一种激光金属切割装置的制作方法

1.本发明属于光电子技术领域，具体涉及一种激光金属切割装置。


背景技术：

2.从提出吹氧法进行金属激光切割以来，激光切割技术因其切速快、无接触性、热影响区域小、热变形小、广泛的适应性与灵活性，成为工业领域重要的现代先进加工技术。目前激光切割技术可分为汽化切割、无氧熔化切割、氧助熔化切割以及控制断裂切割。激光切割技术的原理是激光作用于加工材料，激光能量使加工材料熔化，通过高速气流来排出熔融物。由于熔融物排出速度较慢，激光切割效率得不到提高，易形成重铸层，另外，主要依靠高速气流来排出熔融物容易引发熔渣黏在背面，在材料背面形成残渣毛刺，高速气流的风速和方向对切割的动态精度影响很大，且高速气流越大，对动态精度影响就越大。
3.因此，目前激光切割技术普遍存在着运行速度低、动态精度差以及切割断面质量不易保证等问题，为了进一步提高产品质量和生产率，降低运行成本，需要提出的新型激光切割装置，以满足日益增长的生产需要。


技术实现要素：

4.针对上述缺陷本发明提供一种激光金属切割装置，旨在解决现有激光切割装置由于气流排出熔融物的速度较慢而导致切割效率低、切割断面质量差的技术问题。
5.为实现上述目的，本发明提供一种激光金属切割装置，包括第一激光发生模块、第二激光发生模块、激光合束模块以及辅助气体模块；第一激光发生模块输出端与激光合束模块一输入端连接，第二激光发生模块输出端与激光合束模块另一输入端连接；所述第一激光发生模块，用于输出可使金属融化为金属熔融物的激光；所述第二激光发生模块，用于输出可排除金属熔融物的激光；所述激光合束模块，用于将可使金属融化为金属熔融物的激光与可排除金属熔融物的激光合束为复合激光束；所述辅助气体模块，用于输出方向与复合激光束方向相同的高速气流。
6.进一步，由第一激光发生模块输出可使金属融化为金属熔融物的激光，由第二激光发生模块输出可排除金属熔融物的激光，经过激光合束模块将第一激光发生模块输出激光与第二激光发生模块输出激光合束为复合激光束，复合激光束作用于金属，在复合激光束中第一激光发生模块输出激光作用下，金属表面熔化为金属熔融物，金属熔融物逐渐向材料内部延伸，少部分金属熔融物液化蒸发，大部分金属熔融物在第二激光发生模块输出激光形成的反冲力与高速气流形成的反冲力共同作用下，以液态的形式溅射排出，迅速在金属表面形成孔洞，在金属表面形成孔洞后，沿着切割的方向，金属相对于复合激光和高速气流运动，形成切缝。
7.进一步地，还包括激光聚焦模块，用于将复合激光束聚焦，激光合束模块输出端与激光聚焦模块输入端连接，通过聚焦复合激光束可以提升复合激光束的功率密度，有利于提高切割效率和质量。
8.进一步地，所述第一激光发生模块输出平均功率在5mw/cm 2 ～50mw/cm 2 的激光，该平均功率下的激光可以切割常见的金属，例如不锈钢、铜和碳钢等。
9.进一步地，所述第一激光发生模块为连续激光器或脉冲宽度在毫秒级的长脉冲激光器。
10.进一步地，所述第二激光发生模块输出峰值功率达到5000w以及脉冲宽度为微秒级以下激光，可以产生更大的反冲力，有利于排出金属熔融物，提高切割效率和质量。
11.进一步地，所述第二激光发生模块为脉冲宽度在微秒级以下的脉冲激光器。
12.进一步地，所述激光合束模块为光纤合束器，所述第一激光发生模块通过光纤与所述光纤合束器相连，所述第二激光发生模块通过光纤与所述光纤合束器相连，光纤合束器集成度高，稳定性好。
13.进一步地，所述激光合束模块为偏振合束器，第一激光发生模块输出偏振激光射到偏正合束器上，第二激光发生模块输出偏振激光射到偏振合束器上，且第一激光发生模块输出偏振激光偏振态与第二激光发生模块输出偏振激光偏振态正交。
14.进一步地，所述激光合束模块为空间合束器，第一激光发生模块输出激光射到空间合束器上，第二激光发生模块输出激光射到空间合束器上，且第一激光发生模块输出的激光与第二激光发生模块输出的激光垂直，空间合束器操作简便，易实现。
15.通过本发明所构思的以上技术方案，与现有技术相比，取得以下有益效果：1、由第一激光发生模块输出的激光和第二激光发生模块输出的激光组成的复合激光束切割金属，复合激光中第一激光发生模块输出的激光融化金属并形成金属熔融物，第二激光发生模块输出的激光可以达到很高的表面温度形成反冲力，由第二激光发生模块输出的激光形成的反冲力与高速气流形成的反冲力共同作用下，使金属熔融物快速以液态溅射的方式排出，减少重铸层和材料残渣的形成，使加工金属表面粗糙度小，提高激光切割金属的质量，且显著提高切割效率。
16.2、本发明利用第一激光发生模块输出激光与第二激光发生模块输出激光组成的复合激光束切割金属，降低了对激光器的要求，并达到更好的切割效果，显著降低了本发明的成本。
附图说明
17.图1本发明的结构示意图；图2本发明的另一实施例的结构示意图；图3本发明的另一实施例的结构示意图；图4本发明的另一实施例的结构示意图。
具体实施方式
18.下面结合附图对本发明作进一步描述。
19.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。
20.如图1所示，本发明提供的基于复合激光束的金属切割装置包括第一激光发生模
块，用于输出可融化金属为金属熔融物的激光，第二激光发生模块，用于输出可排出金属熔融物的激光，激光合束模块，用于将由第一激光发生模块输出激光与由第二激光发生模块输出激光合束为复合激光束，第一激光发生模块输出端与激光合束模块的一输入端连接，第二激光发生模块输出端与激光合束模块的另一输入端连接。
21.复合激光束作用于金属上，在复合激光中第一激光发生模块输出激光的作用下，金属表面首先被熔化为金属熔融物，金属熔融物逐渐向材料内部延伸，少部分金属熔融物液化蒸发，大部分金属熔融物在高峰值功率激光形成的反冲力与高速气流形成的反冲力共同作用下，以液态的形式溅射排出，复合激光束迅速在金属表面形成孔洞，金属沿着切割的方向相对于复合激光和高速气流运动，形成切缝。
22.通过高峰值功率激光形成的反冲力与高速气流形成的反冲力共同作用下，使金金属熔融物以液态的形式溅射出去，减少切割过程中的重铸层和材料残渣的形成，降低加工材料表面粗糙度，提高激光切割金属材料的质量，另外，本实施例中利用由第一激光发生模块输出的激光和第二发生模块输出的激光组成的复合激光束切割金属，降低对激光器的要求，并达到更好的切割效果，显著降低了本发明的成本。
23.作为本发明提供的另一种实施例，基于复合激光束的金属切割装置还包括激光聚焦模块，用于将复合激光聚焦，形成高功率密度的复合激光束，激光合束模块的输出端与激光聚焦模块的输入端连接，高功率密度的复合激光束作用于金属上，使金属融化为金属熔融物的速率提高，并使由第二激光发生模块输出激光能够产生更大的反冲力，有利于更快速排出金属熔融物，减少重铸层与材料残渣形成，提高金属切割质量。
24.作为本发明提供的另一种实施例，第一激光发生模块输出激光的平均功率为5mw/cm2～50mw/cm 2 的激光，该功率下的激光能够切割常见的金属，例如不锈钢、铜和碳钢等。
25.作为本发明提供的另一种实施例，第二激光发生模块输出峰值功率达到5000w以及脉冲宽度为微秒级以下激光，可以产生更大的反冲力，有利于排出金属熔融物，减少重铸层与材料残渣形成，提高切割效率和质量。
26.如图2所示，本发明提供的另一种实施例，连续激光器1用于输出可使融化金属为金融熔融物的连续激光，且连续激光器1能够输出高的激光能量，有利于提升切割速度和切割质量，脉冲激光器2用于输出可排出金属熔融物且脉冲宽度在微米级以下的激光，连续激光器1通过光纤与光纤合束器3相连，脉冲激光器2通过光纤与光纤合束器3相连，利用光纤合束器实现激光束，便于安装，且光纤合束器稳定性好，连续激光器1输出的连续激光与脉冲激光器2输出的脉冲激光经过光纤合束器3合束为复合激光束4，复合激光束4经过反射镜5反射后，方向改变，方向改变后的合束激光束4经过聚焦透镜6聚焦，得到高功率密度的复合激光束9，复合激光束9透过保护镜7作用于金属10，在合束激光束9中连续激光的作用下，加热金属并熔化金属，形成金属熔融物，金属熔融物逐渐向材料内部延伸，辅助气体装置8产生与复合激光束9相同方向的高速气流，在高速气流形成的反冲力与脉冲激光形成反冲力的共同作用下，使得金属熔融物以液态形式溅射排出，快速形成孔洞，在形成孔洞后，金属沿着切割的方向相对于复合激光和高速气流运动，形成切缝，在高功率密度的复合激光束和高速气流的作用下，加速金属熔融物的形成，并使金属熔融物以液态形式溅射排出，减少重铸层和材料残渣的形成，有利于提升切割速率和质量。
27.如图3所示，本发明提供的另一种实施例，偏正连续激光器1，用于输出偏振的连续
激光，偏振脉冲激光器2，用于输出与偏振的连续激光偏正态正交的偏正的脉冲激光，且脉冲激光脉冲宽度在微米级以下，由连续偏振激光器1输出偏正的连续激光射到偏正合束镜12上，由脉冲偏振激光器2输出偏振的脉冲激光射到偏正合束镜12上，经过偏正合束镜12合束为复合激光束4，复合激光束4经过反射镜5反射后，方向改变，方向改变后的合束激光4束再经过聚焦透镜6聚焦，得到高功率密度的复合激光9，复合光束9透过保护镜7作用于金属10，在合束激光9中偏正的连续激光的作用下，加热金属并熔化金属，形成金属熔融物，金属熔融物逐渐向材料内部延伸，辅助气体装置8产生与复合激光束相同方向的高速气流，在高速气流形成的反冲力与偏振的脉冲激光形成反冲力的共同作用下，使得金属熔融物以液态形式溅射排出，快速形成孔洞，在形成孔洞后，金属沿着切割的方向相对于复合激光和高速气流运动，形成切缝，高功率密度的复合激光束和高速气流的作用下，加速金属熔融物的形成，并使金属熔融物以液态形式溅射排出，减少重铸层和材料残渣的形成，有利于提升切割速率和质量。
28.如图4所示，本发明提供的另一种实施例，长脉冲激光器1，用于输出可融化金属为金属熔融物的长脉冲激光，长脉冲激光易于实现，能够降低本实施例的成本，长脉冲激光打到合束棱镜13上，脉冲激光器2，用于输出可排出金属熔融物的脉宽长度微米级下的脉冲激光，且脉冲激光方向与长脉冲激光方向垂直，脉冲激光打到合束棱镜13上，长脉冲激光与脉冲激光经过合束棱镜13合束为复合激光束4，利用合束棱镜13实现激光合束，操作简便，易实现合束，激光束4经过反射镜5反射后，方向改变，方向改变后的合束激光4束再经过聚焦透镜6聚焦，得到高功率密度的复合激光9，复合光束9透过保护镜7作用于金属10，在合束激光9中长脉冲激光的作用下，加热金属并熔化金属，形成金属熔融物，金属熔融物逐渐向材料内部延伸，辅助气体装置8产生与复合激光束相同方向的高速气流，在高速气流形成的反冲力与脉冲激光形成反冲力的共同作用下，使得金属熔融物以液态形式溅射排出，快速形成孔洞，沿着切割的方向，金属相对于复合激光和高速气流运动，形成切缝，高功率密度的复合激光束和高速气流的作用下，金属熔融物的快速形成，并使金属熔融物以液态形式溅射排出，减少重铸层和材料残渣的形成，有利于提升切割速率和质量。
29.本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
30.在本发明的描述中，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位。
31.在本发明中术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接；可以是机械连接；可以是直接相连，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义；术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，可以是一个或者更多个该特征，在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
32.本发明不限于上述具体实施方式，所有不脱离本方案结构和作用的变化均在本发
明保护范围内。