CN115210030A - 高水平定位的激光加工喷嘴 - Google Patents

Abstract

一种用于激光加工头的双喷嘴包括内主体部分，其具有限定用于激光束通过的开孔的内表面；内主体部分的远侧端部附近的第一界面表面，第一界面表面包括多个通道；以及内主体部分的近侧端部附近并且成形为接合激光加工头的外表面。每一个通道在穿过双喷嘴的中心纵向轴线的横截面中包括内部线性边缘和外部线性边缘。双喷嘴还包括连接到内主体部分的外主体部分。外主体部分限定射流表面，其与多个通道一起限定围绕开孔并且在内主体部分与外主体部分之间的对应的多个辅助流体流径。

Description

高水平定位的激光加工喷嘴

技术领域

本发明大体上涉及激光切割系统及工艺的领域。更具体地说，本发明涉及双喷嘴内的激光束和流体流的改进对准。

背景技术

诸如激光切割机的材料加工设备广泛用于材料的切割、焊接和热处理中。激光切割机大体上包括高功率激光器、喷嘴、气体流、光学系统和计算机数字控制(CNC)系统。激光束和气体流穿过喷嘴的孔口并且撞击在工件上。激光束加热工件，这与气体与工件材料之间的任何化学反应相结合来改变(例如，液化和/或气化)工件的选定区域，以允许操作者切割或以其它方式修改工件。激光光学器件和CNC用于在切割操作期间相对于工件定位和引导激光束。由于激光束可聚焦到小斑点(spot)大小，由此实现对于工艺工业强度材料(诸如金属)所期望的强度和功率密度，因此激光频繁用于材料加工应用中。

在常规激光切割系统中，系统构件(例如，喷嘴)的对准对于系统寿命和性能可能是关键的。例如，喷嘴开孔和/或孔口与喷嘴保持器和激光切割头光学器件的对准对于激光切割过程的正确运行可能是关键的。另外，激光束和气体射流的对准对于围绕工件的所有侧实现均一的切割质量可能是关键的。其中出现对准问题的一种实例是在构件更换和安装期间，在此期间，喷嘴开孔和/或孔口必须与激光头的纵向轴线对准，并且因此与激光束对准，以便避免围绕射束的非对称气体流。由于必须频繁更换常规喷嘴，并且每次更换喷嘴都可能涉及复杂的安装和检验以证明对准，因此问题更加复杂。另外，由于通常必须在现场更换构件，因此可能要求大量的机器停机时间和技术人员专业知识来确保正确安装和对准。现场更换还可能要求专门的工具来实现、检验和保持正确的构件对准。

一种类型的喷嘴("双喷嘴")对激光切割应用具有具体的好处，但也产生了关于构件部分的对准的独特问题。在结构上，双喷嘴典型地具有压配合或螺纹连接在一起的两个件(例如，内喷嘴部分和外喷嘴部分)。双喷嘴的主要功能是在内喷嘴部分和外喷嘴部分内产生两股单独的气体流。一股气体流通过中心开孔输送并且沿激光束本身的轴线定位，而第二股气体流环绕中心开孔并且提供具有不同特性的同轴流。中心流有助于在切割过程期间随着激光束加热材料并且工艺气体将材料从切缝中喷出而移除材料，而同轴流提供了附加的好处，诸如围绕中心流的保护流，以防止夹带空气到熔化的切缝中并且用对于被加工的材料正确的气体化学物质环绕切缝。

图1示出了现有技术的双喷嘴构造。在该实施例中，双喷嘴100包括在界面表面124处连结的内主体部分102(例如，内喷嘴部分或内喷嘴)和外主体部分104(例如，外喷嘴部分或外喷嘴)。内主体部分102具有允许激光束穿过双喷嘴100的孔口112。外主体部分104具有孔口114和用于将双喷嘴100与激光机加工头(未示出)对准的对准表面122。在该构造中，两个单独的表面界面确定内喷嘴孔口112相对于激光机加工头的纵向轴线107并且因此相对于激光束本身的对准：(1)与激光机加工头的对准表面122；以及(2)内主体部分102与外主体部分104之间的喷嘴界面124。

图1中的内主体部分102的内喷嘴孔口112小于外喷嘴孔口114，并且定位得在操作期间比外喷嘴孔口114更靠近激光束。因此，内喷嘴孔口112的对准对于双喷嘴100的性能和寿命可能特别重要。内喷嘴孔口112经由两个单独的界面与激光机加工头的纵向轴线107对准并且因此与激光束的对准取决于产生这两个表面界面中的每一个的四个单独表面的准确度和精度。因此，这四个表面上要求高水平的制造精度以及安装准确度和检验，以确保正确的寿命和性能；这些构件中的任何一个的未对准都可对内喷嘴孔口112相对于激光束的纵向轴线107的对准具有显著影响。所需要的是一种双喷嘴构造，其减少了针对未对准的机会的数量，由此改进了激光束与喷嘴开孔和/或孔口的对准，并且简化了安装和操作。

发明内容

在一些实施例中，本发明涉及用于在激光切割系统的喷嘴开孔和/或孔口内对准激光束的系统和方法。特别地，喷嘴的组成部分之间的某些表面重新设计(例如，双喷嘴的内开孔与激光机加工头的纵向轴线之间的表面)，使得界面表面的数量(即，针对未对准的机会)最小化。在根据本发明的新构造中，改进了射束和喷嘴开孔的对准，并且因此改进了气体护罩和对准。另外，放松了喷嘴界面上的制造公差，并且简化了系统的操作和安装。

本发明的一个优点是相对于标准设计(例如，三次铣削平面(three-milledflat))提供更均一的次级流体流和/或改进的功能对准。本发明的另一个优点是提供改进的双喷嘴对准，其几乎等于单喷嘴的对准。本发明的另一个优点是能够实现更可靠的可重复操作(例如，无论是否有人看管；手动加载或自动加载；和/或手动对准或机器对准)。本发明的另一个优点是使针对组装错误和零件混合的机会最小化(例如，特别是如果外喷嘴和内喷嘴预组装并且紧固在仓(cartridge)内)。本发明的另一个优点是提供内喷嘴部分和外喷嘴部分的非压配合关系。本发明的另一个优点是增加沿圆锥形表面的对准，这也可改进径向对准。本发明的另一个优点是使得能够在不使用螺纹构造的情况下使喷嘴进到倒角或锥形区域中居中。本发明的另一个优点是简化组装过程和对将内喷嘴和外喷嘴保持在一起的大范围干涉配合和/或压配合的需要。

一方面，本发明的特征在于一种用于激光加工头的双喷嘴。双喷嘴包括内主体部分，其具有(i)限定第一开孔的内表面和(ii)外表面，该开孔与主体的中心纵向轴线对准。双喷嘴还包括外主体部分，其具有内表面，该内表面限定了与纵向轴线基本对准的第二开孔。外主体部分与内主体部分的外表面的区域匹配地接合。内主体部分的外表面与外主体部分的内表面之间的区域限定了通过双喷嘴的内部环形流动容积的至少六个同轴流体流径。每一个流体流径至少部分地由形成在内主体部分或外主体部分中的至少一个中的对应特征限定。

在一些实施例中，该区域包括内主体部分的外表面与外主体部分的内表面之间的界面。在一些实施例中，同轴流体流径成形为增加通过双喷嘴的流体流和流体流的均一性。在一些实施例中，流体流径中的每一个至少部分地由内主体部分的外表面中的对应特征限定。在一些实施例中，流体流径中的每一个至少部分地由外主体部分的内表面中的对应特征限定。在一些实施例中，流体流径中的每一个包括扇形或弯曲表面。在一些实施例中，内主体部分的外表面与外主体部分的内表面之间的界面至少部分地由一个或多个阶梯特征限定。在一些实施例中，特征中的每一个构造成有助于内主体部分在双喷嘴的组装期间相对于外主体部分的坐置和对准。在一些实施例中，基本对准小于约0.002英寸。

另一方面，本发明的特征在于一种用于激光加工头的双喷嘴。双喷嘴包括内主体部分，其具有限定第一开孔的内表面、朝向内主体部分的远侧端部设置的第一外周向表面，以及朝向内主体部分的近侧端部设置的第二外周向表面。第二外周向表面成形为与激光加工头匹配和对准。双喷嘴还包括外主体部分，其具有限定第二开孔的内表面。外主体部分与内主体部分的第一外周向表面匹配地接合，并且免于与激光加工头的直接对准接触。内主体部分和外主体部分对准以限定穿过其中的同轴流体流径。

在一些实施例中，第二外周向表面相对于双喷嘴的纵向轴线是锥形的。在一些实施例中，锥形表面相对于纵向轴线成约4.5度至约5.5度的角度。在一些实施例中，双喷嘴进一步包括形成在内主体部分与外主体部分之间的成组流体流径。在一些实施例中，该组流体流径形成在内主体部分的第一外周向表面与外主体部分之间的界面处。在一些实施例中，该组流体流径包括六个不同的流径。在一些实施例中，第二外周向表面包括与外主体部分的内表面的圆锥形干涉界面，圆锥形界面包括表面之间约0.001至0.003英寸的间距。在一些实施例中，使用约2000 lbF的力压接内主体部分和外主体部分。在一些实施例中，外主体部分的第二开孔包括用于相对于内主体部分定位的轴向止动件。在一些实施例中，内主体部分具有由外主体部分的第二开孔接收的圆锥形基准特征。在一些实施例中，内主体部分和外主体部分可提供至少约25％的对准上的改进。也就是说，本文中所描述的新设计和构造可提供比常规系统更好的对准。在一些实施例中，双喷嘴构造成提供比一些常规系统更好的流动分布。例如，在一些情况下，与一些常规系统相比，本文中的系统和方法可形成更均一的流动并且允许对流速进行更宽范围的调整。通过示例比较的方式，3槽喷嘴可产生在1 psi与1.33 psi之间变化的压力，这可为关于平均值的28%的峰-峰变化。然而，在一些示例中，本文中所描述的创新性喷嘴也可产生在1.51 psi与1.57 psi之间变化的压力，这可为关于平均值的4%的峰-峰变化。换言之，与一些常规3槽喷嘴相比，本文中所描述的创新性多流凹槽式喷嘴可导致在流动不均一性上降低~7x。

另一方面，本发明的特征在于一种使用激光切割系统切割工件的方法。该方法包括提供激光加工头和双喷嘴。双喷嘴具有内主体部分、外主体部分和轴向开孔。内主体部分具有成形为与激光加工头上的轮廓对准表面互补的第一外表面和成形为与外主体部分的内周向匹配表面互补的第二外表面。外主体部分沿周向匹配表面固定到内主体部分，并且免于与激光加工头的直接对准接触。该方法进一步包括将双喷嘴安装在激光加工头中以与激光加工头的纵向轴线对准。该方法进一步包括使流体流动通过形成在双喷嘴中的主流径和至少一个次级流径。该方法进一步包括生成沿激光加工头的纵向轴线的激光束。该方法进一步包括随着激光束离开双喷嘴而利用激光束切割工件。

在一些实施例中，第二外表面相对于双喷嘴的纵向轴线是锥形的。在一些实施例中，锥度相对于纵向轴线成约4.5度至约5.5度的角度。在一些实施例中，双喷嘴进一步包括形成在内主体部分与外主体部分之间的成组流体流径。在一些实施例中，该组流体流径形成在内主体部分的第一外表面与外主体部分之间的界面处。在一些实施例中，该组流体流径包括六个不同的流径。在一些实施例中，第二外表面是与外主体部分的内表面的圆锥形干涉界面，圆锥形界面包括表面之间约0.001至0.003英寸的间距。在一些实施例中，使用约2000 lbF的力压接内主体部分和外主体部分。在一些实施例中，外主体部分的第二开孔包括用于相对于内主体部分定位的轴向止动件。在一些实施例中，内主体部分具有由外主体部分的第二开孔接收的圆锥形基准特征。在一些实施例中，内主体部分和外主体部分可提供至少约25％的对准上的改进。也就是说，本文中所描述的新设计和构造可提供比常规系统更好的对准。在一些实施例中，双喷嘴构造成提供比一些常规系统更好的流动分布。例如，在一些情况下，与一些常规系统相比，本文中的系统和方法可形成更均一的流动并且允许对流速进行更宽范围的调整。通过示例比较的方式，3槽喷嘴可产生在1 psi与1.33 psi之间变化的压力，这可为关于平均值的28%的峰-峰变化。然而，在一些示例中，本文中所描述的创新性喷嘴也可产生在1.51 psi与1.57 psi之间变化的压力，这可为关于平均值的4%的峰-峰变化。换言之，与一些常规3槽喷嘴相比，本文中所描述的创新性多流凹槽式喷嘴可导致流动不均一性上降低~7x。

在一些实施例中，喷嘴的轮廓表面具有弓形形状，并且可为分段的或可具有锥形对准表面以促进均匀坐置。在一些实施例中，内喷嘴具有高水平定位到锥形座的其全部或许多"产生流动"特征。在一些实施例中，外喷嘴高水平定位到内喷嘴并且紧固以确保对准、高压下的安全操作、气体密封和电容电路的导电性。由于滑动配合、压配合和直径向匹配特征具有固有的变化，因此为了确保一致的性能，必须在这种设计的双喷嘴上保持严格的公差(即使利用高精度CNC车床也难以达到的公差)。

在一些实施例中，双喷嘴与激光机加工头之间的界面表面直接地形成在双喷嘴的内主体部分上。在一些实施例中，互补的相反表面形成在机加工头和内主体部分上，这可使开孔与头的纵向轴线居中并且对准。在一些实施例中，本发明的特征在于以"混合"设计的这两种改进。在此类实施例中，本发明可包括在内喷嘴构件上的锥形座，以使主气体流与激光束和激光头在功能上对准。喷嘴开孔和成角度的功能基准特征可同时机加工，使得它们高水平定位并且同轴。在一些实施例中，双喷嘴设计利用内喷嘴和外喷嘴之间的锥形或成形界面进一步改进，使得径向位置误差通过锥形或成形表面的硬接触而最小化。这种锥形接触方法可以牺牲轴向对准为代价来改进同轴度，轴向对准在功能上可更不敏感或关键。在一些实施例中，内喷嘴上的锥形座和内喷嘴与外喷嘴之间的成形界面是可分开的概念，它们可一起或单独使用以实现本文中所描述的结果和好处。

另一方面，本发明的特征在于一种用于激光加工头的双喷嘴。双喷嘴包括内主体部分，其具有限定用于激光束通过的开孔的内表面。内主体部分还具有内主体部分的远侧端部附近的第一界面表面。第一界面表面包括多个通道。内主体部分还包括在内主体部分的近侧端部附近并且成形为接合激光加工头的外表面。该开孔与双喷嘴的中心纵向轴线对准。每一个通道在穿过双喷嘴的中心纵向轴线的横截面中包括内部非平行线性(例如，非弧形、成角的、角向的或收敛-扩散)边缘和外部非平行线性边缘。双喷嘴还包括连接到内主体部分的外主体部分。外主体部分限定射流表面。射流表面和多个通道限定围绕开孔并且在内主体部分与外主体部分之间的对应的多个辅助流体流径。在一些实施例中，内主体部分与外主体部分一体地形成。

在一些实施例中，第一界面表面的远侧部分朝向开孔沿径向向内成锥形。在一些实施例中，第一界面表面的远侧部分以30与45度之间的角度成锥形。在一些实施例中，多个辅助流体流径包括至少六个不同的流体流径。在一些实施例中，多个辅助流体流径中的每一个流体流径具有非圆形横截面形状。在一些实施例中，多个辅助流体流径中的每一个流体流径具有在喉部区域处连结的收敛部分和扩散部分。在一些实施例中，每一个喉部区域具有0.25-2.5平方毫米的横截面积。在一些实施例中，每一个喉部区域具有0.25-1.5毫米的线性宽度。

在一些实施例中，每一个收敛部分位于双喷嘴的近侧端部附近，并且每一个扩散部分位于双喷嘴的远侧端部附近。在一些实施例中，内主体部分和辅助流体流径具有与双喷嘴的前面基本齐平的远侧末端。在一些实施例中，辅助流体流径与双喷嘴的气室区域流体连通。在一些实施例中，多个通道成形为在高于大约15 psig的压力下产生超音速气体流。在一些实施例中，多个辅助流体流径相对于中心纵向轴线成角度。在一些实施例中，双喷嘴包括设置在内主体部分的近侧部分上的第二界面表面和设置在外主体部分上的对准表面。第二界面表面和对准表面成形为刚性地连结内主体部分和外主体部分。在一些实施例中，双喷嘴包括流体地连接到多个辅助流体流径的多个气体缓冲前室。在一些实施例中，多个气体缓冲前室构造成保持固定体积的缓冲气体。在一些实施例中，前室中的每一个具有组合的入口和出口。

另一方面，本发明的特征在于一种用于激光加工头的双喷嘴。双喷嘴包括内主体部分，其具有限定激光束开孔的内表面。内主体部分还具有设置在内主体的远侧端部附近的第一界面表面。第一界面表面包括多个通道。该开孔与双喷嘴的中心纵向轴线对准。双喷嘴还包括连接到内主体部分的外主体部分。外主体部分限定射流表面。外主体部分的射流表面和多个通道限定了围绕激光束开孔并且在内主体部分与外主体部分之间的多个辅助流体流径。辅助流体流径具有0.5-30平方毫米的总横截面积。

在一些实施例中，辅助流体流径中的至少一个具有朝向其近侧端部的收敛区段和朝向其远侧端部的扩散区段。在一些实施例中，喉部部分连接收敛区段和扩散区段。在一些实施例中，喉部部分具有0.25至2.5平方毫米的横截面积。在一些实施例中，双喷嘴包括外表面，其设置在内主体的近侧端部处并且成形为与激光加工头匹配地接合和对准。在一些实施例中，内主体部分与外主体部分一体地形成。

附图说明

当与附图结合时，将更容易从本发明的以下详细描述中理解前述论述。

图1是用于激光切割系统的现有技术双喷嘴的横截面图样。

图2是根据本发明的例示性实施例的用于激光切割系统的改进的双喷嘴的横截面图样。

图3是根据本发明的例示性实施例的用于激光切割系统的改进的双喷嘴的三维半截面视图。

图4是根据本发明的例示性实施例的用于激光切割系统的改进的双喷嘴的横截面图样，其中内主体部分圆锥形地坐置在外主体部分内。

图4A-4B示出了根据本发明的例示性实施例的具有三个以上的槽的双喷嘴的透视图。

图5A示出了针对双喷嘴的标准三槽设计的三维测量流动映射。

图5B示出了根据本发明的例示性实施例的针对双喷嘴的六凹槽设计的三维测量流动映射。

图6示出了根据本发明的例示性实施例的双喷嘴的内主体部分的透视图。

图7示出了根据本发明的例示性实施例的双喷嘴的一个可能的阶梯特征的从喷嘴侧部看的横截面视图。

图8A示出了根据本发明的例示性实施例的用于激光加工头的双喷嘴的透视图。

图8B示出了根据本发明的例示性实施例的图8A的双喷嘴的分解视图。

图8C示出了根据本发明的例示性实施例的图8A的双喷嘴的俯视图。

图8D示出了根据本发明的例示性实施例的图8A的双喷嘴的横截面视图。

图9A-9B示出了根据本发明的例示性实施例的收敛-扩散流动通道几何形状的示意图。

图10示出了根据本发明的例示性实施例的具有不同流动构造的八个可能的双喷嘴的俯视图。

图11A-11B示出了根据本发明的例示性实施例的各自具有整体构造的喷嘴的半截面视图。

具体实施方式

图2是根据本发明的例示性实施例的用于激光切割系统的改进的双喷嘴200的横截面图样。双喷嘴200包括内主体部分202，其具有限定内喷嘴开孔205和内喷嘴孔口212的内表面203。内主体部分202具有朝向内主体部分202的远侧端部209设置的第一外周向表面223。内主体部分202具有朝向内主体部分202的近侧端部221设置的第二外周向表面222。双喷嘴200还包括外主体部分204，其具有限定外喷嘴开孔211和外喷嘴孔口214的内表面225。第二外周向表面222成形为与激光加工头(未示出)(例如，直接地)匹配和对准。外主体部分204与内主体部分202的第一外周向表面223匹配地接合，并且(例如，基本上)免于与激光加工头的直接对准接触。内主体部分202和外主体部分204对准以限定穿过其中的同轴流体流径231。

大体上，双喷嘴200具有与上面在图1中所示出和所描述的现有技术双喷嘴100相似的外部和内部尺寸。然而，双喷嘴200在内主体部分202的内喷嘴开孔212与激光束的纵向轴线207之间具有较少的界面表面。具体地说，双喷嘴200由于直接在内主体部分202上形成第二外周向表面222(喷嘴机加工头界面表面)而具有一个界面。因此，如与现有技术的界面124相比，界面表面的减少可归因于内主体部分202与外主体部分204之间的界面224的重新定位。这样的重新构造减少了"直接对准接触"表面、例如控制内喷嘴开孔212相对于纵向轴线207对准的表面的数量(尽管在一些构造中，表面之间可能存在一些物理接触)。在此情况下，直接对准接触表面的数量是图1的现有技术构造中所示出的四个表面中的两个(即，喷嘴机加工头界面表面222及其在激光头上的互补表面)。因此，双喷嘴200在纵向轴线207与内喷嘴开孔212之间提供了更直接的连接，放松了对外主体部分204的制造要求，并且降低了安装复杂性和检验程序。在该构造中，激光束和气体流可免受任何组装错误的直接影响。

在一些实施例中，内主体部分202和外主体部分204可通过包括摩擦焊接或压配合的多种方法附连。在一些实施例中，双喷嘴200的喷嘴机加工头界面表面222可包括成形为与激光机加工头上的轮廓对准表面互补的轮廓表面。因此，当技术人员将双喷嘴200安装在激光机加工头中时，双喷嘴200的轮廓表面与激光机加工头的轮廓对准表面匹配，以便于双喷嘴200与纵向轴线207的对准。这种对准的发生是因为随着双喷嘴200安装在激光机加工头中，轮廓匹配表面接触第一轮廓对准表面而使双喷嘴200居中，由此引起双喷嘴200的纵向轴线207与割炬轴线对准并且因此与激光束对准。结果，双喷嘴200变得以激光束为中心，以提供围绕激光束的同心均一环形气体流，以便于割炬操作。该沿径向居中的双喷嘴200避免了现有技术的现场更换和对准问题，和/或减少或消除了多个部分的高精度制造要求。

在一些实施例中，轮廓表面是弓形区段和/或线性锥形。此类弓形区段可具有固定的曲率半径或若干曲率半径。轮廓或锥形对准表面可促进双喷嘴200和内喷嘴开孔212相对于纵向轴线207的均匀坐置和对准。锥形和激光束轴线之间形成的角度可为小于90度的任何值，优选地小于约45度，并且更优选地小于约20度。此类构造可有助于将轮廓匹配表面与轮廓对准表面配对，以将双喷嘴200沿纵向轴线207居中设置。

图3是根据本发明的例示性实施例的用于激光切割系统的改进的双喷嘴300的三维半截面视图。双喷嘴300包括具有内喷嘴开孔312的内主体部分302和具有外喷嘴开孔314的外主体部分304，两者都沿激光束的纵向轴线307定向。双喷嘴300具有与上面在图2中所示出和所描述的双喷嘴200类似的构造，具有若干显著差异。例如，在该构造中，内主体部分302和外主体部分304之间的界面324相对于纵向轴线307以"圆锥形坐置"布置成锥形。如所示出的，该"圆锥形干涉"界面324是可具有约0.001至0.003英寸的线性尺寸的"圆锥形干涉界面"。在一些实施例中，圆锥形干涉界面324可挤压和压接到例如大约2000 lbF。内主体部分302还包括外表面322。外表面322可包括与贯穿开孔对准的圆锥形基准特征。外主体部分304可具有"轴向止动件"306。圆锥形干涉界面324和/或轴向止动件306可有助于将内主体部分302与外主体部分304和纵向轴线307对准。

图4是根据本发明的例示性实施例的用于激光切割系统的另一个改进的双喷嘴400的横截面图样。双喷嘴400包括具有内喷嘴开孔412的内主体部分402和具有外喷嘴开孔414的外主体部分404，它们都沿激光束的纵向轴线407定向。双喷嘴400具有与上面在图3中关于"锥形坐置"布置所示出和所描述的双喷嘴300类似的构造，但图4的构造没有采用图2中所示出的数量减少的界面表面。在图4的构造中，内主体部分402圆锥形地坐置在外主体部分404内。圆锥形坐置本身改进了内喷嘴开孔412和外喷嘴开孔414相对于纵向轴线407(以及因此激光束)的对准，这与图2中所示出的重新设计的好处无关。

大体上，内主体部分和外主体部分的同轴度可通过避免滑动配合和压配合而有利于间隙配合来进一步改进，其中内主体部分和外主体部分经由精确工具调整到同轴位置，并且随后附接到彼此(例如，经由螺钉、接片、焊接、胶合、焊点或导致两个部分以高水平定位的同轴布置固定的另一方法)。在一些实施例中，可使内主体部分和外主体部分具有低阻抗高导电性结合(例如，以允许高频AC电容性高度感测信号在内主体部分与外主体部分之间穿过)。此构造可通过紧固件的直接接触、环氧树脂混合物内的导电元件、软钎焊、银钎焊或焊接(例如，激光焊接、摩擦焊接或电子束焊接)来实现。替代或结合本文中论述的用于对准的螺纹和/或锥形表面，喷嘴可形成为预先对准和固定，和/或胶合或以其它方式焊接、结合、紧固和连结以用于工业切割应用和解决方案。

在一些实施例中，双喷嘴流的均一性对于切割过程的一致性很重要。目前，大多数双喷嘴的特征在于具有三叶(tri-lobe)特征和三个槽的内喷嘴来计量和分配围绕中心工艺气体开孔的流动。然而，这三个槽可能在双喷嘴内产生不均一的流动。相比之下，在一些实施例中，本发明使用三个以上的槽。例如，图4A示出了具有十二个槽455A-L的双喷嘴450，并且图4B示出了具有六个槽465A-465F的双喷嘴460。喷嘴450、460的构造可改进喷嘴450和460之间的对准，并且与传统的三槽或三开孔构造相比提高了工艺一致性和切割质量。在一些实施例中，包括图4A-4B中所示出的"槽"的不同流动通路可采用多种其它形式，例如可为孔、凹槽、通道或构造成形成通过双喷嘴的不同同轴流体流径和/或改进流体流和减少流体流的不均一性(例如，从激光束的观点看)的其它特征。在本行业中，惯例是形成平面或钻孔、而不是使用"扇形"槽或其它特征的形式，因为这些特征(例如，在零件的构造中)引入了复杂性，并且在这方面，本发明摆脱了这种常规的教导。利用从内喷嘴部分或外喷嘴部分中的至少一个钻出的"槽"或对应的特征，对应的特征自然在相应喷嘴部分的其余地域中生成，例如肋、支柱、壁或隔板(诸如特征459A-L或特征466A-F)。

如图4A中所示出的，与常规的三槽双喷嘴相比，在内喷嘴460的外表面与外喷嘴461的内表面之间的界面区域中存在更多的接触点或区域。在一些实施例中，这种接触区域(例如，接触点和/或对准影响点)数量增加导致内喷嘴460与外喷嘴461之间的改进对准。例如，如果内喷嘴460包括用于进行接触的十二个(或六个，或大于三个的另一数量)对应肋，则可忽略任何一个肋未对准的影响，因为仍然存在足够多的肋以确保正确对准。然而，使用只有三个肋的设计，如果一个肋未对准，则只有另外两个可补偿，这可能意味着对整个构造的对准或未对准的总体影响更大，因为每一个肋都在这些情况下对对准可具有更大的冲击、作用或影响。另外，在一些实施例中，内喷嘴460与外喷嘴461之间的接触表面积的总量减小。一些过去的设计包括内喷嘴与外喷嘴之间的大量表面积接触，这可提供比需要更高的针对未对准的机会(例如，由于零件上的表面缺陷)。另外，注意到和/或纠正本领域的此类不足并不总是显而易见或实际的。与常规的教导相比，图4B示出了内喷嘴460的肋466A-466F和外喷嘴461之间减小的接触表面积，以减少针对未对准的机会。使用此类构造，已经观察到对准上的改进约50％的改进：尽管现有技术实施例已经看到内喷嘴与外喷嘴之间约0.003英寸的对准上的差异，根据图4B的原理的构造可实现该量的约一半，例如，约0.0015英寸的差异。

此外，如图4B中所示出的，本发明的特征中的每一个具有比常规三槽设计上的相当的对应肋相对更小的接触面积和周向宽度。周向宽度上的这样减小导致内喷嘴460与外喷嘴461之间更加均一和一致的气体流，因为内喷嘴460与外喷嘴461之间的这些界面具有减小了的对由于它们的存在而中断的气体流的影响，并且因而限制了下游流动死点的大小。

图5A示出了针对双喷嘴的标准三槽设计的三维测量流动映射，而图5B示出了根据本发明的例示性实施例的针对双喷嘴的六凹槽设计的三维测量流动映射。图5B的图样示出了改进的(例如，更均匀或径向对称的)分布，包括具有与图5A相比更少的中断。特别地，图5A示出了外部流动的不均一性，并且由对应的槽引起的隆起(例如，隆起501和502)和下陷(例如，下陷503)可很容易地显现。图5A中所示出的隆起与槽位置直径向相对，并且下陷落在隆起之间，指示槽流"射出"穿过内喷嘴并且在内喷嘴下方，以在直径向相对的位置处离开喷嘴开孔。相比之下，图5B示出在六凹槽设计中，外部压力架更均一(例如，受更多但相对较小的特征影响较小)。因此，双喷嘴内的流动特性会受到限定流体通路的特征(例如，槽、孔或其它特征)的形状和/或大小的极大影响。

图6示出了根据本发明的例示性实施例的双喷嘴的内主体部分600的透视图。如上所述，内主体部分600在六个对应的"肋"或特征602A-602F之间限定了六个特征(例如，槽601A-601F，其当与外主体部分匹配时形成围绕中心开孔的六个流动通路)。在一些实施例中，特征601A-601F具有"扇形"形状，或具有限定曲率的另一种形状。在一些实施例中，特征602A-602F进一步包括阶梯特征(例如，如所描绘的603A和603F，其中在该视图中其余肋的对应特征不可见)，其有助于内主体部分600在组装期间相对于外喷嘴(未示出)的坐置和对准。在一些实施例中，阶梯特征603A-603F有助于减少其上需要干涉配合的区域，这可对组装有好处，诸如减少挤捏、摇摆或未对准的可能性。在一些实施例中，补充或替代形成在内主体部分600中，槽可形成在外喷嘴中。在一些实施例中，阶梯特征603A-603F可位于内主体部分600的最后方部分(例如，占据内主体部分的约小于后部的20%，在一个实施例中占据内主体部分的约小于后部的10%)。特征601A-601F相对于特征602A-602F的前部部分略微沿径向向外凸起。特征602A-602F的大小设定成在组装期间接触外喷嘴461的内表面，六个特征在组装的初始部分期间将内主体部分600与外喷嘴461大致对准。然后，一旦内主体部分600基本插入外喷嘴461内(例如，纵向上大于约50%插入或在一些情况下大于约80%插入)，则阶梯特征603A-603F开始以干涉配合式方式接触外喷嘴461的内表面，进一步驱动内主体部分600与外喷嘴461之间的对准并且将内主体部分600固定在外喷嘴461内。

图7示出了根据本发明的例示性实施例的双喷嘴的一个可能的阶梯特征702的从喷嘴侧部看的横截面视图。在该视图中，外喷嘴704和内喷嘴706示出为在阶梯特征702处或附近对接。外喷嘴704包括内表面708(描绘为没有对角阴影)。在该实施例中，阶梯特征702可形成在外喷嘴704中，并且执行与上面描述的相同或基本相同的功能。

图8A示出了根据本发明的例示性实施例的用于激光加工头的双喷嘴800的透视图。双喷嘴800包括内主体部分804和外主体部分808(也在图8B中在分解视图中示出)，并且具有近侧端部812和远侧端部816(也可用来单独指代内主体部分804和外主体部分808的端部)。外主体部分808可包括大体锥形形状。外主体部分808的最宽区段可包括柱形和/或波形外表面836，以便于容易安装或移除喷嘴。内主体部分804在其近侧端部812附近包括外表面832，其可成形为接合和/或连接到激光加工头。

内主体部分804还包括限定激光束开孔822的内表面820。激光束开孔822与双喷嘴800的中心纵向轴线826对准。内主体部分804还包括内主体部分804的远侧端部816附近的第一界面表面824。第一界面表面824可为包括多个通道828(例如，通道828A-H)的外表面，如以穿过双喷嘴800的中心纵向轴线826(例如，如下面在图8D所示出和所描述)的横截面看，每一个通道包括内部和外部的线性或非弧形边缘。当内主体部分804与外主体部分808连结时，由外主体部分808的内部限定的射流表面834与内主体部分804的第一界面表面824一起形成多个辅助流体流通道828A-H。例如，如下面所示出和所描述的，这些通道的形状可改变通道内的气体流动特性。

图8C示出了根据本发明的例示性实施例的图8A的双喷嘴800的俯视图。在该视图中，"直边缘"(例如，非弧形)通道828A-828H从顶部可见。当辅助气体穿过通道828A-828H时，通道828A-828H通过双喷嘴800引导离散的气体射流的形成(与例如圆形孔相反)。此直边缘通道可允许射流尺寸的高度控制(例如，在机加工期间，因为与其中只有一个尺寸(直径)可有效控制的柱形通道相比，通道的宽度、角度和深度可独立控制)。在一些实施例中，双喷嘴800可包括数量不同于八个的通道，例如在三到十二个之间的任何其它数量。

图8D示出了根据本发明的例示性实施例的图8B的双喷嘴800的横截面视图。该横截面是通过图8C中所示出的剖切线844截取的。内主体部分804包括内喷嘴848和外喷嘴852。外喷嘴852包括通路856A和856E，它们对应于图8C中所示出的八个槽(和/或通路)中的两个。通路856A和856E具有直的并且向内和向外成锐角的边缘，产生了在圆形几何形状中难以实现的收敛-扩散结构。该功能在下面的图9A和9B中得到扩展。该视图示出了不同尺寸和成角度表面，其在制造期间可调整以允许对通路856A-H的形状实行严格控制。例如，可控制直径1、直径2和直径3；可控制角1、角2和角3；并且可控制"喉部"区域的直径，或通路856A-H中的每一个的最小直径。在一些实施例中，直径1在2-10 mm之间。在一些实施例中，直径2在1-4 mm之间。在一些实施例中，直径3在0.8-3 mm之间。在一些实施例中，角1在5-30度之间。在一些实施例中，角2在5-50度之间。在一些实施例中，角3在5-30度之间。在一些实施例中，喉部外径在0.5-2 mm之间。

图9A-9B示出了根据本发明的例示性实施例的收敛-扩散流动通道几何形状900、950的示意图。与在工件表面处获得的宽气体射流相比，收敛-扩散流动通道900、950允许使用相对少量的气体。收敛区域904、954在喉部区域912、962处与扩散区域908、958连结。喉部区域912、962在通道900、950中具有最小横截面积，这确定了流动通过通道900、950的气体916、966的量。例如，对于恒定的气体温度和压力，随着喉部区域912、962的横截面积减小，更少的气体916、966流动通过通道900、950。在一些实施例中，在收敛区域904、954中，气体916、966可以低于声速行进。在一些实施例中，当穿过喉部区域912、962时，气体916、966可以声速行进。在一些实施例中，在扩散区域908、958中，气体916、962可比声速更快地行进。尽管当气体916、962穿过喉部区域908、958时可能会损失能量，但是气体916、966的相同质量流可在扩散区域908、958中扩展到更大的体积，导致更高的气体流速度。因此，可使用一个气体源来产生均一的成角度的射流阵列，其使用具有环形孔和孔阵列的双喷嘴将气体流朝向激光束引导并且/或者与激光束对准。

在一些实施例中，多个射流具有2-14 SLPM/ PSI的流速与压力比。在一些实施例中，当与单个喷嘴相比时，对于相同的喷嘴"有效面积"，多个射流在等效压力下具有10-25％的流速。在一些实施例中，激光喷嘴辅助射流直接从气室供给。在一些实施例中，双喷嘴包括对可容纳不同的气体的外部射流的单独气体供给。在一些实施例中，通道的尖端向内成角度，例如，朝向喷嘴尖端成30-45°角。此实施例可有助于将气体射流朝向切口引导，例如，使得无论什么射流尾随切口，都可更好地将其引导到切缝中。

在一些实施例中，双喷嘴800导致以下好处中的一个或多个。针对通过喷嘴的相同有效横截面流动面积，可实现气体消耗的减少。大多数或所有重要的流动特征可位于内主体部分上，该内主体部分可与激光切割头直接接触。经由高水平定位的界面可保持改进的对准。可在内喷嘴上机加工辅助特征(例如，槽)，这可提供主气体流和外气体流之间的良好对准(例如，通过减少射束和流动表面之间的界面)。在一些实施例中，可释放喷嘴设计空间并且可增加可修整性，例如，因为具有直边缘的非圆形槽可在机加工期间更容易地控制以具有所期望的横截面宽度和/或形状，导致更容易和/或改进的可制造性。其它潜在好处包括改进对准、较高的切割速度、更好的切割质量和更低的气体消耗。

图10示出了根据本发明的例示性实施例的具有不同流动构造的八个可能的双喷嘴1004、1008、1012、1016、1020、1024、1028、1032的俯视图。例如，尽管双喷嘴1004和1008各自具有八个流动通道，但这些流动通道中的每一个的尺寸和/或形状不同，其中双喷嘴1004中由流动通道占据的总横截面积在尖端处大于双喷嘴1008中的相当面积。在一些实施例中，外部可看起来相同但取决于内部特征几何形状具有不同的流动特性。

图11A-11B示出了根据本发明的例示性实施例的喷嘴1100、1150的半截面视图，喷嘴各自具有整体构造(例如，由整个材料件形成或在最终构造中为整体装置)。该构造不同于用于高压激光切割的传统喷嘴，后者包括两件式组件以产生所期望的流动分布。然而，该两件式构造可增加所要求的组装劳动，这继而又增加成本，并且甚至降低构件的对准准确度。各自具有整体主体的喷嘴1100和1150的构造可使用单件产生相似或改进的流动分布，这可降低制造成本和/或改进性能。制造可使用传统的车削操作或3D打印操作实现。流动通路可具有不同的几何形状、形状、角度或特征，以改进切割性能、减少气体使用或两者。例如，喷嘴1100包括如半截面中所示出的三个椭圆流动通路(例如，1104A、1104B、1104C)，而喷嘴1150包括如半截面中所示出的十个圆形流动通路(例如，1154A、1154B、1154C等)。喷嘴1100和1150各自包括整体主体，其可经由诸如三维打印的许多方法来产生。收敛-扩散结构(例如，如上面所示出和所描述的)可引入到整体双喷嘴中，以提高切割过程的气体输送有效性。

尽管本发明已经参照具体的优选实施例特别地示出和描述，但是本领域技术人员应该理解，在不背离如由以下权利要求所限定的本发明的精神和范围的情况下，其中可在形式和细节上进行各种改变。

Claims (24)

1. 一种用于激光加工头的双喷嘴，所述双喷嘴包括：

内主体部分，其具有(i)限定用于激光束通过的开孔的内表面，(ii)所述内主体部分的远侧端部附近的第一界面表面，所述第一界面表面包括多个通道，以及(iii)所述内主体部分的近侧端部附近并且成形为接合所述激光加工头的外表面，所述开孔与所述双喷嘴的中心纵向轴线对准，其中每一个通道在穿过所述双喷嘴的所述中心纵向轴线的横截面中包括内部非平行线性边缘和外部非平行线性边缘；以及

外主体部分，其连接到所述内主体部分，所述外主体部分限定射流表面，

其中所述射流表面和所述多个通道限定围绕所述开孔并且在所述内主体部分与所述外主体部分之间的对应的多个辅助流体流径。

2.根据权利要求1所述的双喷嘴，其中，所述内主体部分与所述外主体部分一体地形成。

3.根据权利要求2所述的双喷嘴，其中，一体地形成的双喷嘴由三维打印制造。

4.根据权利要求1所述的双喷嘴，其中，所述第一界面表面的远侧部分朝向所述开孔沿径向向内成锥形。

5.根据权利要求2所述的双喷嘴，其中，所述第一界面表面的所述远侧部分以30与45度之间的角度成锥形。

6.根据权利要求1所述的双喷嘴，其中，所述多个辅助流体流径包括至少六个不同的流体流径。

7.根据权利要求1所述的双喷嘴，其中，所述多个辅助流体流径中的每一个流体流径具有非圆形横截面形状。

8.根据权利要求1所述的双喷嘴，其中，所述多个辅助流体流径中的每一个流体流径具有在喉部区域连结的收敛部分和扩散部分。

9.根据权利要求6所述的双喷嘴，其中，每一个喉部区域具有0.25-2.5平方毫米的横截面积。

10.根据权利要求6所述的双喷嘴，其中，每一个喉部区域具有0.25-1.5毫米的线性宽度。

11.根据权利要求6所述的双喷嘴，其中，每一个收敛部分位于所述双喷嘴的近侧端部附近，并且每一个扩散部分位于所述双喷嘴的远侧端部附近。

12.根据权利要求1所述的双喷嘴，其中，所述内主体部分和所述辅助流体流径具有与所述双喷嘴的前面基本齐平的远侧末端。

13.根据权利要求1所述的双喷嘴，其中，所述辅助流体流径与所述双喷嘴的气室区域流体连通。

14. 根据权利要求1所述的双喷嘴，其中，所述多个通道成形为在高于大约15 psig的压力下产生超音速气体流。

15.根据权利要求1所述的双喷嘴，其中，所述多个辅助流体流径相对于所述中心纵向轴线成角度。

16.根据权利要求1所述的双喷嘴，进一步包括设置在所述内主体部分的近侧部分上的第二界面表面和设置在所述外主体部分上的对准表面，所述第二界面表面和所述对准表面成形为刚性地连结所述内主体部分和所述外主体部分。

17.根据权利要求1所述的双喷嘴，进一步包括流体地连接到所述多个辅助流体流径的多个气体缓冲前室，所述多个气体缓冲前室构造成保持固定体积的缓冲气体。

18.根据权利要求15所述的双喷嘴，其中，所述前室中的每一个具有组合的入口和出口。

19. 一种用于激光加工头的双喷嘴，所述双喷嘴包括：

内主体部分，其具有(i)限定激光束开孔的内表面，(ii)设置在所述内主体的远侧端部附近的第一界面表面，所述第一界面表面包括多个通道，所述开孔与所述双喷嘴的中心纵向轴线对准；以及

外主体部分，其连接到所述内主体部分，所述外主体部分限定射流表面，

其中所述外主体部分的所述射流表面和所述多个通道限定了围绕所述激光束开孔并且在所述内主体部分与所述外主体部分之间的多个辅助流体流径，所述辅助流体流径具有0.5-30平方毫米的总横截面积。

20.根据权利要求19所述的双喷嘴，其中，所述内主体部分与所述外主体部分一体地形成。

21.根据权利要求20所述的双喷嘴，其中，一体地形成的双喷嘴由三维打印制造。

22.根据权利要求19所述的双喷嘴，其中，所述辅助流体流径中的至少一个具有朝向其近侧端部的收敛区段和朝向其远侧端部的扩散区段。

23.根据权利要求20所述的双喷嘴，其中，喉部部分连接所述收敛区段和所述扩散区段，所述喉部部分具有0.25至2.5平方毫米的横截面积。

24.根据权利要求19所述的双喷嘴，进一步包括外表面，所述外表面设置在所述内主体的近侧端部处并且成形为与所述激光加工头匹配地接合和对准。

Images