采用负焦切割，切割辅助气体为氮气或空气，气体压力为5-25bar。

16.根据权利要求13-15任一所述的切割工艺，其特征在于，所述S4中：

同轴性调整包括：通过同轴调节件调整准直镜（11）的位置，确定输入光束的对中性和/或通过调节X轴振镜和Y轴振镜的偏转角度，确定输出光束与喷嘴的同轴度；

高度标定包括：控制切割机的轴动系统使激光头第一次碰到切割板材后上抬至预设高度后再次下降，再次碰板后上升至激光头限定高度；

切割范围标定包括：激光头发出引导光，激光头沿预设的切割图形轨迹运行，确认待切割图形是否完全落入板材之内。

Images