专利名称：用于激光加工装置的激光加工头的制作方法
技术领域：
本发明涉及激光加工头，更具体地说涉及适用于对例如塑料和金属材料进行大功率切削、切割或钻孔的改进的激光加工头。
激光加工在机床和印刷工业中已广为人知。激光加工用来切割和/或切削材料。
激光加工头一般包括一个安装在通常是圆筒形的外壳中的聚焦透镜。聚焦透镜可以通过采用透镜一侧一个的一对卡环夹持在外壳中。激光加工头一般还包括一个喷嘴，它安装在外壳的一端上。喷嘴具有一个狭窄的开口，当聚焦的激光束离开加工头照射到工件上之前，它穿过该开口。在应用时，激光束经过聚焦透镜照射到工件上。在某些情况下，激光束经过聚焦透镜照射到工件上之前，激光束偏离一个或多个位于远处的反光镜。与激光加工头分离的真空碎屑去除系统通常用来收集和去除由聚焦的激光束切割或切削工件产生的碎屑。上述的喷嘴用来保护聚焦透镜，使之不与未被真空碎屑去除系统收集的碎屑接触。
图1是常规的激光加工头的剖视图。激光加工头1包括空心圆筒形透镜套2，套2包括一个内腔15，其中通过一对锁定环4和5夹持聚焦透镜3。喷嘴6通过一个封闭腔15的O形环7和锁定定位螺丝8固定到套2的外表面上。喷嘴6包括具有狭窄开口10的尖端9。可选择地从位于远处的反光镜(图1中未示出)反射的激光束由透镜3聚焦，并通过开口10射出。当离开开口10时，激光束切割或切削工件上所要求的材料。如前所述，真空碎屑去除系统(图中未示出)围绕喷嘴6，以便去除大部分切割或切削的材料。然而，由于被切削的材料离开表面的速度很快，所以围绕激光加工头的真空系统不可能将所有的碎屑去除，一些碎屑可能进入喷嘴中的开口。带有狭窄开口10的喷嘴6阻止大块的被切削材料反射损坏透镜。然而即使这样做，杂质和碎屑也会从工件表面反弹，经过开口10损坏透镜，使其不能工作。
为了解决这一问题，在现有技术中采用了一种系统，迫使空气或其它气体经过开口10流向工件，阻止颗粒反射进入透镜套2。如图1所示，该系统包括喷嘴6中的气体入口11和圆周形气体腔12，以及套2中的槽13。气体通路用参考号14表示。虽然图1所示的现有技术的激光加工头对许多应用场合已足够了，但是采用大功率激光器从工件表面去除大量的材料需要一种改进的系统。在这样的应用场合，采用具有1200瓦或更大能级的激光束从工件表面切削材料。一般如图1所示类型的常规的激光加工头不足以阻止被切削的材料在很长的一段时间以很高的能量经过喷嘴的开口反弹。透镜可能变得被来自工件表面的杂质涂附。在某些情况下，这些杂质将导致热积累，使聚焦透镜破裂或换句话说使透镜损坏。为了避免上述杂质和/或热积累，需要周期性地中断加工过程，清洁聚焦透镜。这导致时间的浪费，降低了工作效率。
本发明旨在提供一种改进的激光加工头，它包括一个气体分布装置，用于在压力下将气体引入靠近透镜的头，以避免透镜被来自工件的杂质或被切削的材料损坏。气流在透镜处进入以后，离开透镜，流向喷嘴。在本发明的一个最佳实施例中，气体分布装置包括用于当气体进入靠近透镜的头时形成涡流作用的装置。气体的涡流保持透镜的清洁，并消除了在透镜中积累起来的热。气体涡流产生了附加的力，它阻止了杂质和被切削的材料到达透镜。涡流导致透镜保持清洁、冷却和在激光器的整个操作过程中不被损坏。在一个所示的实施例中，涡流作用是由具有多个带角度的槽的圆形气体分布器提供的，因此进入其中安装了透镜的外壳的气体是在产生涡流的螺旋作用下进入的。
在另一个最佳实施例中，本发明的激光加工头包括具有本体部分的一个喷嘴，它包括在气体出口对面的气体入口，以及一个从入口的宽开口到出口的窄开口逐渐减小的内腔。锥形内腔提供从宽开口到窄开口的气流，这导致气流离开窄开口时流速增加。提高速度的作用是阻止杂质和被切削的材料通过喷嘴反弹并到达透镜。
图1是现有技术的激光加工头的剖面图。
图2是本发明的激光加工头的剖面图。
图3是图2的激光加工头的透镜套部分的剖面图。
图4是沿图3的4—4线取的气体分布器的端面图。
现在参照图2，本发明的改进的激光加工头20由一个组件构成，它包括外壳22和内透镜套—喷嘴24。激光聚焦透镜26置于外壳22的一端中。如图2所示，借助于一个外锁定环28，透镜26被夹持在外壳22中，外锁定环28拧进外壳22内径上的螺纹30。透镜26通过透镜套—喷嘴24的入口端32在其内表面上被夹持。虽然透镜26可以通过其它锁定环或其它适合的夹持部件在其内表面上被夹持，但是本发明的优点是最好通过透镜套—喷嘴24将透镜在其内表面上夹持。
图2所示的透镜套—喷嘴24是本发明的最佳实施例，它包括锥形内腔34和在入口端32的气体分布器36。内腔34由锥形本体部分38构成，并提供宽入口开口40和窄出口开口42。图2所示实施例包括可移动的尖端44，本实施例所示的尖端44是通过螺纹拧入开口43的。可移动的尖端44是一个可选择的特征。最好尖端44可以拧入或拧出透镜套—喷嘴24中的开口43，以便调整从尖端44的前表面到工件表面的间距。
透镜套—喷嘴24借助于带螺纹的法兰46被夹持在圆筒形外壳22中，法兰46与外壳22中位于内部的螺纹30配合。此外，环形槽48包括一个O形环封闭件50，以便在外壳22和透镜套—喷嘴24之间的出口端端部形成气体密封。
外壳22进一步包括气体入口52。在外壳22的内表面和透镜套24的外表面之间形成一条气体通路54。法兰56和O形环50防止气体在喷嘴24的出口端泄漏，因此如箭头58所示的气流开始流向透镜套—喷嘴24的入口端32。
本发明的激光加工头进一步包括一个环形气体分布器36，用于接收来自通路54的气体，并使所述气体先经过聚焦透镜26的内面26a，然后从入口端32进入腔34，流向开口42，在那里离开激光加工头20。于是可以理解，气体分布器36提供了从通路54到腔34的气体通路。气体分布器36包括在分布器36的外围间隔开的分布孔60。环形气体分布器36由一个环62构成，它具有分布孔60，每个分布孔60与多个分布槽63有气体互通。在图4所示的最佳实施例中，每个槽63的纵轴67与环62的半径的延伸66形成一个角64(在环62的外表面测量)。气体分布器36最好是透镜套24的一个组成部分。然而作为一种变换，分布器也可以是一个固定到套24的入口端的单独的部件。特别是气体分布器36最好作为透镜套一喷嘴24的带螺纹法兰46的一个组成部分。换句话说，在最佳实施例中，带螺纹的法兰46的功能与上述环62相同。在这种结构中，法兰46中形成有一系列排列于周围的分布孔60。这些分布孔60的轴通常与激光加工头20的纵轴平行，并通常与带螺纹的法兰46内部配置的表面46a垂直(参见图3)。分布槽63提供分布孔60和腔34之间的气体互通。
首先将气体引入靠近透镜套结构，然后借助于带角度的槽63产生涡流作用，经过透镜的内表面，防止来自工件的被切削的颗粒损坏或污染透镜26。气流的涡流清洁了透镜，并通过强迫对流散热，避免了热在透镜26上的积累。气流流向喷嘴出口42。这避免了颗粒和杂质到达透镜26，从而显著地延长了透镜的寿命。
为了从本发明的激光加工头获得最佳的性能，有两个变量是需要控制的。它们是窄出口开口42的尺寸和在操作期间激光加工头中的气压。窄出口开口应尽可能地小，以便最大限度地减小透镜暴露在杂质和碎屑中的机会，但是它又必须足够大，以适应离开加工头时的激光束的直径。不必要大的出口开口可能需要过量的气流，以便有效地进行操作。对于一个给定的出口开口而言，气压应该足够高，以便产生足够的气流来冷却透镜，并防止被切削的颗粒和杂质污染透镜。对本发明的采用5英寸焦点长度的透镜26的激光加工头而言，发现激光加工头中0.093″的出口开口和75磅/平方英寸的气压使得加工头能够工作很长一段时间，而无需为清洁透镜而中断。将认识到对本领域的一般技术人员来说，通过实验可以很容易地得到关于出口开口尺寸和气压的其它适当的组合。
为了对给定标称焦点长度的透镜的焦点长度作较小的改变而无需将透镜从外壳22中取出，可以顺时针或反时针旋转锥形本体部分38，以调节透镜在外壳22中的位置。当锥形本体部分已经旋转到其所需位置时，相应地调节外锁定环28，以便将透镜26牢固地定位。
现在已经通过具体详细地描述可以实施的例子说明了本发明，但是很显然，对本领域的一般技术人员来说，在不脱离发明精神和范围的前提下，对包含的基本原理可以进行各种改变、应用、改进和延伸。
权利要求
1.一种激光加工头包括外壳；用于将聚焦透镜保持在所述外壳中的所述外壳一端的装置；装在所述外壳上并在所述外壳的相对的第二端具有气体出口的喷嘴；以及气体分布装置，用于将气体引入靠近所述透镜保持装置的所述外壳。
2.权利要求1的激光加工头，其中所述气体分布装置包括用于形成涡流作用的装置。
3.权利要求1的激光加工头，其中所述喷嘴包括本体部分，它具有在所述气体出口对面的气体入口，以及一个从所述入口的宽开口到所述出口的窄开口逐渐减小的内腔。
4.权利要求2的激光加工头，其中形成涡流作用的所述装置包括具有多个带角度的槽的环形气体分布器。
5.权利要求3的激光加工头，其中所述喷嘴包括在所述出口端的可移动的尖端。
6.一种激光加工头包括具有气体入口和相对的开启端的圆筒形外壳；适合于安装在其中并固定到所述外壳上的细长的圆筒形喷嘴，所述喷嘴具有锥形内腔，在入口端的宽开口和出口端的窄开口之间形成气体互通；在所述喷嘴的入口端的气体分布装置；在所述外壳和所述喷嘴之间形成的气体通路，在所述外壳气体入口和所述分布器装置之间形成气体互通；以及用于将聚焦透镜固定在靠近所述分布器装置的所述外壳中的装置。
7.权利要求6的激光加工头，其中所述流体分布器装置包括形成涡流作用的装置，涡流作用使得气体从所述入口端流向所述喷嘴的出口端。
8.权利要求6的激光加工头，其中所述气体分布器装置包括具有多个带角度的槽的环形气体分布器。
9.权利要求8的激光加工头，其中所述气体分布器是在所述喷嘴入口端的所述喷嘴的一个组成部分。
10.权利要求6的激光加工头，其中将透镜固定到所述外壳的所述装置包括形成在锁定环和所述喷嘴的所述入口端之间的透镜槽。
11.权利要求6的激光加工头，其中所述喷嘴包括在所述出口端的可移动的尖端。
12.一种激光加工工件的方法，包括提供一个激光器，用于将激光束聚焦到工件上；将激光束通过聚焦透镜照射到所述工件上；以及使气流通常流向面对工件的所述透镜的表面。
13.权利要求12的方法，其中所述气流是通过涡流作用流向透镜的内表面的。
14.权利要求13的方法，其中所述涡流离开所述透镜流向工件。
15.权利要求14的方法，进一步包括提供用于产生涡流作用的环形气体分布器的步骤。
16.权利要求15的方法，进一步包括提供具有多个带角度的槽的所述环形气体分布器的步骤。
17.权利要求12的方法，进一步包括将所述透镜安装在具有锥形内腔的外壳—喷嘴组件中的步骤。
18.权利要求14的方法，进一步包括包括将所述透镜安装在具有锥形内腔的外壳—喷嘴组件中的步骤，并且其中所述气流流过所述锥形内腔。
全文摘要
一种改进的激光加工头，包括外壳，安装在外壳中的透镜套——喷嘴，和将气体引入到靠近夹持在外壳中的聚焦透镜处的气体分布器，以便冷却透镜并防止透镜受到来自工件的被切割材料的污染或损坏。气体分布器包括多个带角度的分布槽，它们产生气流的涡流作用，使气流离开透镜表面，流向喷嘴出口。
文档编号B23K26/14GK1123209SQ95109508
公开日1996年5月29日 申请日期1995年8月2日 优先权日1994年8月2日
发明者W·A·詹姆斯, S·H·布赖特科夫, R·H·基尔科夫, R·G·普罗费尔 申请人:麦克尼尔-Ppc公司