一种高功率激光切割光路系统、激光切割头及其使用方法技术方案

本发明专利技术涉及一种高功率激光切割光路系统、激光切割头及其使用方法，该高功率激光切割光路系统包括：激光束光斑调整组件和激光束温漂测量组件；激光束光斑调整组件，根据待切割板材的厚度确定在出光光路上的位置，以调整激光束的光斑大小、激光束出射的发散角和/或激光束出射的焦点位置；激光束温漂测量组件，用于实时测量焦点位置及该焦点位置所属的温漂信息，激光束光斑调整组件根据温漂信息重新确定其在出光光路上的位置，以使激光束的焦点位置与预设焦点位置重合，预设焦点位置为根据板材的厚度确定的焦点位置。该高功率激光切割光路系统，其能够获得与板材厚度匹配的光斑大小、激光束出射的发散角和/或焦点位置。激光束出射的发散角和/或焦点位置。激光束出射的发散角和/或焦点位置。

【技术实现步骤摘要】
一种高功率激光切割光路系统、激光切割头及其使用方法


[0001]本专利技术涉及激光切割
，尤其涉及一种高功率激光切割光路系统、激光切割头及其使用方法。

技术介绍

[0002]激光加工技术是利用激光束与物质相互作用的特性，对材料（包括金属与非金属）进行切割、焊接、表面处理、打孔及微加工等的一门加工技术。激光加工作为先进制造技术已广泛应用于汽车、电子、电器、航空、冶金、机械制造等国民经济重要部门。
[0003]高功率光纤激光切割机以其灵活的加工范围，强大的切割穿透能力，更高的加工效率，成为激光切割领域最新生产力的代表。高功率激光切割机的显著优势是以更高的速度切割更厚的板材。
[0004]现有的高功率光纤激光切割机存在的问题有：（1）厚板切割中，板厚相对于切割头出射激光的锐利长度已无法忽略，必须考虑板材不同厚度处的光斑能量分布以及激光束的焦点位置；（2）现有的高功率激光切割机切割厚板材时，高功率光纤激光切割机内部的光学镜片易发生温漂现象，严重影响焦点位置的准确性及稳定性，导致厚板材的不同厚度处的切割断面不一致，切割质量差；（3）现有的激光切割机，需要预留击透板材后的冗余等待时间，影响切割效率；（4）现有的激光切割机，无法在激光切割过程中监控激光切割质量，会带来因未及时发现切割质量变差造成物料和时间的浪费，严重影响切割效率。
[0005]因此亟需提供一种焦点位置稳定、准确、且与板材厚度相匹配的高功率激光切割光路系统、激光切割头及其使用方法。

技术实现思路

[0006]（一）要解决的技术问题鉴于现有技术的上述缺点、不足，本专利技术提供一种高功率激光切割光路系统、激光切割头及其使用方法，其解决了现有的高功率激光切割光路系统中的镜片易发生温漂现象，导致激光束焦点位置的准确性和稳定性差的技术问题。
[0007]（二）技术方案为了达到上述目的，本专利技术采用的主要技术方案包括：第一方面，本专利技术实施例提供一种高功率激光切割光路系统，包括：激光束光斑调整组件和激光束温漂测量组件；激光束光斑调整组件，位于激光束的出光光路上，根据待切割板材的厚度确定在出光光路上的位置，以调整激光束的光斑大小、激光束出射的发散角和/或激光束出射的焦点位置，来与所述板材的厚度匹配；激光束温漂测量组件，设置在出光光路上，用于实时测量焦点位置及该焦点位置所属的温漂信息，激光束光斑调整组件根据所述温漂信息重新确定其在出光光路上的位置，以使激光束的焦点位置与预设焦点位置重合，所述预设焦点位置为根据所述板材的厚
度确定的焦点位置。
[0008]可选地，激光束光斑调整组件包括：活动支架以及沿着所述激光束出光方向依次设置的第一准直镜、第二准直镜、非球面聚焦镜、非球面轴锥镜；第一准直镜和第二准直镜安装在活动支架上，活动支架以带动第一准直镜和/或第二准直镜沿激光束的光轴前、后移动；第一准直镜的双面均为凸的非球面，包括第一非球面和第二非球面；第二准直镜为非球面的凹凸型准直镜，且第二准直镜凹的非球面朝向第一准直镜设置；非球面聚焦镜一面为凸的非球面，另一面为平面，且非球面聚焦镜凸的非球面或平面朝向第二准直镜凸的非球面设置；非球面轴锥镜一面为凸的非球面，另一面为平面，且非球面聚焦镜凸的非球面或平面朝向非球面聚焦镜设置。
[0009]可选地，第一准直镜的第一非球面的曲率半径为25
‑
100mm，第一准直镜的第二非球面的曲率半径大于200mm。
[0010]可选地，非球面轴锥镜凸面的边缘两侧为轴锥面，中心为弧状非球面，轴锥面的锥角为0.1
°‑ꢀ2°
，中心弧状非球面的孔径占整个非球面轴锥镜的孔径的40%~ 60%，中心弧状非球面的曲率半径为50
‑
200mm。
[0011]可选地，激光束温漂测量组件包括：半透半反镜、光束分析相机；设置在出光光路上的半透半反镜为平面镜，光束分析相机位于主光路的外侧，且半透半反镜的半反射面与光束分析相机的接收面相对设置；光束分析相机根据半透半反镜反射的反射光，确定激光束出射的焦点位置及温漂信息；半透半反镜位于激光束光斑调整组件后方的出光光路；且半透半反镜与激光束光斑调整组件同光轴。
[0012]可选地，半透半反镜为平面镜，位置固定，且半透半反镜与激光束的光轴夹角为30
°‑ꢀ
60
°
；光束分析相机位置固定，其相机接收面与主光束经半透半反镜反射的反射光束的光束轴垂直，且光束分析相机位于反射光束的焦点位置附近，沿反射光束的光束轴中心对称。
[0013]可选地，还包括：板材切割状态监测组件和/或板材击透状态监测组件；所述板材切割状态监测组件，位于所述出光光路的外围，且靠近待切割板材，用于获取板材切割过程中的光信号，以监测所述板材的切割状态；板材击透状态监测组件，位于出光光路的外围，且靠近待切割板材，用于获取板材击透前和击透后的光信号，以监测板材的击透状态。
[0014]可选地，板材击透状态监测组件包括：第一反射镜、第一光传感器；第一反射镜位于主光路的一侧，第一光传感器位于主光路的另一侧，第一反射镜
与第一光传感器相对设置；第一反射镜，用于反射激光束击透板材过程中产生的第一波段光信号，并将第一波段光信号反射至第一光传感器；第一光传感器根据第一波段光信号与上一时间点的第一波段光信号的光强的比较，确定是否击穿。
[0015]可选地，第一反射镜与激光束的光轴夹角35
°‑
55
°
，第一波段光信号的波长为300
‑
900 nm。
[0016]可选地，板材切割状态监测组件包括：第二反射镜、第二光传感器；第二反射镜，用于反射激光束切割板材过程中产生的第二波段光信号，并将第二波段光信号反射至第二光传感器；第二光传感器根据第二波段光信号与上一时间点的第二波段光信号的光强的比较，确定板材切割是否异常。
[0017]可选地，第二反射镜与激光束的光轴夹角35
°‑
55
°
，第二波段光信号的波长400
‑
600 nm。
[0018]第二方面，本专利技术实施例还提供一种激光切割头，包括上述的高功率激光切割光路系统。
[0019]第三方面，本专利技术实施例还提供一种上述激光切割头的使用方法，包括如下步骤：S1、控制所述第一准直镜和/或所述第二准直镜沿光轴移动，以改变所述第一准直镜与所述第二准直镜之间的距离，调整激光束出射的焦点光斑大小和激光束出射的发散角，从而获得与所述板材厚度匹配的光斑和发散角；S2、控制所述第一准直镜和所述第二准直镜沿光轴同步移动，接近或远离所述非球面聚焦镜，用以调整激光束出射的焦点位置，从而获得与所述板材厚度匹配的的焦点位置；S3、自出光点输出的激光束，依次经过第一准直镜、第二准直镜、非球面聚焦镜和非球面轴锥镜，照射在所述板材上，从而切割所述板材；S4、所述板材切割完毕，所述激光切割头停止工作。
[0020]可选地，所述步骤S3还包括：所述激光束温漂测量组件实时本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种高功率激光切割光路系统，其特征在于，包括：激光束光斑调整组件和激光束温漂测量组件；所述激光束光斑调整组件，位于所述激光束的出光光路上，根据待切割板材的厚度确定在出光光路上的位置，以调整激光束的光斑大小、激光束出射的发散角和/或激光束出射的焦点位置，来与所述板材的厚度匹配；所述激光束温漂测量组件，设置在所述出光光路上，用于实时测量所述焦点位置及该焦点位置所属的温漂信息，所述激光束光斑调整组件根据所述温漂信息重新确定其在出光光路上的位置，以使激光束的焦点位置与预设焦点位置重合，所述预设焦点位置为根据所述板材的厚度确定的焦点位置。2.如权利要求1所述的高功率激光切割光路系统，其特征在于：所述激光束光斑调整组件包括：活动支架以及沿着所述激光束出光方向依次设置的第一准直镜（1）、第二准直镜（2）、非球面聚焦镜（3）、非球面轴锥镜（4）；所述第一准直镜（1）和第二准直镜（2）安装在所述活动支架上，所述活动支架以带动所述第一准直镜（1）和/或所述第二准直镜（2）沿激光光束的光轴前、后移动；所述第一准直镜（1）的双面均为凸的非球面，包括第一非球面和第二非球面；所述第二准直镜（2）为非球面的凹凸型准直镜，且所述第二准直镜（2）凹的非球面朝向所述第一准直镜（1）设置；所述非球面聚焦镜（3）一面为凸的非球面，另一面为平面，且所述非球面聚焦镜（3）凸的非球面或平面朝向所述第二准直镜（2）凸的非球面设置；所述非球面轴锥镜（4）一面为凸的非球面，另一面为平面，且所述非球面聚焦镜凸的非球面或平面朝向所述非球面聚焦镜（3）设置。3.如权利要求2所述的高功率激光切割光路系统，其特征在于：所述第一准直镜（1）的第一非球面的曲率半径为25
‑
100mm，所述第一准直镜（1）的第二非球面的曲率半径大于200mm。4.如权利要求2所述的高功率激光切割光路系统，其特征在于：所述非球面轴锥镜（4）凸面的边缘两侧为轴锥面（14），中心为弧状非球面（13），所述轴锥面（14）的锥角为0.1
°‑ꢀ2°
，所述中心弧状非球面（13）的孔径占整个非球面轴锥镜的孔径的40%
‑
60%，所述中心弧状非球面（13）的曲率半径为50
‑
200mm。5.如权利要求2所述的高功率激光切割光路系统，其特征在于：所述激光束温漂测量组件包括：半透半反镜（5）、光束分析相机（6）；设置在所述出光光路上的半透半反镜（5）为平面镜，所述光束分析相机（6）位于主光路的外侧，且所述半透半反镜（5）的半反射面与光束分析相机（6）的接收面相对设置；所述光束分析相机（6）根据半透半反镜（5）反射的反射光，确定激光束出射的焦点位置及温漂信息；所述半透半反镜（5）位于所述激光束光斑调整组件后方的出光光路；且所述半透半反镜（5）与激光束光斑调整组件同光轴。6.如权利要求5所述的高功率激光切割光路系统，其特征在于：所述半透半反镜（5）为
平面镜，位置固定，且所述半透半反镜（5）与所述激光束的光轴夹角为30
°‑ꢀ
60
°
；所述光束分析相机（6）位置固定，其相机接收面与主光束经所述半透半反镜（5）反射的反射光束的光束轴垂直，且所述光束分析相机（6）位于反射光束的焦点位置附近，沿反射光束的光束轴中心对称。7.如权利要求2所述的高功率激光切割光路系统，其特征在于：还包括：板材切割状态监测组件和/或板材击透状态监测组件；所述板材切割状态监测组件，位于所述出光光路的外围，且靠近待切割板材，用于获取板材切割过程中的光信号，以监测所述板材的切割状态；所述板材击透状态监测组件，...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨绪广，贾文祺，陈传明，林高令，张永泽，牛满钝，
申请(专利权)人：济南邦德激光股份有限公司，
类型：发明
国别省市：