[实用新型]新型高精度激光切割头

说明书

技术领域

本发明涉及一种新型高精度激光切割头，属于激光切割技术领域。

背景技术

激光切割作为一种快速高效的加工方式，已经在各种工业领域得到广泛应用。但正是由于其结构精密、加工效率很高，因此对操作者提出了较高的要求。比如对于焦点位置的掌握，对于不同材料不同厚度的原材料来说，焦点位置的零点几毫米的偏差就会导致完全不同的加工效果。另一方面焦点的大小对于切割也有着决定性的影响，比如薄板切割时，通常希望焦点能尽可能的小，使激光的能量高度集中在一个很小的范围，这样在不增加激光器输出功率的条件下也可以使切割速度显著提高，同时工件的热影响区也会缩小，使得工件不会受热变形影响相对位置度及工件自身的平面度。但是对于厚板切割来说，如果焦点过小则会导致切割所需的辅助气体无法到达割缝深处，使得切割不能持续或者切割断面十分粗糙，这也成为高功率光纤激光切割机切割厚板的一个主要限制因素。由于光纤激光切割机的焦点大小取决于光纤芯径、准直镜焦距、聚焦镜焦距三个因素。并且由于其功率密度极高对光学组件的清洁度有极高要求，即使肉眼不可见的灰尘如果沾染在光学组件上也可能造成不可修复的损坏。所以光纤端面到保护镜之间的各种光学组件必须整体密封在设备内，在设备使用现场不能随意更换。

因此对于今后的高度自动化程度的激光切割来说，要实现无人工干预的多种板材及厚度的连续自动加工，焦点位置和焦点大小的独立自动设定是一个必须解决的问题。目前对于使用1微米波长的高功率厚板切割国外已经取得了技术突破并逐步进入量产阶段。主要有以下两种形式：

1、移动透镜组变焦技术

其原理和照相机的变焦镜头十分相似，通过在切割头内布置多组透镜，相互补偿。进而实现焦点位置和焦点大小的独立设定。

2、切换工作光纤

其原理类似于在谐振腔和切割头之间布置一根以上不同芯径的工作光纤，在需要改变切割参数的时候通过切换工作光纤来实现焦点大小的变化。

现有技术仍存在以下技术问题：

1、移动透镜组方案的技术缺陷

对于使用移动透镜组变焦技术的方案来说，其最大的缺点在于其内部的透镜数量非常多。

以这一类型目前比较成功的某美国公司方案为例，其内部包含8片曲率透镜。分为三组移动。也就是说要有三套伺服机构来驱动这些镜片组的移动。所以其机械结构非常复杂庞大，并且总质量也大，由于激光切割机的传动形式通常为串联结构，而切割头一般作为最后一级，切割头质量每增加10公斤就需要前面各级所有的驱动力及机械刚度成倍提高。由于结构十分复杂一旦某个镜片发生损坏更换也会比较困难。同时由于镜片数量从2片变为8片，激光每穿过一片镜片就会有一定损耗，这些损失的能量会转变为发热，因此增加的6片镜片将额外消耗很多激光能量，同时也增加了散热系统的负担。并且由于1μm波长激光主要使用熔石英透镜，这种透镜是热的不良导体。当发热达到一定程度时，镜片会产生温度梯度，造成变形导致曲率变化精度丧失，也就是热透镜效应。由于这些镜片需要经常移动，所以无法通过循环水直接冷却，只能靠热传导的方式将其热量逐层转移到切割头外壳的冷却回路内。密封问题，由于切割头本身需要严密密封，当其内部有活动部件时，其运动会导致两侧腔体容积的变化，这时这些移动的镜组就像气缸中的活塞，在负压状态下可能导致细小的颗粒进入切割头内部。由于光纤头内部的能量密度极高，肉眼无法发现的灰尘一旦沾染在光纤端头也很可能造成光纤烧毁。热透镜效应如附图1所示，综上移动透镜组方案有以下明显缺点：

(1)、结构复杂、体积庞大、重量大，

(2)、镜片数量多，发热多，但受限于其运动需要无法直接冷却，

(3)、热透镜效应限制了其所能承受的最大功率，

(4)、镜片的移动可能导致外部颗粒污染切割头内部，

(5)、镜片的移动需要一定时间，不适应快速频繁的参数切换；

2、使用切换工作光纤来实现改变焦点直径的方案技术缺陷