CN208496087U - 一种激光切割头 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种激光切割头，包括，准直输出的半导体激光器和聚焦光学系统；所述准直输出半导体激光器包括产生激光束的半导体激光器以及将所述激光束调整合束产生高光学亮度的准直激光束的合束光学系统；所述聚焦光学系统包括筒体及设置其内的聚焦镜，位于筒体前端口的切割喷嘴；筒体上设接气源的吹气管；其中聚焦光学系统与所述准直激光束之间预先确定的方式进行安排使得高光学亮度的准直激光束可通过聚焦光学系统聚焦并通过所述切割喷嘴形成焦点；所述焦点在所述吹气管和切割喷嘴产生的气压的协助下可用于材料切割。本实用新型激光切割头可直接架设于切割床上进行材料切割，可大大地降低成本，简化激光切割机的结构。

Description

一种激光切割头

技术领域

本实用新型属于激光切割技术领域，涉及到一种激光切割头。

背景技术

由于切割速度快，质量好，激光切割近年来已经成为行业趋势。目前切割中所使用的激光器主要是二氧化碳及光纤激光器，光纤输出半导体激光器也开始有少量初步应用。

传统的激光切割机中主要包含激光器发生器，切割床以及切割头。在二氧化碳激光器切割机中，激光光束通过发射镜多次反射至切割头，然后光束由切割头中的光学系统聚焦进行切割。在光纤及半导体激光切割机中，激光由光缆传输至切割头，然后光束由切割头中的光学系统聚焦进行切割。这样的结构配合数控平台可以满足各种板材的切割。但传统的切割机成本相对比较高，对于小厂家和低成本运营的用户成本比较高。因此，寻找一个简单，成本低，切割效率高的切割激光器是一个重要的方向。

发明内容

本实用新型的目的在于设计一种激光切割头，将激光器输出光整合成高功率高光学亮度的输出光束并与切割头直接相连使之适合材料的有效切割，由于不使用光纤，不另配激光切割头并利用高效率的半导体激光器，既使切割机的成本大大下降，又因为不使用光纤而简化了系统，提高了可靠性。

为达到上述目的，本实用新型的技术方案是：

一种激光切割头，其包括，准直输出的半导体激光器和聚焦光学系统；所述准直输出半导体激光器包括产生激光束的半导体激光器以及将所述激光束调整合束产生高光学亮度的准直激光束的合束光学系统；所述聚焦光学系统包括筒体及设置其内的聚焦镜，位于筒体前端口的切割喷嘴；筒体上设接气源的吹气管；其中所述聚焦光学系统与所述准直激光束之间预先确定的方式进行安排使得高光学亮度的准直激光束可通过聚焦光学系统聚焦并通过所述切割喷嘴形成焦点；所述焦点在所述吹气管和切割喷嘴产生的气压的协助下可用于材料切割。

优选的，所述半导体激光器为单发光点半导体激光器或列阵半导体激光器或叠阵半导体激光器。

优选的，所述半导体激光器为垂直腔发射半导体激光器。

优选的，所述合束光学系统包括透射及反射光学元件。

优选的，所述半导体激光器合束光学系统含有抗回光的光学结构。

优选的，所述半导体激光器输出为单一波长或多波长。

优选的，所述切割喷嘴与激光切割头其他部分绝缘。

进一步，所述激光切割头安装在运动机构上，并设有高度传感装置及相应的调高装置，保证在切割过程中切割喷嘴与被切割材料间距离保持一致。

优选的，所述运动机构包括二维或三维运动机构，优选为XY切割平台或机器人。

又，本实用新型还包括与聚焦激光束同轴输出的指示光。

所述半导体激光器为波长为近红外的激光器。

优选的，所述半导体激光器采用的冷却方式为风冷或水冷。

本实用新型激光切割头，包括准直输出的半导体激光器和聚焦光学系统，所述准直输出半导体激光器包括产生激光束的半导体激光器以及将所述激光束调整合束产生高光学亮度的准直激光束的合束光学系统，所述聚焦光学系统包括聚焦镜，吹气管，切割喷嘴；其中聚焦光学系统与所述准直激光束之间预先确定的方式进行安排使得所述高光学亮度的准直激光束可通过聚焦光学系统聚焦并通过所述切割喷嘴形成焦点；所述焦点在所述吹气管输入高压气体时可在切割喷嘴产生的气流的协助下用于材料切割。

本实用新型激光切割头，包括准直输出的半导体激光器和聚焦光学系统，所述准直输出的半导体激光器包括半导体激光器和合束光学元件，所述聚焦光学系统包括聚焦镜，吹气管，切割喷嘴；半导体激光器输出的激光通过合束光学元件进行调整及合束后产生高光学亮度的准直激光束，所述通过聚焦光学系统聚焦通过所述切割喷嘴到达被切割材料表面附近并在材料表面产生高温，当在所述吹气管输入高压气体并在切割喷嘴产生的高速气流时，激光切割头于被切割材料相互运动可完成材料切割。其中切割喷嘴与激光切割头其他部分可以绝缘，切割喷嘴通过连线可以在切割时连接切割机上的高度传感器用来控制切割喷嘴与被切割材料表面的距离，以保证在切割过程中切割喷嘴与被切割材料间距离可保持一致。

本实用新型激光切割头中所述准直输出的半导体激光器中的半导体激光器可以是多个单发光点的半导体激光器，也可以使用多个列阵(所谓巴条式)的半导体激光器或叠阵式的半导体激光器。这三种类型的激光封装都可以通过合适的合束光学系统进行光学参数上的调整和光束的合束，包括多波长的合束和偏振的光的合束。合束光学系统可以有透射，反射或者其他光学元件组成，这些光学元件按照预定的方式安排改变优化半导体激光器输出的光学参数，比如改变发光点输出光束在快慢轴向的发散角等，光学元件里也可以包括光束整形元件。调整并合束的输出光束是一个准直的输出光束，其光学亮度使此光束可以通过聚焦满足切割要求。在这个激光切割头中，也可以使用垂直腔发射的半导体激光器。也可以是各种封装形式的组合。因为可以进行调整合束，所用激光器的波长可以任意选择，如选择近红外波长，也可以使得输出准直光束为单一或多个波长。多波长的组合可以用来提高功率。也可以通过这个方法导入可见光，如红光或绿光，作为切割时的指示光。

准直输出的半导体激光器所发出的准直输出光束由聚焦光学系统聚焦。聚焦光学系统里包括聚焦透镜，吹气管和切割喷嘴。喷嘴相对于准直激光束通过聚焦透镜形成的激光焦点的位置可以按要求进行调整。吹气管可以连接高压切割气体，如空气、氧气、氮气等。在实施切割时，所述激光焦点使得被切割材料在焦点位置附近产生高温，高压气体从切割喷嘴产生气流将熔化的金属等材料吹走以达到打孔切割的目的。

在实际切割中，激光切割头还可安装在二维或三维运动机构上，如XY切割平台或机器人等上，根据所设运动轨迹完成切割。激光切割头还可以与激光切割机上的高度传感装置连接，即连接调高装置，保证切割过程中切割喷嘴与被切割材料间距保持一致。

在这个情况下通常切割喷嘴与激光切割头的其他部分通过陶瓷等材料绝缘，切割喷嘴用紫铜等材料制造，这时切割喷嘴的一个功能就是作为调高装置中的感应头。切割喷嘴形状的设计可保证高度传感器的灵敏度。半导体激光器电光转换效率高，且线性好，因此还可以在切割过程中可以通过调制激光输出的频率和功率来满足切割质量上的一些要求。

为了激光工作正常，激光切割头可配有合适的激光驱动器和制冷结构，如电冷，风冷，或水冷机构。

本实用新型的特点是：

半导体激光的光束通过调整成高光学亮度后直接聚焦用于材料切割，高亮度的准直光束通过聚焦光学系统到达被切割材料表面，聚焦光学系统配合了吹气管和喷嘴本身即起到了传统切割头的功能。由于消除了光纤和专用的激光切割头，又由于采用了高光电转换效率的半导体激光，本实用新型的新型激光头可以大大地降低使用成本并提高了可靠性。

附图说明

为了更清楚地说明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做简要地介绍，显而易见，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，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附图。

图1是本实用新型实施例的结构示意图，图中：高度控制传感器接口等未标出。

图2是一种新型激光切割设备，图示激光切割头与切割平台组合，电源及制冷未显示。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

图1是本实用新型实施例的结构示意图，图中：高度控制传感器接口等未标出。

图2所示为一种新型激光切割设备，主要表现为将本实用新型的激光切割头与切割平台安装后的形态。

图1中显示了本实用新型的激光切割头，其包括，准直输出的半导体激光器1和聚焦光学系统2；所述准直输出半导体激光器1包括产生激光束的半导体激光器以及将所述激光束调整合束产生高光学亮度的准直激光束100的合束光学系统3；所述聚焦光学系统2包括筒体21及设置其内的聚焦镜22，位于筒体21前端口的切割喷嘴23；筒体21上设接气源的吹气管24；其中所述聚焦光学系统2与所述准直激光束100之间预先确定的方式进行安排使得高光学亮度的准直激光束可通过聚焦光学系统2聚焦，聚焦激光束200并通过所述切割喷嘴形成焦点；所述焦点在所述吹气管24和切割喷嘴23产生的气压的协助下可用于材料切割。

优选的，所述半导体激光器1为单发光点半导体激光器或列阵半导体激光器或叠阵半导体激光器。

优选的，所述半导体激光器1为垂直腔发射半导体激光器。

优选的，所述合束光学系统3包括透射及反射光学元件。

优选的，所述半导体激光器合束光学系统含有抗回光的光学结构。

优选的，所述半导体激光器输出为单一波长或多波长。

优选的，所述切割喷嘴与激光切割头其他部分绝缘。

优选的，所述激光切割头安装在运动机构上，并设有高度传感装置及相应的调高装置，保证在切割过程中切割喷嘴与被切割材料间距离保持一致。所述运动机构包括二维或三维运动机构，优选为XY切割平台或机器人。

又，本实用新型还包括与聚焦激光束200同轴输出的指示光。

优选的，所述半导体激光器为波长为近红外的激光器。

优选的，所述半导体激光器的冷却方式为风冷或水冷。

本实用新型激光切割头，包括准直输出的半导体激光器和聚焦光学系统，所述准直半导体激光器包括半导体激光器和合束光学系统。所述的聚焦光学系统替代了传统的切割头。切割喷嘴可以与激光切割头其他部分绝缘，当激光切割头与数控切割床连接时与切割喷嘴可以通过连线与切割床上的自动高度调整装置连接。这样由切割喷嘴参与组成的高度传感器系统就可以保证切割喷嘴与被切割材料表面的距离恒定。

半导体激光器输出的激光通过合束光学系统进行调整及合束后产生高光学亮度的准直激光束通过聚焦光学系统中的聚焦透镜聚焦并通过所述切割喷嘴到达被切割材料表面。吹气管可以连接高压切割气体，如空气，氧气，氮气等。

在实施切割时，所述激光焦点使得被切割材料在焦点位置附近产生高温，高压气体从切割喷嘴产生气流将熔化的金属等材料吹走以达到打孔切割的目的。在这个激光切割头中半导体激光器可以是多个单发光点的半导体激光器也可以使用多个列阵(所谓巴条式)的半导体激光器或叠阵式的半导体激光器。这三种类型的激光封装都可以通过合适的合束光学元件进行光学参数上的调整和光束的合束，取得所需要的功率输出。所述的合束包括多波长的合束和偏振的光的合束。合束光学系统可以有透射，反射或者其他光学元件组成，这些光学元件按照预定的方式安排改变优化半导体激光器输出的光学参数，比如改变发光点输出光束在快慢轴向的发散角等，光学元件里也可以包括光束整形元件。比如在使用巴条半导体激光时可以通过光学整形取得极高的亮度。在合束光学系统中还可以加入光学结构或零件起到抗回光的功能。经合束光学系统调整后并合束的光束是一个准直输出光束，其光学亮度使得光束可以通过聚焦满足切割要求。在这个激光切割头中，也可以使用垂直腔发射的半导体激光器。也可以进行各种封装形式的组合。因为可以进行调整合束，所用激光器的波长可以任意选择，如选择近红外波长，也可以使得输出准直光束为单一或多个波长。多波长的组合可以用来提高功率。也可以通过这个方法导入可见光，如红光或绿光，作为切割时的指示光。准直输出光束由与准直输出的半导体激光相连接的聚焦光学系统聚焦，聚焦光学系统包括聚焦透镜，切割喷嘴和吹气管。切割喷嘴相对于激光焦点的位置可以按要求进行调整。吹气管可以连接高压切割气体，如空气，氧气，氮气等。在实施切割时，激光聚焦在切割材料上使得被切割材料在焦点位置产生高温，高压气体从切割喷嘴将熔化金属等材料吹走达到打孔切割的目的。

在实际切割中，激光切割头A可安装在运动机构(二维或三维)上，如XY切割平台10或机器人等上(如图2所示)，根据所设运动轨迹完成切割。聚焦光学系统里的切割喷嘴与激光切割头的其他部件可通过陶瓷等材料绝缘。在激光切割头与数控切割床连接时，所述切割喷嘴切割喷嘴即可同时充当高度控制传感器的传感探头，与切割床高度控制器协同，通过反馈保证切割喷嘴与被切割材料间距离恒定。半导体激光器电光转换效率高，且线性好，因此还可以在切割过程中可以通过调制激光输出的频率和功率来满足切割质量上的一些要求。

为了激光工作正常，激光切割头可配有合适的激光驱动器和制冷结构，如电冷、风冷或水冷机构。

本实用新型的工作流程如下：

在激光切割过程中，激光切割头中的半导体激光器产生的激光束通过合束光学系统转换成为高亮度的准直输出光束，此光束经过聚焦光学系统中的聚焦透镜和切割喷嘴形成聚焦点，将切割喷嘴与聚焦点距离按要求调整，然后在吹气管输入高压气体，在切割喷嘴处形成切割气流，通过激光切割头与被切割材料间的相互运动完成穿孔和切割过程。

本实用新型利用高效率的半导体激光器与聚焦光学系统配合组成激光切割头，去除了光纤和专门的切割头，去除了半导体激光转换为光纤激光以及光纤耦合所带来的电效率损耗，可以大大降低材料切割的成本，更适合广大材料切割的需求。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围内。

Claims (12)

1.一种激光切割头，其特征在于，包括，准直输出的半导体激光器和聚焦光学系统；所述准直输出半导体激光器包括产生激光束的半导体激光器以及将所述激光束调整合束产生高光学亮度的准直激光束的合束光学系统；所述聚焦光学系统包括筒体及设置其内的聚焦镜，位于筒体前端口的切割喷嘴；筒体上设接气源的吹气管；所述聚焦光学系统与所述准直激光束之间预先确定的方式进行安排使得高光学亮度的准直激光束可通过聚焦光学系统聚焦并通过所述切割喷嘴形成焦点；所述焦点在所述吹气管和切割喷嘴产生的气压的协助下可用于材料切割。

2.如权利要求1所述的激光切割头，其特征在于，所述半导体激光器为单发光点半导体激光器或列阵半导体激光器或叠阵半导体激光器。

3.如权利要求1所述的激光切割头，其特征在于，所述半导体激光器为垂直腔发射半导体激光器。

4.如权利要求1所述的激光切割头，其特征在于，所述合束光学系统包括透射及反射光学元件。

5.如权利要求1所述的激光切割头，其特征在于，所述半导体激光器合束光学系统含有抗回光的光学结构。

6.如权利要求1所述的激光切割头，其特征在于，所述半导体激光器输出为单一波长或多波长。

7.如权利要求1所述的激光切割头，其特征在于，所述激光切割头安装在运动机构上，并设有高度传感装置及相应的调高装置，保证在切割过程中切割喷嘴与被切割材料间距离保持一致。

8.如权利要求7所述的激光切割头，其特征在于，所述运动机构包括二维或三维运动机构。

9.如权利要求7所述的激光切割头，其特征在于，所述运动机构为XY切割平台或机器人。

10.如权利要求1所述的激光切割头，其特征在于，还包括与聚焦激光束同轴输出的指示光。

11.如权利要求1所述的激光切割头，其特征在于，所述半导体激光器为波长为近红外的激光器。

12.如权利要求1所述的激光切割头，其特征在于，所述半导体激光器的冷却方式为风冷或水冷。