一种高功率激光光束可调的加工头及其控制方法与流程

本发明涉及高功率激光技工领域，具体的说是一种高功率激光光束可调的加工头及其控制方法。

背景技术：

在高功率激光加工领域，对材料的加工需要精确的获得激光聚焦光斑的大小和位置。因此，精准的控制激光光束的直径大小和焦点位置就十分重要。激光光束加工不同厚度的材料时，一般情况下都需要重复地设定匹配激光光束以完成对材料的加工，其中重要一项为聚焦光斑的大小。例如，光纤激光在切割钢板过程中，当把薄板换成厚板时，就需要对聚焦到板材上的光束进行从新设定以满足对不同厚度钢板切割的要求，有时甚至可能需要更换整个激光加工头。而在这个从新设定参数或者拆装更换加工头的过程中就会大大的增加整个加工时间，并最终降低整套激光加工设备的效率。

现有的cn102985214a和ep96300239中，为了在工件上获得不同光束直径的聚焦光斑，而设计一系列简单或者复杂的光学结构。例如，在ep96300239中，激光光束首先进行准直，然后由一个多组镜片组成的可调扩束系统进行光束直径的调节，通过调控进入最后一片聚焦光学元器件的光束直径来达到调整最终聚焦光斑直径的目的。但该装置中光学元器件较多，结构较为复杂。另外，在cn102985214a中，整个装置中只有三个光学元器件，整体结构较为简单。然而，这个结构中内部有一个光学实焦点，在高功率激光上千瓦的情况下，该点能量易于急剧增加，最终可能会使装置内的气体电离，进而影响整个装置的使用。

技术实现要素：

本发明为克服现有技术的不足，一种激光光束可调的加工头及其控制方法，通过一个相对较简单装置控制进入最后一组光学元器件的光束直径宽度来实现灵活调节最终聚焦光斑大小，以实现对不同厚度材料的加工。

为实现上述目的，设计一种高功率激光光束可调的加工头及其控制方法，包括壳体，其特征在于：所述壳体的下方设有工件，壳体内从上至下依次设有光学元器件、第一元器件、第二元器件、第三元器件、第四元器件、第五元器件和保护镜片，所述第一元器件、第四元器件、第五元器件和保护镜片的左右两端分别通过支架固定在壳体的内侧壁上，第二元器件和第三元器件的右端通过支架固定在壳体的内侧壁上，第二元器件和第三元器件的左端通过另一支架分别连接电机和另一电机，所述电机和另一电机固定在壳体上；

控制方法包括如下步骤：1s1，光学元器件出射激光光束经过第一元器件后汇聚成为第一光束；2s2，第一光束通过分别由电机调控的第二元器件和由另一电机调控的第三元器件后形成发散的第二光束；3s3，发散的第二光束经过第四元器件汇聚后可以形成不同光束直径且平行的第三光束；4s4，第三光束经过第五元器件和保护镜片汇聚后最终聚焦成相对应的不同光斑直径的光斑；5s5，通过不同光斑直径的光斑来加工不同厚度的工件。

所述第一元器件为正透镜，第一元器件的焦距小于50mm。

所述第二元器件为负透镜。

所述第三元器件为正透镜或负透镜中的一种。

所述第四元器件为正透镜。

所述第五元器件为正透镜。

所述步骤2中包括如下步骤：1电机驱动第二元器件沿竖直的光轴方向运动一定距离后；2另一电机驱动第三元器件沿竖直的光轴运动特定的补偿距离，使第二光束经过第四元器件汇聚后形成一个特定光束直径的平行的第三光束，此时电机驱动第二元器件和另一电机驱动第三元器件可以调控第三光束的直径。

所述步骤4中第三光束经过第四元器件和保护镜片汇聚后在工件的表面聚焦成光斑。

所述步骤3中调控第三光束的直径可以控制光斑的直径大小。

本发明同现有技术相比，结构相对简单，通过控制进入最后一组光学元器件的光束直径宽度来实现灵活调节最终聚焦光斑大小，实现对不同厚度材料的加工。

附图说明

图1为本发明的光束调控装置在壳体内的结构示意图。

图2为本发明调节光斑大小的实施例中光学元器件在不同位置时的结构示意图。

参见图1～图2，其中，1是光学元器件，2是第一元器件，3是第二元器件，4是第三元器件，5是第四元器件，6是第五元器件，7是保护镜片，8是工件，9是激光光束，10是第一光束，11是第二光束，12是第三光束，13是第四光束，14是光斑，15是电机，16是另一电机，17是壳体。

具体实施方式

下面根据附图对本发明做进一步的说明。

如图1所示，所述壳体17的下方设有工件8，壳体17内从上至下依次设有光学元器件1、第一元器件2、第二元器件3、第三元器件4、第四元器件5、第五元器件6和保护镜片7，所述第一元器件2、第四元器件5、第五元器件6和保护镜片7的左右两端分别通过支架固定在壳体17的内侧壁上，第二元器件3和第三元器件4的右端通过支架固定在壳体17的内侧壁上，第二元器件3和第三元器件4的左端通过另一支架分别连接电机15和另一电机16，所述电机15和另一电机16固定在壳体17上；

一种高功率激光光束可调的加工头控制方法，其特征在于包括如下步骤：1）s1，光学元器件1出射激光光束9经过第一元器件2后汇聚成为第一光束10；2）s2，第一光束10通过分别由电机15调控的第二元器件3和由另一电机16调控的第三元器件4后形成发散的第二光束11；3）s3，发散的第二光束11经过第四元器件5汇聚后可以形成不同光束直径且平行的第三光束12；4）s4，第三光束12经过第五元器件6和保护镜片7汇聚后最终聚焦成相对应的不同光斑直径的光斑14；5）s5，通过不同光斑直径的光斑14来加工不同厚度的工件8。

所述第一元器件2为正透镜，第一元器件2的焦距小于50mm。

所述第二元器件3为负透镜。

所述第三元器件4为正透镜或负透镜中的一种。

所述第四元器件5为正透镜。

所述第五元器件6为正透镜。

所述步骤2中包括如下步骤：1）电机15驱动第二元器件3沿竖直的光轴方向运动一定距离后；2）另一电机16驱动第三元器件4沿竖直的光轴运动特定的补偿距离，使第二光束11经过第四元器件5汇聚后形成一个特定光束直径的平行的第三光束12，此时电机15驱动第二元器件3和另一电机16驱动第三元器件4可以调控第三光束12的直径。

所述步骤4中第三光束12经过第四元器件6和保护镜片7汇聚后在工件8的表面聚焦成光斑14。

所述步骤3中调控第三光束12的直径可以控制光斑14的直径大小。

本发明使用时，激光从上到下首先入射到第一光学元器件上，光学第一元器件位置固定；经过第一光学元器件上后，进入第二光学元器件；光学第二元器件在第一元器件之下，光学第二元器件可以用电机调节相对应的位置；激光通过光学第二元器件后进入第三光学元器件，光学第三元器件在光学第二元器件之下，光学第三元器件也由电机连接，可以进行位置的相对调节；第四光学元器件在第三光学元器件之下，光学第四元器件位置固定，激光通过第三光学元器件后进入光学第四元器件；激光经过第四光学元器件后进入光学第五元器件，第五光学元器件在第四光学元器件之下并且位置固定；激光经过光学第五光学元器件后，聚焦到不同后的工件上，光学第五元器件位置固定。

通过本发明在第四和第五光学元器件之间的光束直径可以发生改变。

激光进入第一光学元器件后，光束由发散光转化为聚焦光，因此第一光学元器件选择为正透镜，优选为焦距较小的透镜。但考虑到激光从光纤开始处到第一光学元器件的距离不能太小，因此第一光学元器件优选焦距也不能过于小，第一光学元器件特别优选焦距为30至50mm。

为方便调控在第四和第五光学元器件之间的光束直径，第二和第三光学元器件可以沿激光光轴方向上位置发生相对的运动。第二光学元器件由一个电机驱动作位置移动，第三光学元器件也由另一个电机驱动作位置相对移动。

激光进入第二和第三光学元器件后，光束由聚焦光转化为发散光，因此第二和第三光学元器件一个特别地优选方式为：第二和第三光学元器件都为负透镜。激光经过第一光学元器件后，光束由发散光转化为聚焦光。第二光学元器件移动到一个位置，激光光束由聚焦光转化为发散光，有一定的发散角。而后，第三光学元器件移动到一个特定的补偿位置，这个位置使光束的发散角进一步加大并具有一个特定的角度，拥有该角度的光束经过第四光学元器件后可以形成一个相对对应光束直径的平行光束。

作为替代，第二光学元器件设计为负透镜，第三光学元器件设计为正透镜。激光经过第一光学元器件后，光束由发散光转化为聚焦光。第二光学元器件移动到一个位置，激光光束由聚焦光转化为发散光，有一定的发散角。而后，第三光学元器件移动到一个特定的补偿位置，这个位置使光束的发散角减小并具有一个特定的角度，拥有该角度的光束经过第四光学元器件后可以形成一个相对对应光束直径的平行光束。

经过第四光学元器件，激光光束拥有不同的光束直径平行光。平行光经过第五光学元器件后，平行光形成集聚光。不同的光束直径平行光经过第五光学元器件后将拥有不同大小的聚焦光斑。

实施例1：

如图2（a）所示，激光光束9为一个发散光，入射到第一元器件2上，并且依次通过第二元器件3、第三元器件4。然后该激光光束经过第四元器件5准直后形成一个直径为d01的平行激光光束。该平行光束再经过第六元器件6后聚焦工件表面，以实现对工件的激光加工，此时聚焦到工件上的激光焦点直径为d02。

实施例2：

如图2（b）所示，当转换加工工件时，工件的厚度可能会发生改变，例如所需工件的厚度变厚，此时就需要增加聚焦到工件8表面上光斑14的直径d12，需要使d12>d02。为了使聚焦光斑14的直径d12增大，电机15将驱动第二元器件3沿光轴方向运动z11距离。作为补偿，第三元器件4将在另一电机16的驱动下沿光轴方向运动z12距离。这时，第二光束11以一个特定的角度入射第四元器件5，经过第四元器件5准直后形成一个直径为d11的平行的第三光束12，这里d11<d01。平行的第三光束12经过第六元器件6后聚焦工件表面形成一个直径为d12的光斑14，得到d12>d02。

实施例3：

当所需工件的厚度进一步变厚，此时就需要继续增加聚焦到工件8表面上光斑14的直径d22，需要使d22>d12。为了使聚焦光斑14的直径d22进一步增大，电机15将继续驱动第二元器件3沿光轴方向运动z21距离。作为补偿，第三元器件4将在另一电机16的驱动下沿光轴方向运动z21距离。这时，第二光束11以另一个特定的角度入射第四元器件5，经过第四元器件5准直后形成一个直径为d21的平行的第三光束12，这里d21<d11。平行的第三光束12经过第六元器件6后聚焦工件表面形成一个直径为d22的光斑14，得到d22>d12。