风冷手持激光加工头的制作方法

1.本实用新型属于激光加工系统技术领域，特别涉及一种风冷手持激光加工头，可广泛应用于激光加工产业中。


背景技术：

2.手持激光加工设备由于其灵活性，已开始大量进入市场，如手持激光焊接机、手持激光切割机、手持激光焊接二合一加工设备等。在激光加工设备中，由于光学系统中诸光学元件存在玻璃散射、玻璃吸收和膜层散射等问题，在光学传输通道中会存在杂光，这些杂光作为热源在光学系统腔体内加热透镜和系统壳体，此外，激光加工过程中光与物质相互作用产生的散射光、物质发热产生的辐射光也会对光学元件和系统壳体加热。在激光加工系统中，这些热量必须及时消除掉以避免系统损伤。在激光加工设备中，目前通常采用水冷实现激光输出头和壳体冷却。在手持激光加工设备中，也普遍采用了水冷进行冷却。但是，采用的水冷带来的问题是设备成本高、体积大、耗电多，尤其是不利于手持设备的小型化。


技术实现要素：

3.为了解决现有技术中存在的问题，本实用新型的目的在于提供一种风冷式手持激光加工头，将激光输出头和加工头中的光学系统及加工头基体同时冷却，简化激光输出头的结构，消除水冷带来的体积大、能耗高、成本增加等问题。
4.为了实现上述目的，本实用新型采用的技术方案是，一种风冷手持激光加工头，其特征在于：包括加工头基体(1)、光学系统和至少一个光纤输出头(14)；所述加工头基体(1)中心部分设置有光学传输通道(15)，所述光纤输出头(14)为激光的输出端口，所述光纤输出头(14)与光学系统依次设置在所述加工头基体(1)的光学传输通道(15)中，所述光纤输出头(14)发出的光由所述光学系统汇聚后从所述光学传输通道(15)末端输出；所述光学传输通道(15)旁边设置有至少一个第一气体通道(13)。
5.进一步的，所述加工头基体(1)上的第一气体通道(13)的输出端至少有一个在所述光学系统的后部与所述光学传输通道(15)连通；与所述光学传输通道(15)连通的第一气体通道(13)用于传输激光加工辅助工艺气体，所述辅助工艺气体用于为激光加工提供工艺所需气体并对所述加工头基体(1)进行冷却。
6.进一步的，所述加工头基体(1)上设置有与光学传输通道(15)不连通的第二气体通道(16)，第二气体通道(16)的输出端与所述加工头外部连通。
7.进一步的，所述加工头基体(1)上还设置有与第二气体通道(16)对应的共用通道(21)和一微型风扇(2)；所述共用通道(21)与第二气体通道(16)的输入端连通，所述共用通道(21)与所述微型风扇(2)相连，所述微型风扇(2)将风通过共用通道(21)送入与第二气体通道(16)对所述加工头基体(1)进行冷却。
8.进一步的，所述第一气体通道(13)与所述光学传输通道(15)的光学系统最后一个部件之前区域为气密隔离。
9.进一步的，在所述光学传输通道(15)的光出射端设置一个喷嘴(3)，用于汇聚气体使其定向到激光加工区域。
10.进一步的，所述光纤输出头(14)包含一个光纤激光器输出头，所述光纤输出头(14)包括输出光纤、焊接在输出光纤上的端帽和包裹光纤的玻璃管；所述端帽用于降低输出端面功率密度；所述玻璃管用于支撑光纤和剥离包层模。
11.进一步的，在所述光纤输出头(14)之后的光学传输通道(15)上设置光学振镜，所述光学振镜用于使像方光点以特定的轨迹和频率振动，实现激光摆动焊。
12.进一步的，所述光纤输出头(14)包含多个光纤耦合半导体激光器的输出光纤和玻璃管，多根输出光纤按一定规律排列并被玻璃管包裹。
13.进一步的，所述喷嘴的开孔直径沿气体喷出方向由大到小渐缩。
14.与现有技术相比，本实用新型至少具有以下有益效果：本实用新型将激光输出头和加工头中的光学系统及加工头基体同时冷却，简化了激光输出头的结构；可以直接采用激光加工中的辅助工艺气体对激光加工头进行冷却；当辅助工艺气体的冷却不够时，可以采用微型风扇对激光加工头进行冷却，消除了水冷带来的体积大、能耗高、成本增加等问题。
15.进一步的，本实用新型在光学系统最后一个元件边缘与光传输通道气密连接，诸气体传输通道与光学元件、光学振镜和光纤输出头设置区气密隔离，可以防止气体污染光学系统和光纤输出头。本实用新型的结构设计能够有效减少光纤头的光的加热，也就是从源头处就减少了光纤头的漏光，减少了产生热的情况，本实用新型能够极大程度的减少热呼吸效应，避免热胀冷缩，减少了粉尘进去的机会，避免了光学系统被烧坏的可能性。
附图说明
16.图1为本实用新型提出的风冷手持激光加工头技术方案的第一种实施结构剖面示意图。
17.图2为本实用新型提出的风冷手持激光加工头技术方案的第二种实施结构剖面示意图。
18.图3为本实用新型提出的风冷手持激光加工头技术方案的第三种实施结构剖面示意图。
19.附图中：1加工头基体，11第一光学部件，12第二光学部件，13第一气体传输通道，14光纤输出头，15光学传输通道，16第二气体通道，2微型风扇，21共用通道，3喷嘴。
具体实施方式
20.下面结合附图和实施例详细说明本实用新型提出的风冷手持激光加工头结构。
21.本实用新型提出的风冷手持激光加工头包括加工头基体1、光学系统和至少一个光纤输出头14。其中：加工头基体1中心部分设置有光学传输通道15，光纤输出头14为激光的输出端口，光纤输出头14与光学系统依次设置在加工头基体1的光学传输通道15中，光纤输出头14发出的光由光学系统汇聚后从光学传输通道15末端输出；光学传输通道15旁边设置有气体通道。
22.在该风冷手持激光加工头中，由于辅助加工工艺气体是必须的，所以优先采用加
工辅助气体冷却。由于辅助气体最好与光路同路到达加工区，优选的，加工头基体1上的气体传输通道的输出端至少有一个在光学系统的后部与光学传输通道15连通；与光学传输通道15连通的气体通道传输激光加工辅助工艺气体，该辅助气体可以同时对加工头基体1进行冷却。
23.在该手持激光加工头中，如果加工辅助气体的冷却能力不够，可以增加空气冷却，这时：在加工头基体1上设置与光学传输通道15非连通的气体传输通道，其输出端与加工头外部连通。这时，优选的，加工头基体1上设置一共用通道21和一微型风扇2。其中：共用通道21与加工头基体1上的与光学传输通道15非连通的气体传输通道的输入端连通，共用通道21与微型风扇2相连；微型风扇2将风送入共用通道21进而送入与共用通道21连通的气体通道，对加工头基体1进行冷却。
24.在该风冷手持激光加工头中，为避免气体污染光纤输出头14和光学系统，造成这些光学元件烧毁，优选的，传输辅助工艺气体的通道与光学通道的光学系统最后一个部件之前区域气密隔离。
25.在该风冷手持激光加工头中，通常，在光学传输通道15的光出射端设置一个喷嘴3，用于汇聚气体使其定向到激光加工区域。这样可以在保持工艺所需气体强度的情况下节省工艺气体。
26.在该风冷手持激光加工头中，当采用光纤激光器时，光纤输出头14包含一个光纤激光器输出头，光纤输出头14包括输出光纤、焊接在输出光纤上的端帽和包裹光纤的玻璃管。其中：端帽用于降低输出端面功率密度；玻璃管用于支撑光纤和剥离包层模。在这种结构中，优选的，在所述光纤输出头14之后的光学传输通道15上设置光学振镜，该光学振镜使像方光点以特定的轨迹和频率振动，实现激光摆动焊。
27.在该风冷手持激光加工头中，当采用光纤耦合半导体激光器时，光纤输出头14由多个光纤耦合半导体输出模块的输出光纤组成，这些模块的输出光纤端面紧靠在一起，外部由玻璃管包裹，用于剥离掉泄漏光。
28.图1为依据本实用新型提出的风冷手持激光加工头技术方案的第一种实施结构剖面示意图。该实施结构由加工头基体1、光纤输出头14、光学系统和喷嘴3组成。其中：加工头基体1成枪型结构，其中心为光学传输通道15，光学传输通道15两边对称设置两个气体传输通道；光纤输出头14和光学系统依次设置在光学传输通道15中，光学系统包括光学部件1和光学部件2，其中，光学部件1是反射镜，用于改变光路方向，光学部件2是成像系统，用于接收反射镜的反射光，并将光汇聚到待加工表面。本实施例中，两个气体传输通道的输出端在光学系统后与光学传输通道15连通，即气体传输通道的输出端与光学部件2之后的光学通道连通；输入到气体传输通道的气体把激光传输过程中辐射到光学传输通道15的光在加工头基体1上产生的热量带走，进入光学传输通道15后由光学传输通道15末端的喷嘴3喷出。在该实施例的结构中，光学系统最后一个元件边缘与光学传输通道15之间为气密连接，气体通道与光学系统和光纤输出头14之间气密隔离，可以防止气体污染光学系统和光纤输出头14。本实施例中的风冷手持激光加工头可以用作手持激光焊接机，也可以用作手持激光切割机，还可以作为焊接切割二合一加工头。
29.根据该实施结构，研制了一台手持激光焊接头，光纤输出头14包括3根光纤，每根光纤输出功率为350瓦，输出光纤参数为：包层直径220微米芯径，芯径200微米，数值孔径
0.22；3根光纤品字形排列，包裹在一根玻璃管内；两气体通道直径6毫米，气体为氩气或氮气；光学系统包括一片反射镜和四片球面透镜组成的镜头，镜头焦距80毫米，横向放大率为2倍；该焊接头用于厚度1到2毫米的薄板焊接。
30.图2为本实用新型的第二种实施结构剖面示意图。该实施结构由加工头基体1、光纤输出头14、光学成像系统、光学振镜和喷嘴3组成。其中：加工头基体1成枪型结构，其中心为光学传输通道15，传输通道两边对称设置两个气体传输通道；光纤输出头14、光学部件1(光学振镜)和光学部件2(光学成像系统)依次设置在光学传输通道15中；光学振镜是压电陶瓷驱动的反射镜，它在改变光路方向的同时使光束按一定的轨迹和频率振动；光学成像系统用于将光纤输出的光汇聚到加工表面；两个气体通道的输出端在光学成像系统后部与光学传输通道15连通，输入到气体传输通道的气体把激光传输过程中辐射到光学传输通道15的光在加工头基体1上产生的热量带走，进入光学传输通道15后部后由接在光学传输通道15上的喷嘴3喷出。在该实施结构中，光学成像系统最后一个元件边缘与光学传输通道15气密连接，诸气体传输通道与光学元件、光学振镜和光纤输出头14设置区气密隔离，可以防止气体污染光学成像系统和光纤输出头14。该风冷手持激光加工头可以用作手持激光焊接机，也可以用作手持激光切割机，还可以作为焊接切割二合一加工头。
31.根据该实施结构，我们研制了一台手持激光切割头焊接二合一加工头，光纤输出头14为单个光纤激光器输出头，其功率为1000瓦，输出光纤参数为：包层直径400微米芯径，芯径20微米，数值孔径0.06；在光纤端面焊接了一个直径1毫米长度8毫米的玻璃棒，即端帽，用于降低输出端面功率密度；光纤包层外部紧套一内径400微米的玻璃管，用于包层模剥离；两气体传输通道直径6毫米，气体为氩气或氮气，有时也用空气；光学系统包括一片反射镜和一片球面透镜，球面透镜焦距15毫米，加工光斑直径150微米。当光学振镜静止时，该二合一加工头可以作为切割头使用，可以用于厚度3毫米以下薄板的切割。当光学振镜工作时，该二合一加工头可以作为焊接头使用，可以用于厚度3毫米以下薄板的焊接。
32.图3为本发的第三种实施结构剖面示意图。该实施结构用于辅助加工工艺气体冷却能力不够的场合。它同时采用加工辅助工艺气体和外部空气进行冷却。该实施结构由加工头基体1、光纤输出头14、光学系统、喷嘴3和微型风扇2组成。其中：加工头基体1成枪型结构，其中心为光学传输通道15，在传输通道上部对称设置两个气体传输通道，两个通道的一端与共用通道21相连，共用通道21与微型风扇2相连，这两个气体传输通道的另一端在垂直于光学传输通道15的方向上与外部空气相连，这两个气体传输通道利用微型风扇2泵入的空气对加工头基体1进行冷却；在传输通道下部设置一个气体通道；光纤输出头14和光学系统依次设置在光学传输通道15中，光学系统分成光学部件1和光学部件2，光学部件1是反射镜，用于改变光路方向，光学部件2是成像系统，用于将光纤输出的光汇聚到加工表面；光学传输通道15下部的气体传输通道的输出端在光学系统后部与光学传输通道15连通，输入到该气体通道的辅助加工工艺气体把激光传输过程中辐射到光学传输通道15的光产生的热量带走，进入光学传输通道15后部后由接在光学传输通道15上的喷嘴3喷出。
33.在该实施结构中，光学系统最后一个元件边缘与光学传输通道15气密连接，诸气体传输通道与光学元件、和光纤输出头14设置区气密隔离，可以防止气体污染光学系统和光纤输出头14。该风冷手持激光加工头可以用作手持激光焊接机，也可以用作手持激光切割机，还可以作为焊接切割二合一加工头。
34.根据该实施结构，我们研制了一台手持激光焊接头，光纤输出14头包括5根光纤，每根光纤输出功率为350瓦，输出光纤参数为：包层直径220微米芯径，芯径200微米，数值孔径0.22；5根光纤排列成圆形中心包裹一玻璃丝，外部包裹在一根玻璃管内；三个气体传输通道直径6毫米，其中下部气体通道为氮气或氩气通道；上部两个气体通道为空气通道；光学系统包括一片反射镜和四片球面透镜组成的镜头，镜头焦距90毫米，横向放大率为2倍。该焊接头可以用于厚度2到3毫米的薄板焊接。
35.目前，在现有技术中，采用水冷的整个手持焊接设备100公斤左右，且体积大；采用本发明提出的风冷手持激光加工头的焊接设备，与现有水冷手持加工设备相比，具有成本低、重量轻(约20公斤)、体积小及耗能少的优势，具有重要的应用价值。