CN203765168U - 一种激光-火焰复合切割装置 - Google Patents

Abstract

一种激光-火焰复合切割装置，它涉及一种切割装置。本实用新型为解决现有激光切割方法存在适用范围窄以及火焰切割方法存在切割效率低的问题。中部枪筒与上部枪筒螺纹连接，锁紧螺母与上部枪筒的下端相接触，切割保护镜片的外缘搭接在台肩上，切割保护镜片的上端通过镜片压紧环锁紧，外沿通过多个激光调心螺栓定位锁紧，压盖通过螺栓锁紧在枪筒和外沿的上端面上，下部枪筒上设置有高压氧气通道，喷嘴内芯位于喷嘴外套内，下部枪筒的下端通过喷嘴接头与喷嘴内芯和喷嘴外套连接，混合气体管设置在喷嘴外套上部外侧壁上，喷嘴内芯与喷嘴外套之间设有间隙，混合气体管通过间隙与喷嘴出口连通。本实用新型适用于切割钢材、不锈钢以及不锈钢复合板材。

Description

一种激光-火焰复合切割装置

技术领域

本实用新型涉及一种切割装置，具体涉及一种能够实现激光-火焰复合切割的切割装置。

背景技术

目前，工业领域应用最广泛的金属热切割方法主要有火焰切割、等离子切割和激光切割三种切割方法。

火焰切割方法切割大厚度碳钢切割能力比较好，其切割费用也比较低。可广泛适用于碳钢、大厚度板材的切割上。但是火焰切割方法的热影响区较宽，切割变形量大，影响了切割精度。火焰切割厚板时，只能切割低碳钢和低合金钢，上边易融塌，下边易形成挂渣。而且启动切割需要预热过程，越厚的钢板预热时间越长，切割速度较低，这些问题造成切割总体效率较低。

等离子切割方法具有能量密度较高、切割变形较小、切割前不需预热、切割金属范围广等优点。同时等离子切割方法也存在一些固有的缺点，如切割边缘有斜度，切割中厚板时表面质量下降，等离子切割过程会产生巨大的噪音、大量烟尘，这不仅对周围的环境产生较大的噪音污染，更重要的是损害操作者和周围的人员的身体健康。这种切割方法最大的问题是电极和喷嘴的消耗问题，尤其是电极的寿命只有短短几个小时，显著增加了生产成本和降低切割效率。

激光切割方法具很多优点，如切缝窄，割缝质量好，能够实现高精度切割；切割速度快，穿孔时间短，无需预热启动切割过程；切割材料范围广，可以切割金属、非金属等，可以加工任何硬度的材料，甚至可以切割透明的玻璃等等。但是激光切割方法存在一次性设备投入费用高、使用与维护费用、耗能高，最关键的一点是激光切割方法目前仅适用于30mm以下中、薄板的切割领域，即激光切割方法适用范围窄，无法在厚板领域展开推广应用。

综上，现有的激光切割方法适用范围窄以及火焰切割方法切割效率低。

实用新型内容

本实用新型为解决现有的激光切割方法存在适用范围窄以及火焰切割方法存在切割效率低的问题，进而提供了一种激光-火焰复合切割装置。

本实用新型为解决上述技术问题采取的技术方案是：

本实用新型的激光-火焰复合切割装置包括激光焦点调节单元、激光调心单元、切割喷嘴单元、连接环、防尘保护镜片压紧环、防尘保护镜片、激光聚焦透镜、激光聚焦透镜压紧环和激光聚焦透镜安装套；

激光焦点调节单元包括锁紧螺母、中部枪筒和上部枪筒，中部枪筒中部的外壁上加工有外螺纹，中部枪筒的下部加工有外沿，上部枪筒下部的内侧壁上加工有内螺纹，中部枪筒与上部枪筒螺纹连接，锁紧螺母与中部枪筒螺纹连接，锁紧螺母与上部枪筒的下端相接触，防尘保护镜片通过防尘保护镜片压紧环安装在上部枪筒内，防尘保护镜片位于上部枪筒的上端，激光聚焦透镜通过激光聚焦透镜压紧环安装在激光聚焦透镜安装套内，激光聚焦透镜安装套的下端通过连接环与上部枪筒的上端连接；

激光调心单元包括下部枪筒、切割保护镜片、镜片压紧环、压盖和多个激光调心螺栓，下部枪筒由上至下沿轴向依次加工有第一圆孔、第二圆孔和锥孔，锥孔的直径由上至下渐缩设置，锥孔的上端加工有台肩，第二圆孔的直径小于第一圆孔的直径，第二圆孔上加工有内螺纹，切割保护镜片位于第二圆孔内，切割保护镜片的外缘搭接在台肩上，镜片压紧环的外侧壁上加工有外螺纹，切割保护镜片的上端通过镜片压紧环锁紧，中部枪筒的外沿位于第一圆孔内，外沿通过多个激光调心螺栓定位锁紧，多个激光调心螺栓沿枪筒圆周方向均布设置，压盖套装在中部枪筒上，压盖通过螺栓锁紧在枪筒和外沿的上端面上，下部枪筒上设置有高压氧气通道，高压氧气通道与锥孔的上部连通；

切割喷嘴单元包括喷嘴外套、混合气体管、喷嘴内芯和喷嘴接头，喷嘴内芯位于喷嘴外套内，下部枪筒的下端通过喷嘴接头与喷嘴内芯和喷嘴外套连接，混合气体管设置在喷嘴外套上部外侧壁上，喷嘴内芯与喷嘴外套之间设有间隙，混合气体管通过间隙与喷嘴出口连通。

本实用新型的有益效果是：

本实用新型的激光-火焰复合切割装置采用激光和火焰两种热源作为切割热源，将两种热源共同作用到同一切割区域，与现有的激光切割方法相比，本实用新型适用于20mm以上中、厚钢板的热切割领域，即本实用新型的激光-火焰复合切割装置的适用范围广，并且切割同等板厚所需激光功率小、大幅度降低了设备的运营成本，运营成本降低了50%左右；

本实用新型的激光-火焰复合切割装置中部枪筒与上部枪筒螺纹连接，即旋转中部枪筒能够改变切割枪筒的总长度，当保证切割喷嘴下端与工件表面距离不变时，也就改变了激光焦点位置，即改变了激光离焦量，焦点位置的调节范围可达±30mm，与火焰切割方法相比，本实用新型的激光-火焰复合切割装置切割速度快、变形量小、不需预热直接启动切割装置；

本实用新型的激光-火焰复合切割装置设置有激光调心单元，通过激光调心螺栓调节中部枪筒与下部枪筒基本同心并确保激光束从切割喷嘴的正中心输出，激光和火焰为同轴复合结构，所有切割方向的切割结果都一样，切割过程不受切割方向的限制；

本实用新型的激光-火焰复合切割装置还具有结构简单、造价低廉的优点。

附图说明

图1是本实用新型的激光-火焰复合切割装置的整体结构主视剖视图，图2是图1中A-A的剖视图，图3是具体实施方式一中激光焦点调节单元Ⅰ的放大图，图4是具体实施方式一中激光调心单元Ⅱ的放大图，图5是具体实施方式一中切割喷嘴单元Ⅲ的放大图。

具体实施方式

具体实施方式一：如图1～5所示，本实施方式的激光-火焰复合切割装置包括激光焦点调节单元Ⅰ、激光调心单元Ⅱ、切割喷嘴单元Ⅲ、连接环19、防尘保护镜片压紧环20、防尘保护镜片21、激光聚焦透镜22、激光聚焦透镜压紧环23和激光聚焦透镜安装套25；

激光焦点调节单元Ⅰ包括锁紧螺母15、中部枪筒16和上部枪筒17，中部枪筒16中部的外壁上加工有外螺纹，中部枪筒16的下部加工有外沿16-1，上部枪筒17下部的内侧壁上加工有内螺纹，中部枪筒16与上部枪筒17螺纹连接，锁紧螺母15与中部枪筒16螺纹连接，锁紧螺母15与上部枪筒17的下端相接触，防尘保护镜片21通过防尘保护镜片压紧环20安装在上部枪筒17内，防尘保护镜片21位于上部枪筒17的上端，激光聚焦透镜22通过激光聚焦透镜压紧环23安装在激光聚焦透镜安装套25内，激光聚焦透镜安装套25的下端通过连接环19与上部枪筒17的上端连接；

激光调心单元Ⅱ包括下部枪筒7、切割保护镜片9、镜片压紧环10、压盖13和多个激光调心螺栓12，下部枪筒7由上至下沿轴向依次加工有第一圆孔7-1、第二圆孔7-2和锥孔7-3，锥孔7-3的直径由上至下渐缩设置，锥孔7-3的上端加工有台肩7-3-1，第二圆孔7-2的直径小于第一圆孔7-1的直径，第二圆孔7-2上加工有内螺纹，切割保护镜片9位于第二圆孔7-2内，切割保护镜片9的外缘搭接在台肩7-3-1上，镜片压紧环10的外侧壁上加工有外螺纹，切割保护镜片9的上端通过镜片压紧环10锁紧，中部枪筒16的外沿16-1位于第一圆孔7-1内，外沿16-1通过多个激光调心螺栓12定位锁紧，多个激光调心螺栓12沿枪筒7圆周方向均布设置，压盖13套装在中部枪筒16上，压盖13通过螺栓14锁紧在枪筒7和外沿16-1的上端面上，下部枪筒7上设置有高压氧气通道8，高压氧气通道8与锥孔7-3的上部连通；

切割喷嘴单元Ⅲ包括喷嘴外套1、混合气体管2、喷嘴内芯3和喷嘴接头5，喷嘴内芯3位于喷嘴外套1内，下部枪筒7的下端通过喷嘴接头5与喷嘴内芯3和喷嘴外套1连接，混合气体管2设置在喷嘴外套1上部外侧壁上，喷嘴内芯3与喷嘴外套1之间设有间隙，混合气体管2通过间隙与喷嘴出口连通。

本实用新型的激光-火焰复合切割装置在使用时需要安装在激光焊接枪上，激光焊接枪包括激光扩束和准直部分，激光扩束和准直部分为商品化商品；

防尘保护镜片21通过一个第四密封圈24与上部枪筒17密闭连接，激光聚焦透镜安装套25的下端与上部枪筒17的上端之间设置有一个第四密封圈24，激光聚焦透镜压紧环23与激光焊接枪之间设置有一个第四密封圈24；

切割装置火焰可以选用氧气-丙烷切割火焰、氧气-乙炔切割火焰或汽油-氧气切割火焰；

切割装置激光设备可选用光纤激光器、碟型激光器、半导体激光器、Nd:YAG激光器或CO2气体激光器；

切割保护镜片9的表面上镀有对应激光波长的增透膜，可以保证激光能量无损失通过，切割保护镜片9将激光-火焰复合切割装置分为两个压力区，切割保护镜片9上面为大气压力区，切割保护镜片9下面为高压切割氧气；

喷嘴内芯3有两方面作用，一方面是让激光无阻碍地通过喷嘴到达工件切割表面：另一方面还是高压氧气的输送通道；

喷嘴外套1与喷嘴内芯3之间间隙的作用是提供可燃气体-氧气混合气体的通道；

具体实施方式二：如图1和图2所示，本实施方式喷嘴外套1内侧壁下部与喷嘴内芯3外侧壁下部紧密接触，喷嘴内芯3外侧壁的下部沿圆周方向均布加工有14～18个条形凹槽3-1，条形凹槽3-1与喷嘴内芯3的轴向一致设置。

如此设计，可燃气体-氧气混合气体通过混合气体管2进入到喷嘴外套1与喷嘴内芯3之间，然后通过14～18个条形凹槽3-1流出，可以形成稳定的层流，可燃气体-氧气混合气体在脱离喷嘴出口后被点燃，从而形成稳定燃烧的火焰，

可以提高氧气在喷嘴出口的流速，从而提高切割效率。其它组成及连接关系与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：如图2所示，本实施方式条形凹槽3-1的数量是16个。如此设计，可燃气体-氧气混合气体通过混合气体管2进入到喷嘴外套1与喷嘴内芯3之间，然后通过14～18个条形凹槽3-1流出，可以形成稳定的层流，可燃气体-氧气混合气体在脱离喷嘴出口后被点燃，从而形成稳定燃烧的火焰，可以提高氧气在喷嘴出口的流速，从而提高切割效率。可以提高氧气在喷嘴出口的流速，从而提高切割效率。其它组成及连接关系与具体实施方式二相同。

具体实施方式四：如图1和图4所示，本实施方式激光调心螺栓12的数量为4个。如此设计，可以很方便且直观地调节下部枪筒7的轴心位置，确保激光束从喷嘴内芯3中间通过。其它组成及连接关系与具体实施方式一、二或三相同。

具体实施方式五：如图1和图5所示，本实施方式混合气体管2的数量为两个，两个混合气体管2对称设置在喷嘴外套1的外侧壁上。如此设计，是为了确保输入的混合气体更均匀，不会发生压力不均匀现象。其它组成及连接关系与具体实施方式四相同。

具体实施方式六：如图1和图5所示，本实施方式喷嘴接头5的内侧壁上加工有内螺纹，喷嘴内芯3的上部加工有外螺纹，喷嘴内芯3与喷嘴接头5螺纹连接；喷嘴接头5下部的外侧壁上加工有外螺纹，喷嘴外套1的上部加工有内螺纹，喷嘴外套1与喷嘴接头5螺纹连接。如此设计，是为了确保在更换不同尺寸的喷嘴内芯3时，仍然能够确保激光焦点位置不会发生变化。在更换不同尺寸的喷嘴内芯3时，仅需要更换与之匹配的喷嘴接头5即可，无需更换其他零部件即可保证激光焦点位置不会发生变化。其它组成及连接关系与具体实施方式一、二、三或五相同。

具体实施方式七：如图1和图5所示，本实施方式喷嘴内芯3中心孔的纵截面呈拉瓦尔曲线形状。如此设计，是为了保证从喷嘴内芯3中喷出的切割气体达到超音速状态，提高切割速度。其它组成及连接关系与具体实施方式六相同。

具体实施方式八：如图1和图5所示，本实施方式所述复合切割装置还包括两个第一密封圈6，下部枪筒7与喷嘴接头5之间设置有一个第一密封圈6，喷嘴接头5与喷嘴外套1之间设置有一个第一密封圈6。如此设计，可以起到密封作用，以防止水和灰尘进入枪筒内部。其它组成及连接关系与具体实施方式一、二、三、五或七相同。

具体实施方式九：如图1和图4所示，本实施方式所述复合切割装置还包括两个第二密封圈11，切割保护镜片9与台肩7-3-1之间设置有一个第二密封圈11，中部枪筒16与下部枪筒7之间设置有一个第二密封圈11。如此设计，可以起到密封作用，以防止水和灰尘进入枪筒内部。其它组成及连接关系与具体实施方式八相同。

具体实施方式十：如图1和图3所示，本实施方式所述复合切割装置还包括两个第三密封圈18，中部枪筒16的上部与上部枪筒17之间设置有两个第三密封圈18。如此设计，可以起到密封作用，以防止水和灰尘进入枪筒内部。其它组成及连接关系与具体实施方式九相同。

实施例一：

待切割钢板材料为低碳钢板Q235，待切割钢板厚度为30mm，长度为1000mm，宽度为200mm，激光器为6kW碟形固体激光器，激光输出模式为连续波，光纤直径为0.2mm；切割枪上半部分采用Trumpf公司生产的D70激光焊接枪，下半部分为本实用新型的激光-火焰复合切割装置，二者组合成为一套激光-火焰复合切割枪；准直焦距为200mm，聚焦透镜为600mm；行走方式为待切割钢板不动、机器人把持激光-火焰复合切割枪完成预定轨迹的行走。

切割前把待切割钢板固定在工作台上，准备好高纯氧气、丙烷混合气体通过混合气体管2并接入本实用新型的激光-火焰复合切割装置内。切割时首先点燃外围的氧气和丙烷混合气体，然后通入高压切割氧气流，同时加入激光能量，机器人把持激光-火焰复合切割装置从待切割钢板的边缘进入到待切割钢板上，按照预定轨迹完成切割过程。

实验过程中用到的其余参数如下：

激光功率为5500W

激光焦点位于钢板表面上15mm

激光喷嘴下沿距离钢板表面5.0mm

丙烷气体压力0.5bar，

辅助燃烧氧气压0.4bar

主切割氧气压力2.5bar

切割速度1.0m/min

切割结果：30mm厚待切割钢板在1.0m/min的高速下被切断，切口平整，钢板背面没有粘渣，切割面上附着一层薄薄的氧化层，很容易被清除，切割质量与火焰切割质量相当，但是切割速度比火焰切割速度提高了1-2倍。如果不考虑切割质量，仅需要切断即可，对于30mm厚钢板的极限切割速度可以达到2.0m/min；无论在1.0m/min还是2.0m/min的切割速度下切割，激光-火焰复合切割装置都不需要预热，待切割钢板在室温下即可立即开始切割，这一点对于火焰和等离子切割方法都无法实现。

实施例二：

待切割钢板材料为低碳钢板Q235，待切割钢板厚度为140mm，长度为300mm，宽度为100mm，激光器为6kW碟形固体激光器，激光输出模式为连续波，光纤直径为0.2mm；切割枪的上半部分采用Trumpf公司生产的D70激光焊接枪，下半部分为本实用新型的激光-火焰复合切割装置，二者组合成为一套激光-火焰复合切割枪；准直焦距为200mm，聚焦透镜为600mm；行走方式为待切割钢板不动、机器人把持激光-火焰复合切割枪完成预定轨迹的行走。

切割前把待切割钢板固定在工作台上，准备好高纯氧气、丙烷混合气体通过混合气体管2并接入本实用新型的激光-火焰复合切割装置内。切割时首先点燃外围的氧气和丙烷的混合气体，然后通入高压切割氧气流，同时加入激光能量，机器人把持激光-火焰复合切割枪从待切割钢板的边缘进入到待切割钢板上，按照预定轨迹完成切割过程。

实验过程中用到的其余参数如下：

激光功率为6000W

激光焦点位于钢板表面上15mm

激光喷嘴下沿距离钢板表面5.0mm

丙烷气体压力0.5bar，

辅助燃烧氧气压0.4bar

主切割氧气压力3.5bar

切割速度0.30m/min

切割结果：140mm厚待切割钢板在0.3m/min的速度下被切断，切口平整，钢板背面没有粘渣，切割面上附着一层薄薄的氧化层，很容易被清除，切割质量与火焰切割质量相当。火焰切割方法切割140mm厚钢板的切割速度为0.15m/min左右，激光-火焰复合切割方法与火焰切割方法相比，切割速度提高了1倍左右。同样激光-火焰复合切割装置不需要预热钢板，钢板在室温下即可立即开始切割，而对于140mm厚的钢板火焰切割方法需要预热较长时间才能进行钢板切割作业。

Claims (10)

1.一种激光-火焰复合切割装置，所述复合切割装置包括激光焦点调节单元（Ⅰ）、激光调心单元（Ⅱ）、切割喷嘴单元（Ⅲ）、连接环（19）、防尘保护镜片压紧环（20）、防尘保护镜片（21）、激光聚焦透镜（22）、激光聚焦透镜压紧环（23）和激光聚焦透镜安装套（25），其特征在于：

激光焦点调节单元（Ⅰ）包括锁紧螺母（15）、中部枪筒（16）和上部枪筒（17），中部枪筒（16）中部的外壁上加工有外螺纹，中部枪筒（16）的下部加工有外沿（16-1），上部枪筒（17）下部的内侧壁上加工有内螺纹，中部枪筒（16）与上部枪筒（17）螺纹连接，锁紧螺母（15）与中部枪筒（16）螺纹连接，锁紧螺母（15）与上部枪筒（17）的下端相接触，防尘保护镜片（21）通过防尘保护镜片压紧环（20）安装在上部枪筒（17）内，防尘保护镜片（21）位于上部枪筒（17）的上端，激光聚焦透镜（22）通过激光聚焦透镜压紧环（23）安装在激光聚焦透镜安装套（25）内，激光聚焦透镜安装套（25）的下端通过连接环（19）与上部枪筒（17）的上端连接；

激光调心单元（Ⅱ）包括下部枪筒（7）、切割保护镜片（9）、镜片压紧环（10）、压盖（13）和多个激光调心螺栓（12），下部枪筒（7）由上至下沿轴向依次加工有第一圆孔（7-1）、第二圆孔（7-2）和锥孔（7-3），锥孔（7-3）的直径由上至下渐缩设置，锥孔（7-3）的上端加工有台肩（7-3-1），第二圆孔（7-2）的直径小于第一圆孔（7-1）的直径，第二圆孔（7-2）上加工有内螺纹，切割保护镜片（9）位于第二圆孔（7-2）内，切割保护镜片（9）的外缘搭接在台肩（7-3-1）上，镜片压紧环（10）的外侧壁上加工有外螺纹，切割保护镜片（9）的上端通过镜片压紧环（10）锁紧，中部枪筒（16）的外沿（16-1）位于第一圆孔（7-1）内，外沿（16-1）通过多个激光调心螺栓（12）定位锁紧，多个激光调心螺栓（12）沿枪筒（7）圆周方向均布设置，压盖（13）套装在中部枪筒（16）上，压盖（13）通过螺栓锁紧在枪筒（7）和外沿（16-1）的上端面上，下部枪筒（7）上设置有高压氧气通道（8），高压氧气通道（8）与锥孔（7-3）的上部连通；

切割喷嘴单元（Ⅲ）包括喷嘴外套（1）、混合气体管（2）、喷嘴内芯（3）和喷嘴接头（5），喷嘴内芯（3）位于喷嘴外套（1）内，下部枪筒（7）的下端通过喷嘴接头（5）与喷嘴内芯（3）和喷嘴外套（1）连接，混合气体管（2）设置在喷嘴外套（1）上部外侧壁上，喷嘴内芯（3）与喷嘴外套（1）之间设有间隙，混合气体管（2）通过间隙与喷嘴出口连通。

2.根据权利要求1所述的激光-火焰复合切割装置，其特征在于：喷嘴外套（1）内侧壁下部与喷嘴内芯（3）外侧壁下部紧密接触，喷嘴内芯（3）外侧壁的下部沿圆周方向均布加工有14～18个条形凹槽（3-1），条形凹槽（3-1）与喷嘴内芯（3）的轴向一致设置。

3.根据权利要求2所述的激光-火焰复合切割装置，其特征在于：条形凹槽（3-1）的数量是16个。

4.根据权利要求1、2或3所述的激光-火焰复合切割装置，其特征在于：激光调心螺栓（12）的数量为4个。

5.根据权利要求4所述的激光-火焰复合切割装置，其特征在于：混合气体管（2）的数量为两个，两个混合气体管（2）对称设置在喷嘴外套（1）的外侧壁上。

6.根据权利要求1、2、3或5所述的激光-火焰复合切割装置，其特征在于：喷嘴接头（5）的内侧壁上加工有内螺纹，喷嘴内芯（3）的上部加工有外螺纹，喷嘴内芯（3）与喷嘴接头（5）螺纹连接；喷嘴接头（5）下部的外侧壁上加工有外螺纹，喷嘴外套（1）的上部加工有内螺纹，喷嘴外套（1）与喷嘴接头（5）螺纹连接。

7.根据权利要求6所述的激光-火焰复合切割装置，其特征在于：喷嘴内芯（3）中心孔的纵截面呈拉瓦尔曲线形状。

8.根据权利要求1、2、3、5或7所述的激光-火焰复合切割装置，其特征在于：所述复合切割装置还包括两个第一密封圈（6），下部枪筒（7）与喷嘴接头（5）之间设置有一个第一密封圈（6），喷嘴接头（5）与喷嘴外套（1）之间设置有一个第一密封圈（6）。

9.根据权利要求8所述的激光-火焰复合切割装置，其特征在于：所述复合切割装置还包括两个第二密封圈（11），切割保护镜片（9）与台肩（7-3-1）之间设置有一个第二密封圈（11），中部枪筒（16）与下部枪筒（7）之间设置有一个第二密封圈（11）。

10.根据权利要求1、2、3、5、7或9所述的激光-火焰复合切割装置，其特征在于：所述复合切割装置还包括两个第三密封圈（18），中部枪筒（16）的上部与上部枪筒（17）之间设置有两个第三密封圈（18）。