一种激光切割头的辅助气体流道及其设计方法
【专利摘要】本发明公开一种激光切割头的辅助气体流道及其设计方法，所述辅助气体流道包括气体入口、与所述气体入口连接的内部气道、设于所述内部气道下方的多个吹气口、与每个吹气口相连通的内部腔体及位于所述内部腔体下方的喷嘴出口，其中，每个吹气口均与所述内部气道相连通，该设计方法为：高压气体经由气体入口进入内部气道，并在内部气道内扩散形成均匀压力分布；由每个吹气口将高压气体喷入内部腔体，高压气体在内部腔体内稳定的混合，形成均匀且无大涡的湍流；激光经过上述湍流由喷嘴出口喷出用于加工。该技术方案可以消除或者降低激光切割头内的气体湍流特性以及气体与光学元器件的流固耦合作用，同时提高加工质量。
【专利说明】一种激光切割头的辅助气体流道及其设计方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及激光材料加工领域，尤其涉及一种激光切割头的辅助气体流道及其设计方法。
【背景技术】
[0002]激光材料加工的两个最重要的参数是激光器的输出功率及激光光束质量，其中激光光束质量易受到光腔热效应、光腔增益介质分布均匀性、光学元器件的热畸变及抖动，以及传输通道的气体湍流特性及热晕效应等多种因素的影响。激光光束质量在切割工艺中随板厚的增加影响越大。
[0003]湍流与激光束的相互作用受到湍流尺度、光束直径以及光波波长三者之间的影响。当湍流尺度大于光束直径时，光束经过湍流主要发生波面能量的抖动、偏移；当湍流尺度大于光波波长小于光束直径时，将引起波前模糊；当湍流尺度与光波波长相当时，将引起激光的散射及衍射现象。切割头的的湍流尺度通常三种都包括，但是各自对于光束质量影响的贡献不同，如果设计不当，腔内将形成一个与腔体尺度相当，大于光束直径的大涡，将严重影响激光光束的质量。大涡的边缘不断蜕化出的小尺度的涡由于其数量较多，对于激光加工的光束来说其分布趋于均匀，对于激光光束的波前影响减小。
[0004]瑞流对于激光传输的影响，当激光在瑞流中传播时，瑞流所造成的气体折射率的起伏将导致激光波阵面的畸变，破坏激光的相干性；而激光相干性的退化将严重削弱激光的光学质量，引起光线的随机漂移、激光能量在光束截面上的重新分布，包括畸变、展宽、破碎等现象。而在激光加工中，特别是厚板加工中，工件的加工质量严重受到激光光束质量的影响，不理想的光束质量将引起切不透、切割效率低或者切割断面质量下降等。于激光切割头而言，切割头内辅助气体流道的设计将严重影响气体湍流特性及气体与光学元器件的流固耦合作用。
[0005]另外，切割头内与切割气体直接接触的是聚焦镜片或者保护镜片，当切割头内气道设计不合理时，无论是聚焦镜片还是保护镜片的抖动都将引起加工光束的抖动，影响加工。
【发明内容】
[0006]本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的辅助气体流道的设计严重影响气体湍流特性、气体与光学元器件的流固耦合作用以及影响加工的缺陷，提供一种激光切割头的辅助气体流道及其设计方法，该技术方案可以消除或者降低激光切割头内的气体湍流特性以及气体与光学元器件的流固耦合作用，同时提高加工质量。
[0007]本发明解决其技术问题所采用的技术方案是:提供一种激光切割头的辅助气体流道，所述辅助气体流道包括气体入口、与所述气体入口连接的内部气道、设于所述内部气道下方的多个吹气口、与每个吹气口相连通的内部腔体及位于所述内部腔体下方的喷嘴出口，其中，每个吹气口均与所述内部气道相连通。[0008]在本发明所述的激光切割头的辅助气体流道中，所述辅助气体流道设置有多个气体入口。
[0009]在本发明所述的激光切割头的辅助气体流道中，所述吹气口的数量为5个。
[0010]在本发明所述的激光切割头的辅助气体流道中，所述内部气道为环形气道。
[0011]在本发明所述的激光切割头的辅助气体流道中，所述吹气口的向下倾角的范围为竖直位置15度至60度。
[0012]在本发明所述的激光切割头的辅助气体流道中，所述吹气口的孔径为喷嘴出口的孔径的4倍。
[0013]在本发明所述的激光切割头的辅助气体流道中，所述内部气道的宽高比大于0.5。
[0014]在本发明所述的激光切割头的辅助气体流道中，在所述辅助气体流道的顶部设有一光学兀器件。
[0015]在本发明所述的激光切割头的辅助气体流道中，所述光学元器件为聚焦镜片或者保护镜片。
[0016]本发明还提供一种激光切割头的辅助气体流道的设计方法，所述辅助气体流道为上述的辅助气体流道，所述设计方法包括:
[0017]高压气体经由气体入口进入内部气道，并在内部气道内扩散形成均匀压力分布；
[0018]由每个吹气口将高压气体喷入内部腔体，高压气体在内部腔体内稳定的混合，形成均匀且无大涡的湍流；
[0019]激光经过上述湍流由喷嘴出口喷出用于加工。
[0020]实施本发明的技术方案，具体以下有益效果:高压气体经由气体入口进入内部气道，并在内部气道内扩散形成均匀压力分布；由每个吹气口将高压气体喷入内部腔体，高压气体在内部腔体内稳定的混合，形成均匀且无大涡的湍流；激光经过上述湍流由喷嘴出口喷出用于加工。该技术方案可以消除或者降低激光切割头内的气体湍流特性以及气体与光学元器件的流固耦合作用，同时提高加工质量。
【专利附图】
【附图说明】
[0021]下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中:
[0022]图1是本发明激光切割头的辅助气体流道的结构示意图；
[0023]图2是本发明激光切割头的辅助气体流道的局部尺寸图。
【具体实施方式】
[0024]为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
[0025]请参阅图1，图1是本发明激光切割头的辅助气体流道的结构示意图，如图1所示，该辅助气体流道包括气体入口 101，与气体入口 101连接的内部气道102，设于内部气道102下方的多个吹气口，例如吹气口 103，与每个吹气口相连通的内部腔体104及位于内部腔体104下方的喷嘴出口 105，其中，每个吹气口均与所述内部气道102相连通。在本实施例中，吹气口的数量为5个。内部气道102为环形气道。[0026]结合图1，下面阐述该激光切割头的辅助气体流道的设计方法，该设计方法包括:
[0027]高压气体经由气体入口 101进入内部气道102，并在内部气道102内扩散形成均匀压力分布；应当解释的的是，内部气道102的宽高比有具体的技术要求，请结合参阅图2，图2是本发明激光切割头的辅助气体流道的局部尺寸图，如图2所示，内部气道102的宽高比即为图2中的a/b，其中，a为内部气道102的宽度，b为内部气道102的高度，值得注意的是，内部气道102的宽高比不宜过小，因为过小的宽高比容易造成内部气道102的阻力增大，这样的话，高压气体由气体入口 101进入内部气道102后不宜均匀的从吹气口吹出，容易造成内部腔体104内的高压气体出现大的漩涡，产生不均匀的密度分布，形成负透镜效应影响激光光束质量。另外，为了进一步均匀吹气辅助气体流道可以设置多个气体入口。在本实施例中，所述内部气道102的宽高比大于0.5。
[0028]由每个吹气口将高压气体喷入内部腔体104，高压气体在内部腔体104内稳定的混合，形成均匀且无大涡的湍流；如图2中，吹气口的向下倾角为C，该吹气口的向下倾角的具体值要根据光路设计情况而定，在本实施例中，所述吹气口 103的向下倾角的范围为竖直位置15度至60度。另外，吹气口 103的孔径也是要依据据光路设计情况而定，在本实施例中，所述吹气口 103的孔径为喷嘴出口 105的孔径的4倍。
[0029]激光经过上述湍流由喷嘴出口 105喷出用于加工，这样的话，激光加工断面将会光滑细腻，从而提高加工质量。
[0030]应当说明的是，在所述辅助气体流道的顶部设有一光学元器件106，在实施例中，所述光学元器件106为聚焦镜片或者保护镜片。
[0031]相较于现有技术，高压气体经由气体入口进入内部气道，并在内部气道内扩散形成均匀压力分布；由每个吹气口将高压气体喷入内部腔体，高压气体在内部腔体内稳定的混合，形成均匀且无大涡的湍流；激光经过上述湍流由喷嘴出口喷出用于加工。该技术方案可以消除或者降低激光切割头内的气体湍流特性以及气体与光学元器件的流固耦合作用，同时提高加工质量。
[0032]以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的权利要求范围之内。
【权利要求】
1.一种激光切割头的辅助气体流道，其特征在于，所述辅助气体流道包括气体入口、与所述气体入口连接的内部气道、设于所述内部气道下方的多个吹气口、与每个吹气口相连通的内部腔体及位于所述内部腔体下方的喷嘴出口，其中，每个吹气口均与所述内部气道相连通。
2.根据权利要求1所述的激光切割头的辅助气体流道，其特征在于，所述辅助气体流道设置有多个气体入口。
3.根据权利要求1所述的激光切割头的辅助气体流道，其特征在于，所述吹气口的数量为5个。
4.根据权利要求1所述的激光切割头的辅助气体流道，其特征在于，所述内部气道为环形气道。
5.根据权利要求1所述的激光切割头的辅助气体流道，其特征在于，所述吹气口的向下倾角的范围为竖直位置15度至60度。
6.根据权利要求1所述的激光切割头的辅助气体流道，其特征在于，所述吹气口的孔径为喷嘴出口的孔径的4倍。
7.根据权利要求1所述的激光切割头的辅助气体流道，其特征在于，所述内部气道的宽高比大于0.5。
8.根据权利要求1所述的激光切割头的辅助气体流道，其特征在于，在所述辅助气体流道的顶部设有一光学元器件。
9.根据权利要求8所述的激光切割头的辅助气体流道，其特征在于，所述光学元器件为聚焦镜片或者保护镜片。
10.一种激光切割头的辅助气体流道的设计方法，其特征在于，所述辅助气体流道为上述权利要求1至9任一项所述的辅助气体流道，所述设计方法包括: 高压气体经由气体入口进入内部气道，并在内部气道内扩散形成均匀压力分布； 由每个吹气口将高压气体喷入内部腔体，高压气体在内部腔体内稳定的混合，形成均匀且无大涡的湍流； 激光经过上述湍流由喷嘴出口喷出用于加工。
【文档编号】B23K26/38GK103894742SQ201410131422
【公开日】2014年7月2日 申请日期:2014年4月1日 优先权日:2014年4月1日
【发明者】姚晓晖, 李健, 肖俊君, 陈根余, 陈燚, 高云峰 申请人:深圳市大族激光科技股份有限公司