[发明专利]适于机床的激光切割头

说明书

技术领域

本发明涉及适于切割机床的激光切割装置，以及具体涉及将用在适于金属片材的切割/冲压机床中的光纤激光切割系统中的激光切割头。

背景技术

使用激光系统对部件进行切割、雕刻和焊接是众所周知的，并在用于处理金属片材和板材的机床领域内广泛地应用。

激光装置通过激发的发射过程而发出集中成具有极高发光度(亮度)的直线光束的相干单色光线。将大量的能量集中在非常小的点内的可行方案使得激光装置能够对金属进行切割、雕刻和焊接。金属材料的切割通常通过汽化发生，并且特别是通过融合发生。在该后一情况下，激光束将金属小点熔融，并且通过鼓风或喷射气流将熔融的金属(浮渣)去除。

不同类型的激光源可用于生成适于切割金属的光束。通常情况下，使用气体(二氧化物、一氧化碳、二氧化碳)和固态(二极管、掺杂玻璃、纤维)激光器。

在机床中，由于切割金属片材以及特别是厚金属片材所需的高能量水平，激光发射装置的尺寸和重量使其难以定位在机器上。激光束由激光切割头或聚焦头聚焦在工件上，所述激光切割头或聚焦头通过光学链(在二氧化碳激光器中)或传输光纤(光纤，例如在YAG二极管激光器中)连接到所述发射装置。由于其降低的尺寸和重量，激光切割头实际上可由机床以一定的精度和速度移动以便切割工件。

在所谓的光纤激光切割系统中，其中光纤线缆用于将激光束传输到所述切割头，后者即所述切割头通常包括光准直器，其将离开光纤的光束会聚到聚焦单元上，所述聚焦单元能够将准直激光束聚焦到工件上以便进行切割。

聚焦的激光束通过切割喷嘴离开聚焦头，所述切割喷嘴将用于去除由金属融合所产生浮渣的鼓风或喷射气流集中，并限制浮渣到达聚焦单元的可能性。聚焦单元允许将激光束集中，即将其焦点或聚焦点定位在工件表面上的给定点上以便切割或立即到达该表面下方。焦点的正确定位是集中激光束的全功率和正确地切割材料所必要的。

聚焦单元通常包括安装在透镜保持器滑动件或滑架上的聚焦透镜，所述透镜保持器滑动件或滑架能够沿着平行于激光束方向的调节方向移动，以使后者即激光束可被聚焦。更精确地，透镜保持器滑动件通过相应的致动器移动，所述致动器根据切割头和工件表面之间的距离受到控制，所述距离由安装在切割头上的适当的传感器测量。工件的表面(例如大的金属片材)实际上通常是不规则的、不平坦的，和弯曲的。

聚焦透镜和相对的透镜保持器滑动件容纳在密封的容器或壳体内，以防止污染物和外来元素进入，污染物和外来元素可能弄脏透镜，从而改变其光学特性。

提供冷却系统，以便冷却切割头以及尤其是冷却聚焦透镜。穿过透镜的激光束的能量的一小部分实际上由于不同的原因而被吸收并转化成热量，主要是因为光学器件(涂层和基材)并非绝对透明。通过长期使用所产生的热量会导致整个切割头特别是聚焦透镜的温度上升。这种温度上升会导致透镜本身折射率的变化，因此会导致焦点偏移。通常被称为“热焦点偏移”的这种现象使得切割系统不能将激光束聚焦在工件表面上的所需的最佳点内，并使得其切割特性随之恶化，以至于到根本不能进行切割的程度。

温度上升也可能会损坏通常设置在透镜表面上的保护层，从而使得透镜的光学特性进一步变化。

为了解决该问题，已知一种冷却系统，其将气体(通常为氮气)在受控的温度下引入到聚焦头内，使得所述气体流过整个聚焦透镜，从而冷却所述透镜。

包含聚焦单元的壳体的外部冷却实际上不足以保证聚焦透镜的充分冷却。

然而使用气流的冷却系统缺点是需要使用不含污染元素的昂贵气体。气体中所含的污染性或外来的粒子或元素会沉积在聚焦透镜上，从而不仅导致光学器件的折射率的变化，而且导致激光束能量的吸收，因此导致用于切割的功率降低。

此外，这样的系统制造起来是相当复杂和昂贵的，并且需要定期维护。

JP 2012091191公开了一种激光加工设备，其包括：激光发射单元，其设有用于产生激光束的激光产生装置；设有检流计扫描仪的激光头，其用于将从激光发射单元输出的激光束发射到工件上；以及光纤线缆，其用于将激光束从激光发射单元传输到激光头。光纤线缆设有头连接器，其可拆卸地附接到激光头。头连接器设有光束扩展器，其包括散射透镜和会聚透镜，所述散射透镜用于将从光纤线缆发射的激光束散射，而会聚透镜用于将从散射透镜发射的激光束会聚成为平行光束。