可变光斑激光切割头装置

技术领域

本发明涉及激光切割工艺与设备技术领域，尤其涉及热切割领域，具体是指一种可变光斑激光切割头装置。

背景技术

激光切割是利用经聚焦的高功率密度激光束照射工件，使被照射处的材料迅速熔化、汽化、烧蚀或达到燃点，同时借助于光束同轴的高速气流吹除熔融物质，从而实现隔开工件的一种热切割方法。激光切割区原理如参考文献1所示，(参考文献1：叶建斌，戴春祥.激光切割技术[M]上海：上海科学技术出版社，2012.7)。

如上述的激光切割原理中，对聚焦在工件表面的光斑特性，包括光斑直径、焦点深度如下图所示的控制就尤其关键。具体的参数近似关系为：

为了后续对整个硬件环境有更好的理解，现对激光切割头硬件做简单描述。如图1所示，激光切割头硬件包括激光器光纤输出头、光束准直镜片、光束聚焦镜片、激光器发生器产生的激光束以及加工工件。激光器光纤输出头将激光发生器产生的激光束以发散的形式发射照射至光束准直镜片，光束准直镜片对发散的光束举行准直合拢，光束聚焦镜片对准直合拢后的光束进行汇聚，然后照射至工件表面。(参考文献2：金岡優.图解激光加工实用技术[M]北京：冶金工业出版社，2013.9)

如上所述，对光斑特性

如图2所示，通过对聚焦镜组的位置进行调整，使光斑焦点相对工件表面发生上下偏离，从而改善加工条件。这种光斑控制方法，实质上并未改变所述的光斑特性

如图3所示，是通过对准直镜的位置进行调整，使光斑焦点相对工件表面上下偏离，同时对光斑的直径及焦点深度产生了微小变化。这种光斑控制方法同样存在与图2的方法类似的问题，虽然这种方法能在一定程度上改变光斑直径

发明内容

本发明的目的是克服了上述现有技术的缺点，提供了一种满足光斑变化范围大、加工效果好、适用范围广泛的可变光斑激光切割头装置。

为了实现上述目的，本发明的可变光斑激光切割头装置如下：

该可变光斑激光切割头装置，其主要特点是，所述的系统包括激光器光纤输出头、激光器光纤输出头耦合器、整体光学系统支撑固定框架、第一光学系统保护镜、变斑调节镜组、调焦镜组、聚焦镜组、第二光学系统保护镜、第三光学系统保护镜、切割气体导向组件、切割喷嘴、变斑镜组驱动机构、调焦镜组驱动机构，所述的激光器光纤输出头耦合器、第一光学系统保护镜、变斑调节镜组、调焦镜组、聚焦镜组、第二光学系统保护镜、第三光学系统保护镜、切割气体导向组件、切割喷嘴的中心轴线理论上在同一直线上，所述的激光器光纤输出头耦合器、第一光学系统保护镜、聚焦镜组、第二光学系统保护镜、第三光学系统保护镜、切割气体导向组件、变斑镜组驱动机构、调焦镜组驱动机构与整体光学系统支撑固定框架固定，所述的激光器光纤输出头置于激光器光纤输出头耦合器上。

较佳地，所述的系统还包括激光器，所述的激光器产生的光束通过变斑调节镜组后将光束合拢，通过调焦镜组进行调整，通过聚焦镜组进行聚焦，输出大小符合预设要求且可连续变换的光斑照射在工件的工作面上。

较佳地，所述的变斑调节镜组通过变斑镜组驱动机构驱动，沿光束轴线相对整体光学系统支撑固定框架进行上下移动。

较佳地，所述的调焦镜组通过调焦镜组驱动机构驱动，沿光束轴线相对整体光学系统支撑固定框架进行上下移动。

较佳地，所述的激光器光纤输出头耦合器将激光器光纤输出头与激光切割头相连接固定。

较佳地，所述的第一光学系统保护镜用于阻挡执行激光器光纤输出头与激光切割头相连接固定时引入的灰尘、水滴或其他异物。

较佳地，所述的第二光学系统保护镜在更换第三光学系统保护镜时，阻挡灰尘进入激光切割头光学系统内部，与第三光学系统保护镜形成冗余保护。

较佳地，所述的第三光学系统保护镜在整机设备正常工作状态下，阻挡切割气体从切割气体导向组件内部腔体进入到光学腔体内部，避免对第三光学系统保护镜的污染。

采用了本发明的可变光斑激光切割头装置，可以进行对输出的激光光斑直径及焦点深度进行控制，以解决不同厚度材料的切割技术难题，提高激光切割材料的隔缝质量和精度。本发明提供的这种变光斑激光切割装置，配置有对光斑调节的镜片组件，使光斑变化范围更大，解决了现有的移动准直镜的光斑变化范围小的问题。本发明提供的这种变光斑激光切割装置，在配置有光斑调节的镜片组件情况下，保留了原有的焦点调节装置，实现了可以同时对光斑大小以及焦点位置进行调节。

附图说明

图1为现有技术的激光切割头硬件示意图。

图2为现有技术的聚焦镜调焦方式示意图。

图3为现有技术的准直镜调焦方式示意图。

图4为本发明的可变光斑激光切割头装置的结构示意图。

图5为本发明的可变光斑激光切割头装置的结构示意图。

附图标记：

1 激光器光纤输出头

2 激光器光纤输出头耦合器

3 整体光学系统支撑固定框架

4 第一光学系统保护镜

5 变斑调节镜组

6 调焦镜组

7 聚焦镜组

8 第二光学系统保护镜

9 第三光学系统保护镜

10 切割气体导向组件

10a 切割气体

11 切割喷嘴

12 工件

13 变斑镜组驱动机构

14 调焦镜组驱动机构

15 激光器

21 准直镜组

22 聚焦镜组驱动机构

23 聚焦镜组支撑座组件

24 准直镜组驱动机构

25 准直镜组支撑座组件

具体实施方式

为了能够更清楚地描述本发明的技术内容，下面结合具体实施例来进行进一步的描述。

本发明的该可变光斑激光切割头装置，其中包括激光器光纤输出头1、激光器光纤输出头耦合器2、整体光学系统支撑固定框架3、第一光学系统保护镜4、变斑调节镜组5、调焦镜组6、聚焦镜组7、第二光学系统保护镜8、第三光学系统保护镜9、切割气体导向组件10、切割喷嘴11、变斑镜组驱动机构13、调焦镜组驱动机构14，所述的激光器光纤输出头耦合器2、第一光学系统保护镜4、变斑调节镜组5、调焦镜组6、聚焦镜组7、第二光学系统保护镜8、第三光学系统保护镜9、切割气体导向组件10、切割喷嘴11的中心轴线理论上在同一直线上，所述的激光器光纤输出头耦合器2、第一光学系统保护镜4、聚焦镜组7、第二光学系统保护镜8、第三光学系统保护镜9、切割气体导向组件10、变斑镜组驱动机构13、调焦镜组驱动机构14与整体光学系统支撑固定框架3固定，所述的激光器光纤输出头1置于激光器光纤输出头耦合器2上。

较佳地，所述的系统还包括激光器15，所述的激光器15产生的光束通过变斑调节镜组5后将光束合拢，通过调焦镜组6进行调整，通过聚焦镜组7进行聚焦，输出大小符合预设要求且可连续变换的光斑照射在工件的工作面上。

较佳地，所述的变斑调节镜组5通过变斑镜组驱动机构13驱动，沿光束轴线相对整体光学系统支撑固定框架3进行上下移动。

较佳地，所述的调焦镜组6通过调焦镜组驱动机构14驱动，沿光束轴线相对整体光学系统支撑固定框架3进行上下移动。

较佳地，所述的激光器光纤输出头耦合器2将激光器光纤输出头1与激光切割头相连接固定。

较佳地，所述的第一光学系统保护镜4用于阻挡执行激光器光纤输出头1与激光切割头相连接固定时引入的灰尘、水滴或其他异物。

较佳地，所述的第二光学系统保护镜8在更换第三光学系统保护镜9时，阻挡灰尘进入激光切割头光学系统内部，与第三光学系统保护镜9形成冗余保护。

较佳地，所述的第三光学系统保护镜9在整机设备正常工作状态下，阻挡切割气体10a从切割气体导向组件10内部腔体进入到光学腔体内部，避免对第三光学系统保护镜9的污染。

本发明的具体实施方式中，在原有的激光切割硬件设备上，增加了一组可调变光斑镜组，用于对激光光斑焦点进行控制。本发明配置有变光斑镜组及焦点调节镜组，可实现对光斑大小及焦点位置进行同时调节。

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种变光斑切割装置，其目的在于解决现有的移动准直镜或者聚焦镜变光斑方式光斑变化范围小、加工效果差的问题。

无需通过更换镜片规格，而只需调整镜片相对位置即可实现对光斑的直径和焦点深度进行控制。光斑的直径变化范围大于现有的仅有2倍的放大倍数。本发明在实现对光斑的调节基础上，同时保留原有对焦点位置的可调节控制。

为实现上述目的，本发明在方案图2的基础上，创新性的增加一组变斑调节镜组。

本发明整体硬件构成如附图所示，其中包括激光器光纤输出头耦合器2、整体光学系统支撑固定框架3、第一光学系统保护镜4、变斑调节镜组5、调焦镜组6、聚焦镜组7、第二光学系统保护镜8、第三光学系统保护镜9、切割气体导向组件10、切割喷嘴11、变斑镜组驱动机构13、调焦镜组驱动机构14。需要注意的是，激光器光纤输出头耦合器2、第一光学系统保护镜4、变斑调节镜组5、调焦镜组6、聚焦镜组7、第二光学系统保护镜8、第三光学系统保护镜9、切割气体导向组件10、切割喷嘴11的中心轴线理论上在同一直线上。

变斑调节镜组5可在变斑镜组驱动机构13的驱动下，沿光束轴线，相对整体光学系统支撑固定框架3进行上下移动调焦镜组6可在调焦镜组驱动机构14的驱动下，沿光束轴线，相对整体光学系统支撑固定框架3进行上下移动。

激光器光纤输出头耦合器2、第一光学系统保护镜4、第二光学系统保护镜8、第三光学系统保护镜9、聚焦镜组7、10切割切气体导向组件、变斑镜组驱动机构13、调焦镜组驱动机构14与整体光学系统支撑固定框架3固定。

激光器光纤输出头耦合器2的作用是把激光器光纤输出头1与激光切割头相连接固定。

第一光学系统保护镜4在整机设备上，容易进行更换维护，其作用是阻挡执行激光器光纤输出头1与激光切割头相连接固定时引入的灰尘、水滴或其他异物。

第二光学系统保护镜8在整机设备上，容易进行更换维护，其作用是阻挡在更换第三光学系统保护镜9时，灰尘进入激光切割头光学系统内部，与第三光学系统保护镜9形成冗余保护。

第三光学系统保护镜9在整机设备上，容易进行更换维护，其作用是在整机设备正常工作状态下，阻挡切割气体从切割气体导向组件10内部腔体进入到光学腔体内部，避免对第三光学系统保护镜9的污染。

本发明的采用对两组镜片进行移动调整实现对光斑特性的控制和调整，相比现有的移动准直镜变斑法或聚焦镜调节办法具有光斑变化范围更广，光斑特性变化更加符合实际需求。以下结合实施例和附图进一步具体阐述本发明。

实施例1提供的变斑激光切割装置的结构如图4所示意的，包括变斑调节镜组5和变斑镜组驱动机构13、调焦镜组6和调焦镜组驱动机构14以及聚焦镜组7。激光器15产生的光束通过变斑调节镜组5后将光束合拢，再经由调焦镜组6进行调整，最后经由聚焦镜组7进行聚焦，输出大小符合预设要求且可连续变换的光斑照射在工件的工作面上。

实施例提供的变斑激光切割装置的变斑调节镜组5在变斑镜组驱动机构13的驱动下移动，以实现对光斑特性的控制。实施例提供的调焦镜组6在调焦镜组驱动机构14的驱动下移动，以实现对光斑焦点位置的控制。实施例综上所述，可同时实现对光斑特性及光斑焦点位置进行控制。实施例提供的变斑激光切割装置的调焦镜组使用的镜片为双凹镜片，

采用了本发明的可变光斑激光切割头装置，可以进行对输出的激光光斑直径及焦点深度进行控制，以解决不同厚度材料的切割技术难题，提高激光切割材料的隔缝质量和精度。本发明提供的这种变光斑激光切割装置，配置有对光斑调节的镜片组件，使光斑变化范围更大，解决了现有的移动准直镜的光斑变化范围小的问题。本发明提供的这种变光斑激光切割装置，在配置有光斑调节的镜片组件情况下，保留了原有的焦点调节装置，实现了可以同时对光斑大小以及焦点位置进行调节。

在此说明书中，本发明已参照其特定的实施例作了描述。但是，很显然仍可以作出各种修改和变换而不背离本发明的精神和范围。因此，说明书和附图应被认为是说明性的而非限制性的。