CN105149774B - 一种用于激光‑等离子弧同轴复合焊的光束整形方法 - Google Patents

Abstract

一种用于激光‑等离子弧同轴复合焊的光束整形方法，本方法基于激光‑等离子弧同轴复合焊并且使其能应用于曲线焊接和三维焊接。确定入射光束的直径即平面反射镜的中心圆孔直径D和圆锥镜内圆锥直径D₀；确定圆锥镜的内锥角γ₁和外锥角γ₂；计算平面反射镜与圆锥镜之间的距离；确定圆锥镜所能得到的最大的环形光束的内外环直径D₁、D₂；确定圆锥镜的外圆锥方向最大直径D₃；确定平面反射镜内圆孔上从距离光束中心r处发出的光线入射到圆锥镜并出射形成圆环光束，其中确定圆环的宽度h。本方法减少了以往的整形方法的装置的大小，这对于激光‑等离子弧同轴复合焊的应用具有重大意义。

Description

一种用于激光-等离子弧同轴复合焊的光束整形方法

技术领域

本发明涉及激光焊接领域，尤其涉及一种用于激光-等离子弧同轴复合焊光束整形方法。

背景技术

在激光-等离子弧复合焊的过程中，大多使用的是旁轴复合焊。典型的旁轴复合焊主要由激光束1、等离子弧2和工件3组成，如图1。通过变换复合焊接参数对激光-等离子弧复合焊进行研究。其最大缺点是热源的非对称性，焊接质量受焊接方向影响很大，并且难以用于曲线或三维焊接。

激光-等离子弧同轴复合焊能使激光束和等离子弧同心分布，从而获得确定的热分布，可以提高电弧稳定性，提高熔化效率，并降低冷却速率和改善残余应力状态，改善焊缝成型，适用于三维焊接同轴复合焊。

发明内容

本发明是要改善激光-等离子弧旁轴复合焊过程中的焊接缺点，基于激光-等离子弧同轴复合焊使其同心分布并且使其能应用于曲线焊接和三维焊接，而提供的一种用于实现圆形光束整形为圆环光束的方法。

本发明通过一组光学变换器件，改变激光光束的分布，将激光束分为环形光束，然后再经聚焦镜将环形光束聚焦在同一位置，在工件表面形成一个激光光斑与等离子弧复合的同轴热源；实现了圆形光束整形为圆环光束，为实现激光-等离子体同轴复合焊，改善的旁轴焊接的缺陷起到重要的作用。

为了实现圆形光束整形为圆环光束，采用了一种自行设计的圆锥镜和平面反射镜的组合系统，如图2。两平面反射镜4的中心区有一直径为D的圆形通孔，用以限制到达圆锥镜5反射面的光束大小，平面反射镜4的表面镀有高反膜。圆锥镜5为在外圆锥的顶端加工一个内圆锥，并在内圆锥的表面镀高反膜，在外圆锥的表面镀增透膜。当光束通过平面反射镜4的中心圆孔到达圆锥镜5，首先是内圆锥面的高反射效应，然后再经过平面反射镜4的反射到达圆锥镜5的外圆锥表面，经过外圆锥表面的高折射效应，最后平行于圆锥镜5的轴线输出，此时输出光束的图案就是圆环形状的。当进行复合焊接时，经聚焦镜将环形光束聚焦在同一位置，在工件表面形成一个激光光斑与等离子弧复合的同轴热源。

用于实现圆形光束整形为圆环光束的方法按以下步骤实现：

S1确定入射光束的直径即平面反射镜的中心圆孔直径D和圆锥镜内圆锥直径D₀；

S2确定圆锥镜的内锥角γ₁和外锥角γ₂，

由以下两式确定，其中，依据光的折射定律，n₁、n₂分别为第一媒质的折射率，第二媒质的折射率

n₁sin(2γ₁+γ₂)＝n₂sinγ₂

2γ₁+γ₂＜90°

S3计算平面反射镜与圆锥镜之间的距离ED：当经过圆锥镜内圆锥表面外边界反射的光束恰好能到达平面反射镜的表面时，此时是平面反射镜和圆锥镜之间的距离的最小值。由几何关系，可以确定ED的最小值为因此这二者之间的距离

S4确定圆锥镜所能得到的最大的环形光束的内外环直径D₁、D₂：由几何关系，

D₂＝D₁+D₀(1+tanγ₁tan2γ₁)[cosγ₂+sinγ₂cot(2γ₁+γ₂)]cosγ₂

S5确定圆锥镜的外圆锥方向最大直径D₃；

S6确定平面反射镜内圆孔上从距离光束中心r处发出的光线入射到圆锥镜并出射形成圆环光束，其中有几何关系，

D_r＝D₁+(D₀-2r)(1+tanγ₁tan2γ₁)[cosγ₂+sinγ₂cot(2γ₁+γ₂)]cosγ₂

S7由S4和S6可得圆环的宽度h为：

本发明所采用的组合系统实现了圆形光斑整形为圆环光斑，操作简单，比以往的同类型整形方法操作简单，减少了以往的整形方法的装置的大小，效果理想，这对于激光-等离子弧同轴复合焊的应用具有重大意义。

附图说明

图1是典型的激光-等离子弧旁轴复合焊的示意图；

图2是发明的原理图；

图3是发明的下半边具体光路图；

图4内圆锥面的反射光束光路图；

图5外圆锥表面折射的光束的光路图；

图6输出表面上的圆环图案；

图7圆锥镜示意图。

图中：1为激光束，2为等离子弧，3为工件，4为平面反射镜，5为圆锥镜，6为光源。

具体实施方式

具体实施方式：结合图2、3、4、5、6说明本实施方式，本实施方式中所用的圆形光源为大功率半导体激光光纤耦合输出的光源。本实施方式按以下步骤实现：

用于将圆形光束整形为圆环光束的设计方法具体步骤如下：

S1如图2，确定入射光束的直径即平面反射镜的中心圆孔直径D和圆锥镜内圆锥直径D₀，并有D≤D₀。在本实施方式中，D＝6mm，D₀＝8mm；

S2确定圆锥镜的内锥角γ₁和外锥角γ₂:

由折射定律和几何关系有

n₁sin(2γ₁+γ₂)＝n₂sinγ₂

2γ₁+γ₂＜90°

当经过内圆锥内顶尖反射的光束与内圆锥表面重合时，此时是反射光束能够到达反射镜的表面的边界值，此时的γ₁可以取得最大值，由几何关系有，此时的γ₁＝30°，因此在取值时γ₁≤30°；

此处取γ₁＝15°，γ₂＝41°；

S3计算平面反射镜与圆锥镜之间的距离ED：当经过圆锥镜内圆锥表面外边界反射的光束恰好能到达平面反射镜的表面时，此时是平面反射镜和圆锥镜之间的距离的最小值。由几何关系，可以确定ED的最小值为因此这二者之间的距离

由以上的取值有，则取值ED＝20mm；

S4确定圆锥镜所能得到的最大的环形光束的内外环直径D₁、D₂：由几何关系，可以确定

D₂＝D₁+D₀(1+tanγ₁tan2γ₁)[cosγ₂+sinγ₂cot(2γ₁+γ₂)]cosγ₂

把以上所取数值代入上式中，得到D₁＝63.4mm，D₂＝80.4mm；

S5根据所得圆环光束的外环的最大直径D₂的大小确定圆锥镜的外圆锥方向最大直径D₃，其中D₃＞D₂；

此处取值D₃＝100mm；

S6确定平面反射镜内圆孔上从距离光束中心r处发出的光线入射到圆锥镜并出射形成圆环光束，其中有几何关系，可以确定

D_r＝D₁+(D₀-2r)(1+tanγ₁tan2γ₁)[cosγ₂+sinγ₂cot(2γ₁+γ₂)]cosγ₂

取r＝3mm，将上述取值代入上式，则有D_r＝67.5mm；

S7由S4和S6可得圆环的宽度h为：

把以上所取数值代入上式中，得到h＝6.45mm；

通过本实施方式中描述的设计方法，最终得到的输出表面上的圆环图案如图6所示。

本发明实现了圆形光束整形为圆环光束，为实现激光-等离子体同轴复合焊，改善的旁轴焊接的缺陷起到基础作用。

本发明中，具体计算过程如下，

如图3、4、5所示，图中A、A’、O分别为图中的上中下三条入射光线与圆锥境内圆锥面的交点，其中A点为内圆锥的外边界点，O点为内圆锥的顶点，A’为距离圆锥镜中轴线为r的入射光线的入射点；上中下三条光线的反射光线分别交平面反射镜XY与E、E’、F三点，经过平面反射镜反射后的光线折射透过圆锥镜外圆锥面，分别交于K、K’、N三点，最后平行于圆锥镜的中轴线出射。

连接圆锥镜内圆锥的两个外边界点A和C并延长，可知，AC垂直于圆锥镜中轴线，交中轴线与B点，交过圆锥镜顶点的下光线的反射光线与P点。过A’做AC平行线，交中轴线与B’点，交过圆锥镜顶点的下光线的反射光线与P’点。过E点做AC延长线的垂线，交点为D。过E的上光线的反射光线与AC延长线交于H点，过H点做圆锥镜外圆锥表面交线CS的垂线，交于G点。过K点向下做AC的平行线分别交两条反射光线与L’、L点，分别过L’、L做外圆锥面交线CS的垂线，分别交于M’、M两点。过K’点做AC的平行线，交上出射光线与Q点，交下入射光线与N’点，过N点做AC的平行线，交上出射光线与J点。上出射光线的反向延长线交AC延长线与I点，下出射光线的反向延长线交AC的延长线与W点。ST为圆锥镜的外圆锥径向边界。

由图有

AD＝DH＝ED·tan2γ₁

BO＝AB·tanγ₁

BP＝BO·tan 2γ₁

BP＝AB·tanγ₁tan2γ₁

DC＝AD-AC

CH＝DC+DH

HG＝CH·sinγ₂

HI＝HK·sin2γ₁

KM＝KL·cosγ₂

LM＝KL·sinγ₂

KN＝KM+MN

JN＝KN·cosγ₂

B'O＝A'B'·tanγ₁

B'P'＝B'O·tan2γ₁

A'P'＝A'B'+B'P'＝E'F＝K'N'＝L'L

KL'＝KL-L'L

L'M'＝KL'·sinγ₂

KM'＝KL'·cosγ₂

M'K'＝L'M'cot(2γ₁+γ₂)

KK'＝KM'+M'K'

QK'＝KK'·cosγ₂

Claims (4)

1.一种圆锥镜和平面反射镜的组合系统，其特征在于：两平面反射镜(4)在同一平面内形成的结构的中心区有一直径为D的圆形通孔，用以限制到达圆锥镜(5)反射面的光束大小，平面反射镜(4)的表面镀有高反膜；圆锥镜(5)为在外圆锥的顶端加工一个内圆锥，并在内圆锥的表面镀高反膜，在外圆锥的表面镀增透膜；当光束通过平面反射镜(4)的圆形通孔到达圆锥镜(5)，首先是内圆锥面的高反射效应，然后再经过平面反射镜(4)的反射到达圆锥镜(5)的外圆锥表面，经过外圆锥表面的高折射效应，最后平行于圆锥镜(5)的轴线输出，此时输出光束的图案就是圆环形状的；当进行复合焊接时，经聚焦镜将环形光束聚焦在同一位置，在工件表面形成一个激光光斑与等离子弧复合的同轴热源；利用上述组合系统进行的一种用于激光-等离子弧同轴复合焊的光束整形方法，该方法包括以下步骤：

S1确定入射光束的直径即平面反射镜的圆形通孔直径D和圆锥镜内圆锥直径D₀；

S2确定圆锥镜的内锥角γ₁和外锥角γ₂，

由以下两式确定，其中，依据光的折射定律，n₁、n₂分别为第一媒质的折射率与第二媒质的折射率

n₁sin(2γ₁+γ₂)＝n₂sinγ₂

2γ₁+γ₂＜90°

S3计算平面反射镜与圆锥镜之间的距离ED：当经过圆锥镜内圆锥表面外边界反射的光束恰好能到达平面反射镜的表面时，此时是平面反射镜和圆锥镜之间的距离的最小值；由几何关系，确定ED的最小值为因此平面反射镜与圆锥镜之间的距离

$ED>\frac{D_0}{tan2{\mathrm{\γ}}_1};$

S4确定圆锥镜所能得到的最大的环形光束的内外环直径D₁、D₂：由几何关系，

$D_1=3D_0+\frac{2D_{0}sin2{\mathrm{\γ}}_1{\mathrm{sin\γ}}_2}{\cos (2{\mathrm{\γ}}_1+{\mathrm{\γ}}_2)}$

D₂＝D₁+D₀(1+tanγ₁tan2γ₁)[cosγ₂+sinγ₂cot(2γ₁+γ₂)]cosγ₂

S5确定圆锥镜的外圆锥方向最大直径D₃；

S6确定平面反射镜内圆孔上从距离光束中心r处发出的光线入射到圆锥镜并出射形成圆环光束，其中有几何关系，

D_r＝D₁+(D₀-2r)(1+tanγ₁tan2γ₁)[cosγ₂+sinγ₂cot(2γ₁+γ₂)]cosγ₂

S7由S4和S6可得圆环的宽度h为：

$h=\frac{D_2-D_r}{2}=r(1+{\mathrm{tan\γ}}_{1}tan2{\mathrm{\γ}}_1)\[{\mathrm{cos\γ}}_2+{\mathrm{sin\γ}}_2\cot (2{\mathrm{\γ}}_1+{\mathrm{\γ}}_2)\]{\mathrm{cos\γ}}_2.$

2.根据权利要求1所述的一种圆锥镜和平面反射镜的组合系统，其特征在于：实现圆形光束整形为圆环光束，其特征在步骤S1中所述平面反射镜的圆形通孔直径D和圆锥镜内圆锥直径D₀，要是透过平面镜的圆形通孔的光束能够到达圆锥镜内圆锥面上，那么D≤D₀。

3.根据权利要求1所述的一种圆锥镜和平面反射镜的组合系统，其特征在于：当经过内圆锥内顶尖反射后的光束与内圆锥表面重合时，此时是反射光束能够到达反射镜的表面的边界值，此时的γ₁取最大值，由几何关系有，此时的γ₁＝30°，因此γ₁≤30°。

4.根据权利要求1所述的一种圆锥镜和平面反射镜的组合系统，其特征在于：S5中确定圆锥镜的外圆锥方向最大直径D₃；根据所得圆环光束的外环的最大直径D₂的大小来确定，应该有D₃＞D₂。