用于激光器切割头中的辐射光收集装置及相应的切割头的制作方法

本实用新型涉及激光切割穿孔过程监测领域，尤其涉及激光器前沿辐射收集技术领域，具体是指一种用于激光器切割头中的辐射光收集装置。

背景技术：

目前光纤激光器在激光切割市场占据的比重越来越大，国外从80年代末开始激光切割过程监控的研究，已经积累了比较丰富的经验，目前国内对这一块的研究比较少。在激光切割过程中，系统可以设置开光延时和关光延时，但延时的时间都是根据经验设定，在切割过程中容易出现过烧或切割未穿透的现象。过烧影响穿孔质量，由于金属板材对激光的反射率比较高，切割未穿透会对昂贵的激光器造成损坏。另一方面，在加工过程中，如果机床或者激光设备出现故障后，机床加工系统无法实时监测到故障发生，机床和激光器将会被损坏。因此对穿孔过程和切割过程的实时监测就显得尤为重要。激光穿孔和切割的区域主要会存在不同类型的光(入射光，反射光，透射光)，目前国外几种典型的较为成功的激光切割实时监测方法都是采集切割前沿的辐射信号，例如abelsp.等人研制了由高速光学成像ccd相机、pc机和监测仪等构成的通用激光加工同轴工艺控制监测系统。sichani等人通过使用nir相机监测6kwco2激光切割15mm钢板的切割过程，进而计算切割面的粗糙度和锥度等。在使用co2激光器切割3～10mm钢板的过程中，golubev等人使用以切割头光轴成30°入射角度的光纤耦合传感器来探测切割区域的热辐射。adelman等人在使用光纤激光切割过程中，通过对比两个光电二极管(可见光和红外光)的信号，来判断切割是否产生中断。目前比较多的切割过程监控方法都是用于co2激光应用，大都采用了ccd或者光谱仪协助监控辐射，价格比较昂贵。目前用于光纤激光应用的切割过程监控装置比较少，主要原因是因为光纤激光器的中心波长与切割和穿孔过程中产生的最大热辐射的波长重合，因此监测光纤激光器切割和穿孔过程的系统比较具有挑战性。随着光纤激光器占据的市场比例越来越大，光纤激光切割头市场蓬勃发展，具有穿孔和切割中断监测的切割头具有极大的竞争力。因此，急需一种可以协助监测激光切割头工作状态的热辐射光收集装置配合激光头工作。

技术实现要素：

本实用新型的目的是克服至少一个上述现有技术的缺点，提供了一种结构简单，可有效协助对激光切割头工作状态进行监测的用于激光器切割头中的辐射光收集装置。

为了实现上述目的或其他目的，本实用新型的用于激光器切割头中的辐射光收集装置如下：

该用于激光器切割头中的辐射光收集装置，其主要特点是，所述的装置包括设置于所述的激光器切割头内侧的辐射光反射模块及辐射光探测模块；所述的辐射光反射模块将从所述的激光器切割头的喷嘴处透过的热辐射光反射至所述的辐射光探测模块。

较佳地，所述的装置还包括设置于所述的激光器切割头内侧的聚焦透镜，所述的激光器切割头的喷嘴处透过的热辐射光通过所述的聚焦透镜传递至所述的辐射光反射模块。

更佳地，所述的辐射光反射模块包括环形反射镜、椭圆反射镜及锥形反射镜；

所述的椭圆反射镜的尺寸大于所述的环形反射镜，所述的环形反射镜位于所述的椭圆反射镜的上侧；

所述的环形反射镜的孔径大于激光光束的直径，并环绕于所述的激光光束的外侧，所述的锥形反射镜设于所述的辐射光探测模块下方；

所述的热辐射光依次通过所述的聚焦透镜、环形反射镜、椭圆反射镜及锥形反射镜反射至所述的辐射光探测模块。

进一步地，所述的椭圆反射镜的反射面与所述的激光光束的传递方向平行，所述的环形反射镜的反射面与所述的激光光束的传递方向大于45度夹角。

进一步地，所述的椭圆反射镜的一条焦线与所述的环形反射镜的中心线重合，所述的椭圆反射镜的另一条焦线与所述的锥形反射镜的中心线重合。

更佳地，所述的环形反射镜、椭圆反射镜及锥形反射镜均由金属材质构成。

较佳地，所述的辐射光探测模块包括滤光片及光电二极管，所述的辐射光通过所述的滤光片传递至所述的光电二极管。

更佳地，所述的滤光片为带通滤光片。

更佳地，所述的光电二极管为硅基二极管。

一种激光器切割头，其主要特点是，所述的激光器切割头包括上述用于激光器切割头中的辐射光收集装置。

本实用新型的用于激光器切割头中的辐射光收集装置，包括设置于所述的激光器切割头内侧的辐射光反射模块及辐射光探测模块；所述的辐射光反射模块将从所述的激光器切割头的喷嘴处透过的热辐射光反射至所述的辐射光探测模块，通过这样的结构可以很好地收集热辐射光，从而实现对工件是否被激光穿透进行监测，而该用于激光器切割头中的辐射光收集装置容易实现模块化，能轻松移植到激光切割头上，经济适用，采用该用于激光器切割头中的辐射光收集装置及相应的切割头，可以收集比较多的辐射信号，实现激光穿孔和切割智能化提供帮助。

附图说明

图1-1为一实施例中本实用新型的用于激光器切割头中的辐射光收集装置的结构示意图。

图1-2为图1-1中a-a方向的剖面图。

图2为一实施中本实用新型的激光器切割头的结构示意图。

图3为热辐射光在本实用新型的辐射光收集装置中的传播路径示意图。

图4为光电二极管输出的正常穿孔的电信号曲线。

图5为光电二极管输出的爆孔的电信号曲线。

图6为光电二极管输出的切割中断的电信号曲线。

附图标记

1环形反射镜

2椭圆反射镜

3锥形反射镜

4滤光片

5传感器

6激光光束

7热辐射光

8聚焦透镜

9喷嘴

10工件

具体实施方式

为了使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合具体实施例对本实用新型作进一步的详细描述。

如图1-1、1-2、2所示，本实用新型的用于激光器切割头中的辐射光收集装置包括设置于所述的激光器切割头内侧的辐射光反射模块及辐射光探测模块；所述的辐射光反射模块将从所述的激光器切割头的喷嘴9处透过的热辐射光7反射至所述的辐射光探测模块。所述的辐射光反射模块及辐射光探测模块可设置在形状类似于图1-1中的中间设于圆孔的结构的壳体中。

在该实施例中，所述的装置还包括设置于所述的激光器切割头内侧的聚焦透镜8，所述的激光器切割头的喷嘴9处透过的热辐射光7通过所述的聚焦透镜8传递至所述的辐射光反射模块。

在该实施例中，所述的辐射光反射模块包括环形反射镜1、椭圆反射镜2及锥形反射镜3；

所述的椭圆反射镜2的尺寸大于所述的环形反射镜1，所述的环形反射镜1位于所述的椭圆反射镜2的上侧；

所述的环形反射镜1的孔径大于激光光束6的直径，并环绕于所述的激光光束6的外侧，所述的锥形反射镜3设于所述的辐射光探测模块下方；

所述的热辐射光7依次通过所述的聚焦透镜8、环形反射镜1、椭圆反射镜2及锥形反射镜3反射至所述的辐射光探测模块。

在该实施例中，所述的环形反射镜1、椭圆反射镜2及锥形反射镜3均由金属材质构成，相应的反射面经过高精度的切削和抛光，有效工作波段在300nm～1700nm。

在该实施例中，所述的椭圆反射镜2的反射面与所述的激光光束6的传递方向平行，所述的环形反射镜1的反射面与所述的激光光束6的传递方向大于45度夹角。

在该实施例中，所述的椭圆反射镜2的一条焦线与所述的环形反射镜1的中心线重合，所述的椭圆反射镜2的另一条焦线与所述的锥形反射镜3的中心线重合。

在该实施例中，环形反射镜1用于反射来自激光光束和工件10相互作用的区域的热辐射光7，椭圆反射镜2用于反射来自环形反射镜1的辐射光，锥形反射镜3用于反射来自椭圆反射镜2的辐射光。

在该实施例中，所述的辐射光探测模块包括滤光片4及光电二极管，所述的热辐射光7通过所述的滤光片4传递至所述的光电二极管。

该用于激光器切割头中的辐射光收集装置的具体结构可参阅图1～2所示。

在该实施例中，所述的滤光片4为带通滤光片，该低通滤光片对波长处在1000nm以下的光具有增透作用，其阻带的中心波长包含激光器的中心波长，阻带波段为1000nm～1200nm，透过率小于10^-8。

在该实施例中，所述的光电二极管为硅基二极管，对辐射波长敏感，光电二极管的响应波段最高峰值在900nm左右。

在工作过程中辐射光反射模块将从切割头喷嘴9处进入的热辐射光7收集，经过滤光片到达激光激光二极管中，二极管输出光电流信号。

在该实施例中，所述的滤光片用于衰减进入通光孔的激光，光电二极管接收通过滤光片的热辐射光7，也就是来自激光和工件10相互作用区域的辐射光。

在该实施例中，该辐射光收集装置包含辐射光反射模块和辐射光探测模块。所述辐射光反射模块包含环形反射镜1、椭圆反射镜2和锥形反射镜3。所述辐射光探测模块包含滤光片和光电二极管。所述环形反射镜1用于反射来自激光光束与工件10相互作用区域的辐射光，环形反射镜1反射的辐射光被椭圆反射镜2反射后，再次被锥形反射镜3反射，锥形反射镜3反射的辐射光通过滤光片及其固定结构的通光孔，最终被光电二极管接收，光电二极管输出电流信号。该辐射光收集装置可用于收集激光和工件10相互作用的过程中产生的前沿热辐射光7(即最大波长在1μm～1.1μm的辐射光)，适用于监测激光穿孔过程和切割过程，判断是否穿孔，爆孔以及切割中断等异常，适用于光纤激光器或者二氧化碳激光器的切割头中进行应用。

一种激光器切割头可包括上述实施例中的用于激光器切割头中的辐射光收集装置，其结构可参阅图2所示，为了便于理解，图中绘制了激光光束及热辐射光7。由图3中可看出热辐射光7在上述实施例中的辐射光收集装置中的传播路径。图3中的热辐射光7为图2中的热辐射光7的一部分，是热辐射光从喷嘴9进入切割头，经过聚焦镜后成为平行光或者接近平行光。辐射光被环形反射镜1反射，到达椭圆反射镜2，被反射后到达锥形反射镜3，经过滤光片后进入光电二极管。图中左侧的虚线11为椭圆反射镜2的一条焦线，其与环形反射镜1的中线重合，图中右侧的虚线12为椭圆反射镜2的另外一条焦线，其与锥形反射镜3的中心线重合。

在激光器切割头中，被聚焦透镜8汇聚在工件10上的激光束具有很高的功率密度，激光光束和工件10相互作用区域的温度能达到1600℃～2200℃。根据普朗克定律，可以得到激光切割前沿辐射的最大有效波长约1μm～1.1μm，一般光纤激光器的中心波长也处在1μm～1.1μm。在进行激光穿孔和切割时，热辐射光向四周辐射，部分热辐射光经过喷嘴9和聚焦透镜8，到达环形反射镜1上。环形反射镜1的中心和椭圆反射镜2的其中一个焦点重合，锥形反射镜3处在椭圆反射镜2的另外一个焦点上。经过椭圆反射镜2一个焦点的光，也会经过其另外一个焦点。被环形反射镜1反射的辐射光经过椭圆反射镜2的一个焦点，被椭圆镜反射，引导到达另外一个焦点处。具有特殊角度的锥形反射镜3将来自椭圆镜的辐射光反射，最终进入对辐射光敏感的光电二极管。滤光片的作用在于反射来自激光器的光，对波长在1μm～1.1μm的光透过率在10^-8以下，而波长在1μm以下的光透过率很高，增强光电二极管上接收到的辐射光和激光强度的比值，提高信号的对比度。环形反射镜1、椭圆反射镜2及锥形反射镜3都经过高精度抛光，反射率在90％以上。

在切割头进行穿孔和切割的时候，激光和工件10相互作用，产生热辐射光，热辐射光被光电二极管接收，输出电信号。当穿孔穿透后，激光穿透板材，激光和工件相互作用结束，热辐射光立即减弱直至消失。热辐射光消失后，光电二极管输出的电信号趋于稳定，激光切割头通过对识别该信号的变化趋势，判断工件是否被激光穿透，同时发送信号到主控系统，主控系统接收到激光切割头的信号后就可以停止穿孔过程，进入切割过程，防止工件过烧并节省了穿孔的时间。在穿孔过程中，由于穿孔工艺参数设置不合理等原因造成爆孔时，传感器5接收到异常光信号，切割头输出穿孔停止信号给主控系统，停止穿孔，防止因为爆孔对工件和激光器造成的损坏。激光切割头在切割过程中，特别是切割同等高反射材料时，如果出现未切透现象，光电二极管将会接收到功率比较强的热辐射和激光，输出较强的电信号，激光切割头控制系统给主控系统发送未切透信号，主控系统控制激光器停止出光，防止反射光损坏激光器光纤。

图4为光电二极管输出的正常穿孔的电信号曲线，图4中。t1时刻激光开启，t1～t2为一级穿孔时间，t2激光关闭，结束一级穿孔，到t2位置，孔还未穿透。t3时刻激光开启，t3～t4为二级穿孔时间，t4激光关闭，结束一级穿孔，到t4位置，孔还未穿透。t5时刻激光开启，t5～t7为三级穿孔时间，在t6时刻，孔被穿透。该孔采用的是三级穿孔的方式(所谓的三级穿孔是指切割头处在板材的不同高度上开激光，进行穿孔)，在第三级孔穿透。孔在穿透(t6)之前，传感器5接收到三种光：激光和板材相互作用时产生的热辐射光，板材反射的激光，激光切割头内部腔体和光学件散射的激光。在孔穿透之前，传感器5输出的电信号幅值比较高且变化剧烈。孔穿透后(t6)，传感器5只接收到激光切割头内部腔体和光学件散射的激光，此时之后传感器5输出的电信号幅值很小且很稳定。

图5为光电二极管输出的爆孔的电信号曲线，图5中t1时刻激光开启，t1～t2为一级穿孔时间，t2激光关闭，结束一级穿孔，到t2位置，孔还未穿透。t3时刻激光开启，t3～t4为二级穿孔时间，t4激光关闭，结束一级穿孔，到t4位置，孔还未穿透。t5时刻激光开启，t5～t7为三级穿孔时间，在t5～t6时刻，出现了爆孔现象，爆孔产生的大量热辐射导致传感器5的输出幅值大幅度上升且变化很剧烈，在穿孔结束后曲线缓慢下降到一个较低的稳定值，直至t7时刻激光关闭。

图6为光电二极管输出的切割中断的电信号曲线，图6中t1时刻激光开启，t1～t2为穿孔阶段，t2时刻孔穿透，但是激光未关闭。t2～t3阶段切割头z轴运行，为切割做准备。t3时刻开始进行切割，激光出光使用100％占空比。t3～t6为切割过程，t6时激光关闭。t4～t5出现了板材未切透现象，板材反射激光被传感器5响应，传感器5输出的电信号幅值上升。

综合图4至6我们可以看出通过收集热辐射光对激光头切割状态进行判定的方法是切实可行的，而该实施例中的辐射光收集装置能够很好地进行热辐射光的收集，并将相应检测结果传递给传感器5，给激光器的后续工作状态提供依据。

上述实施例中的用于激光器切割头中的辐射光收集装置有以下优势:

1.本装置采用正轴方式收集前沿辐射光，相比偏轴方式，无需对准，调节方便，同时能够收集比较多的辐射信号。

2.本装置能用于但不仅限于光纤激光应用的穿孔和中断监测，为提高激光穿孔效率和切割质量，实现激光穿孔和切割智能化提供帮助。

3.本装置容易实现模块化，能轻松移植到激光切割头上，经济适用。

本实用新型的用于激光器切割头中的辐射光收集装置，包括设置于所述的激光器切割头内侧的辐射光反射模块及辐射光探测模块；所述的辐射光反射模块将从所述的激光器切割头的喷嘴处透过的热辐射光反射至所述的辐射光探测模块，通过这样的结构可以很好地收集热辐射光，从而实现对工件是否被激光穿透进行监测，而该用于激光器切割头中的辐射光收集装置容易实现模块化，能轻松移植到激光切割头上，经济适用，采用该用于激光器切割头中的辐射光收集装置及相应的切割头，可以收集比较多的辐射信号，实现激光穿孔和切割智能化提供帮助。