一种适于狭小空间作业的激光切割头制造技术

本发明专利技术的一种适于狭小空间作业的激光切割头，包括供气管、传能光纤、气管接头、光纤固定件、聚焦光学元件、夹持组件、主体套筒和喷嘴，聚焦光学元件通过夹持组件装于主体套筒内，供气管与气管接头连接，气管接头与光纤固定件连接，光纤固定件与主体套筒后端连接，喷嘴与主体套筒前端连接，聚焦光学元件后端为锥台，聚焦光学元件的后端面为锥台的小径端端面，聚焦光学元件的前端面为凸弧面，光纤依次穿过供气管和传能光纤固定件，并伸入主体套筒内与聚焦光学元件的锥台连接，光纤固定件内设有连通供气管和主体套筒的第一通气通道，供气管、主体套筒和喷嘴依次连通。本发明专利技术中光路和气路共用、免水冷、体积小，特别适用于狭小工作空间的激光切割。

A laser cutting head suitable for narrow space operation

The invention relates to a laser cutting head suitable for small space operation, which comprises a supply pipe, an energy-transmitting fiber, a tracheal joint, an optical fiber fixture, a focusing optical element, a clamping assembly, a main sleeve and a nozzle. The focusing optical element is installed in the main sleeve through a clamping assembly for connecting the tracheal pipe with the tracheal pipe joint, and the tracheal joint with the tracheal pipe. The optical fiber fixture is connected, the optical fiber fixture is connected with the back end of the main sleeve, the nozzle is connected with the front end of the main sleeve, the rear end of the focusing optical element is a cone, the rear end of the focusing optical element is a small diameter end face of the cone, the front end of the focusing optical element is a convex arc, and the optical fiber passes through the supply pipe and the energy-transmitting optical fiber fixture in turn. The optical fiber fixture is provided with a first ventilation channel connecting the supply pipe and the main sleeve, and the supply pipe, the main sleeve and the nozzle are successively connected. The invention has the advantages of common light path and gas path, no water cooling, small volume, and is especially suitable for laser cutting in narrow workspace.

【技术实现步骤摘要】
一种适于狭小空间作业的激光切割头
本专利技术涉及光纤激光切割
，尤其涉及一种适于狭小空间作业的激光切割头。
技术介绍
高功率光纤激光切割机是现代智能制造中的重要装备。现有工业用光纤激光切割机采用的激光切割头主要由激光聚焦组件、切割辅助气体供应组件、冷却组件和喷嘴组成。激光聚焦组件由多片透镜和组合而成，前端设计光纤激光端帽安装接口，激光束经过传能光纤及其后熔接的端帽注入到激光聚焦组件前端，经由激光聚焦组件实现特定距离处的激光聚焦。激光切割工作中所需的辅助气体由切割头侧壁专门设计的供气接口注入，激光切割工作中所需的冷却液由切割头侧壁专门设计的冷却液接口注入。由于透镜光学元件加工工艺及装配技术的限制，激光切割头的聚焦光学组件的透镜直径大于10mm，并且考虑到侧壁注入的冷却液和辅助气体在切割头内部的流体分配设计，目前工业用切割头的整体尺寸较大(现有产品资料中激光切割头安装尺寸均大于50mm×50mm×200mm)。在特殊切割应用场景下，例如救援中，面临着在狭小工作空间中实施激光切割作业，例如穿过狭小缝隙去对金属立柱进行切割，或穿过小孔对目标爆炸装置导线进行切割等，由于现有工业用激光切割头的尺寸太大，无法通过狭小空间接近切割目标，难以实施切割作业。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种光路和气路共用、免水冷、体积小、特别适用于在狭小工作空间中用于激光切割的适于狭小空间作业的激光切割头。为解决上述技术问题，本专利技术采用以下技术方案：一种适于狭小空间作业的激光切割头，包括供气管、传能光纤、气管接头、光纤固定件、聚焦光学元件、夹持组件、主体套筒和喷嘴，所述聚焦光学元件通过夹持组件装于主体套筒内，所述供气管与气管接头连接，所述气管接头与光纤固定件连接，所述光纤固定件与主体套筒后端连接，所述喷嘴与主体套筒前端连接，所述聚焦光学元件的后端为锥台，且聚焦光学元件的后端面为锥台的小径端端面，所述聚焦光学元件的前端面为凸弧面，所述传能光纤依次穿过供气管和传能光纤固定件，并伸入主体套筒内与所述锥台连接，所述光纤固定件内设有连通供气管和主体套筒的第一通气通道，所述供气管、主体套筒和喷嘴依次连通。作为上述技术方案的进一步改进：所述激光切割头还包括套于聚焦光学元件的锥台外的尾纤保护套，所述尾纤保护套包括与传能光纤配合的直孔段和与锥台配合的锥孔段。所述夹持组件包括第一夹持套，所述第一夹持套位于主体套筒内，且套于聚焦光学元件上，所述第一夹持套外壁第一设有径向螺纹孔，所述主体套筒对应设有径向连接孔，所述径向连接孔和径向螺纹孔内设有第一紧固螺栓，所述第一夹持套内壁设有第二通气通道。所述夹持组件还包括第二夹持套，所述第二夹持套套于聚焦光学元件的前端，所述第二夹持套后端面上设有轴向连接孔，所述主体套筒前端面上对应设有轴向螺纹孔，所述轴向连接孔和轴向螺纹孔内设有第二紧固螺栓，所述喷嘴插于第二夹持套内，所述第二夹持套内设有连通主体套筒和喷嘴的第三通气通道。所述光纤固定件前端面设有连接通孔，所述主体套筒后端面设有螺纹连接孔，所述连接通孔和螺纹连接孔内设有第三紧固螺栓，所述光纤固定件一端端面设有可与气管接头螺纹连接的气管接头螺纹孔，另一端设有可供传能光纤穿过的光纤孔和所述第一通气通道。所述聚焦光学元件的前端面与后端面之间的距离为s，所述凸弧面的曲率半径为r，若激光束经凸弧面折射后在距离聚焦光学元件后端面顶点s’处实现聚焦，则r满足：其中，n为所述聚焦光学元件折射率，n’为激光束经聚焦光学元件射出后所在空间的折射率。所述传能光纤的数值孔径为NA，所述聚焦光学元件的锥台的锥角为φ，则φ＞2*NA；所述锥台的小径端直径为D1，所述传能光纤的芯径为d1，则D1/d1＞1。所述激光束在聚焦光学元件中传输距离s后，在聚焦光学元件前端面处的光斑直径为D0，则D0＝d1+2*NA*s；所述激光束的汇聚角α，则α＝D0/s'，所述聚焦光学元件的前端面直径为D2，则D2＞1.4D0。所述聚焦光学元件的凸弧面为球面或抛物面。所述聚焦光学元件于锥台与凸弧面之间的部分为圆柱体或棱柱体。与现有技术相比，本专利技术的优点在于：本专利技术的适于狭小空间作业的激光切割头，采用单个光学元件实现切割激光束的聚焦，采用辅助气体冷却聚焦光学元件及其夹持组件固定聚焦光学元件，可实现激光切割头的小型化，并利用切割辅助气体对切割头冷却来取消传统水冷方式，缩小了切割头体积尺寸，适合在狭小切割空间下试试救援及爆炸物清除等特殊应用场合使用；该装置具有光学元件简单可靠、光路和气路共用，免水冷、体积小的特点，特别适用于在狭小工作空间中用于激光切割，可以在切割救援、爆炸物清除等方面推广应用。附图说明图1是本专利技术激光切割头的结构示意图。图2是本专利技术中聚焦光学元件的立体结构示意图。图3是本专利技术中聚焦光学元件的主视结构示意图。图4是本专利技术中第一夹持套的立体结构示意图。图5是本专利技术中第一夹持套的主视结构示意图。图6是本专利技术中第二夹持套的立体结构示意图。图7是本专利技术中第二夹持套的主视结构示意图。图8是本专利技术中光纤固定件的立体结构示意图。图9是本专利技术中光纤固定件的后端主视结构示意图。图10是本专利技术中尾纤保护套的立体结构示意图。图11是本专利技术中尾纤保护套的主视结构示意图。图12是本专利技术中主体套筒的立体结构示意图。图13是本专利技术中喷嘴的主视结构示意图。图14是本专利技术中光纤的主视结构示意图。图15是本专利技术中的激光束的光路原理图。图中各标号表示：1、传能光纤；2、尾纤保护套；21、直孔段；22、锥孔段；3、气管接头；4、光纤固定件；41、第一通气通道；42、连接通孔；43、气管接头螺纹孔；44、光纤孔；5、聚焦光学元件；51、锥台；52、凸弧面；6、夹持组件；61、第一夹持套；611、径向螺纹孔；612、第二通气通道；62、第二夹持套；621、轴向连接孔；622、第三通气通道；7、主体套筒；71、径向连接孔；72、轴向螺纹孔；73、螺纹连接孔；74、第三8、喷嘴；81、台阶。具体实施方式以下结合说明书附图和具体实施例对本专利技术作进一步详细说明。如图1至图15所示，本实施例的适于狭小空间作业的激光切割头，包括供气管(图中未示出)、传能光纤1、气管接头3、光纤固定件4、聚焦光学元件5、夹持组件6、主体套筒7和喷嘴8，聚焦光学元件5通过夹持组件6装于主体套筒7内，供气管与气管接头3连接，气管接头3与光纤固定件4连接，光纤固定件4与主体套筒7后端连接，喷嘴8与主体套筒7前端连接，聚焦光学元件5的后端为锥台51，且聚焦光学元件5的后端面为锥台51的小径端端面，聚焦光学元件5的前端面为凸弧面52，传能光纤1依次穿过供气管和传能光纤固定件4，并伸入主体套筒7内与锥台51连接，光纤固定件4内设有连通供气管和主体套筒7的第一通气通道41，供气管、主体套筒7和喷嘴8依次连通。本实施例中，聚焦光学元件5前端的凸弧面52为球面，后端为锥台51，中间部分为圆柱体，其由单个光学元件加工而成，设计参数如下：聚焦光学元件5的前端面(凸弧面52曲面顶点)与后端面(锥台51小径端端面)之间的距离为s，凸弧面52的曲率半径为r，若激光束经凸弧面52折射后在距离聚焦光学元件5凸弧面52的曲面顶点s’处实现聚焦，则r满足：其中，n为聚焦光学元件5本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种适于狭小空间作业的激光切割头，其特征在于：包括供气管、传能光纤(1)、气管接头(3)、光纤固定件(4)、聚焦光学元件(5)、夹持组件(6)、主体套筒(7)和喷嘴(8)，所述聚焦光学元件(5)通过夹持组件(6)装于主体套筒(7)内，所述供气管与气管接头(3)连接，所述气管接头(3)与光纤固定件(4)连接，所述光纤固定件(4)与主体套筒(7)后端连接，所述喷嘴(8)与主体套筒(7)前端连接，所述聚焦光学元件(5)的后端为锥台(51)，且聚焦光学元件(5)的后端面为锥台(51)的小径端端面，所述聚焦光学元件(5)的前端面为凸弧面(52)，所述传能光纤(1)依次穿过供气管和传能光纤固定件(4)，并伸入主体套筒(7)内与所述锥台(51)连接，所述光纤固定件(4)内设有连通供气管和主体套筒(7)的第一通气通道(41)，所述供气管、主体套筒(7)和喷嘴(8)依次连通。

【技术特征摘要】
1.一种适于狭小空间作业的激光切割头，其特征在于：包括供气管、传能光纤(1)、气管接头(3)、光纤固定件(4)、聚焦光学元件(5)、夹持组件(6)、主体套筒(7)和喷嘴(8)，所述聚焦光学元件(5)通过夹持组件(6)装于主体套筒(7)内，所述供气管与气管接头(3)连接，所述气管接头(3)与光纤固定件(4)连接，所述光纤固定件(4)与主体套筒(7)后端连接，所述喷嘴(8)与主体套筒(7)前端连接，所述聚焦光学元件(5)的后端为锥台(51)，且聚焦光学元件(5)的后端面为锥台(51)的小径端端面，所述聚焦光学元件(5)的前端面为凸弧面(52)，所述传能光纤(1)依次穿过供气管和传能光纤固定件(4)，并伸入主体套筒(7)内与所述锥台(51)连接，所述光纤固定件(4)内设有连通供气管和主体套筒(7)的第一通气通道(41)，所述供气管、主体套筒(7)和喷嘴(8)依次连通。2.根据权利要求1所述的适于狭小空间作业的激光切割头，其特征在于：所述激光切割头还包括套于聚焦光学元件(5)的锥台(51)外的尾纤保护套(2)，所述尾纤保护套(2)包括与传能光纤(1)配合的直孔段(21)和与锥台(51)配合的锥孔段(22)。3.根据权利要求1所述的适于狭小空间作业的激光切割头，其特征在于：所述夹持组件(6)包括第一夹持套(61)，所述第一夹持套(61)位于主体套筒(7)内，且套于聚焦光学元件(5)上，所述第一夹持套(61)外壁第一设有径向螺纹孔(611)，所述主体套筒(7)对应设有径向连接孔(71)，所述径向连接孔(71)和径向螺纹孔(611)内设有第一紧固螺栓，所述第一夹持套(61)内壁设有第二通气通道(612)。4.根据权利要求3所述的适于狭小空间作业的激光切割头，其特征在于：所述夹持组件(6)还包括第二夹持套(62)，所述第二夹持套(62)套于聚焦光学元件(5)的前端，所述第二夹持套(62)后端面上设有轴向连接孔(621)，所述主体套筒(7)前端面上对应设有轴向螺纹孔(72)，所述轴向连接孔(621)和轴向...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘文广，周琼，闫宝珠，陈金宝，许晓军，王小林，张汉伟，
申请(专利权)人：中国人民解放军国防科技大学，
类型：发明
国别省市：湖南,43