CN110153554B - 激光加工头 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种抑制保护窗的污染的激光加工头。该激光加工头具备：保护窗，其相对于激光的光轴倾斜地配置；流入口，其配置于保护窗的下游，供气体流入；以及分流突起，其将气体分流为沿保护窗的表面平行地流动的第一层流和朝向被加工件流动的第二层流。分流突起配置于以激光的光轴为中心与流入口相向的位置。

Description

激光加工头
技术领域
本发明涉及一种激光加工头，尤其涉及一种抑制保护窗的污染的激光加工头。
背景技术
激光加工装置构成为：利用光纤等传输由激光振荡器产生的激光，利用设置于激光加工头的内部的聚光透镜使焦点结于被加工件来进行照射。在聚光透镜与被加工件之间设置有保护窗，该保护窗保护聚光透镜免受在加工被加工件时产生的溅射物(sputter)、烟尘、粉尘等(以下仅称为“粉尘”。)的污染。另外，向加工区域供给保护气体、辅助气体等(以下仅称为“气体”。)，来避免加工质量劣化。
另外，在激光加工中，当在加工时产生的粉尘附着于保护窗等时，妨碍激光的聚光，使加工质量劣化。为了防止保护窗的污染，例如在日本特开平11-239889号公报中提出了如下的激光焊接头，该激光焊接头具备：喷嘴，其在聚光透镜的聚光侧排出从气体喷射口喷射出的辅助气体；以及环状的整流板，其在喷嘴与聚光透镜之间的内部空间具有与激光束的光轴垂直的平面。整流板越靠近被加工件，则整流板的内径越小，从气体喷射口沿整流板喷射出的气体从喷嘴保持件的内部空间被排出到外部空间。
在日本特开2015-9270号公报中提出了如下的激光加工头，该激光加工头具备配置于供激光射出的开口部的保护玻璃和沿保护玻璃的外表面吹送空气的吹气喷嘴。通过将保护玻璃的外表面和开口部的缘部配置在同一平面上，来防止在激光加工时产生的雾状污染物附着于保护玻璃的表面。
在日本特开2007-21574号公报中提出了如下的激光加工头，该激光加工头具备形成为锥状的间隙的空气供给部。空气供给部产生去向被加工件的帘状的空气，使空气一边在喷嘴主体的内部的锥面流下一边汇集，在喷嘴主体的外部聚焦，将喷嘴主体的内部和外部切断，由此防止溅射物、烟尘侵入到喷嘴主体的内部。
在日本特开平5-212576号公报中提出了如下的加工头，该加工头虽然不是防止保护玻璃的污染的加工头，但是通过使保护玻璃与水平相比前后倾斜3度～7度，来抑制在保护玻璃处的反射。
发明内容
虽然通过对向保护窗飞来的粉尘吹送气体来防止保护窗的污染，但是保护窗的更换频度依然是高的状态。因此，要求以简单的结构进一步抑制保护窗的污染的技术。
本公开的一个方式提供如下的激光加工头，该激光加工头抑制保护窗的污染，该激光加工头具备：保护窗，其相对于激光的光轴倾斜地配置；流入口，其配置于保护窗的下游，供气体流入；以及分流突起，其将气体分流为沿保护窗的表面平行地流动的第一层流和朝向被加工件流动的第二层流。
附图说明
图1是示出一个实施方式中的激光加工装置的概要结构的概要图。
图2A是第一实施方式中的激光加工头的纵截面图。
图2B是与图2A的截面A-A对应的激光加工头的横截面图。
图2C是具备变形例的分流突起的激光加工头的纵截面图。
图2D是表示从流入口观察的变形例的分流突起的主视图。
图3A是第二实施方式中的激光加工头的纵截面图。
图3B是与图3A的截面B-B对应的激光加工头的横截面图。
图3C是与图3A的部分C对应的流入口的放大的纵截面图。
图3D是与图3C的截面D-D对应的流入口的放大的横截面图。
图4A是第三实施方式中的激光加工头的纵截面图。
图4B是与图4A的截面E-E对应的激光加工头的横截面图。
图5是表示在图2B、图3B和图4B中说明的光束直径的计算方法的图。
具体实施方式
下面，参照附图来详细地说明本公开的实施方式。在各附图中，对相同或类似的结构要素标注相同或类似的附图标记。另外，下面所记载的实施方式并不用于限定权利要求书所记载的发明的技术范围以及词语的含义。此外，本说明书中的词语“上游”是指正向前进的激光的路径中的上游侧，用语“下游”是指正向前进的激光的路径中的下游侧。
图1是示出一个实施方式中的激光加工装置10的概要结构的概要图。激光加工装置10具备：激光振荡器11；激光加工头12，其对来自激光振荡器11的激光进行引导，使其照射到被加工件15；数值控制装置13，其控制激光加工装置10的整体；以及驱动控制装置14，其控制加工台16沿X轴、Y轴和Z轴的驱动以及聚光透镜22沿V轴的驱动。激光加工头12具备：准直透镜21，其使来自激光振荡器11的激光成为平行光；聚光透镜22，其使激光会聚于被加工件15；保护窗23，其保护聚光透镜22免受粉尘污染；以及喷嘴24，其将气体从流出口17吹送到被加工件15。
保护窗23由利用反射涂覆进行了表面处理的玻璃材料等构成。保护窗23配置为堵塞激光加工头12的内壁，使得避免粉尘附着于聚光透镜22。另外，保护窗23相对于激光的光轴倾斜地配置。作为保护窗23的倾斜角度，优选为15度以上。由此，在对被加工件15进行激光加工时朝向保护窗23飞来的粉尘的碰撞角度变浅。
图2A是第一实施方式中的激光加工头12的纵截面图。激光加工头12还具备：流入口30，其配置于保护窗23的下游，供气体流入；以及分流突起31，其将从流入口30流入的气体流27分流为沿保护窗23的表面平行地流动的第一层流25和朝向被加工件15流动的第二层流26。通过使第一层流25沿保护窗23的表面平行地流动，使得粉尘P1在碰撞到保护窗之前被第一层流25弹开。
分流突起31配置于以激光的光轴O为中心来与流入口30相向的位置。从流入口30流入的气体流27朝向分流突起31流动，因此粉尘P2在到达第一层流25之前被气体流27弹开。分流突起31形成为在包括激光的光轴O的纵截面中朝向流入口30变细的锥形状。由于分流突起31具有锥形状，因此在从流入口30流入的气体流27碰撞到分流突起31而被分为2个分流时，一个分流容易去向保护窗23，另一个分流容易去向被加工件15。激光加工头12也可以在分流突起31的上游还具有整流突起28。整流突起28使被分流突起31分流后去向保护窗23的一个分流容易地变换为沿保护窗23的表面的平行的第一层流25。
流入口30在激光的光轴O的方向上具有第一宽度32，分流突起31在激光的光轴O的方向上具有第二宽度33，优选第一宽度32形成为比第二宽度33小。由此，在从流入口30流入的气体流27碰撞到分流突起31而被分为2个分流时，一个分流的大部分去向保护窗23，另一个分流的大部分去向被加工件15。
图2B是与图2A的截面A-A对应的激光加工头12的横截面图。流入口30在与激光的光轴O正交的方向上具有第三宽度34，分流突起31在与激光的光轴O正交的方向上具有第四宽度35。优选第三宽度34和第四宽度35分别形成为比激光的光束直径R大。由此，沿保护窗23的表面平行地流动的第一层流25成为比激光的光束直径R大的流，抑制粉尘向保护窗23中的激光的通过区域的附着。另外，流入口30的第三宽度34也可以形成为比分流突起31的第四宽度35小。由此，在从流入口30流入的气体流27碰撞到分流突起31而分为2个分流时，一个分流的大部分去向保护窗23，另一个分流的大部分去向被加工件15。
图2C是具备变形例的分流突起36的激光加工头12的纵截面图，图2D是表示从流入口30观察的变形例的分流突起36的主视图。分流突起36具有在包括激光的光轴O的纵截面中从朝向流入口30变细的锥形状37过渡为梯形状38的形状。由此，朝向被加工件流动的第二层流26成为以激光的光轴O为中心呈螺旋状地旋转的流，紊流的产生得到抑制。另外，粉尘P3在到达从流入口30流入的气体流27之前被第二层流26弹开。
根据第一实施方式中的激光加工头12，保护窗23相对于激光的光轴O倾斜地配置，由此粉尘P1向保护窗23碰撞的碰撞角度变浅。粉尘P1～P3在到达保护窗23之前，被由沿保护窗23的表面平行地流动的第一层流25、从流入口30流入的气体流27和朝向被加工件呈螺旋状旋转地流动的第二层流26构成的三层的气体流以3个阶段弹开。由此，能够以简单的结构进一步抑制保护窗23的污染。
图3A是第二实施方式中的激光加工头12的纵截面图。第二实施方式中的激光加工头12具备：保护窗23，其相对于激光的光轴O倾斜地配置；流入口40，其配置于保护窗23的下游，供气体流入；以及分流突起41，其将流入口40分割为与保护窗23的表面平行的方向和去向被加工件的方向来形成第一流入口42和第二流入口43。分流突起41具有在包括激光的光轴O的纵截面中朝向远离激光的方向变细的锥形状。通过使分流突起41具有锥形状，在从流入口40流入的气体流碰撞到分流突起41而分为2个分流时，一个分流去向保护窗23，另一个分流去向被加工件15。
第一流入口42朝向与保护窗23的表面平行的方向，使第一层流25从保护窗23的下游向上游流动。由此，粉尘P4在碰撞到保护窗23之前被第一层流25弹开。另一方面，第二流入口43朝向去向被加工件的方向，使第二层流26以激光的光轴O为中心呈螺旋状地流动。由此，抑制紊流的产生，并且粉尘P5在到达第一层流25之前被第二层流26弹开。
图3B是与图3A的截面B-B对应的激光加工头12的横截面图。如图3A和图3B所示，第一流入口42具有在激光的光轴O的方向上的第一宽度44以及在与激光的光轴O正交的方向上的第二宽度45，形成为第一宽度44比第二宽度45小。由此，生成层状的流(第一层流25)，抑制紊流的产生。另外，第一流入口42的第二宽度45比激光的光束直径R大。由此，沿保护窗23的表面平行地流动的第一层流25成为比激光的光束直径R大的流，抑制粉尘向保护窗23中的激光的通过区域的附着。
图3C是与图3A的部分C对应的流入口40的放大的纵截面图。分流突起41具有第一面50以及与第一面50相反的一侧的第二面51，分流突起41的第一面50与第一流入口42的面向分流突起41的第一面50的第三面52平行，分流突起41的第二面51与第二流入口43的面向分流突起41的第二面51的第四面53平行。由此，从第一流入口42和第二流入口43流入的气体流为层状。
图3D是与图3C的截面D-D对应的流入口40的放大的横截面图。第二流入口43具有相对于包括激光的光轴O的纵截面倾斜的第五面54和第六面55。由此，第二层流26一边以激光的光轴O为中心呈螺旋状地旋转一边去向被加工件，抑制紊流的产生。
根据第二实施方式中的激光加工头12，保护窗23相对于激光的光轴O倾斜地配置，由此粉尘P4向保护窗23碰撞的碰撞角度变浅。粉尘P4、P5在到达保护窗23之前被由沿保护窗23的表面平行地流动的第一层流25和朝向被加工件呈螺旋状旋转地流动的第二层流26构成的二层的气体流弹开。由此，能够以简单的结构进一步抑制保护窗23的污染。
图4A是示出第三实施方式中的激光加工头12的纵截面图。第三实施方式中的第一流入口62在被配置为使第一层流25从保护窗23的上游朝向下游流动这一点上与第二实施方式中的第一流入口42不同。通过使第一层流25从保护窗23的上游向下游流动，到达保护窗23的下游的第一层流25以浅的角度碰撞激光加工头12的内周面，容易去向被加工件。
另一方面，第二流入口63与第二实施方式中的第二流入口43相同，朝向去向被加工件的方向，使第二层流26以激光的光轴O为中心呈螺旋状流动。并且，分流突起61与第二实施方式中的分流突起41相同，形成为在包括激光的光轴O的纵截面中朝向远离激光的方向变细。
图4B是与图4A的截面E-E对应的激光加工头12的横截面图。如图4A和图4B所示，第一流入口62具有在激光的光轴O的方向上的第一宽度64以及在与激光的光轴O正交的方向上的第二宽度65，形成为第一宽度64比第二宽度65小。由此，生成层状的流(第一层流25)，抑制紊流的产生。另外，第一流入口62的第二宽度65比激光的光束直径R大。由此，沿保护窗23的表面平行地流动的第一层流25成为比激光的光束直径R大的流，抑制粉尘向保护窗23中的激光的通过区域的附着。此外，需要注意的是，第三实施方式中的激光加工头12的其它结构与第二实施方式中的激光加工头的结构相同。
根据第三实施方式中的激光加工头12，保护窗23相对于激光的光轴O倾斜地配置，由此粉尘P6向保护窗23碰撞的碰撞角度变浅。通过使第一层流25从保护窗23的上游向下游流动，到达保护窗23的下游的第一层流25以浅的角度碰撞激光加工头12的内周面，容易去向被加工件。
图5是表示在图2B、图3B和图4B中说明的光束直径R的计算方法的图。在该例子中，激光加工装置具备：光纤70，其具有直径100μm和数值孔径NA＝0.08；准直透镜21，其具有焦距F＝100mm；聚光透镜22，其具有焦距F＝100mm；保护窗23，其配置于聚光透镜22的下游，相对于激光B的光轴O倾斜地配置；以及流入口71，其配置于在保护窗23的下游距聚光透镜22距离L的位置。
此时，当将光束发散角设为θ时，NA(0.08)＝sinθ，因此光束发散角θ为arcsin(0.08)≈4.589°。另外，当将准直透镜21与聚光透镜22之间的光束半径设为D时，D/100mm＝tan(4.589°)，因此所述的光束半径D为约8.03mm。并且，当将配置流入口71的位置处的光束半径设为Ds时，Ds/(100mm-L)＝tan(4.589)，因此所述的光束半径Ds为约0.0802×(100mm-L)。因此，在图2B、图3B和图4B中说明的光束直径R为Ds的2倍即0.1604×(100mm-L)。因此，优选在与激光B的光轴O正交的方向上的流入口71的宽度形成为比所述的光束直径R大。
在本说明书中对各种实施方式进行了说明，但是需要认识到，本发明并不限定于所述的各种实施方式，能够在权利要求书所记载的范围内进行各种变更。

Claims (15)

1.一种激光加工头，抑制保护窗的污染，该激光加工头的特征在于，具备：
保护窗，其相对于激光的光轴倾斜地配置；
流入口，其配置于所述保护窗的下游，供气体流入；以及
分流突起，其将所述气体分流为沿所述保护窗的表面平行地流动的第一层流和朝向被加工件流动的第二层流。
2.根据权利要求1所述的激光加工头，其特征在于，
所述分流突起配置于与所述流入口以所述激光的光轴为中心地相向的位置。
3.根据权利要求2所述的激光加工头，其特征在于，
所述分流突起具有在包括所述激光的光轴的截面中朝向所述流入口变细的锥形状。
4.根据权利要求2所述的激光加工头，其特征在于，
所述分流突起具有在包括所述激光的光轴的截面中从朝向所述流入口变细的锥形状过渡为梯形状的形状。
5.根据权利要求3或4所述的激光加工头，其特征在于，
所述流入口在所述激光的光轴的方向上具有第一宽度，所述分流突起在所述激光的光轴的方向上具有第二宽度，所述第一宽度比所述第二宽度小。
6.根据权利要求3或4所述的激光加工头，其特征在于，
所述流入口在与所述激光的光轴正交的方向上具有第三宽度，所述分流突起在与所述激光的光轴正交的方向上具有第四宽度，所述第三宽度和所述第四宽度均比所述激光的光束直径大。
7.根据权利要求1所述的激光加工头，其特征在于，
所述分流突起将所述流入口分割为与所述保护窗的表面平行的方向和去向所述被加工件的方向，来形成第一流入口和第二流入口。
8.根据权利要求7所述的激光加工头，其特征在于，
所述第一流入口朝向与所述保护窗的表面平行的方向，使所述第一层流从所述保护窗的下游向上游流动。
9.根据权利要求7所述的激光加工头，其特征在于，
所述第一流入口朝向与所述保护窗的表面平行的方向，使所述第一层流从所述保护窗的上游向下游流动。
10.根据权利要求7至9中的任一项所述的激光加工头，其特征在于，
所述第二流入口朝向去向所述被加工件的方向，使所述第二层流以所述激光的光轴为中心呈螺旋状流动。
11.根据权利要求7至9中的任一项所述的激光加工头，其特征在于，
所述分流突起具有第一面以及与所述第一面相反的一侧的第二面，所述分流突起的第一面与所述第一流入口的第三面平行，所述分流突起的第二面与所述第二流入口的第四面平行，所述第一流入口的第三面面向所述分流突起的第一面，所述第二流入口的第四面面向所述分流突起的第二面。
12.根据权利要求7至9中的任一项所述的激光加工头，其特征在于，
所述第二流入口具有相对于包括所述激光的光轴的截面倾斜的第五面和第六面。
13.根据权利要求7至9中的任一项所述的激光加工头，其特征在于，
所述分流突起具有在包括所述激光的光轴的截面中朝向远离所述激光的方向变细的锥形状。
14.根据权利要求7至9中的任一项所述的激光加工头，其特征在于，
所述第一流入口具有在所述激光的光轴的方向上的第一宽度以及在与所述激光的光轴正交的方向上的第二宽度，所述第一宽度比所述第二宽度小。
15.根据权利要求14所述的激光加工头，其特征在于，
所述第一流入口的所述第二宽度比所述激光的光束直径大。
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