一种激光焊接机的激光束外光路系统的制作方法
【专利摘要】本发明涉及一种激光焊接机的外光路系统，本发明的激光束外光路系统采用多段环状冷却的方式，通过将经过冷却和干燥的压缩气体引入外光路内部，采用合理的布局和喷吹方式，在合理的位置设置喷气环，通过喷气环进行喷吹，破坏高温环境下外光路通道内空气吸收部分激光能量构成的空间折射率场，并且通过镜面环吹来的气流减少光学镜面与环境温差，消除镜面结露问题，同时可以吹走镜面积聚的水气，减少了激光在外光路中传输的光束偏移量及实际功率损耗，减缓了外光路本身容易快速劣化的问题，提高了激光束外光路使用的可靠性，克服了现有技术的不足，保证了激光输出焊接的有效性。
【专利说明】一种激光焊接机的激光束外光路系统
【技术领域】
[0001]本发明涉及激光焊机设备领域，特别适用于冷轧激光焊机消除热透镜效应，减少功率损耗及光束偏斜的激光束外光路系统装置，具体涉及一种激光焊接机的激光束外光路系统。
【背景技术】
[0002]冷轧C202酸轧激光焊机，主要用于焊接厚度在2mm-3mm、硬度HR30Te在42 — 65的热轧带钢，焊机激光源本体输出镜输出光斑直径为22mm，功率为8KW的激光束，通过外光路的多次反射和最终聚焦实现激光对钢板的焊接。
[0003]大功率激光束是在空气中传输的，空气将吸收一部分激光能量，构成空间折射率场分布，最终形成空气热透镜，一般是不稳定的，环境温度高时更加明显，它一方面使激光束的位置发生偏折，另一方面影响到激光光束质量的聚焦焦点的位置。
[0004]现有焊机激光束外光路系统采用不锈钢管路基本密闭技术，由管路、反射镜、聚焦镜及激光加工头组成，在激光加工头出光口位置有一个压缩空气气帘，使外光路形成一个基本的封闭空间。该系统基本保证了外光路内部的清洁及激光传送的可靠性，但在环境温度比较高的时候，即环境温度超过30摄氏度时，激光束的位置容易发生偏斜、激光传输实际焊透率会出现下降，环境温度越高越明显，在这种情况下，只能通过降低焊接速度来弥补光束偏斜和焊透率下降问题；而且外光路内部的光学反射镜和聚焦镜特别容易脏，镜子表面还容易出现烧点损伤，给正常焊接生产带来很大影响。
【发明内容】
[0005]本发明的目的是提供一种激光焊接机的激光束外光路系统，用以解决激光束经过外光路传送后，由于空气热透镜效应及光学器件结露异常，使激光光束发生偏斜及实际功率明显衰减导致焊透率下降的问题。
[0006]为实现上述目的，本发明的方案是:一种激光焊接机的外光路系统，包括激光传输管路、激光输出镜、反射镜和激光头，在激光传输管路中沿着激光束传输的方向依次设置有双向喷气环、第一单向喷气环、环流喷吹框、第二单向喷气环和、第三单向喷气环和第四单向喷气环，所述双向喷气环和第一单向喷气环位于激光输出镜区域，所述双向喷气环对着激光输出镜的环面上开设有喷气孔，用于吹出气流以吹散激光输出镜镜面上的水汽，所述双向喷气环面向激光束传输方向的环面上也开设有喷气孔，用于吹出气流以吹散双向喷气环与第一单向喷气环之间区域的空气热透镜，双向喷气环的进气口连接有第一流量控制支阀；
[0007]所述第一单向喷气环面向激光束传输方向的环面上开设有喷气孔，用于吹出气流以吹散第一单向喷气环与环流喷吹框之间区域的空气热透镜，第一单向喷气环的进气口连接有第二流量控制支阀；
[0008]环流喷吹框和第二单向喷气环位于反射镜区域，所述环流喷吹框是由中空的面板围成的框型结构，各所述面板对着反射镜的一面上开设有喷气孔，用于吹出气流以吹散反射镜镜面上的水汽，在环流喷吹框的进气口连接有环流喷吹流量支阀；第二单向喷气环面向激光束传输方向的环面上开设有喷气孔，用于吹出气流以吹散第二单向喷气环与第三单向喷气环之间区域的空气热透镜，第二单向喷气环的进气口连接有第三流量控制支阀；
[0009]所述第三单向喷气环和第四单向喷气环设置在激光头区域，第三单向喷气环面向激光束传输方向的环面上开设有喷气孔，用于吹散第三单向喷气环与第四单向喷气环之间区域的空气热透镜，所述第三单向喷气环的进气口连接有第四流量控制支阀；所述第四单向喷气环面向激光头的环面上开设有喷气孔，用于吹散激光头区域的空气热透镜，第四单向喷气环的进气口连接有第五流量控制支阀。
[0010]所述第一流量控制支阀向双向喷气环输送2?3L/min的压缩气流。
[0011]所述第二流量控制支阀、第三流量控制支阀，第四流量控制支阀和第五流量控制支阀分别向第一单向喷气环、第二单向喷气环、第三单向喷气环和第四单向喷气环输送
1.8?2.2L/min的压缩气流。
[0012]环流喷吹流量支阀向环流喷吹框输送2.5?3.5L/min的压缩气流。
[0013]所述双向喷气环面向激光束传输方向的环面上开设有8?10个喷气孔，对着激光输出镜的环面上开设有3?6个喷气孔。
[0014]所述第一单向喷气环面向激光束传输的方向开设有9?12个喷气孔。
[0015]所述环流喷吹框是由四个中空的面板围成的方形框，上面板为45度下倾斜面板，面向反射镜开设有4?8个喷气孔，两侧面板为30度内倾斜面板，面向反射镜开设有2?4个喷气孔，下面板为内凹弧面板，面向反射镜开设有4?8个喷气孔。
[0016]该外光路系统设置有压缩气体引入装置，所述压缩气体引入装置包括冷却干燥器，所述冷却干燥器的进气口通过输入管路用于连接压缩气体气源，其出气口通过输出管路与激光传输管路连通，所述输出管路上设置有气体流量控制总阀。
[0017]该外光路系统还包括板式气帘，所述板式气帘包括第一板式喷头、第二板式喷头和板式喷头流量阀，所述第一板式喷头水平向下倾斜15度安装，所述第二板式喷头水平向下倾斜20度安装，所述板式喷头流量阀同时连接在第一板式喷头和第二板式喷头上。
[0018]所述板式喷头流量阀同时向第一板式喷头和第二板式喷头输送8.5?9.5L/min的压缩气流。
[0019]本发明达到的有益效果:本发明的激光束外光路系统采用多段环状冷却装置，通过将经过冷却和干燥的压缩气体引入外光路内部，采用合理的布局和喷吹方式，破坏高温环境下外光路通道内空气吸收部分激光能量构成的空间折射率场，并且通过镜面环吹来的气流减少光学反射镜面与环境温差，消除镜面结露问题，同时可以吹走积聚的水气，减少了激光在外光路中传输的光束偏移量及实际功率损耗，减缓了外光路本身容易快速劣化的问题，提高了激光束外光路使用的可靠性，克服了现有技术的不足，保证了激光输出焊接的有效性。
【专利附图】
【附图说明】
[0020]图1是本发明的激光束外光路系统结构示意图；
[0021]图2是本发明压缩气体引入控制部件结构示意图；
[0022]图3是本发明双向喷气环、第一单向喷气环在激光传输管路中的结构意图；
[0023]图4是本发明单向喷气环的结构示意图；
[0024]图5是本发明环流喷吹框、第二单向喷气环在激光传输管路中的结构示意图；
[0025]图6是本发明第三单向喷气环、第四单向喷气环、板式气帘在激光传输管路中的结构示意图。
【具体实施方式】
[0026]下面结合附图对本发明作进一步详细的说明。
[0027]本发明通过在光束导光外光路系统中通入压缩气体，来扰乱空间折射率场分布，从而减弱空气热透镜效应，空气热透镜效应的减弱程度与压缩气体压力、入口管的直径、位置密切相关，因此，找到消除热透镜效应的压缩气体的压力、位置，使激光束的位置不发生偏折，从而可以稳定激光束的聚焦焦点位置。光学镜的高效冷却与环境高温之间的偏差容易形成表面结露，通过控制镜面环吹的气体温度和流量可以有效消除结露，稳定镜面反射效果。
[0028]如图1所示，本发明的激光束外光路系统包括压缩气体引入装置，设置在激光输出镜区域的双向喷气环和第一单向喷气环，设置在反射镜区域的环流喷吹框和第二单向喷气环，设置在激光头区域的第三单向喷气环。
[0029]压缩气体引入装置:
[0030]包括冷却干燥器，该冷却干燥器的进气口通过输入管路用于连接压缩气体气源，出气口通过出气管路与激光传输管路连通，且在输出管路上还设置有气体流量控制总阀，该压缩气体引入装置通过冷却干燥器将引入的压缩气体的温度冷却到23摄氏度，偏差正负I摄氏度，湿度小于等于25%，通过输出管路输入到激光传输管路中，冷却干燥器可以实现温度的检测与控制，通过气体流量控制总阀控制外光路系统所需的总体气体流量。
[0031]设置在激光输出镜区域的双向喷气环和第一单向喷气环:
[0032]双向喷气环面向激光输出镜的环面上设置有3 — 6椭圆形的喷气孔,喷出的气体吹向激光输出镜，在冷却激光输出镜外围的同时，吹散激光输出镜面可能积聚的水气；双向喷气环面向激光传输方向的环面上设置有8 — 10个椭圆形的喷气孔，喷出的气体沿激光束传输方向吹散双向喷气环与第一单向喷气环之间区域的空气热透镜。双向喷气环的进气口连接有第一流量控制支阀，该第一流量控制支阀向双向喷气环输送2 — 3L/min的压缩气流。作为更优化的实施方式，本实施例输送的压缩气流为2.5L/min。
[0033]第一单向喷气环在面向激光束传输方向的环面上设置有9 一 12个椭圆形的喷气孔，该第一单向喷气环上开设的喷气孔吹出的气体沿着激光束传输的方向，吹散其周围区域的空气热透镜。第一单向喷气环的进气口连接有第二流量控制支阀，该第二流量控制支阀向第一单向喷气环输送1.8 — 2.2L/min的压缩气流。作为更优化的实施方式，本实施例输送的压缩气流为2L/min。
[0034]设置在反射镜区域的环流喷吹框和第二单向喷气环:
[0035]本实施例的环流喷吹框是由四个中空的面板围成的方形框，上面板为45度下倾斜面板，面向反射镜开设有4?8个喷气孔，两侧面板为30度内倾斜面板，面向反射镜开设有2?4个喷气孔，下面板为内凹弧面板，面向反射镜开设有4?8个喷气孔，该环流喷吹框上的喷气孔吹出的气体吹向反射镜，用于冷却反射镜的外围温度，同时吹散反射镜镜面可能积聚的水气。环流喷吹框与喷气环的原理相同，有一个进气口，该环形喷吹方形框的进气口连接有环流喷吹流量支阀，向环流喷吹框输送2.5 — 3.5L/min的压缩气流。作为更优化的实施方式，本实施例输送的压缩气流为3L/min。
[0036]第二单向喷气环在面向激光头的环面上开设有椭圆形的喷气孔9 一 12个，第二单向喷气环上的喷气孔吹出的气体沿着激光束传输的方向，吹散第二单向喷气环与第三单向喷气环之间区域的空气热透镜，其进气口连接有第三流量控制支阀，该第三流量控制支阀向第二单向喷气环输送1.8 — 2.2L/min的压缩气流。作为更优化的实施方式，本实施例输送的压缩气流为2L/min。
[0037]设置在激光头区域的第三单向喷气环和第四单向喷气环:
[0038]第三流量控制支阀面向激光束传输的方向开设有椭圆形的喷气孔9 一 12个，第三单向喷气环上喷气孔吹出的气体，吹向激光束传输的方向，吹散第三单向喷气环与第四单向喷气环之间区域的空气热透镜。第三单向喷气环的进气口连接有第四流量控制支阀，该第四流量控制支阀向第三单向喷气环输送1.8 — 2.2L/min的压缩气流。作为更优化的实施方式，本实施例输送的压缩气流为2L/min。
[0039]第四单向喷气环面向激光头开设有椭圆形的喷气孔9 一 12个，第四单向喷气环上喷气孔吹出的气体，吹向激光头的方向，吹散激光头周围区域的空气热透镜。第四单向喷气环的进气口连接有第五流量控制支阀，该第五流量控制支阀向第四单向喷气环输送1.8 —
2.2L/min的压缩气流。作为更优化的实施方式，本实施例输送的压缩气流为2L/min。
[0040]板式气帘:
[0041]主要包括板式倾斜喷头装置，该装置由第一板式喷头和第二板式喷头组成，第一板式喷头和第二板式喷头均由四个中空的面板围成，其中一个面板是V—个形内凹面板，并在该V形内凹面板的凹陷处板开设有7 — 11椭圆形喷气孔，第一板式喷头将V形内凹面水平向下，倾斜15度安装，第二板式喷头将V形内凹面板水平向下，倾斜20度安装，形成重叠压下效果，第一板式喷头和第二板式喷头均连接板式喷头流量阀，该板式喷头流量阀向第一板式喷头和第二板式喷头输送8.5 - 9.5L/min的压缩气流。作为更优化的实施方式，本实施例输送的压缩气流为9L/min。板式倾斜喷头装置的喷气孔喷出的气流向下倾斜、交错叠加，压制外部热气、粉尘和焊渣等异物侵入外光路系统。
[0042]该外光路系统的具体工作过程如下:
[0043]激光束外光路系统通过压缩气体引入装置将压缩气体引入冷却干燥器后，由冷却干燥器对引入的压缩气体进行冷却和除湿作业，并由输出管路输出温度在22 - 24摄氏度范围、湿度小于等于25%的压缩气体，冷却后的气体经流量控制总阀输送到各流量控制支阀。
[0044]第一流量控制支阀向双向喷气环输送2.5L/min的压缩气流，向输出镜吹出小流量的气流，冷却输出镜的外围，同时吹散镜面可能积聚的水气，向激光束传输方向喷吹出较大流量的气流，吹散激光输出镜周围区域的空气热透镜；第二流量控制支阀向第一单向喷气环输送2L/min的压缩气流，吹散其周围区域的空气热透镜；环流喷吹流量支阀53向环流喷吹框52，输送3L/min的压缩气流，冷却反射镜外围温度的同时，吹散其镜面可能积聚的水气；第三流量控制支阀向第二单向压喷气环输送2L/min的压缩气流，吹散反射镜周围区域的空气热透镜；第四流量控制支阀第三单向喷气环输送2L/min的压缩气流，吹散第三单向喷气环与第四单向喷气环之间区域的空气热透镜；第五流量控制支阀向第四单向喷气环输送2L/min的压缩气流，吹散激光头周围区域的空气热透镜；板式喷头流量阀向第一板式喷头和第二板式喷头输送9L/min的压缩气流，向下倾斜的气流交错叠加压制外部热气、粉尘和焊渣等异物侵入外光路系统。
[0045]本发明目前应用的场合:冷轧酸轧区域激光焊机激光输出外光路系统。本发明克服了高温季节激光束经过外光路传送后，由于气体热透镜效应及光学器件结露异常，使激光光束发生偏斜及实际功率明显衰减导致焊透率下降的问题，采用多段环状冷却风装置，采用合理的布局和喷吹方式破坏高温环境下外光路通道内的空间折射率场，以及镜面环吹来减少光学镜面与环境温差消除由此产生的镜面结露问题及吹走积聚水气问题，减少激光在外光路中传输的光束偏移量及实际功率损耗以及减缓外光路本身容易快速劣化问题，提高了激光束外光路使用的可靠性，保证了激光输出焊接的有效性。
【权利要求】
1.一种激光焊接机的外光路系统,包括激光传输管路、激光输出镜、反射镜和激光头，其特征在于，在激光传输管路中沿着激光束传输的方向依次设置有双向喷气环、第一单向喷气环、环流喷吹框、第二单向喷气环、第三单向喷气环和第四单向喷气环，所述双向喷气环和第一单向喷气环位于激光输出镜区域，所述双向喷气环对着激光输出镜的环面上开设有喷气孔，用于吹散激光输出镜镜面上的水汽，所述双向喷气环面向激光束传输方向的环面上也开设有喷气孔，用于吹散双向喷气环与第一单向喷气环之间区域的空气热透镜，双向喷气环的进气口连接有第一流量控制支阀； 所述第一单向喷气环面向激光束传输方向的环面上开设有喷气孔，用于吹出气流以吹散第一单向喷气环与环流喷吹框之间区域的空气热透镜，第一单向喷气环的进气口连接有第二流量控制支阀； 环流喷吹框和第二单向喷气环位于反射镜区域，所述环流喷吹框是由中空的面板围成的框型结构，各所述面板对着反射镜的一面上开设有喷气孔，用于吹散反射镜镜面上的水汽，在环流喷吹框的进气口连接有环流喷吹流量支阀；第二单向喷气环面向激光束传输方向的环面上开设有喷气孔，用于吹散第二单向喷气环与第三单向喷气环之间区域的空气热透镜，第二单向喷气环的进气口连接有第三流量控制支阀； 所述第三单向喷气环和第四单向喷气环设置在激光头区域，第三单向喷气环面向激光束传输方向的环面上开设有喷气孔，用于吹散第三单向喷气环与第四单向喷气环之间区域的空气热透镜，所述第三单向喷气环的进气口连接有第四流量控制支阀；所述第四单向喷气环面向激光头的环面上开设有喷气孔，用于吹散激光头区域的空气热透镜，第四单向喷气环的进气口连接有第五流量控制支阀。
2.根据权利要求1所述的激光焊接机的外光路系统，其特征在于，所述第一流量控制支阀向双向喷气环输送2?3L/min的压缩气流。
3.根据权利要求1所述的激光焊接机的外光路系统，其特征在于，所述第二流量控制支阀、第三流量控制支阀，第四流量控制支阀和第五流量控制支阀分别向第一单向喷气环、第二单向喷气环、第三单向喷气环和第四单向喷气环输送1.8?2.2L/min的压缩气流。
4.根据权利要求1所述的激光焊接机的外光路系统，其特征在于，环流喷吹流量支阀向环流喷吹框输送2.5?3.5L/min的压缩气流。
5.根据权利要求1所述的激光焊接机的外光路系统，其特征在于，所述双向喷气环面向激光束传输方向的环面上开设有8?10个喷气孔，对着激光输出镜的环面上开设有3?6个喷气孔。
6.根据权利要求1所述的激光焊接机的外光路系统，其特征在于，所述第一单向喷气环面向激光束传输的方向开设有9?12个喷气孔。
7.根据权利要求1所述的激光焊接机的外光路系统，其特征在于，所述环流喷吹框是由四个中空的面板围成的方形框，上面板为45度下倾斜面板，面向反射镜开设有4?8个喷气孔，两侧面板为30度内倾斜面板，面向反射镜开设有2?4个喷气孔，下面板为内凹弧面板，面向反射镜开设有4?8个喷气孔。
8.根据权利要求1所述的激光焊接机的外光路系统，其特征在于，该外光路系统设置有压缩气体引入装置，所述压缩气体引入装置包括冷却干燥器，所述冷却干燥器的进气口通过输入管路用于连接压缩气体气源，其出气口通过输出管路与激光传输管路连通，所述输出管路上设置有气体流量控制总阀。
9.根据权利要求1所述的激光焊接机的外光路系统，其特征在于，该外光路系统还包括板式气帘，所述板式气帘包括第一板式喷头、第二板式喷头和板式喷头流量阀，所述第一板式喷头水平向下倾斜15度安装，所述第二板式喷头水平向下倾斜20度安装，所述板式喷头流量阀同时连接在第一板式喷头和第二板式喷头上。
10.根据权利要求9所述的激光焊接机的外光路系统，其特征在于，所述板式喷头流量阀同时向第一板式喷头和第二板式喷头输送8.5?9.5L/min的压缩气流。
【文档编号】B23K26/14GK104511691SQ201310455242
【公开日】2015年4月15日 申请日期:2013年9月29日 优先权日:2013年9月29日
【发明者】陈杰, 王康健, 梁力平, 舒巧军 申请人:宝山钢铁股份有限公司