CN114346490A - 一种风冷激光加工设备中的气体输送方法及其应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种风冷激光加工设备中的气体输送方法及其装置。外部气体分别通过第一气路和第二气路对风冷激光加工设备中的光学组件和出射喷管进行冷却；第一气路中的气体和第二气路中的气体在出射喷管中汇聚，用于吹离在待焊接工件产生的烟尘。全风冷式设计替代了繁杂的水道设计，有利于降低风冷激光加工设备的重量，同时降低了加工烟尘的倒灌污染。

Description

一种风冷激光加工设备中的气体输送方法及其应用

【技术领域】

本发明实施例涉及激光加工技术领域，尤其涉及一种风冷激光加工设备中的气体输送方法及其应用。

【背景技术】

激光焊接是以聚焦之后的高能激光束为加热热源的一种新型焊接方式，以其热输入小、焊接形变量低、焊缝强度高、非接触式操作、焊接种类丰富、易于自动化智能化加工、焊接速度快、焊接精度高、焊接深宽比大等众多优势，已经在汽车、工程机械、飞机、家电、高铁、轮船、3C电子等制造领域获得了广泛的应用。完整的激光焊接设备或平台一般包括激光源、激光传输装置、激光焊接头、运动控制系统、焊接机床等，依靠机床固定待焊接工件运动控制系统带动激光焊接加工头完成相对运动进行加工加工，这种完整的平台式焊接设备往往体积重量大、构造复杂、成本高昂，比较合适批量加工作业的大企业使用。为了将激光加工应用向更广大的用户扩展，手持式激光焊接设备应运而生，它利用人手握持焊接加工头完成相对运动进行焊接加工，省去了复杂和庞大的运动控制系统和机床可以做成便携式的激光焊接设备。经过数年的发展，手持式激光焊接除了具备激光焊接的优势外，还具备体积小、重量轻、成本低、加工方式灵活、适应范围广等优势，已经和电弧焊、氩弧焊等传统焊接设备具有了相当的性价比优势，逐步得到了广泛的关注和应用。

不足的是，通常的一体化激光输出头与焊接头设备采用需要通入冷却水进行冷却，存在漏水的风险，还导致一体化激光输出头与焊接头设备体积重量大、成本较高，并且在待焊接工件产生的烟尘容易污染一体化激光输出头与焊接头设备内部的保护镜片，导致一体化激光输出头与焊接头设备发生损坏。

因此，设计一种激光加工风冷系统用于冷却激光焊接头的光学组件并且吹离在待焊接工件产生的烟尘是很有必要的。

【发明内容】

本发明实施例旨在提供一种激光风冷焊接设备，全风冷式设计有利于激光加工头免受加工烟尘的污染，而且对激光加工头内部的光学组件进行冷却。

本发明实施例解决其技术问题采用以下技术方案：

一种风冷激光加工设备中的气体输送方法，包括：

外部气体分成至少两路同时或分别导入所述风冷激光加工设备，其中，至少一路气体环绕于所述风冷激光加工设备中的光学组件，对所述光学组件进行冷却后射出，至少一路气体在所述风冷激光加工设备的出光通道内形成预设的气流形态后射出，射出所述风冷激光加工设备的气体用于吹离加工过程中产生的烟尘并防止加工材料的氧化。

在一些实施例中，所述外部气体由同一外部气源提供。

在一些实施例中，所述外部气体包括用于散热的冷却气体和用于防止加工材料氧化的惰性气体，所述冷却气体和所述惰性气体由独立的气源分别通过至少两路分气路通道导入。

在一些实施例中，所述至少一路气体在所述风冷激光加工设备的出光通道内形成螺旋环绕的均匀气流。

在一些实施例中，所述至少一路气体分解为多道细小的直流式气流束后，在所述光学组件的下游汇聚并形成阻挡风墙。

在一些实施例中，所述外部气体分成三路导入所述风冷激光加工设备，其中，第一路气体对所述光学组件进行冷却后与第二路气体汇聚在所述光学组件的下游并形成直流风墙，接着与第三路气体在所述风冷激光加工设备的出光通道内形成螺旋环绕的均匀气流后射出。

在一些实施例中，所述气体最后以直行方式射出所述风冷激光加工设备，所述气体射出所述风冷激光加工设备的流速为5-20L/min。

在一些实施例中，所述外部导入气体中气体的种类、比例和流速可以根据加工需求进行调整。

本发明还提供了一种风冷激光加工设备，采用如上所述的气体输送方法。

在一些实施例中，所述风冷激光加工设备为手持激光焊接头、手持激光切割头、手持激光熔覆头或手持激光清洗头中的任一一种。

本发明的有益效果是：外部气体通过光学组件后导入出射喷管并且从出射喷管中喷出，用于对所述光学组件和所述出射喷管进行冷却同时吹离在待加工工件产生的烟尘，并且保证全风冷式设计，有利于降低激光加工头的重量，而且对激光加工头内部的器件进行冷却。多个气路的设计不仅实现了对光学组件进行冷却与保护，同时根据加工加工需求进行调整第一气路和第二气路中气体的气流量大小的相对比例，可以充分利用外部的气体气流。

【附图说明】

一个或多个实施例通过与之对应的附图进行示例性说明，这些示例性说明并不构成对实施例的限定，附图中具有相同参考数字标号的元件表示为类似的元件，除非有特别申明，附图中的图不构成比例限制。

图1为本发明实施例一体化手持激光加工系统的结构示意图；

图2为本发明实施例一体化手持激光加工系统中控制系统的结构框图；

图3为本发明实施例一体化手持激光加工系统中激光加工头的结构示意图；

图4为本发明实施例一体化手持激光加工系统中激光加工头的又一结构示意图；

图5为本发明实施例一体化手持激光加工系统中端帽冷却块的结构示意图；

图6为本发明实施例一体化手持激光加工系统中其他光学组件冷却块的结构示意图；

图7为本发明实施例一体化手持激光加工系统中风墙环中气流流动示意图；

图8A为本发明实施例中粘性流体在管体内的流动示意图；

图8B为本发明实施例中粘性流体在管体内的流动示意图；

图9为本发明实施例一体化手持激光加工系统中出射喷管的结构示意图

图10为本发明实施例一体化手持激光加工系统中螺旋气流在出射喷管中中的流动示意图。

【具体实施方式】

为了便于理解本发明，下面结合附图和具体实施例，对本发明进行更详细的说明。需要说明的是，当元件被表述“固定于”/“固接于”/“安装于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上、或者其间可以存在一个或多个居中的元件。当一个元件被表述“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件、或者其间可以存在一个或多个居中的元件。本说明书所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”、“内”、“外”以及类似的表述只是为了说明的目的。

除非另有定义，本说明书所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是用于限制本发明。本说明书所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

此外，下面所描述的本发明不同实施例中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。

为了说明本申请所述的技术方案，下面通过具体实施例来进行说明。

请参阅图1，本申请实施例提供的一体化手持式激光加工系统100的结构示意图，该手持激光加工系统100包括激光器110、线缆传输管120和手持激光加工头130。激光器110作为光源输出激光，同时也是加工控制中心，将激光加工控制模块与激光器控制模块融合在一起，激光和控制信号通过与激光器110连接的线缆传输管120，完成对手持激光加工头130能量和数据的传递，该手持激光加工头130直接取代标准的QBH输出头，可同时支持完成激光焊接、熔覆、切割、清洗等加工功能。

本申请实施例具体的内部构成组件请参阅图2，激光器110内部包括电路模块1101、光路模块1113、X方向摆动电机驱动板1102、Y方向摆动电机驱动板1103、电源控制板1117、主控制板1115、三通气管接头1123、第一分气路电磁阀1124、第二分气路电磁阀1125、第一分气路流量调节器1126、第二分气路流量调节器1127、第一分气路传输气管1128和第二分气路传输气管1129。

上述这些内部构成组件由上盖板1105、下盖板1130、前面板1116和后面板1132构成的封装箱体，整合固定在一起形成完整的激光器结构。在激光器外部的后面板1130上分布着市电接口1107、空气开关1108、主进水接口1109、主出水接口1110、网线接口1111和主气管接口1112；激光器前面板1116上分布着线缆传输管固定头1118、状态指示灯板1119、急停按钮1131和操作控制屏1133。

线缆传输管120通过线缆传输管固定头1118连接在激光器110外部，其另一端与手持激光加工头130连接。X方向摆动电机驱动板连接线1104、Y方向摆动电机驱动板连接线1106自激光器110内部延伸而出，与第一分气路传输气管1128、第二分气路传输气管1129和光纤输出铠缆1114均经过线缆传输管固定头1118进入到线缆传输管120中，最终连接进入手持激光加工头130。

220V或者380V的交流市电进入电路模块1101中，电路模块1101将输入的交流市电转换为适合光路模块1113使用的恒流直流电和24V直流电，分别供给光路模块1113、电源控制板1117和主控制板1115保证其有充足的电能供应。光路模块1113将电路模块1101输入的电能转化为激光，由光纤输出铠缆1114传输至手持激光加工头130中，最终作用于待加工工件上。

电路模块1101、X方向摆动电机驱动板1102、Y方向摆动电机驱动板1103、电源控制板1117、第一分气路电磁阀1124、第二分气路电磁阀1125、第一分气路流量调节器1126、第二分气路流量调节器1127、网线接口1111、状态指示灯板1140、急停按钮1141和操作控制屏1133均与主控制板1115相连接，由主控制板1115综合控制其状态、供电和信号。X方向摆动电机驱动板1102、Y方向摆动电机驱动板1103与电源控制板1117相连接，由电源控制板1117单独提供电能。

外部气源与主气管接口1112相连接，将激光加工所需要的保护气体导入主气管1122中，再进一步接入三通气管接头1123，经过三通气管接头1123将保护气体分为两路：一路保护气体经过第一分气路电磁阀1124、第一分气路流量调节器1126和第一分气路传输气管1128进入线缆传输管120中，最终由手持激光加工头130输出作用于待加工工件上；另一路保护气体经过第二分气路电磁阀1125、第二分气路流量调节器1127和第二分气路传输气管1129进入线缆传输管120中，最终由手持激光加工头130输出作用于待加工工件上。

第一分气路电磁阀1124、第二分气路电磁阀1125和操作控制屏1133均与主控制板1115相连接，在操作控制屏1133上进行软件设置可以控制第一分气路电磁阀1124和第二分气路电磁阀1125的气路通断，进而控制第一分气路气流和第二分气路气流的开关，保证在激光输出时打开而无激光输出时关闭，满足保护加工和节约气流的作用；第一分气路流量调节器1126、第二分气路流量调节器1127和操作控制屏1133均与主控制板1115相连接，在操作控制屏1133上进行软件设置可以独立不影响的调节第一分气路和第二分气路中气流量大小，合适的第一分气路和第二分气路气流相对与绝对量大小对于加工质量影响重大，操作者可以根据不同的加工要求灵活方便的调节这两路气流的大小。在本实施例中，一般的，气流量大小的调节范围在5～20L/min之间。

上述实施例中的保护气体可以由一个外部气源统一提供，即通过一个气源提供的保护气体既作光学组件的散热风冷用途使用，又是激光加工中避免材料氧化的惰性保护气使用。为了达到最佳的使用性能，在一些实施例中，也可以选择提供两个独立的外部气源，且两个外部气源分别与两个独立的气管接口相连接，将手持激光加工头130工作时需要的冷却散热气体和激光加工环境中需要的惰性保护气体分别导入用于组件冷却的第一分气路和用于防止加工氧化的第二分气路。用于提供惰性保护气体的气源中，氦气、氩气、氮气等惰性气体的在混合气体中的种类和比例可以根据现场加工需要通过与气管接口连接的气体混合装置直接调节后输出。

电路模块1101和操作控制屏1133均与主控制板1115相连接，光路模块1113与电路模块1101连接并由其供电，可以在操作控制屏1133上通过软件设置调节电路模块1101给光路模块1113提供电量的大小，进而控制由手持激光加工头130输出激光功率的大小，根据不同的加工要求调节参数即可得到合适的加工效果。

状态指示灯板1119与主控制板1115相连接，可以及时的将激光器实时的工作状态信号发送至状态指示灯板1119上并进行相应的指示，让操作者了解到实时的工作状态。网线接口1111和主控制板1115相连接，可以让操作者利用网线连接激光器读取内部状态，了解激光器的实时与历史工作信息、排查故障。急停按钮1131和主控制板1115相连接，在发生紧急状况时可以迅速按压急停按钮1131让主控制板1115立即关闭激光。

光纤铠缆1114、主气管1122以及激光器控制板连接线等封装于线缆传输管120中，形成一个整体，避免管线零落散乱打结，也能够有效的保护这些管线免受损伤。其中，光纤铠缆1114、主气管1122、激光器控制板连接线和线缆传输管120的长度相同，可以在5～15米之间选择性配置，较长的长度可以保证将激光传输至较远的距离进行焊接加工。

激光器110在本实施例中优选为连续光纤激光器、脉冲光纤激光器或准连续光纤激光器，在一些加工场合中也可以选择其他类型的激光器，如固体激光器、CO2激光器等，在此不做一一限定。

本申请实施例中提供的手持激光加工头130为全风冷式一体化加工头，加工头设计为枪体，便于持握。根据不同的加工要求，可以用于激光焊接、熔覆、切割、或清洗等功能，以下以焊接加工场景为例进行具体说明。

请结合图3作参考，该加工头具体包括第一分路传输气管1128、第二分气路传输气管1129、出光按钮1311、加工头主控制板1313、操作显示面板1318、摆动电机1319、端帽1321、端帽冷却块1322、准直镜片1323、准直镜片冷却块1324、聚焦镜片1325、聚焦镜片冷却块1326、保护镜片1327、保护镜片冷却块1328、反射镜片1329和出射喷管1330。

当激光器110产生的激光经过光纤铠缆1114之后继续向前传输至端帽1321处，并由端帽1321输出成为空间发散激光束，该激光束被准直镜片1323准直之后变成一束平行激光传输至反射镜片1329上；经过反射镜片1329的反射之后改变传输方向成为反射激光束，反射激光束再传输至聚焦镜片1325上形成汇聚光束，并最终通过保护镜片1327和出射喷管1330输出作用于待焊接材料上。其中，端帽1321固定封装于端帽冷却块1322中，准直镜片1323固定封装于准直镜片冷却块1324，聚焦镜片1325固定封装于聚焦镜片冷却块1326中，保护镜片1327固定封装于保护镜片冷却块1328中，并设置于聚焦镜片1325的下方，用于对其提供加工中的倒灌上来的碎屑粉尘的阻隔防护。反射镜片1329固定于摆动电机1319上。摆动电机1319可以在0～2°的范围内进行特定方向的摆动，带动着上面连接的反射镜片1329可以使反射激光束一起摆动，最终使得聚焦激光束作用在待焊接材料上也可以进行一维方向的摆动，激光束的摆动能够增加焊接宽度使得缝隙较大的焊接能够顺利完成提升焊接质量。

图3中示出的实施例中，手持激光加工头130仅示出了一个摆动电机，即光束仅在一维方向进行移动，而图2的手持加工系统结构示意图中，激光器110内部分别设置有X方向摆动电机驱动板1102和Y方向摆动电机驱动板1103，可以支持双摆动电机同时工作，因此，本申请又一实施例提出了一种具有双摆动电机，激光光束可以在二维方向上进行移动。

请结合图2一并参考图4中一种双摆动手持激光加工头130`的结构示意图，准直镜片组件400发出的准直激光束先经过X方向反射镜片403的反射传输至Y方向反射镜片406上，再经过Y方向反射镜片406反射之后打在聚焦镜片1325中，聚焦镜片1325将准直激光束进行汇聚之后经过保护镜片1327输出，作用于待焊接工件上。

其中，X方向摆动电机401与X方向摆动电机驱动板连接线1104连接，再连接至X方向摆动电机驱动板1102和主控制板1115上；Y方向摆动电机404与Y方向摆动电机驱动板连接线1106相连接，再连接至Y方向摆动电机驱动板1103和主控制板1115上；通过调节操作控制屏1139上X和Y方向的摆动频率、摆动幅度参数，即可驱动X方向摆动电机401和Y方向摆动电机404在0～3°内各自进行线性摆动，并带动X方向摆动电机401上固定的X方向反射镜403和Y方向摆动电机404上固定的Y方向反射镜片406一起进行摆动；X方向反射镜403和Y方向反射镜片406的摆动将带着准直激光束也进行相应的摆动，从而在待焊接工件上形成一定的摆动图案。可知的，X方向反射镜403和Y方向反射镜片406的摆动轨迹处于相互垂直的两个平面中。

若摆动电机401、404在工作过程中产生过大热量也需要散热，则X方向摆动电机401可以密封固定于X方向摆动电机冷却块402中，Y方向摆动电机404密封固定于Y方向摆动电机冷却块405中，上述摆动电机冷却块同样设有进出气口，用于导入冷却气流进行散热冷却。

在本申请的一些实施例中，所述反射镜片和摆动电机也可以由变形镜替代，以实现在较小的收容空间内，通过单个变形镜对激光束的反射和聚集，使得激光光斑在X方向、Y方向和Z方向三个方向的动态移动。

在手持激光加工头130的外壳上便于手指活动的部分设有出光按钮1311，如图3所示，出光按钮1311通过出光按钮连接线与加工头主控制板1313相连接，人机交互模块即操作显示面板1318通过操作显示面板连接线与加工头主控制板1313相连接，摆动电机1319通过摆动电机连接线与加工头主控制板1313相连接，加工头主控制板1313则通过连接线与激光器摆动电机驱动板相连接，接受激光器主控制板发出的控制指令。出光按钮1311可以手动触发出光指令，当按下按钮时才会出光松开则不出光，以实现加工时的安全出光。

操作显示面板1318上分布有旋转操作按钮、状态指示灯和显示屏(图未标出)，旋转操作按钮可以进行旋转操作来控制激光功率大小、摆动幅度、摆动频率等参数，状态指示灯可以指示当前的工作状态是工作还是故障提醒操作者注意，显示屏上可以显示当前的焊接参数、状态信息、故障代码等方便操作者掌控整个焊接输出头的工作状态。

本申请实施例的工作过程为：开机，在操作显示屏修改设备运行参数，控制设备工作，通电后，设备进入准备工作状态，根据焊接需求在显示屏对话框内设置焊接参数，完成后保存设置；打开激光，将枪嘴置于材料表面，按下加工枪开关按钮，加工枪出光工作；工作中气体流量通过流量/压力监控器，当流量超过设定值时，设备会通过显示屏显示并警示。

外部气体顺着主气管1122传输至三通气管接头1123被一分为二，分别同时传输至第一分气路传输气管1128和第二分气路传输气管1129中。第一分气路传输气管1128携带着冷却气流依次进入端帽冷却块1322、准直镜片冷却块1324、聚焦镜片冷却块1326、保护镜片冷却块1328，最终流入出射喷管1330中排出；第二分气路传输气管1129可以直接进入出射喷管1330，也可以先与第一分气路气流汇合后再由出射喷管1330排出；在上述气流通路中，第一分气路传输气管1128中的气流将激光与光学镜片相互作用产生的热量依次传导带走排出，能够有效的降低镜片的温度保证镜片长时间可靠工作。

图5示出了端帽冷却块1322的结构，端帽冷却块1322内部为一中空腔体结构，用于将光纤铠缆1114和至少部分的石英端帽1321固持于其中，该腔体内部设有环形冷却气道2201，端帽冷却块1322两端分别设有连通的进气口2202和出气口2206。进气口2202与第一分气路传输气管1128相连接，用以将冷却气流导入环形冷却气道2201中，使冷却气流在密封的腔体内环绕着石英端帽1321不断旋转，从而增大了冷却接触面积，可以将光纤铠缆1114和石英端帽13211传输激光时产生的热量及时带走，完成冷却的气流由出气口2206导出再依次进入准直镜片冷却块1324、聚焦镜片冷却块1326和保护镜片冷却块1328中，完成对准直镜片1323、聚焦镜片1325和保护镜片1327的冷却散热。

准直镜片冷却块1324、聚焦镜片冷却块1326和保护镜片冷却块1328的基本结构都与端帽冷却块1322相同，可统一参考图5，冷却块进气口3301与上一个冷却块的出气口相连接，将冷却散热气流导入密封的U形旋转冷却气道3302中，U形旋转冷却气3302环绕着待冷却镜片3304并旋转扭曲以增加导热接触面积，将镜片产生的热量带走最终由冷却块出气口3303传导至下一个冷却块。

在图4所示的双摆动加工头实施例中，外部气体通过第一分气路传输气管1028首先进入将冷却气导入准直镜片组件400中对其中的传能光纤、石英端帽和准直镜片等光学组件进行冷却，冷却完成后的气体再进入Y方向摆动电机冷却块405中，对固定于其中的Y方向摆动电机404进行冷却，冷却完成后的气体再进入聚焦镜片冷却块1326中，对固定于其中的聚焦镜片1325进行冷却，冷却完成之后的气体最后进入保护镜片冷却块1328中，对固定于其中的保护镜片1327进行冷却后进入出射枪管1330。通过第二分气路传输气管1029的外部气体则进入X方向摆动电机冷却块402中对X方向摆动电机401进行冷却散热后，直接进入出射枪管1330`也可以选择先进入保护镜片冷却块1328与第一分气路的冷却气流汇合后进入出射枪管1330`。

第二分气路流向的设计中，第一种设计可以如图3所示，由第一分气路对光学组件进行冷却，第二分气路传输气管1129中的气流则直接进入出射喷管1330中，其能够产生的气阻相对第一分气路自多个镜片冷却块流出的较弱气流产生的气阻相对较大，较大的气阻方能很好的抑制住焊接、熔覆等加工中产生的烟尘，从而保证了保护镜片1327不会轻易烧毁，提高其使用的寿命；第二种设计可以如图4所示，第二分气路气流先与第一分气路气流在保护镜之后汇合后再进入出射枪管1330，汇合气流可以提供较为充足的气流量；在实践中具体采用何种设计取决于手持激光加工枪本身的结构设计和需要加工的材料特性、加工环境等决定。

本发明实施例中将现有技术中激光器中的激光输出头和与之配套的插拔式安装激光加工头集成为可拆卸更换的一体结构，集成度高，体积小，功能强大，加工枪轻，用气量小，用户使用成本低，焊接质量好，当激光器输出功率为1500W时，仅需要15L/min的气流量，不锈钢材料就能达到焊接表面发白的效果。

同时，本实施例中，手持式激光加工头取消了体积庞大、大重量的水冷系统，降低了整机成本，全风冷化设计，采用两路气体设计，使得两路气流相遇汇集成为一束气流喷出，能够很好的抑制焊接过程中产生的烟尘等飞溅物，对保护镜片进行保护，喷出气流作用于焊接工件上，能够有效的保护焊缝、提高焊接质量、减小热影响区、减小焊接形变；同时，冷却气体紧靠枪体内，可充分的对枪体及安装于其中的光学镜片进行冷却，有效的保护了枪体中光学器件的寿命，延长了手持激光加工头的使用寿命，全风冷式设计有利于减小体积重量，使得整个手持加工枪及设备方便携带、运输和移动。

不足的是，实际加工中发现，汇合后的气流仍然不能完全的起到阻隔飞溅物、保护镜片的作用，因为即便是少量的细微飞溅物倒灌进入手持焊接枪中，在高温加工过程中仍然容易造成聚焦镜片的烧毁。因此，本申请实施例还实施了进一步的设计来实现对光学镜片组的完全保护。

保护设计之一，设置于聚焦镜片1325和出射喷管1330之间的保护镜片1327至少由两个保护镜片组成，即分为前保护镜和后保护镜，前保护镜作为消耗品，一旦玷污即可更换，成为第一道屏障；后保护镜在没有损伤的情况下不用更换，进一步对内部的聚焦光学镜片形成隔离和保护，成为第二道屏障。双保护镜的设计便于拆卸和更换，可以对光学镜片组起到双重保护作用。

保护设计之二，在保护镜片1327与出射喷管1330之间设置一道风墙，可以减少通过出射喷管的倒灌飞溅物，降低飞溅物附着于保护镜片上的机会。具体的，在保护镜片1327与出射枪管1330之间设置一风墙环3040，在本申请实施例中，该装置的结构与工作原理如图7示出，气墙环3040为中空腔体结构，腔体靠近保护镜片1327的一端设有与第一分气路传输气管1128相连通的进气口3041，用于导入第一分气路气流，中间开设有通光孔3042，该通光孔3042与聚焦镜片1325、保护镜片1327为同轴安装，从镜片射出的激光束可以顺利的通过通光孔3042不受阻挡。在本申请一些实施例中，气墙环3040上还开设有一个进气孔3043，用于与第二分气路传输气管1129连接，从而将第一、第二两个分气路的气流同时导入气墙环3040，加大了气墙环的导入气流。

气墙环3040腔体内部设有环形流道3044，其上环绕分布有多个与环形流道3044相连接的气流喷孔3045，该气流喷孔3041的最佳设置数量为6～12个，喷孔直径在0.5～3mm之间，且与通光孔3042的内壁呈30°～60°的不同夹角布置。保护气导入环形流道3044后，从气流喷孔3401中喷出，喷孔的直径较小能够有效的压缩气流增加其流速，喷孔呈一定夹角布置使得喷射出的保护气气流能够在通光孔3042的内壁上形成多次反射，并最终在靠近气墙环3040下方的区域形成一层有效的阻隔气墙，该阻隔气墙能够很好的阻止和隔断焊接产生的飞溅、烟尘、杂质等向上飞溅时沾染在保护镜片1327上，防止其被污染而损坏，大大提高保护镜片1327的寿命，减少其更换频率。

保护设计之三，出射喷管1330内部的采用特殊设计改变气流的流动状态。在普通环境下，流体(空气)是有粘性的，如图8A、图8B所示，在粘性的作用下，流体在圆管内靠近管壁的位置基本不流动，而离管壁越远的位置流动越快，管道中心的流速最大，而理想的流体在管体内的流速是均匀无粘性的。通过经过一系列的研究验证，气体在枪管内呈螺旋绕行工作，会呈现出在管体为粘性较低的均匀流动状态，螺旋气体在管内流动具有较低的流动阻力，形成的涡旋能让气流在枪管内匀速流动，从而达到防止异物污染保护镜片而被烧坏的目地，同时防止高温持续向枪体后端传递也起到对枪管的进一步冷确作用，因此，在管体内形成螺旋气流环绕流动是一种非常有效的防止烟尘、飞溅物进入内腔的方法。

具体请结合图1、图9和图10所示，本申请实施例激光加工头130包括枪体1300和出射喷管1330，枪体1300外部安装有开关按钮，用于控制激光加工头130的出光以及加压气体的气路通断，枪体1300内沿出光方向集成设置有包括准直镜片、聚焦镜片和保护镜片的光学组件，枪体1300与出射喷管1330通过插接或卡接或螺纹分体连接而成。

出射喷管1330包括依次安装的基座1331、枪管1332和喷嘴1333，基座1331、枪管1332和喷嘴1333之间为一体成型或通过插接或卡接或螺纹分体连接而成，其内部沿轴向方向均设有贯穿的内孔，并与气墙环3040的通光孔3042同轴连接，用于供激光束和保护气体无阻碍的通过。

在本申请实施例中，基座1331的外侧壁或底部还设有一进气通道1334，该进气通道1334与基座的内孔1335相连通，与轴向方向呈倾斜角α(图未标出)，倾斜角α的角度依据所述待加工工件的材质进行确定，当待加工工件为铝质基材时，此时产生的飞溅较小，倾斜角α角度较小，螺旋状气流中螺旋度更密，此时可降低气流流速，节省加压气体的用量，当待加工工件为不锈钢时，此时产生的飞溅较大，倾斜角α角度较大，螺旋状气流中螺旋度更疏，此时流速较大，有利于将飞溅吹走。第二分气路传输气管1129中的加压气体呈螺旋状气流从进气通道1334内流入基座内孔1335内，接着流入枪管内孔1336。枪管内孔1336呈锥度走向，其内壁沿激光束传输方向的直径逐渐减小，使得流入其中的螺旋状气流在向前不断运动时，气流速度随着锥形孔内壁直径的不断减小而加速。枪管内孔1336靠近喷嘴1333的一端还设有一缓冲槽1337，缓冲槽1337呈圆柱形，且圆柱形内壁直径大于锥形内壁的最小直径，与缓冲槽1337连接的为喷嘴1333的内孔1338，该内孔同样为锥度走向，可使流过的气流流速再次被加快。优选的，锥形内孔1336沿轴向方向的长度为缓冲槽1337的5-15倍，圆柱形内孔的直径为锥形内孔最小直径的1.2-3倍。

当所述螺旋状气流通过枪管的锥形内孔1336到达缓冲槽1337时，气流形状发生变化，流速放慢的同时气体流动的形态也发生改变，由螺旋状改变成直通式流动，沿管壁射出覆盖激光光斑加工区域，可以有效防止氧气接触焊接表面，对焊接引起的材料表面发黑等现像，有关键作用。

上述设计中，气体自喷嘴1333喷射而出，待加工工件产生的烟尘、飞溅物一部分在这一阶段被吹离，实现了对保护镜片1327的第一层防护；剩余的烟尘、飞溅物向上倒灌进入喷嘴内孔1338后继续进入枪管缓冲槽1337内，随着气体流速的突然降低，烟尘、飞溅物在该段的速度也跟着降低，同时气体在枪管锥形内孔1336前端的流速最大，使得大部分烟尘、飞溅物被阻挡在此，从而实现了对保护镜片1327的第二层防护；剩余的一些烟尘、飞溅物进入锥形内孔1336内部，但由于锥形内孔1336内的加压气体为均匀的螺旋状气流，其形成的阻隔气墙可有效增加烟尘、飞溅物沿管内向上端的保护镜流动的难度，从而在这一阶段实现对保护镜片1327进行第三层保护；而风墙环形成的阻挡风墙，将余下的烟尘、飞溅物阻挡在保护镜片1327以外，构成第四层保护。

上述四层保护镜防护设计，有效的保护了光路中光学器件的寿命，从实际验证结果来看，效果明显，持续加工96小时无烧保护镜片现象，保护镜片从焊枪拆出如新，镜片干净无尘。

在本申请实施例中，喷嘴、枪管、基座、风墙环、前、后保护镜组件、聚焦镜组件、枪体、准直镜组件、反射镜组件、第一分气路传输管、第二分气路传输管、光纤保护铠缆都可以独立取出更换，不仅延长了手持激光加工输出头的使用寿命，而且提高了操作者的使用舒适度。

可控化的双气路设计，能够精确控制两路气流的大小和相对配比，在有效抑制烟尘保护光路系统、散热镜片的同时，还能够精准利用气流减少浪费。

最后，本申请实施例将传统的激光输出头(QBH)与手持式激光加工头、控制模块与激光器、加工头进行了深度的融合与集成，形成激光器与控制模块的一体化设计、激光加工头与激光器输出头的一体化设计，有效的减少了整个手持式激光加工设备的开发设计难度、采购维护成本、体积和重量，提升了产品可靠性、便宜使用性，节省了激光器与激光加工头连接所耗费地调试时间。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；在本发明的思路下，以上实施例或者不同实施例中的技术特征之间也可以进行组合，步骤可以以任意顺序实现，并存在如上所述的本发明的不同方面的许多其它变化，为了简明，它们没有在细节中提供；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范围。

Claims (10)

1.一种风冷激光加工设备中的气体输送方法，其特征在于，包括：

外部气体分成至少两路同时或分别导入所述风冷激光加工设备，其中，至少一路气体环绕于所述风冷激光加工设备中的光学组件，对所述光学组件进行冷却后射出，至少一路气体在所述风冷激光加工设备的出光通道内形成预设的气流形态后射出，射出所述风冷激光加工设备的气体用于吹离加工过程中产生的烟尘并防止加工材料的氧化。

2.根据权利要求1所述的气体输送方法，其特征在于，所述外部气体由同一外部气源提供。

3.根据权利要求1所述的气体输送方法，其特征在于，所述外部气体包括用于散热的冷却气体和用于防止加工材料氧化的惰性气体，所述冷却气体和所述惰性气体由独立的气源分别通过至少两路分气路通道导入。

4.根据权利要求1所述的气体输送方法，其特征在于，所述至少一路气体在所述风冷激光加工设备的出光通道内形成螺旋环绕的均匀气流。

5.根据权利要求1所述的气体输送方法，其特征在于，所述至少一路气体对所述光学组件进行冷却后分解为多道细小的直流式气流束后，在所述光学组件的下游汇聚并形成阻挡风墙。

6.根据权利要求1所述的气体输送方法，其特征在于，所述外部气体分成三路导入所述风冷激光加工设备，其中，第一路气体对所述光学组件进行冷却后与第二路气体汇聚在所述光学组件的下游并形成直流风墙，接着与第三路气体在所述风冷激光加工设备的出光通道内会合并形成螺旋环绕的均匀气流。

7.根据权利要求1至6任一所述的气体输送方法，其特征在于，所述气体最后以直行方式射出所述风冷激光加工设备，所述气体射出所述风冷激光加工设备的流速为5-20L/min。

8.根据权利要求1至6所述的气体输送方法，其特征在于，所述外部导入气体中气体的种类、比例和流速可以根据加工需求进行调整。

9.一种风冷激光加工设备，其特征在于，采用如权利要求1-9中任一项所述的气体输送方法。

10.根据权利要求9所述的风冷激光加工设备，其特征在于，所述风冷激光加工设备为手持激光焊接头、手持激光切割头、手持激光熔覆头或手持激光清洗头中的任一一种。

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