CN203227932U - 一种多层气帘型激光切割头 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种多层气帘型激光切割头，包括激光聚焦头外套筒，还包括设置在激光聚焦头外套筒上端的聚焦镜组，还包括从上至下依次设置在激光聚焦头外套筒侧壁上的第一层喷头、第二层喷头、第三层喷头和激光加工气进气口，激光聚焦头外套筒下端设置有激光加工喷嘴，激光聚焦头外套筒内设置有保护窗镜，保护窗镜垂直于聚焦镜组的光轴且位于第三层喷头和激光加工气进气口之间。本实用新型通过多层保护气喷头的合理布局，控制保护气体的流动方向和压力，达到更为可靠的保护效果。

Description

一种多层气帘型激光切割头

技术领域

本实用新型涉及激光器领域，更具体涉及一种多层气帘型激光切割头，适用于机床、工程机械、电气开关制造、电梯制造、粮食机械、纺织机械、机车制造、农林机械、食品机械、特种汽车、石油机械制造、环保设备、家用电器制造、大电机硅钢片等各种机械制造加工行业。

背景技术

随着激光技术的不断发展，激光设备已经成为现代化加工的重要装备之一，其加工过程的高效性、可控性、环保性、节能性等优点受到了市场的青睐，在冶金、钢铁、汽车等国民经济的重大行业中发挥着越来越重要的作用。

激光设备一般来说主要由激光光源、光路传输***、光学聚焦头、控制机构、运动机构、辅助加工***等单元组成。激光光源所产生的激光束经过外光路传输***传输到光学聚焦头，将大尺寸光斑聚焦到所需要的光斑进行切割、焊接、热处理等应用。由于在加工的过程中，与被加工的工件相互作用的焦点处功率密度极高，瞬间将工件熔化（气化），同时产生大量等离子体并飞溅出大量的残渣，这些残渣会沿着光路部分进入切割头内部，附着在聚焦镜片表面污染聚焦镜，从而造成聚焦镜片的损害或炸裂，影响激光聚焦头的正常工作，在实际应用中制约了激光设备的长期安全可靠的运行。

为解决此问题，激光聚焦头在设计的过程中采用了多种保护技术，通常在聚焦镜前端增加一片激光保护窗镜，以阻挡飞溅的残渣直接污染聚焦镜。或者在聚焦镜和保护窗镜之间进行密封或通入气体形成正的压力保护，以阻隔飞溅残渣通过保护窗镜直接污染聚焦镜片。但是此类方案结构虽然简单，但是当激光保护窗镜损伤或者保护窗镜与聚焦镜之间的密封室封闭不严时，仍会有微小残渣进入，造成聚焦镜片的破损，影响该设备的正常运行。

实用新型内容

本实用新型的目的是在于针对现有技术存在的上述问题，提供一种多层气帘型激光切割头，通过多层保护气喷头的合理布局，控制保护气体的流动方向和压力，达到更为可靠的保护效果。

本实用新型的上述目的通过以下技术方案实现：

一种多层气帘型激光切割头，包括激光聚焦头外套筒，还包括设置在激光聚焦头外套筒上端的聚焦镜组，还包括从上至下依次设置在激光聚焦头外套筒侧壁上的第一层喷头、第二层喷头、第三层喷头和激光加工气进气口，激光聚焦头外套筒下端设置有激光加工喷嘴，激光聚焦头外套筒内设置有保护窗镜，保护窗镜垂直于聚焦镜组的光轴且位于第三层喷头和激光加工气进气口之间。

如上所述的第一层喷头至少为1个，分布在以聚焦镜组的光轴为中心轴的圆周上；所述的第二层喷头至少为1个，分布在以聚焦镜组的光轴为中心轴的圆周上；所述的第三层喷头至少为1个，分布在以聚焦镜组的光轴为中心轴的圆周上。

如上所述的第一层喷头的喷头出口方向朝向聚焦镜组且喷头出口方向与聚焦镜组的光轴的夹角为β，30°≤β≤90°；第二层喷头的喷头出口方向朝向激光加工气进气口且喷头出口方向与聚焦镜组的光轴的夹角为α，30°≤α≤90°；第三层喷头的喷头出口方向与聚焦镜组的光轴垂直。

如上所述的聚焦镜组为单个镜片或至少2个镜片组成的镜片组，每个镜片的上下表面均镀设有增透膜。

本实用新型与现有技术相比，具有以下优点：

1、采用超硬膜层的激光保护层，提高了最外层聚焦镜片的自主保护能力。

2、采用双向密封技术，提高了聚焦镜和保护窗镜之间封闭室的密封程度。

3、环状阵列型的多层保护喷头，使得保护气在密封室形成分布均匀的正压，一旦保护窗镜损伤时，就会形成高效带方向性气流，阻碍飞溅残渣对聚焦镜片的污染和损害，实现安全可靠的保护。

4、设备体积较小、机械结构实现及调整简单、质量较轻，便于工业应用。

附图说明

图1为本实用新型的结构图。

图中：1-经准直后的激光光束；2-激光聚焦头外套筒；3-聚焦镜组；4-密封保护室；5-第一层喷头；6-第二层喷头；7-第三层喷头；8-保护窗镜；9-激光加工喷嘴；10-第一层保护气进气口；11-第二层保护气进气口；12-第三层保护气进气口；13-激光加工气进气口；G-激光光路。

图2为图1中A-A的结构剖视图。

图中γ1为第一层喷头5喷头出口中心线与第一层进气口10中心线的夹角，γ2为第二层喷头6喷头出口中心线与第二层进气口11中心线的夹角。

图3为本实用新型的激光加工头工作的示意图。

图中：P1为第一层喷头5进气压力，P2为第二层喷头6进气压力，P3为第三层喷头7进气压力，a、b、c均为保护窗镜8损坏后第一、二、三层喷头进气气流方向，β为第一层喷头出口5中心线与聚焦镜组光轴的夹角，α为第二层喷头出口6中心线与聚焦镜组光轴的夹角。

具体实施方式

以下结合附图对本实用新型的技术方案作进一步详细描述。

实施例1

如图1所示，本实用新型采用透镜组作为光学聚焦镜，多层保护喷头阵列分布的密封保护室，保护窗镜，聚焦头外套筒，加工喷嘴。通过控制不同层位置喷头阵列的气流的方向和大小，来实现更为高效的保护，提高激光加工过程中聚焦镜片的安全性。

第一层喷头5紧贴聚焦镜组3下表面，每一个喷孔的纵向剖面为V型结构，可以是圆形、矩形、方形等形状的喷孔，沿着聚焦镜组3的光轴的一周均匀分布，每个喷头出口中心线与激光中心线存在一定的锐角或直角夹角，其角度为β，每个喷头出口中心线与保护气进气口中心线存在一定的锐角或直角夹角，保护气进气口的延伸方向穿过聚焦头外套筒横截面的圆心，其角度为γ1（0°≤γ1≤90°）；第二层喷头位于圆柱型密封保护室的中部，为圆型、矩形、方形等形状的喷孔，沿着密封室的一周均匀分布，每个喷头出口中心线与激光中心线存在一定的锐角或直角夹角，其角度为α，每个喷头出口中心线与保护气进气口中心线存在一定的锐角或直角夹角，其角度为γ2（0°≤γ2≤90°），γ1、γ2可以相等，也可以不相等；第三层喷头紧贴在保护窗镜的上表面，为圆型、矩形、方形等形状的喷孔，沿着密封保护室的一周均匀分布，每个喷头的轴线与激光光轴垂直；入射的激光光束依次穿过聚焦镜片、密封保护室、保护窗镜、激光加工喷嘴，在聚焦平面形成聚焦光斑。由于采用了多层不同角度入射的保护气体，聚焦头处激光聚焦镜的损伤的概率极大的降低，实现激光聚焦头更为安全可靠的运行。

如图1所示，激光光束1，一般为经过光学***准直后的固体激光器的激光、半导体激光、光线激光、气体CO2激光等光束；

激光聚焦头外套筒2，为整个激光聚焦头提供机械支撑。

聚焦镜组3，为一系列的光学元件，可以是单片镜片，也可以是多片镜片组成的镜片组，每个镜片的两个表面均镀有入射激光的增透膜用以减少入射准直光的损耗。

密封保护室4，由聚焦镜组3的最下方一片镜片、保护窗镜8、第一层喷头5、第二层喷头6和第三层喷头7组成。聚焦镜组3的最下方一片镜片下端及保护窗镜8上端均用密封圈进行密封，密封保护室内有正压力的纯净的保护气。

激光加工喷嘴9，为聚焦后的激光光束和激光加工用辅助气体提供必要的通道。

第一层保护气进气口10、第二层保护气进气口11、第三层保护气进气口12均为密封保护室4的进气口，不同层的进气孔的气体压力及气流方向不同。

激光加工气进气口13，为激光加工辅助气体的进气口，为激光加工（切割、焊接、热处理）提供必要的辅助气体。

本实用新型所述的激光加工头的工作过程如下：

如图3所示，给出了该激光加工头工作的示意图，在正常条件下，第一层喷头5紧贴聚焦镜组3下表面，每一个喷孔的纵向剖面为V型结构，为圆型、矩形、方形等形状的喷孔，沿着密封保护室的一周均匀分布，每个喷头出口中心线与激光中心线存在一定的锐角或直角夹角，其角度为β（即第一层喷头5的喷孔的出口方向与聚焦镜组3的光轴的夹角）（30°≤β≤90°），以保证进入密封保护室4内部的气体沿着最后一片聚焦镜下表面流动；第二层喷头6位于圆柱型密封保护室的中部，每一个喷孔为V型结构，为圆型、矩形、方形等形状喷孔，沿着密封室一周均匀分布，每个喷头出口中心线与激光中心线存在一定的锐角或直角夹角，其角度为α（即第二层喷头6的喷孔的出口方向与聚焦镜组3的光轴的夹角）（30°≤α≤90°），该部分喷头阵列在为密封保护室提供正压的同时，提供方向指向保护窗片方向的气压；第三层喷头7紧贴在保护窗镜的上表面，为圆型、矩形、方形等形状喷孔，沿着密封保护室一周均匀分布，每个喷头出口中心线与激光光轴垂直，该部分喷头阵列在为保护室提供正压的同时，为保护窗片提供层流保护。当保护窗镜8由于溅射残渣破损后，残渣将进入保护室，保护室的密封性遭到破坏。此时第三层喷头7提供的横向气流c起到第一道阻隔作用，同时第二层喷头6向下方的侧向气流b起到了第二道阻隔作用，第一层喷头5在聚焦镜下表面高速的流动气流a起到了第三道阻隔作用，在实际的应用中第一层喷头5的进气压力P1大于第二层喷头6的进气压力P2，第二层喷头6的进气压力P2大于第三层喷头7的进气压力P3。因此此时密封保护室形成了图3中箭头方向所示的气流流场，飞溅的残渣无法穿过密封保护室附着到聚焦镜片表面，对镜片表面起到了极大的保护作用。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本实用新型精神作举例说明。本实用新型所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本实用新型的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (4)

1.一种多层气帘型激光切割头，包括激光聚焦头外套筒（2），其特征在于，还包括设置在激光聚焦头外套筒（2）上端的聚焦镜组（3），还包括从上至下依次设置在激光聚焦头外套筒（2）侧壁上的第一层喷头（5）、第二层喷头（6）、第三层喷头（7）和激光加工气进气口（13），激光聚焦头外套筒（2）下端设置有激光加工喷嘴（9），激光聚焦头外套筒（2）内设置有保护窗镜（8），保护窗镜（8）垂直于聚焦镜组（3）的光轴且位于第三层喷头（7）和激光加工气进气口（13）之间。

2.根据权利要求1所述的一种多层气帘型激光切割头，其特征在于，所述的第一层喷头（5）至少为1个，分布在以聚焦镜组（3）的光轴为中心轴的圆周上；所述的第二层喷头（6）至少为1个，分布在以聚焦镜组（3）的光轴为中心轴的圆周上；所述的第三层喷头（7）至少为1个，分布在以聚焦镜组（3）的光轴为中心轴的圆周上。

3.根据权利要求1所述的一种多层气帘型激光切割头，其特征在于，所述的第一层喷头（5）的喷头出口方向朝向聚焦镜组（3）且喷头出口方向与聚焦镜组（3）的光轴的夹角为β，30°≤β≤90°；第二层喷头（6）的喷头出口方向朝向激光加工气进气口（13）且喷头出口方向与聚焦镜组（3）的光轴的夹角为α，30°≤α≤90°；第三层喷头（7）的喷头出口方向与聚焦镜组（3）的光轴垂直。

4.根据权利要求1所述的一种多层气帘型激光切割头，其特征在于，所述的聚焦镜组（3）为单个镜片或至少2个镜片组成的镜片组，每个镜片的上下表面均镀设有增透膜。

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