用于激光切割头的喷嘴接头的制作方法

用于激光切割头的喷嘴接头


背景技术：

1.激光切割头使用激光束来对不同材料片材(通常为不同类型的金属和金属化合物)执行切割操作。激光切割过程需要精确控制切割头，并且需要特别控制切割头喷嘴的尖端(激光束射出的位置)与正在切割的材料(有时称为“工件”)的表面之间的间隙。为此，激光切割头使用光学器件和传感器来控制切割过程。
2.一般而言，激光切割头以精确、受控方式将高功率激光源(通常为co2激光或yag激光)的能量转换成能够切穿(切断)金属片材的激光束。切割头可使光束穿过一系列透镜，并且可使用光纤作为光束的导引路径。切割头将光束聚焦为切割过程所需的光斑大小，并且所聚焦的光束穿过切割头的喷嘴并朝向待切割的材料片材引导。
3.附带气体(通常为氮气或氧气，并且有时称为切割气体或过程气体)也可与激光束一起递送到片材表面。所述气体用于辅助熔融过程(例如，“氧燃料燃烧过程”)或用于帮助将熔融材料从工件吹离。尽管在激光发射过程期间使用的切割气体可将材料从喷嘴同心地向外吹离，但需要将喷嘴定位在距工件的特定间距处，以实现适当切割并避免熔融材料污染喷嘴和切割头。
4.出于不同目的制造了广泛多种的激光切割头。每种类型的切割头需要调整、控制和监测喷嘴尖端与工件表面之间的间隙的能力。一种用于监测(和控制)此间隙的典型系统是基于喷嘴尖端与工件之间的测量电容(其中两者之间的气隙用作电容器的电介质)。为了适当地运转，喷嘴尖端和工件两者需要是导电的并且连接到测量系统的电压源。
5.激光切割头上使用了数种类型的喷嘴。这些喷嘴通常由金属(诸如铜)构成，并且具有穿过其递送所聚焦的激光束和切割气体的通道。喷嘴可包括一个或多个部件层。喷嘴的向外形状以及贯通通道的任何内部轮廓可根据实现方式和它们的用途在喷嘴之间变化。
6.在常规使用期间，喷嘴可被磨损并污染，从而需要更换。在以锐角进行斜切期间，与喷嘴相关联的特征可干扰传感器测量，以控制喷嘴距工件的间距或间隙。在非常锐角下，喷嘴和接头的现有布置可能无法防止污染物干扰激光切割头的光学器件和感测。
7.本公开的主题涉及克服或至少减小上述问题中的一个或多个的影响。


技术实现要素：

8.本文所公开的设备用于将喷嘴连接到激光切割头。所述头具有用于电容感测的传感器组件、用于传送激光过程的开口和用于传送吹扫气体的孔口。所述设备包括导电接头和覆盖件。所述导电接头具有第一端部和第二端部并且具有用于传送来自所述开口的所述激光过程的第一通道。所述第一端部可附连到所述传感器组件，并且所述第二端部可附连到所述喷嘴。所述导电接头具有绕其设置的轴环，并且所述轴环限定穿过其的一个或多个第二通道。所述覆盖件被构造来定位在所述头与所述轴环之间并且被构造来包封将来自所述孔口的所述吹扫气体传送到所述轴环的所述一个或多个第二通道的空间。
9.本文所公开的激光切割头使用喷嘴来递送激光过程。所述头包括外壳、导电接头和覆盖件。所述外壳具有用于电容感测的传感器组件、用于传送所述激光过程的开口和用
于传送吹扫气体的孔口。所述导电接头具有第一端部和第二端部并且具有用于传送所述开口的所述激光束的第一通道。所述第一端部附连到所述传感器组件，并且所述第二端部附连到所述喷嘴。所述导电接头具有绕其设置的轴环，并且所述轴环限定穿过其的一个或多个第二通道。所述覆盖件设置在所述外壳的所述端部与所述轴环之间并且包封将来自所述孔口的所述吹扫气体传送到所述轴环的所述一个或多个流动通道的空间。
10.前述概述并不意图概括本公开的每个潜在实施方案或每个方面。
附图说明
11.图1a展示根据本公开的激光切割头的透视图。
12.图1b展示根据本公开的具有机械臂和激光切割头的激光切割系统。
13.图2a展示本公开的喷嘴附件的透视图。
14.图2b展示本公开的在用激光切割头进行锐角切割期间喷嘴附件的正视图。
15.图2c展示具有替代喷嘴的喷嘴附件的透视图。
16.图2d以分解图形式展示在激光切割头上不具有喷嘴和接头的部分。
17.图3a展示本公开的位于激光切割头上的喷嘴附件的剖视图。
18.图3b展示示出相对于图3a的喷嘴附件的部件的激光束、过程气体和吹扫气体的示意图。
19.图4a展示本公开的具有不同喷嘴的喷嘴附件的剖视图。
20.图4b展示示出相对于图4a的喷嘴附件的部件的激光束、过程气体和吹扫气体的示意图。
21.图5展示本公开的位于激光切割头上的另一喷嘴附件的剖视图。
具体实施方式
22.图1a展示根据本公开的激光切割头30的透视图。激光切割头30包括容纳各种内部光学器件的外壳32。位于外壳32的一个端部处的连接件可耦接到激光电缆40，所述激光电缆40将激光能量传导到头30中。位于外壳30的另一个端部上的输出组件或喷嘴附件50具有喷嘴120，从所述喷嘴120引导激光束以进行切割操作。喷嘴附件50允许所聚焦的激光束从外壳32发射以用于实现激光发射操作诸如焊接、增材制造、切割等的目的。喷嘴附件50还包括用于监测喷嘴120距工件的间距或间隙的感测部件(未示出)，如下面更详细地所公开。
23.为了保护外壳32内侧的内部光学器件，头30可包括容纳可更换盖片的盖片盒34。此盖片充当外壳32的内部(具有内部光学器件)与外部环境(暴露于激光发射过程)之间的透明窗口。可通过位于头30的侧面中的出入门进行盒34的移除和更换。喷嘴附件50还以下面公开的方式保护激光切割头30。
24.一般而言，激光切割头30可与台架组件、机械臂或其他设备一起使用，因此头30可相对于工件移动。例如，图1b展示激光切割头30连接到机械臂20的激光切割系统10，所述机械臂20可操作以相对于经受本公开的激光处理的工件wp操纵头30。电缆布线22将控制、感测和功率传送到激光切割头30。电缆布线22还传送在如本文所述的激光发射切割过程中使用的任何气体流。激光电缆40将激光发射功率递送到头30，所述头30从位于头30的端部上的喷嘴附件50引导激光束。
25.一般而言，激光切割系统10包括控制系统12，所述控制系统12控制各种部件，即机械臂20、切割头30等的操作。系统10同样包括测量系统14，所述测量系统14在本实例中与控制系统12一起使用以测量切割喷嘴120距工件wp的间距或间隙，以便有利于切割操作。
26.根据工件wp的形状和待形成的切口，机械臂20可相对于工件wp以各种角度和取向操纵头30。在激光发射过程期间，喷嘴附件50的部件可感测喷嘴120距工件wp的距离。这是使用喷嘴120与工件wp之间的电容来实现的，其中位于它们之间的气隙提供电介质。此感测电容允许相对于工件wp控制头30的定位以实现所需的激光发射。
27.如所预期，因激光发射过程产生的热量在使用期间损坏喷嘴120。另外，激光发射过程可产生可能损坏喷嘴120并且可能减弱头30的电容感测的碎屑、脱落物、飞溅物、反吹物等。本公开的喷嘴附件50的特征可帮助减轻对喷嘴120的损坏并且可保护电容感测。
28.图2a展示本公开的喷嘴附件50的透视图。喷嘴附件50包括附接到头30的盖帽52。接头110连接到内部部件，并且喷嘴120附接到接头110。覆盖件130定位在接头110与盖帽52之间。为了冷却喷嘴120并且为了对碎屑产生附加屏蔽，接头110通过与喷嘴120直接相邻的孔口118传导吹扫气体。
29.在头30的非常锐角下，诸如图2b所示，喷嘴附件50的部件可定位成接近工件wp并且可经受更多碎屑和干扰。为了在允许在锐角操作中使用头30的同时保护部件，喷嘴附件50包括覆盖件或围绕物130，所述覆盖件或围绕物130包封接头110的用于喷嘴120的部分。如下面更详细地所描述，覆盖件130还包封头的外壳的具有感测部件和用于吹扫气体流的孔口的部分。覆盖件130可具有金属主体，所述金属主体具有电隔离屏蔽件，诸如陶瓷涂层。在其他构型中，覆盖件130可由塑料或陶瓷制成。
30.根据激光过程，可在喷嘴附件50上使用不同喷嘴。例如，图2c示出具有附接到接头110的与之前所示不同的更大喷嘴120'的喷嘴附件50。除由覆盖件130、接头110等提供的对感测元件的保护之外，喷嘴附件50在冷却更大喷嘴120'和用吹扫气体产生附加屏蔽方面的益处仍然可用这种更大喷嘴120'来实现。稍后将更多地描述另外的细节。
31.简而言之，图2d示出喷嘴(120)、接头(110)和覆盖件(130)已被移除以露出内部部件的喷嘴附件50。感测组件60的元件被示出并且包括其中具有导电保持器66的陶瓷主体62。接头(110)螺纹连接到此导电保持器66中。陶瓷主体62由屏蔽物72围绕，所述屏蔽物72限定环形间隙54与附件的盖帽52的唇缘。此环形间隙54用作用于吹扫气体的孔口，如下所述。如将了解，本文所公开的喷嘴附件50的特征可在激光发射过程期间保护感测组件60的这些内部元件免受碎屑等的影响。
32.现在转向更多细节，图3a展示本公开的位于激光切割头30上的喷嘴附件50的剖视图。如所指出，头30可用于用喷嘴120进行激光处理。在激光处理期间，激光束(b)和过程气体(g)从头30发射并从喷嘴附件50上的喷嘴120射出。另外，吹扫气体(p)也从头30传导并从与喷嘴120相邻的喷嘴附件50传导出去。此吹扫气体(p)实现如下本文所公开的目的：(i)帮助冷却喷嘴120以及(ii)在喷嘴120之外的活动处理区域周围产生附加屏蔽。
33.头30包括具有端部的外壳32，所述端部可包括激光束(b)、过程或切割气体(g)和吹扫气体(p)可从其传递的端板38。激光束(b)和过程气体(g)从外壳32的内部穿过开口36并且然后穿过传感器组件60，同时吹扫气体(p)可从外壳32中的别处穿过通路或其他开口35，所述通路或其他开口35仅示意性地示出。传感器组件60的部件附连到外壳30的端部，并
且盖帽或固定装置52覆盖位于外壳30端部上的组件60。导电接头110附接到传感器组件60，并且覆盖件或围绕物130设置在传感器组件60与导电接头110之间。最后，喷嘴120附接到导电接头110。
34.盖帽52充当传感器组件60的外保护元件，从而保护组件60以免暴露于可损坏组件60或以其他方式破坏其操作的其他制造/加工元素。如详细所示出，可为锥形的盖帽52具有大圆周端部，所述大圆周端部可螺纹连接到端板38，抵靠在传感器组件60与基底板38之间使用的保持环70装配。多个垫圈可用于密封布置以防受外部影响，以及用于防止吹扫气体(p)侵入。
35.喷嘴附件50具有吹扫气体(p)中的一些从其传递的孔口54。例如，环形空间54设置在盖帽52的唇缘与感测组件60的外边缘之间。吹扫气体(p)可朝向接头110的端部和喷嘴120从此环形空间54传递出去，以用于本文所公开的目的。
36.就其本身而言，传感器组件60具有陶瓷主体62和导电保持器66。陶瓷主体62具有激光束(b)和任何过程气体(g)可穿过的第一通道64。导电保持器66设置在第一通道64中。传感器组件60还可包括绕陶瓷主体62设置的导电接地屏蔽件72。如下面更详细地所讨论，导电保持器66和导电接地屏蔽件72连接成分别与电压和接地处于电连通。
37.导电接头110具有第一端部114和第二端部116以及激光束(b)和任何过程气体(g)可穿过的第二通道112。第一端部114被构造来附连到导电保持器66，而第二端部116限定喷嘴120可附连到其中的接收部。例如，第一端部114可包括螺纹连接到导电保持器66中的外部螺纹。接收部116可限定喷嘴120螺纹连接到的内部螺纹。就其本身而言，喷嘴120限定通道122，所述通道122穿过喷嘴120从端部126延伸到端部124以供激光束(b)和过程气体(p)通过。
38.导电接头110具有绕其设置的轴环115，并且覆盖件130设置在传感器组件60与轴环115之间。如图所示，覆盖件130可具有锥形形状，该锥形形状具有被构造来接合盖帽52的大圆周边缘和被构造来接合导电接头110的轴环115的小圆周边缘。导电接头110可包括绕轴环115设置以密封地接合覆盖件130的垫圈密封件117。
39.轴环115限定穿过其从一侧到另一侧以供如本文所指出的吹扫气体(p)中的一些通过的一个或多个气体流动通道118。以此方式，覆盖件130包封将来自孔口54的吹扫气体(p)传送到轴环115的一个或多个流动通道118的内部空间55。因此，轴环115中的一个或多个流动通道118的一个或多个出口优选地被设置成与喷嘴120直接相邻，这可增加喷嘴120的冷却并延长其可操作寿命。
40.如将了解，接头110与其流动通道118可辅助吹扫气体(p)的喷射，这可有效地防止碎屑到达头30和喷嘴附件50的部件。接头110与其流动通道118还控制吹扫气体束流的扩散区域和大小，这可根据待执行的切割操作进行调控。
41.如将了解，切割喷嘴120可辅助切割操作中使用的切割或过程气体(g)的喷射。喷嘴孔124的大小可基于待切割的材料的厚度来选择。喷嘴120帮助防止熔融材料从工件回到激光头30中，使得可保护激光头30的内部部件。喷嘴120还提供电容信号以供在通过激光发射头30的调整系统调整所述激光头30的间距以维持稳定的激光发射操作中使用。
42.在一些布置中，激光头喷嘴120的内部形状可引导过程气体(g)的流动和压力。可在熔融切割中使用单层喷嘴120，其中氮气可用作辅助气体以切割不锈钢和铝板。可使用双
层喷嘴120，其中氧气作为辅助气体以切割碳钢。通常，喷嘴120是锥形形状并且可具有单层或多个层。例如，双层喷嘴可具有内核以增加过程气体(g)的速度，这具有许多优点。喷嘴孔124和喷嘴的厚度被构造用于当前实现方式。
43.现在转向用于感测喷嘴120距工件的间距的传感器组件60的细节，圆柱形陶瓷主体62用作传感器组件60的基底元件。主体62的陶瓷材料是绝缘的。激光切割头喷嘴120与外部测量系统(14)之间的电气连接件可烧结到圆柱形陶瓷主体62的外侧(或嵌入圆柱形陶瓷主体62内)。以此方式，电气连接件永久地固定在适当位置并防止移动(甚至在“高g”条件存在下)并且能够在高温存在下适当地运转。
44.这些电气连接件可包括：一对电导体(导线)82、86、导电保持器66、外圆柱形屏蔽件72(也是导电的)以及插口连接器65。导电接头110和喷嘴120与导电保持器68接合。这些部件一起将激光束(b)和任何过程气体(g)从切割头30朝向工件引导。
45.插口连接器65可以是同轴电缆连接器，包括中心导体和外接地导体(在它们之间设置有绝缘材料)。一根导线86用于沿着中心导体将电信号(电压)传导到导电保持器66，所述导电保持器66本身由导电材料(例如，不锈钢)形成。在组装激光切割头30时，将接头110螺纹连接到导电保持器66中(特别地，通过配合螺纹旋拧到适当位置)，并且将喷嘴120螺纹连接到接头110中。因此，喷嘴120借助于通过导线86和螺纹连接的保持器66建立的连接件而通电。
46.其他导线82定位在陶瓷主体62内以产生用于外接地或屏蔽件72之间的导电路径。外屏蔽件72采用被设计成在圆柱形陶瓷主体62的外表面上滑动并接触外表面的套筒的形式。屏蔽件72永久地固定在陶瓷主体62周围的适当位置并且永久地由不锈钢形成。
47.导电保持器66、陶瓷主体62和屏蔽件72的组合提供用于给所附接的喷嘴120通电，最小化原本影响由相关联的测量系统14执行的电容测量的内部干扰和寄生感应问题的连接布置。除了盖帽52之外，与接头110的轴环115和密封件117结合使用的覆盖件130在操作期间保护感测组件60的这些部件，同时仍然允许以小锐角使用头30，如本文所指出。
48.如已经所指出，例如，锥形盖帽52具有附接到外壳30的端部38的大圆周端部，并且具有绕陶瓷主体62限定用于使吹扫气体(p)通过的环形间隙54的小圆周端部。导电接头110的轴环115的圆周位于从喷嘴120的尖端延伸到锥形盖帽52的大圆周端部的锥角(a)内。此构型允许在激光发射操作期间相对于工件以小锐角定位头30，如先前关于图2b所指出。
49.如可见，如果任何熔融碎屑等能够到达环形间隙54，则污染物可阻碍来自头30的吹扫气体(p)的流动。此外，到达传感器组件60的任何熔融碎屑或其他污染物可中断传感器组件60的感测能力。为此，覆盖件130、接头110的轴环115、密封件117以及其他特征件保护间隙54和传感器组件60。此外，所引导的吹扫气体(p)可主动地冷却喷嘴120，从而防止过热/磨损。吹扫气体(p)还可用作切割气体(g)束流的帘幕(屏蔽物)。
50.例如，图3b展示示出相对于图3a的喷嘴附件50的部件的激光束(b)、过程气体(g)和吹扫气体(p)的示意图。两种气体束流(p，g)在流量、压力和气体类型方面可独立地调整。这使操作员能够在任何基于氧气的气体或其他过程气体(g)周围产生惰性气体帘幕以免受吹扫气体(p)影响。另外，吹扫气体(p)束流的角度可根据切割操作的所需需要进行调整。例如，吹扫气体(p)束流可朝向工件/材料表面成角度，使得吹扫气体(p)可充当过程射流，从而使过程排放物冷却下来/偏转远离头30和台架20。吹扫气体(p)作为单独供应气体旨在保
护传感器测量系统以防受基于过程的污染物，诸如飞溅颗粒、烟气和一般污垢的影响。最终，吹扫气体(p)直接应用于过程可用作喷嘴120的主动冷却介质和/或用作附加过程射流。
51.转向另一种构型，图4a展示具有如先前所提及的更大喷嘴120'的喷嘴附件50的剖视图。与其他构型中类似的部件具有相同附图标记并且不再加以描述，但这些部件的细节并入本文。
52.如图所示，喷嘴120'延伸超出接头110的轴环115。为了允许吹扫气体(p)从流动通道118流出，可在轴环115的侧面限定侧斜切面119。来自流动通道118的吹扫气体(p)可从接头110的侧面外侧逸出并且仍然可实现冷却喷嘴120'并产生附加屏蔽的目的。
53.例如，图4b展示示出相对于图3b的喷嘴附件50的部件的激光束(b)、过程气体(g)和吹扫气体(p)的示意图。喷嘴接头110通过将吹扫气体(p)流引导到喷嘴120'来使喷嘴120'冷却下来。另外，吹扫气体(p)可像护套一样在过程气体(g)周围起作用。此功能取决于喷嘴120'和喷嘴接头110的设计。在此，喷嘴接头110可产生吹扫气体(p)的水平交叉射流以防止污染。但是，吹扫气体(p)仍然能够冷却喷嘴120'。
54.在图5中示出喷嘴附件50的替代构型。与其他构型中类似的部件具有相同附图标记，但这些部件的细节并入本文。在此布置中，来自图3a和图4a的锥形盖帽和覆盖件的单独特征一起被整合到一体式覆盖件90中，所述一体式覆盖件90包封空间95并限定孔口94以供吹扫气体(p)到达接头的轴环115中的端口118。
55.如本文所公开，喷嘴附件50可缓解在操作期间可能遇到的斜切操作期间的问题。喷嘴附件50可防止污染物进入传感器组件60内侧并且可用吹扫气体(p)产生冷却效果以使喷嘴120冷却下来。接头110和覆盖件130被构造成不会影响切割头30的电容传感器组件60和系统(14)。此外，附件50具有模块化设计，因此附件50可与多种不同喷嘴类型一起使用。
56.优选实施方案和其他实施方案的前述描述并不意图限制或约束本技术人所构想的发明概念的范围或适用性。将了解，在受益于本公开的情况下，根据所公开主题的任何实施方案或方面的上述特征可在所公开主题的任何其他实施方案或方面中单独地或与任何其他所描述特征组合使用。
57.作为公开本文所包含的发明概念的交换，本技术人希望获得由所附权利要求提供的所有专利权。因此，意图所附权利要求在所有修改和变更在以下权利要求或其等同物的范围内的最大程度上包括所述所有修改和变更。