一種激光切割頭的輔助氣體流道及其設(shè)計方法
【專利摘要】本發(fā)明公開一種激光切割頭的輔助氣體流道及其設(shè)計方法，所述輔助氣體流道包括氣體入口、與所述氣體入口連接的內(nèi)部氣道、設(shè)于所述內(nèi)部氣道下方的多個吹氣口、與每個吹氣口相連通的內(nèi)部腔體及位于所述內(nèi)部腔體下方的噴嘴出口，其中，每個吹氣口均與所述內(nèi)部氣道相連通，該設(shè)計方法為：高壓氣體經(jīng)由氣體入口進(jìn)入內(nèi)部氣道，并在內(nèi)部氣道內(nèi)擴(kuò)散形成均勻壓力分布；由每個吹氣口將高壓氣體噴入內(nèi)部腔體，高壓氣體在內(nèi)部腔體內(nèi)穩(wěn)定的混合，形成均勻且無大渦的湍流；激光經(jīng)過上述湍流由噴嘴出口噴出用于加工。該技術(shù)方案可以消除或者降低激光切割頭內(nèi)的氣體湍流特性以及氣體與光學(xué)元器件的流固耦合作用，同時提高加工質(zhì)量。
【專利說明】一種激光切割頭的輔助氣體流道及其設(shè)計方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及激光材料加工領(lǐng)域，尤其涉及一種激光切割頭的輔助氣體流道及其設(shè)計方法。
【背景技術(shù)】
[0002]激光材料加工的兩個最重要的參數(shù)是激光器的輸出功率及激光光束質(zhì)量，其中激光光束質(zhì)量易受到光腔熱效應(yīng)、光腔增益介質(zhì)分布均勻性、光學(xué)元器件的熱畸變及抖動，以及傳輸通道的氣體湍流特性及熱暈效應(yīng)等多種因素的影響。激光光束質(zhì)量在切割工藝中隨板厚的增加影響越大。
[0003]湍流與激光束的相互作用受到湍流尺度、光束直徑以及光波波長三者之間的影響。當(dāng)湍流尺度大于光束直徑時，光束經(jīng)過湍流主要發(fā)生波面能量的抖動、偏移；當(dāng)湍流尺度大于光波波長小于光束直徑時，將引起波前模糊；當(dāng)湍流尺度與光波波長相當(dāng)時，將引起激光的散射及衍射現(xiàn)象。切割頭的的湍流尺度通常三種都包括，但是各自對于光束質(zhì)量影響的貢獻(xiàn)不同，如果設(shè)計不當(dāng)，腔內(nèi)將形成一個與腔體尺度相當(dāng)，大于光束直徑的大渦，將嚴(yán)重影響激光光束的質(zhì)量。大渦的邊緣不斷蛻化出的小尺度的渦由于其數(shù)量較多，對于激光加工的光束來說其分布趨于均勻，對于激光光束的波前影響減小。
[0004]瑞流對于激光傳輸?shù)挠绊?，?dāng)激光在瑞流中傳播時，瑞流所造成的氣體折射率的起伏將導(dǎo)致激光波陣面的畸變，破壞激光的相干性；而激光相干性的退化將嚴(yán)重削弱激光的光學(xué)質(zhì)量，引起光線的隨機(jī)漂移、激光能量在光束截面上的重新分布，包括畸變、展寬、破碎等現(xiàn)象。而在激光加工中，特別是厚板加工中，工件的加工質(zhì)量嚴(yán)重受到激光光束質(zhì)量的影響，不理想的光束質(zhì)量將引起切不透、切割效率低或者切割斷面質(zhì)量下降等。于激光切割頭而言，切割頭內(nèi)輔助氣體流道的設(shè)計將嚴(yán)重影響氣體湍流特性及氣體與光學(xué)元器件的流固耦合作用。
[0005]另外，切割頭內(nèi)與切割氣體直接接觸的是聚焦鏡片或者保護(hù)鏡片，當(dāng)切割頭內(nèi)氣道設(shè)計不合理時，無論是聚焦鏡片還是保護(hù)鏡片的抖動都將引起加工光束的抖動，影響加工。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明要解決的技術(shù)問題在于，針對現(xiàn)有技術(shù)的輔助氣體流道的設(shè)計嚴(yán)重影響氣體湍流特性、氣體與光學(xué)元器件的流固耦合作用以及影響加工的缺陷，提供一種激光切割頭的輔助氣體流道及其設(shè)計方法，該技術(shù)方案可以消除或者降低激光切割頭內(nèi)的氣體湍流特性以及氣體與光學(xué)元器件的流固耦合作用，同時提高加工質(zhì)量。
[0007]本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是:提供一種激光切割頭的輔助氣體流道，所述輔助氣體流道包括氣體入口、與所述氣體入口連接的內(nèi)部氣道、設(shè)于所述內(nèi)部氣道下方的多個吹氣口、與每個吹氣口相連通的內(nèi)部腔體及位于所述內(nèi)部腔體下方的噴嘴出口，其中，每個吹氣口均與所述內(nèi)部氣道相連通。[0008]在本發(fā)明所述的激光切割頭的輔助氣體流道中，所述輔助氣體流道設(shè)置有多個氣體入口。
[0009]在本發(fā)明所述的激光切割頭的輔助氣體流道中，所述吹氣口的數(shù)量為5個。
[0010]在本發(fā)明所述的激光切割頭的輔助氣體流道中，所述內(nèi)部氣道為環(huán)形氣道。
[0011]在本發(fā)明所述的激光切割頭的輔助氣體流道中，所述吹氣口的向下傾角的范圍為豎直位置15度至60度。
[0012]在本發(fā)明所述的激光切割頭的輔助氣體流道中，所述吹氣口的孔徑為噴嘴出口的孔徑的4倍。
[0013]在本發(fā)明所述的激光切割頭的輔助氣體流道中，所述內(nèi)部氣道的寬高比大于0.5。
[0014]在本發(fā)明所述的激光切割頭的輔助氣體流道中，在所述輔助氣體流道的頂部設(shè)有一光學(xué)兀器件。
[0015]在本發(fā)明所述的激光切割頭的輔助氣體流道中，所述光學(xué)元器件為聚焦鏡片或者保護(hù)鏡片。
[0016]本發(fā)明還提供一種激光切割頭的輔助氣體流道的設(shè)計方法，所述輔助氣體流道為上述的輔助氣體流道，所述設(shè)計方法包括:
[0017]高壓氣體經(jīng)由氣體入口進(jìn)入內(nèi)部氣道，并在內(nèi)部氣道內(nèi)擴(kuò)散形成均勻壓力分布；
[0018]由每個吹氣口將高壓氣體噴入內(nèi)部腔體，高壓氣體在內(nèi)部腔體內(nèi)穩(wěn)定的混合，形成均勻且無大渦的湍流；
[0019]激光經(jīng)過上述湍流由噴嘴出口噴出用于加工。
[0020]實施本發(fā)明的技術(shù)方案，具體以下有益效果:高壓氣體經(jīng)由氣體入口進(jìn)入內(nèi)部氣道，并在內(nèi)部氣道內(nèi)擴(kuò)散形成均勻壓力分布；由每個吹氣口將高壓氣體噴入內(nèi)部腔體，高壓氣體在內(nèi)部腔體內(nèi)穩(wěn)定的混合，形成均勻且無大渦的湍流；激光經(jīng)過上述湍流由噴嘴出口噴出用于加工。該技術(shù)方案可以消除或者降低激光切割頭內(nèi)的氣體湍流特性以及氣體與光學(xué)元器件的流固耦合作用，同時提高加工質(zhì)量。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0021]下面將結(jié)合附圖及實施例對本發(fā)明作進(jìn)一步說明，附圖中:
[0022]圖1是本發(fā)明激光切割頭的輔助氣體流道的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0023]圖2是本發(fā)明激光切割頭的輔助氣體流道的局部尺寸圖。
【具體實施方式】
[0024]為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實施例，對本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。
[0025]請參閱圖1，圖1是本發(fā)明激光切割頭的輔助氣體流道的結(jié)構(gòu)示意圖，如圖1所示，該輔助氣體流道包括氣體入口 101，與氣體入口 101連接的內(nèi)部氣道102，設(shè)于內(nèi)部氣道102下方的多個吹氣口，例如吹氣口 103，與每個吹氣口相連通的內(nèi)部腔體104及位于內(nèi)部腔體104下方的噴嘴出口 105，其中，每個吹氣口均與所述內(nèi)部氣道102相連通。在本實施例中，吹氣口的數(shù)量為5個。內(nèi)部氣道102為環(huán)形氣道。[0026]結(jié)合圖1，下面闡述該激光切割頭的輔助氣體流道的設(shè)計方法，該設(shè)計方法包括:
[0027]高壓氣體經(jīng)由氣體入口 101進(jìn)入內(nèi)部氣道102，并在內(nèi)部氣道102內(nèi)擴(kuò)散形成均勻壓力分布；應(yīng)當(dāng)解釋的的是，內(nèi)部氣道102的寬高比有具體的技術(shù)要求，請結(jié)合參閱圖2，圖2是本發(fā)明激光切割頭的輔助氣體流道的局部尺寸圖，如圖2所示，內(nèi)部氣道102的寬高比即為圖2中的a/b，其中，a為內(nèi)部氣道102的寬度，b為內(nèi)部氣道102的高度，值得注意的是，內(nèi)部氣道102的寬高比不宜過小，因為過小的寬高比容易造成內(nèi)部氣道102的阻力增大，這樣的話，高壓氣體由氣體入口 101進(jìn)入內(nèi)部氣道102后不宜均勻的從吹氣口吹出，容易造成內(nèi)部腔體104內(nèi)的高壓氣體出現(xiàn)大的漩渦，產(chǎn)生不均勻的密度分布，形成負(fù)透鏡效應(yīng)影響激光光束質(zhì)量。另外，為了進(jìn)一步均勻吹氣輔助氣體流道可以設(shè)置多個氣體入口。在本實施例中，所述內(nèi)部氣道102的寬高比大于0.5。
[0028]由每個吹氣口將高壓氣體噴入內(nèi)部腔體104，高壓氣體在內(nèi)部腔體104內(nèi)穩(wěn)定的混合，形成均勻且無大渦的湍流；如圖2中，吹氣口的向下傾角為C，該吹氣口的向下傾角的具體值要根據(jù)光路設(shè)計情況而定，在本實施例中，所述吹氣口 103的向下傾角的范圍為豎直位置15度至60度。另外，吹氣口 103的孔徑也是要依據(jù)據(jù)光路設(shè)計情況而定，在本實施例中，所述吹氣口 103的孔徑為噴嘴出口 105的孔徑的4倍。
[0029]激光經(jīng)過上述湍流由噴嘴出口 105噴出用于加工，這樣的話，激光加工斷面將會光滑細(xì)膩，從而提高加工質(zhì)量。
[0030]應(yīng)當(dāng)說明的是，在所述輔助氣體流道的頂部設(shè)有一光學(xué)元器件106，在實施例中，所述光學(xué)元器件106為聚焦鏡片或者保護(hù)鏡片。
[0031]相較于現(xiàn)有技術(shù)，高壓氣體經(jīng)由氣體入口進(jìn)入內(nèi)部氣道，并在內(nèi)部氣道內(nèi)擴(kuò)散形成均勻壓力分布；由每個吹氣口將高壓氣體噴入內(nèi)部腔體，高壓氣體在內(nèi)部腔體內(nèi)穩(wěn)定的混合，形成均勻且無大渦的湍流；激光經(jīng)過上述湍流由噴嘴出口噴出用于加工。該技術(shù)方案可以消除或者降低激光切割頭內(nèi)的氣體湍流特性以及氣體與光學(xué)元器件的流固耦合作用，同時提高加工質(zhì)量。
[0032]以上所述僅為本發(fā)明的優(yōu)選實施例而已，并不用于限制本發(fā)明，對于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說，本發(fā)明可以有各種更改和變化。凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的權(quán)利要求范圍之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種激光切割頭的輔助氣體流道，其特征在于，所述輔助氣體流道包括氣體入口、與所述氣體入口連接的內(nèi)部氣道、設(shè)于所述內(nèi)部氣道下方的多個吹氣口、與每個吹氣口相連通的內(nèi)部腔體及位于所述內(nèi)部腔體下方的噴嘴出口，其中，每個吹氣口均與所述內(nèi)部氣道相連通。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的激光切割頭的輔助氣體流道，其特征在于，所述輔助氣體流道設(shè)置有多個氣體入口。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的激光切割頭的輔助氣體流道，其特征在于，所述吹氣口的數(shù)量為5個。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的激光切割頭的輔助氣體流道，其特征在于，所述內(nèi)部氣道為環(huán)形氣道。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的激光切割頭的輔助氣體流道，其特征在于，所述吹氣口的向下傾角的范圍為豎直位置15度至60度。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的激光切割頭的輔助氣體流道，其特征在于，所述吹氣口的孔徑為噴嘴出口的孔徑的4倍。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的激光切割頭的輔助氣體流道，其特征在于，所述內(nèi)部氣道的寬高比大于0.5。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的激光切割頭的輔助氣體流道，其特征在于，在所述輔助氣體流道的頂部設(shè)有一光學(xué)元器件。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的激光切割頭的輔助氣體流道，其特征在于，所述光學(xué)元器件為聚焦鏡片或者保護(hù)鏡片。
10.一種激光切割頭的輔助氣體流道的設(shè)計方法，其特征在于，所述輔助氣體流道為上述權(quán)利要求1至9任一項所述的輔助氣體流道，所述設(shè)計方法包括: 高壓氣體經(jīng)由氣體入口進(jìn)入內(nèi)部氣道，并在內(nèi)部氣道內(nèi)擴(kuò)散形成均勻壓力分布； 由每個吹氣口將高壓氣體噴入內(nèi)部腔體，高壓氣體在內(nèi)部腔體內(nèi)穩(wěn)定的混合，形成均勻且無大渦的湍流； 激光經(jīng)過上述湍流由噴嘴出口噴出用于加工。
【文檔編號】B23K26/38GK103894742SQ201410131422
【公開日】2014年7月2日 申請日期:2014年4月1日 優(yōu)先權(quán)日:2014年4月1日
【發(fā)明者】姚曉暉, 李健, 肖俊君, 陳根余, 陳燚, 高云峰 申請人:深圳市大族激光科技股份有限公司