CN114682907B - 一种高功率激光切割光路系统、激光切割头及其使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种高功率激光切割光路系统、激光切割头及其使用方法，该高功率激光切割光路系统包括：激光束光斑调整组件和激光束温漂测量组件；激光束光斑调整组件，根据待切割板材的厚度确定在出光光路上的位置，以调整激光束的光斑大小、激光束出射的发散角和/或激光束出射的焦点位置；激光束温漂测量组件，用于实时测量焦点位置及该焦点位置所属的温漂信息，激光束光斑调整组件根据温漂信息重新确定其在出光光路上的位置，以使激光束的焦点位置与预设焦点位置重合，预设焦点位置为根据板材的厚度确定的焦点位置。该高功率激光切割光路系统，其能够获得与板材厚度匹配的光斑大小、激光束出射的发散角和/或焦点位置。

Description

一种高功率激光切割光路系统、激光切割头及其使用方法

技术领域

本发明涉及激光切割技术领域，尤其涉及一种高功率激光切割光路系统、激光切割头及其使用方法。

背景技术

激光加工技术是利用激光束与物质相互作用的特性，对材料（包括金属与非金属）进行切割、焊接、表面处理、打孔及微加工等的一门加工技术。激光加工作为先进制造技术已广泛应用于汽车、电子、电器、航空、冶金、机械制造等国民经济重要部门。

高功率光纤激光切割机以其灵活的加工范围，强大的切割穿透能力，更高的加工效率，成为激光切割领域最新生产力的代表。高功率激光切割机的显著优势是以更高的速度切割更厚的板材。

现有的高功率光纤激光切割机存在的问题有：（1）厚板切割中，板厚相对于切割头出射激光的锐利长度已无法忽略，必须考虑板材不同厚度处的光斑能量分布以及激光束的焦点位置；（2）现有的高功率激光切割机切割厚板材时，高功率光纤激光切割机内部的光学镜片易发生温漂现象，严重影响焦点位置的准确性及稳定性，导致厚板材的不同厚度处的切割断面不一致，切割质量差；（3）现有的激光切割机，需要预留击透板材后的冗余等待时间，影响切割效率；（4）现有的激光切割机，无法在激光切割过程中监控激光切割质量，会带来因未及时发现切割质量变差造成物料和时间的浪费，严重影响切割效率。

因此亟需提供一种焦点位置稳定、准确、且与板材厚度相匹配的高功率激光切割光路系统、激光切割头及其使用方法。

发明内容

（一）要解决的技术问题

鉴于现有技术的上述缺点、不足，本发明提供一种高功率激光切割光路系统、激光切割头及其使用方法，其解决了现有的高功率激光切割光路系统中的镜片易发生温漂现象，导致激光束焦点位置的准确性和稳定性差的技术问题。

（二）技术方案

为了达到上述目的，本发明采用的主要技术方案包括：

第一方面，本发明实施例提供一种高功率激光切割光路系统，包括：

激光束光斑调整组件和激光束温漂测量组件；

激光束光斑调整组件，位于激光束的出光光路上，根据待切割板材的厚度确定在出光光路上的位置，以调整激光束的光斑大小、激光束出射的发散角和/或激光束出射的焦点位置，来与所述板材的厚度匹配；

激光束温漂测量组件，设置在出光光路上，用于实时测量焦点位置及该焦点位置所属的温漂信息，激光束光斑调整组件根据所述温漂信息重新确定其在出光光路上的位置，以使激光束的焦点位置与预设焦点位置重合，所述预设焦点位置为根据所述板材的厚度确定的焦点位置；

激光束光斑调整组件包括：以及沿着所述激光束出光方向依次设置的第一准直镜、第二准直镜、非球面聚焦镜、非球面轴锥镜；

非球面轴锥镜一面为凸的非球面，另一面为平面，且非球面聚焦镜凸的非球面或平面朝向非球面聚焦镜设置；

可选地，非球面轴锥镜凸面的边缘两侧为轴锥面，中心为弧状非球面，轴锥面的锥角为0.1°- 2°，中心弧状非球面的孔径占整个非球面轴锥镜的孔径的40%~ 60%。

可选地，激光束光斑调整组件还包括：

活动支架；

第一准直镜和第二准直镜安装在活动支架上，活动支架以带动第一准直镜和/或第二准直镜沿激光束的光轴前、后移动；

第一准直镜的双面均为凸的非球面，包括第一非球面和第二非球面；

第二准直镜为非球面的凹凸型准直镜，且第二准直镜凹的非球面朝向第一准直镜设置；

非球面聚焦镜一面为凸的非球面，另一面为平面，且非球面聚焦镜凸的非球面或平面朝向第二准直镜凸的非球面设置。

可选地，第一准直镜的第一非球面的曲率半径为25-100mm，第一准直镜的第二非球面的曲率半径大于200mm。

可选地，中心弧状非球面的曲率半径为50-200mm。

可选地，激光束温漂测量组件包括：

半透半反镜、光束分析相机；

设置在出光光路上的半透半反镜为平面镜，光束分析相机位于主光路的外侧，且半透半反镜的半反射面与光束分析相机的接收面相对设置；

光束分析相机根据半透半反镜反射的反射光，确定激光束出射的焦点位置及温漂信息；

半透半反镜位于激光束光斑调整组件后方的出光光路；且半透半反镜与激光束光斑调整组件同光轴。

可选地，半透半反镜为平面镜，位置固定，且半透半反镜与激光束的光轴夹角为30°- 60°；

光束分析相机位置固定，其相机接收面与主光束经半透半反镜反射的反射光束的光束轴垂直，且光束分析相机位于反射光束的焦点位置附近，沿反射光束的光束轴中心对称。

可选地，还包括：板材切割状态监测组件和/或板材击透状态监测组件；

所述板材切割状态监测组件，位于所述出光光路的外围，且靠近待切割板材，用于获取板材切割过程中的光信号，以监测所述板材的切割状态；

板材击透状态监测组件，位于出光光路的外围，且靠近待切割板材，用于获取板材击透前和击透后的光信号，以监测板材的击透状态。

可选地，板材击透状态监测组件包括：

第一反射镜、第一光传感器；

第一反射镜位于主光路的一侧，第一光传感器位于主光路的另一侧，第一反射镜与第一光传感器相对设置；

第一反射镜，用于反射激光束击透板材过程中产生的第一波段光信号，并将第一波段光信号反射至第一光传感器；

第一光传感器根据第一波段光信号与上一时间点的第一波段光信号的光强的比较，确定是否击穿。

可选地，第一反射镜与激光束的光轴夹角35°-55°，第一波段光信号的波长为300-900 nm。

可选地，板材切割状态监测组件包括：

第二反射镜、第二光传感器；

第二反射镜，用于反射激光束切割板材过程中产生的第二波段光信号，并将第二波段光信号反射至第二光传感器；

第二光传感器根据第二波段光信号与上一时间点的第二波段光信号的光强的比较，确定板材切割是否异常。

可选地，第二反射镜与激光束的光轴夹角35°-55°，第二波段光信号的波长400-600 nm。

第二方面，本发明实施例还提供一种激光切割头，包括上述的高功率激光切割光路系统。

第三方面，本发明实施例还提供一种上述激光切割头的使用方法，包括如下步骤：

S1、控制所述第一准直镜和/或所述第二准直镜沿光轴移动，以改变所述第一准直镜与所述第二准直镜之间的距离，调整激光束出射的焦点光斑大小和激光束出射的发散角，从而获得与所述板材厚度匹配的光斑和发散角；

S2、控制所述第一准直镜和所述第二准直镜沿光轴同步移动，接近或远离所述非球面聚焦镜，用以调整激光束出射的焦点位置，从而获得与所述板材厚度匹配的的焦点位置；

S3、自出光点输出的激光束，依次经过第一准直镜、第二准直镜、非球面聚焦镜和非球面轴锥镜，照射在所述板材上，从而切割所述板材；

S4、所述板材切割完毕，所述激光切割头停止工作。

可选地，所述步骤S3还包括：

所述激光束温漂测量组件实时测量所述激光束的焦点位置及该焦点位置所属的温漂信息，并根据所述温漂信息调整所述第一准直镜和第二准直镜与所述非球面聚焦镜的距离来补偿焦点位置。

可选地，所述步骤S3还包括：

所述板材击透状态监测组件实时获取板材击透前和击透后的光信号，以监测所述板材的击透状态，当监测到所述板材被所述激光束击透时，所述板材击透状态监测组件捕捉板材击透时间点，并控制所述激光切割头在所述板材击透时间点后立即开始后续切割；和/或，

所述板材切割状态监测组件实时获取板材切割过程中的光信号，以监测所述板材的切割状态，当监测到所述板材的切割状态异常时，所述板材切割状态监测组件捕捉开始产生不良品的时间点，再根据开始产生不良品的时间点得出激光切割板材不良的位置，并控制所述激光切割头返回重新切割。

（三）有益效果

本发明的有益效果是：本发明的高功率激光切割光路系统，由于采用激光束光斑调整组件和激光束温漂测量组件，与现有技术而比，其能够检测激光切割过程中产生的焦点位置温漂，并实时调节焦点位置以补偿温漂，提高焦点位置的准确性及稳定性，从而大幅提升长时间切割的切割质量和速度的前后一致性，使厚板材的切割断面一致。

本发明的高功率激光切割光路系统，通过第一准直镜与第二准直镜沿光轴前后移动，与现有技术相比，其能够分别调整激光束出射的焦点位置、出射焦点光斑大小以及激光束出射的发散角，并结合非球面轴锥镜改变切割焦点后方激光束输出模式，从而适应板材不同厚度处的光斑能量分布的需求以及激光束焦点位置的需求，并大幅提升中厚板材切割质量与速度，降低切割面锥度。

本发明的高功率激光切割光路系统，由于采用板材击透状态监测组件，用于获取板材击透前和击透后的光信号，以监测板材的击透状态，与现有技术而比，其能够在检测到板材已被击透后，立即进行切割，从而降低击透板材过程中的冗余时间，提高加工效率。

本发明的高功率激光切割光路系统，由于采用板材切割状态监测组件，用于获取板材切割过程中的光信号，以监测板材切割是否异常，与现有技术相比，其能够检测监测激光切割的质量，在监测到激光切割质量异常后，返回质量差异位置重新实施切割，避免停机检查，降低不良率和材料成本，提高加工效率。

附图说明

图1为本发明的高功率激光切割光路系统的实施例1的光学元件布置图；

图2为本发明的高功率激光切割光路系统的实施例1的另一光学元件布置图；

图3为本发明的高功率激光切割光路系统的实施例1的激光束传输过程示意图；

图4为本发明的高功率激光切割光路系统的实施例1的焦点光斑及发散角调节示意图；

图5为本发明的高功率激光切割光路系统的实施例1的激光束模式调节示意图；

图6为本发明的高功率激光切割光路系统的实施例2的光学元件布置图；

图7为本发明的高功率激光切割光路系统的实施例2的激光束传输过程示意图；

图8为本发明的高功率激光切割光路系统的实施例3的光学元件布置图；

图9为本发明的高功率激光切割光路系统的实施例4的光学元件布置图；

图10为本发明的高功率激光切割光路系统的实施例5的光学元件布置图；

图11为本发明的高功率激光切割光路系统的实施例5的光束传输过程示意图；

图12为本发明的高功率激光切割光路系统的实施例5的焦点光斑及发散角调节示意图；

图13为本发明的高功率激光切割光路系统的实施例6的激光束模式调节示意图。

【附图标记说明】

1：第一准直镜；2：第二准直镜：3：非球面聚焦镜；4：非球面轴锥镜；5：半透半反镜；6：光束分析相机； 7：第一反射镜；8：第二反射镜；9：第一光传感器；10：第二光传感器；11：出光点；12：板材平面；13：中心弧状非球面；14：两侧轴锥面； 15：中心光束；16：侧方光束。

具体实施方式

为了更好的解释本发明，以便于理解，下面结合附图，通过具体实施方式，对本发明作详细描述。在本实施例中，沿光纤输出方向，靠近出光点11的为“前”，远离出光点11的为“后”。

实施例1：

参照图1、图2、图3和图4，本实施例提供一种高功率激光切割光路系统，包括：激光束光斑调整组件。

激光束光斑调整组件，位于激光束的出光光路上，根据待切割板材的厚度确定在出光光路上的位置，以调整激光束的光斑大小、激光束出射的发散角和/或激光束出射的焦点位置，来与所述板材的厚度匹配。

在本实施例中，激光束光斑调整组件包括：活动支架（图中未示出）以及沿着所述激光束出光方向依次设置的第一准直镜1、第二准直镜2、非球面聚焦镜3、非球面轴锥镜4；所述第一准直镜1和第二准直镜2安装在所述活动支架上，所述活动支架以带动所述第一准直镜1和/或所述第二准直镜2沿激光束的光轴前、后移动。第一准直镜1、第二准直镜2、非球面聚焦镜3、非球面轴锥镜4为中心轴同轴的圆柱状，且中心轴为光轴X。需要说明的是，高功率激光切割光路系统是指10000W以上的激光切割光路系统。

现有的高功率光纤激光切割机仅包括一个准直镜，准直镜的焦距固定不变，高功率光纤激光切割机的焦点光斑大小和激光束出射的发散角受准直镜的焦距影响也无法改变。结合图3和图4所示，为了调节焦点光斑大小和激光束出射的发散角，本实施例的第一准直镜1和第二准直镜2在活动支架的带动下可活动，第一准直镜1和/或第二准直镜2沿激光束的光轴前、后移动，以改变第一准直镜1与第二准直镜2之间的距离，获得与板材厚度匹配的光斑和激光束出射的发散角，所述第一准直镜1和第二准直镜2再在活动支架的带动下同步沿激光束的光轴前、后移动，以获得与板材厚度匹配的焦点位置。

需要进一步说明的是，活动支架带动第一准直镜1和/或第二准直镜2沿激光束的光轴前、后移动，以改变第一准直镜1与第二准直镜2之间的距离，具体包括三种调整方式。第一种、活动支架带动第一准直镜1沿激光束的光轴前、后移动，接近或远离第二准镜2。第二种、活动支架带动第二准直镜2沿激光束的光轴前、后移动，接近或远离第一准直镜1。第三种、第一准直镜1和第二准直镜2在活动支架的带动下沿激光束的光轴移动，相互接近或远离。

其中，第一准直镜1的双面均为凸的非球面，包括第一非球面和第二非球面。其中第一非球面和第二非球面的曲率可以相同，也可以不同。当第一非球面和第二非球面的曲率不同时，第一非球面的曲率半径为25-100mm，第二非球面的曲率半径大于200mm，并且第一准直镜1的第一非球面或第二非球面，均可以朝向第二准直镜2设置。

第二准直镜2为非球面的凹凸型准直镜，且所述第二准直镜2凹的非球面朝向所述第一准直镜1设置。优选地，第二准直镜2凸的非球面的曲率半径为25-200mm。

非球面聚焦镜3一面为凸的非球面，另一面为平面，且非球面聚焦镜3凸的非球面或平面朝向所述第二准直镜2凸的非球面设置（参见图1和图2）。优选地，非球面聚焦镜3凸的非球面的曲率半径为25-200mm。

非球面轴锥镜4一面为凸的非球面，另一面为平面，且非球面聚焦镜凸的非球面朝向非球面聚焦镜3设置。

进一步地，非球面聚焦镜3位置固定，用于将准直光聚焦在切割焦点位置。通过上述镜片的各种组合，本申请的高功率激光切割光路系统的变焦倍数为1.2-4倍，第一准直镜1和第二准直镜2的组合焦距为50-166mm。

结合图5所示，非球面轴锥镜4位置固定，其凸面的边缘两侧为轴锥面14，中心为中心弧状非球面13，轴锥面14的锥角在0.1°~ 2°之间，中心弧状非球面13的孔径占整个非球面轴锥镜的孔径的40%~ 60%，中心弧状非球面13的曲率半径为50-200mm。非球面轴锥镜4将激光束由高斯分布转化为近似平顶光束分布。高斯分布又称正态分布，即激光束的每一个横截面为一个光斑，光斑的强度从中心向两侧减弱。近似平顶光束分布，即光斑中心的强度和两侧的强度一致，切割板材效果更好。

在本实施中，非球面轴锥镜4凸的非球面朝向非球面聚焦镜3。非球面轴锥镜4之前的激光束为球面波，球面波即由点光源反射而出，向外扩展，沿半径传播时强度逐渐减弱。非球面轴锥镜4将激光束分成两部分，第一部分为经过中心弧状非球面13的中心光束15，中心光束15在非球面轴锥镜4的后方呈球面波聚焦后发散（球面波经过中心弧状非球面13后仍为球面波），第二部分为经过两侧轴锥面14的侧方光束16，侧方光束16被轴锥面14转化为宽度固定的条状平面波直线传播。在中心光束15焦点后方，中心光束15与侧方光束16叠加，形成近似平顶光束分布，类似于平面波，光束中间和两侧的强度相同，切割板材时效果更好。

实施例2：

参照图6和图7，本实施例提供另一种高功率激光切割光路系统，在实施例1的基础上，该高功率激光切割光路系统还包括：激光束温漂测量组件。本实施例的激光束温漂测量组件，设置在出光光路上，用于实时测量焦点位置及该焦点位置所属的温漂信息，所述激光束光斑调整组件根据所述温漂信息重新确定其在出光光路上的位置，以使激光束的焦点位置与预设焦点位置重合，所述预设焦点位置为根据所述板材的厚度确定的焦点位置。

具体地，激光束温漂测量组件包括：半透半反镜5和光束分析相机6。设置在出光光路上的半透半反镜5为平面镜，光束分析相机6位于主光路的外侧，且半透半反镜5的半反射面与光束分析相机6的接收面相对设置。光束分析相机6根据半透半反镜5反射的反射光，确定激光束出射的焦点位置及温漂信息。

半透半反镜5位于激光束光斑调整组件后方的出光光路；且半透半反镜5与激光束光斑调整组件同光轴。

此外，半透半反镜5为平面镜，位置固定，且半透半反镜5与激光束的光轴夹角为30°~ 60°；光束分析相机6位置固定，其相机接收面与主光束经半透半反镜5反射的反射光束的光束轴垂直，且光束分析相机6位于反射光束的焦点位置附近，沿反射光束的光束轴中心对称。

光束分析相机6用于检测反射光束，分析反射光束的光束焦点位置信息；并利用光的镜像对称性质，推算出激光束实际的焦点位置，与预设的激光束的焦点位置比对，得出焦点位置温漂数值；最后通过调整第一准直镜1和第二准直镜2与非球面聚焦镜3的距离补偿激光束的焦点位置，确保激光束焦点位置的准确性和稳定性，从而大幅提升长时间切割的切割质量和速度的前后一致性。

本实施例中的激光束光斑调整组件和实施例1中的激光束光斑调整组件结构相同，在此不再赘述。

实施例3：

参照图8，本实施例提供另一种高功率激光切割光路系统，在实施例2的基础上，该高功率激光切割光路系统还包括板材击透状态监测组件。本实施例的板材击透状态监测组件，位于出光光路的外围，且靠近待切割板材，用于获取板材击透前和击透后的光信号，以监测板材的击透状态。

具体地，板材击透状态监测组件包括：第一反射镜7、第一光传感器9。第一反射镜7位于主光路的一侧，第一光传感器9位于主光路的另一侧，第一反射镜7与第一光传感器9相对设置。第一反射镜7，用于反射激光束击透板材过程中产生的第一波段光信号，并将第一波段光信号反射至所述第一光传感器9；第一光传感器9根据第一波段光信号与上一时间点的第一波段光信号的光强的比较，确定是否击穿。当板材被击透时，第一光传感器9接收的第一波段光信号的光强发生阶跃性下降，第一光传感器9捕捉到板材击透时间点，并控制高功率激光切割光路系统在板材击透时间点后立即开始后续切割，从而降低击透板材过程中的冗余时间，提高板材的加工效率。

优选地，第一反射镜7位置固定，与光轴X的夹角为35°-55°。第一波段光信号波长为 300-900nm 。

本实施例的板材击透状态监测组件可以设置一组，也可沿对角线或沿周向设置多组。

本实施例中的激光束光斑调整组件和激光束温漂测量组件的结构与实施例2中的激光束光斑调整组件、激光束温漂测量组件的结构相同，在此不再赘述。

实施例4：

参见图9，本实施例提供另一种高功率激光切割光路系统，在实施例2的基础上，该高功率激光切割光路系统还包括板材切割状态监测组件。本实施例的板材切割状态监测组件，位于出光光路的外围，且靠近待切割板材，用于获取板材切割过程中的光信号，以监测板材的切割状态。

具体地，本实施例的板材切割状态监测组件包括：第二反射镜8和第二光传感器10。第二反射镜8，用于反射激光束切割板材过程中产生的第二波段光信号，并将第二波段光信号反射至第二光传感器10；第二光传感器10根据第二波段光信号与上一时间点的第二波段光信号的光强的比较，确定板材切割是否异常。

当激光切割板材不良时，第二光传感器10接收的第二波段光信号的光强发生阶跃性上升，第二光传感器10捕捉到开始产生不良品的时间点，再根据开始产生不良品的时间点得出激光切割板材不良的位置，并控制高功率激光切割光路系统返回重新切割，从而降低切割产品不良率，实现节省原材料的同时提高板材加工效率。

优选地，第二反射镜8位置固定，与光轴X夹角为35°-55°。第二波段光信号波长为400-600nm 内。

本实施例的板材切割状态监测组件可以设置一组，也可沿对角线或沿周向设置多组。

本实施例中的激光束光斑调整组件、激光束温漂测量组件的结构和实施例2中的激光束光斑调整组件、激光束温漂测量组件的结构相同，在此不再赘述。

实施例5：

参见图10、图11和图12，本实施例提供另一种高功率激光切割光路系统，在实施例3的基础上，该高功率激光切割光路系统还包括板材切割状态监测组件。该板材切割状态监测组件与实施例4中的板材切割状态监测组件的结构相同，在此不再赘述。

板材击透状态监测组件和板材切割状态监测组件可以对角线设置，也可以沿周向间隔设置，或者分别设置在内外圈，例如板材击透状态监测组件设置在内圈，板材切割状态监测组件设置在外圈，或者板材击透状态监测组件设置在外圈，板材切割状态监测组件设置在内圈。

进一步地，高功率激光切割光路系统还包括壳体，激光束光斑调整组件、激光束温漂测量组件、板材击透状态监测组件和板材切割状态监测组件均位于壳体内。

在本实施例中，第一准直镜1、第二准直镜2、非球面聚焦镜3、非球面轴锥镜4、半透半反镜5、第一反射镜7和第二反射镜8均为熔融石英材料。

本实施例中激光束光斑调整组件和激光束温漂测量组件板与实施例2中的激光束光斑调整组件和激光束温漂测量组件板的结构相同，在此不再赘述。

本发明实施例还提供一种激光切割头，该激光切割头包括上述的高功率激光切割光路系统。

如图11所示，本实施例还提供一种利用上述激光切割头切割板材的方法，包括如下步骤：

S1、活动支架带动第一准直镜1和/或第二准直镜2沿光轴移动，以改变第一准直镜1与第二准直镜2之间的距离，调整激光束出射的焦点光斑大小和激光束出射的发散角，从而获得与板材厚度匹配的光斑和发散角；

S2、活动支架带动第一准直镜1和第二准直镜2沿光轴同步移动，接近或远离非球面聚焦镜3，用以调整激光束出射的焦点位置，从而获得与板材厚度匹配的的焦点位置；

S3、自出光点11输出的发散激光束，经过第一准直镜1和第二准直镜2准直形成准直激光束，准直激光束入射到非球面聚焦镜3后，非球面聚焦镜3对准直激光束进行汇聚，之后经过非球面轴锥镜4，非球面轴锥镜4将激光束由高斯分布转化为近似平顶光束分布，之后保持汇聚方向照射在所述板材平面12上，从而切割所述板材；

S4、所述板材切割完毕，所述激光切割头停止工作。

进一步地，步骤S3还包括：

激光束经非球面轴锥镜4由高斯分布转化为近似平顶光束分布之后，再经过半透半反镜5，半透半反镜5将包含0.1%~0.2%能量的部分激光束反射并聚焦至光束分析相机6附近，光束分析相机6检测该部分反射激光束，分析反射激光束焦点位置信息，并利用光的镜像对称性质，推算出实际激光束的焦点位置，通过与预设的激光束的焦点位置比对，得出焦点位置温漂数值，并通过调整第一准直镜1和第二准直镜2与非球面聚焦镜3的距离补偿焦点位置，从而确保切割焦点位置的准确性和稳定性。包含99.8%~ 99.9%能量的激光束经过半透半反镜5，并聚焦在板材平面12附近，用于击透和切割板材。

再进一步地，步骤S3还包括：

板材被击透过程中，熔融板材产生的光波，射向第一反射镜7，并被其反射至第一光传感器9处，第一光传感器9通过击透前后第一波段光信号的光强阶跃性下降，捕捉板材击透时间点，并控制激光切割头在该板材击透时间点后立即开始后续切割，从而降低击透板材过程中的冗余时间，提高加工效率；和/或，

板材被切割过程中，如遇到激光切割板材不良过程，则该过程中产生的光波，射向第二反射镜8，并被其反射至第二光传感器10处，第二光传感器10通过产生不良切割前后第二波段光信号的光强的阶跃性上升，捕捉开始产生不良品的时间点，再根据开始产生不良品的时间点得出激光切割板材不良的位置，并控制激光切割头返回重新切割，从而降低切割产品不良率，节省原材料的同时提高加工效率。

需要进一步说明的是，本实施例的激光切割头还包括输控系统，该输控系统分别与活动支架、板材切割状态监测组件以及板材击透状态监测组件电连接，用以实现步骤S1至S4的自动化控制。

实施例6：

参见图13，本实施例的高功率激光切割光路系统，与实施例1相比不同的是，非球面轴锥镜4的平面朝向非球面聚焦镜3，而非球面轴锥镜4的作用不变，仍能将激光束由高斯分布转化为近似平顶光束分布，使得激光束的中心与两侧的光强度一致，提高切割质量。

其余与实施例1相同的地方，在此不再赘述。

本发明的高功率激光切割光路系统具有新颖的结构设计，通过第一准直镜1与第二准直镜2沿光轴X前后移动实现激光束出射的焦点位置、激光束出射焦点光斑大小和激光束出射发散角的调整，并结合非球面轴锥镜4改变切割焦点后方激光束输出模式，从而适应板材不同厚度处的光斑能量分布的需求，并大幅提升中厚板材切割质量与速度，降低切割面锥度。增加了激光束光斑调整组件和激光束温漂测量组件，用于测量激光切割过程中产生的焦点位置温漂，并实时调节焦点位置以补偿温漂，提高焦点位置的准确性及稳定性，从而大幅提升长时间切割的切割质量和速度的前后一致性。增加了板材击透状态监测组件，在检测到板材已被击透后，立即进行切割，从而降低击透板材过程中的冗余时间，提高加工效率；同时，增加了板材切割质量监测组件，在监测切割质量异常后，返回重新切割，从而降低切割产品不良率，节省原材料，提高加工效率。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行改动、修改、替换和变型。

Claims (15)

1.一种高功率激光切割光路系统，其特征在于，包括：

激光束光斑调整组件和激光束温漂测量组件；

所述激光束光斑调整组件，位于所述激光束的出光光路上，根据待切割板材的厚度确定在出光光路上的位置，以调整激光束的光斑大小、激光束出射的发散角和/或激光束出射的焦点位置，来与所述板材的厚度匹配；

所述激光束温漂测量组件，设置在所述出光光路上，用于实时测量所述焦点位置及该焦点位置所属的温漂信息，所述激光束光斑调整组件根据所述温漂信息重新确定其在出光光路上的位置，以使激光束的焦点位置与预设焦点位置重合，所述预设焦点位置为根据所述板材的厚度确定的焦点位置；

所述激光束光斑调整组件包括：沿着所述激光束出光方向依次设置的第一准直镜（1）、第二准直镜（2）、非球面聚焦镜（3）、非球面轴锥镜（4）；

所述非球面轴锥镜（4）一面为凸的非球面，另一面为平面，且所述非球面聚焦镜凸的非球面或平面朝向所述非球面聚焦镜（3）设置；

所述非球面轴锥镜（4）凸面的边缘两侧为轴锥面（14），中心为弧状非球面（13），所述轴锥面（14）的锥角为0.1°- 2°，所述弧状非球面（13）的孔径占整个非球面轴锥镜的孔径的40%-60%。

2.如权利要求1所述的高功率激光切割光路系统，其特征在于：所述激光束光斑调整组件还包括：活动支架；

所述第一准直镜（1）和第二准直镜（2）安装在所述活动支架上，所述活动支架以带动所述第一准直镜（1）和/或所述第二准直镜（2）沿激光光束的光轴前、后移动；

所述第一准直镜（1）的双面均为凸的非球面，包括第一非球面和第二非球面；

所述第二准直镜（2）为非球面的凹凸型准直镜，且所述第二准直镜（2）凹的非球面朝向所述第一准直镜（1）设置；

所述非球面聚焦镜（3）一面为凸的非球面，另一面为平面，且所述非球面聚焦镜（3）凸的非球面或平面朝向所述第二准直镜（2）凸的非球面设置。

3.如权利要求2所述的高功率激光切割光路系统，其特征在于：所述第一准直镜（1）的第一非球面的曲率半径为25-100mm，所述第一准直镜（1）的第二非球面的曲率半径大于200mm。

4.如权利要求1所述的高功率激光切割光路系统，其特征在于：所述弧状非球面（13）的曲率半径为50-200mm。

5.如权利要求2所述的高功率激光切割光路系统，其特征在于：所述激光束温漂测量组件包括：

半透半反镜（5）、光束分析相机（6）；

设置在所述出光光路上的半透半反镜（5）为平面镜，所述光束分析相机（6）位于主光路的外侧，且所述半透半反镜（5）的半反射面与光束分析相机（6）的接收面相对设置；

所述光束分析相机（6）根据半透半反镜（5）反射的反射光，确定激光束出射的焦点位置及温漂信息；

所述半透半反镜（5）位于所述激光束光斑调整组件后方的出光光路；且所述半透半反镜（5）与激光束光斑调整组件同光轴。

6.如权利要求5所述的高功率激光切割光路系统，其特征在于：所述半透半反镜（5）为平面镜，位置固定，且所述半透半反镜（5）与所述激光束的光轴夹角为30°- 60°；

所述光束分析相机（6）位置固定，其相机接收面与主光束经所述半透半反镜（5）反射的反射光束的光束轴垂直，且所述光束分析相机（6）位于反射光束的焦点位置附近，沿反射光束的光束轴中心对称。

7.如权利要求2所述的高功率激光切割光路系统，其特征在于：还包括：板材切割状态监测组件和/或板材击透状态监测组件；

所述板材切割状态监测组件，位于所述出光光路的外围，且靠近待切割板材，用于获取板材切割过程中的光信号，以监测所述板材的切割状态；

所述板材击透状态监测组件，位于所述出光光路的外围，且靠近待切割板材，用于获取板材击透前和击透后的光信号，以监测所述板材的击透状态。

8.如权利要求7所述的高功率激光切割光路系统，其特征在于：所述板材击透状态监测组件包括：

第一反射镜（7）、第一光传感器（9）；

所述第一反射镜（7）位于主光路的一侧，所述第一光传感器（9）位于主光路的另一侧，所述第一反射镜（7）与第一光传感器（9）相对设置；

所述第一反射镜（7），用于反射激光束击透板材过程中产生的第一波段光信号，并将第一波段光信号反射至所述第一光传感器（9）；

所述第一光传感器（9）根据第一波段光信号与上一时间点的第一波段光信号的光强的比较，确定是否击穿。

9.如权利要求8所述的高功率激光切割光路系统，其特征在于：所述第一反射镜（7）与激光束的光轴夹角35°-55°，所述第一波段光信号的波长为300-900 nm。

10.如权利要求7所述的高功率激光切割光路系统，其特征在于：所述板材切割状态监测组件包括：

第二反射镜（8）、第二光传感器（10）；

所述第二反射镜（8），用于反射激光束切割板材过程中产生的第二波段光信号，并将第二波段光信号反射至所述第二光传感器（10）；

所述第二光传感器（10）根据第二波段光信号与上一时间点的第二波段光信号的光强的比较，确定板材切割是否异常。

11.如权利要求10所述的高功率激光切割光路系统，其特征在于：所述第二反射镜（8）与激光束的光轴夹角35°-55°，所述第二波段光信号的波长400-600 nm。

12.一种激光切割头，其特征在于：所述激光切割头包括权利要求7-11任一项所述的高功率激光切割光路系统。

13.一种如权利要求12所述的激光切割头的使用方法，其特征在于：包括如下步骤：

S1、控制所述第一准直镜（1）和/或所述第二准直镜（2）沿光轴移动，以改变所述第一准直镜（1）与所述第二准直镜（2）之间的距离，调整激光束出射的焦点光斑大小和激光束出射的发散角，从而获得与所述板材厚度匹配的光斑和发散角；

S2、控制所述第一准直镜（1）和所述第二准直镜（2）沿光轴同步移动，接近或远离所述非球面聚焦镜（3），用以调整激光束出射的焦点位置，从而获得与所述板材厚度匹配的的焦点位置；

S3、自出光点（11）输出的激光束，依次经过第一准直镜（1）、第二准直镜（2）、非球面聚焦镜（3）和非球面轴锥镜（4），照射在所述板材上，从而切割所述板材；

S4、所述板材切割完毕，所述激光切割头停止工作。

14.如权利要求13所述的激光切割头的使用方法，其特征在于：所述步骤S3还包括：

所述激光束温漂测量组件实时测量所述激光束的焦点位置及该焦点位置所属的温漂信息，并根据所述温漂信息调整所述第一准直镜（1）和第二准直镜（2）与所述非球面聚焦镜（3）的距离来补偿焦点位置。

15.如权利要求13所述的激光切割头的使用方法，其特征在于：所述步骤S3还包括：

所述板材击透状态监测组件实时获取板材击透前和击透后的光信号，以监测所述板材的击透状态，当监测到所述板材被所述激光束击透时，所述板材击透状态监测组件捕捉板材击透时间点，并控制所述激光切割头在所述板材击透时间点后立即开始后续切割；和/或，

所述板材切割状态监测组件实时获取板材切割过程中的光信号，以监测所述板材的切割状态，当监测到所述板材的切割状态异常时，所述板材切割状态监测组件捕捉开始产生不良品的时间点，再根据开始产生不良品的时间点得出激光切割板材不良的位置，并控制所述激光切割头返回重新切割。

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