CN108581243A - 激光焦点偏移量消除方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种激光焦点偏移量消除方法，用于消除包括激光光源及透镜的激光设备对工件加工过程中，因透镜热形变引起的焦点偏移量，所述方法包括如下步骤：建立激光设备的多物理场耦合模型；计算所述多物理场耦合模型，得到焦点偏移量；补偿所述焦点偏移量。上述激光焦点偏移量消除方法通过建立激光设备的耦合分析模型，计算得到激光设备光学系统的焦点偏移量，避免使用昂贵的光学仪器检测焦点偏移量，降低了作业成本。

Description

激光焦点偏移量消除方法
技术领域
本发明涉及激光加工领域，特别是涉及一种激光焦点偏移量消除方法。
背景技术
在使用激光设备对工件进行加工(例如，激光切割、激光焊接)时，激光在到达工件前，会先经过透镜，激光在穿透透镜的过程中，透镜会吸收部分激光，导致透镜的温度升高，随着加工的持续进行，热量不断累积，透镜的温度也逐渐升高，导致透镜产生热形变。透镜发热形变之后，透镜原有的光学属性会发生变化，导致整个激光设备中的光学系统的焦点位置发生偏移，影响工件加工效果。
为了获得较好的加工效果，在加工过程中，通常采用光学仪器(例如，高功率焦斑测试仪BeamWatch)获得焦点偏移量，再进行焦点偏移补偿，但此类光学仪器价格昂贵，导致成本过高。
发明内容
基于此，有必要针对激光设备对工件进行加工时，需要用到价格昂贵的光学仪器测量激光焦点偏移量的问题，提供一种激光焦点偏移量消除方法。
一种激光焦点偏移量消除方法，用于消除包括激光光源及透镜的激光设备对工件加工过程中，因透镜热形变引起的焦点偏移量，所述方法包括如下步骤：
建立激光设备的多物理场耦合模型；
计算所述多物理场耦合模型，得到焦点偏移量；
补偿所述焦点偏移量，以使焦点位于所述工件上。
在其中一个实施例中，所述建立激光设备的多物理场耦合模型包括如下步骤:
在耦合分析软件中建立多物理场耦合方程；
建立透镜的几何模型；
将几何模型导入耦合分析软件，进行网格划分；
定义材料属性及边界条件。
在其中一个实施例中，所述材料属性包括透镜的光学特性、结构特性及热学特性。
在其中一个实施例中，所述光学特性包括对激光的折射率及衰减系数；
所述结构特性包括弹性模量、剪切模量、密度及泊松比；
所述热学特性包括比热、导热系数、热膨胀系数及温度系数。
在其中一个实施例中，所述边界条件包括：
激光光源的坐标、发散角、形状、偏振类型及波长；
透镜的固定边界；
透镜的初始温度及对流系数；以及
环境温度。
在其中一个实施例中，建立激光设备的多物理场耦合模型包括定义激光光源功率为自变量，定义激光焦点坐标为因变量。
在其中一个实施例中，所述计算所述耦合分析模型包括：
设定所述激光光源功率为0，记录焦点坐标L1；
设定所述激光光源功率为激光设备工作功率，记录焦点坐标L2；
计算焦点偏移量△L＝L1-L2。
在其中一个实施例中，所述补偿所述焦点偏移量包括调整激光设备与工件的相对位置。
在其中一个实施例中，所述激光设备为激光切割头或激光焊接头。
在其中一个实施例中，所述透镜包括扩束镜、聚焦镜及保护镜。
上述激光焦点偏移量消除方法通过建立激光设备的多物理场耦合模型，计算得到激光设备光学系统的焦点偏移量，避免使用昂贵的光学仪器检测焦点偏移量，降低了激光设备的作业成本。
附图说明
图1为本发明一实施例提供的激光焦点偏移量消除方法流程图；
图2为本发明一实施例提供的激光设备的多物理场耦合模型建立方法流程图；
图3为本发明一实施例提供的得到焦点偏移量方法流程图；
图4为本发明一实施例对透镜网格划分示意图；
图5为激光设备在实际工作过程中的焦点偏移量示意图。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似改进，因此本发明不受下面公开的具体实施的限制。
详参图1，本发明一实施例提供的激光焦点偏移量消除方法，其目的在于补偿激光设备对工件加工过程中，因透镜热形变引起的焦点偏移量，其中，激光设备为激光切割头或激光焊接头，透镜包括扩束镜、聚焦镜及保护镜。具体地，上述激光焦点偏移量消除方法包括如下步骤：
步骤S100，建立激光设备的多物理场耦合模型；
步骤S200，计算所述激光设备的多物理场耦合模型，得到焦点偏移量；
步骤S300，补偿所述焦点偏移量。
具体地，详参图2，在步骤S100中，具体包括如下步骤：
步骤S110，提供耦合分析软件。
具体地，在本实施例中，耦合分析软件为多物理场仿真软件(COMSOLMultiphysics)。
步骤S120，将透镜的几何模型导入耦合分析软件，并对透镜的几何模型进行网格划分。
具体地，在本实施例中，透镜的几何模型为透镜的三维模型。在一些实施例中，通过使用CAD软件建立透镜的三维模型，透镜的三维模型包括透镜自身的尺寸，以及透镜与透镜之间的相对距离。需要说明的是，激光设备确定后，激光设备的透镜的三维模型即确定。具体地，在本实施例中，透镜的几何模型的网格划分如图4所示。
步骤S130，定义透镜的材料属性。
具体地，在本实施例中，透镜的材料属性包括透镜的光学特性、结构特性及热学特性。
在本实施例中，透镜的材料为融石英。
透镜的光学特性包括透镜对激光的折射率，以及透镜对激光的衰减系数。具体地，在本实施例中，透镜对激光的折射率为1.449，透镜对激光的衰减系数为3ppm/mm。
透镜的结构特性包括透镜的弹性模量、剪切模量、密度及泊松比。具体地，在本实施例中，透镜的弹性模量为73GPa，透镜的剪切模量为31GPa，透镜的密度为2.20g/cm3，透镜的泊松比为0.16。
透镜的热学特性包括透镜的比热、导热系数、热膨胀系数及温度系数。具体地，在本实施例中，透镜的比热为0.77J/(g·K)，透镜的导热系数1.38W/(m·K)，透镜的热膨胀系数为0.57×E-6/(1/K)，透镜的温度系数为9.7(ppm/K)。
步骤S140，定义环境、光源及透镜的边界条件。
在本实施例中，环境的边界条件环境温度以及对流系数。具体地，在本实施例中，环境温度为20℃，对流系数为10W/(m2·s·K)。
在本实施例中，光源的边界条件包括激光光源的坐标、发散角、形状、偏振类型及波长。具体地，在本实施例中，激光光源的坐标为原点(0，0)，发散角为6.8775°，形状为点光源，偏振类型为完全极化，波长为1.064×10-6mm。
在本实施例中，透镜的边界条件包括透镜的固定边界以及透镜的初始温度。具体地，在本实施例中，根据固定透镜的机械结构在镜片的侧面(即镜片的固定面)定义固定边界以进行边界约束，透镜的初始温度为20℃。
在本实施例中，在激光设备的多物理场耦合模型中，设定激光光源功率为自变量，激光焦点坐标为因变量。
进一步地，详参图3，在步骤S200中，具体包括如下步骤：
步骤S210，设定所述激光光源功率为0，记录焦点坐标L1；
步骤S220，设定所述激光光源功率为激光设备工作功率，记录焦点坐标L2；
步骤S230，计算△L＝L1-L2。
可以理解的是，L1为理想状态下，透镜未发生热形变时(此时激光对透镜的穿透率为100％)焦点的坐标位置，L2为激光设备实际工作过程中焦点的坐标位置，△L即为焦点偏移向量。
在本实施例中，整个模型的耦合计算方法采用的是间接耦合法。即先通过计算镜片对射线的吸收能量，然后把光线被吸收的能量转化为镜片的热载荷值。
具体地，光线转换为热源的相关公式为：
其中，Q为总功率，δ(r-qj)为狄拉克函数，r与qj都为位置矢量，Nt是所追踪的射线数量，t为时间。
更进一步地，由上述结果计算出镜片的温度场和热膨胀数值。
具体地，具体地，镜片的温度场和热膨胀相关方程为：
其中，ρ为密度，Cp为比热容，Q为热源，k热导系数。
εth＝α(T)(T-Tref)
其中，α热膨胀系数εth热应变Tref参考温度。
更进一步地，再由上述结果计算出镜片的结构应力与应变场。
具体地，结构应力与应变场相关方程为：
Jth＝(1+tr(εth)/3)3
其中，Jth为剪切应力。
其中，▽·S是应力张量；FV是体积力向量。
更进一步地，镜片结构发生改变后又影响光线的传播，通过对几何光学的求解获得变形后的光路，经反复迭代计算，最终获得收敛的解。
具体地，几何光学光线传播相关方程为：
其中，ω是角频率，q是位置矢量，t是时间，k是波矢。
在本实施例中，激光光源功率为6000W，L1为(340.44，0)，L2为(339.43， 0)，△L即为(-1.01，0)，也即，激光焦点沿激光光轴朝光源的方向偏移1.01mm。
进一步地，在步骤S300中，根据△L调整激光设备与工件的相对位置以对激光焦点偏移量进行补偿。具体地，在本实施例中，将激光设备与工件原本的直线距离减少1.01mm，以使得焦点位于工件上。
进一步地，在本实施例中，通过BeamWatch高功率焦斑测试仪对激光设备在实际工作过程中的焦点位置进行测量，得到焦点偏移量随时间的变化曲线如图5所示。可以看出，随着时间的推移，焦点偏移量逐渐加大，当时间为1800S 左右时，焦点偏移量趋于稳定为0.995mm，进一步地，通过计算可以得出经过多物理场耦合模型得出的焦点偏移量△L相对误差仅为1.5％。
上述激光焦点偏移量消除方法通过建立激光设备的耦合分析模型，计算得到激光设备光学系统的焦点偏移量，可以避免使用昂贵的光学仪器检测焦点偏移量，降低了作业成本。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种激光焦点偏移量消除方法，用于消除包括激光光源及透镜的激光设备对工件加工过程中，因透镜热形变引起的焦点偏移量，其特征在于，所述方法包括如下步骤：
建立激光设备的多物理场耦合模型；
计算所述多物理场耦合模型，得到焦点偏移量；
补偿所述焦点偏移量，以使焦点位于所述工件上。
2.根据权利要求1所述的激光焦点偏移量消除方法，其特征在于，所述建立激光设备的多物理场耦合模型包括如下步骤:
在耦合分析软件中建立多物理场耦合方程；
建立透镜的几何模型；
将几何模型导入耦合分析软件，进行网格划分；
定义材料属性及边界条件。
3.根据权利要求2所述的激光焦点偏移量消除方法，其特征在于，所述材料属性包括透镜的光学特性、结构特性及热学特性。
4.根据权利要求3所述的激光焦点偏移量消除方法，其特征在于，所述光学特性包括对激光的折射率及衰减系数；
所述结构特性包括弹性模量、剪切模量、密度及泊松比；
所述热学特性包括比热、导热系数、热膨胀系数及温度系数。
5.根据权利要求2所述的激光焦点偏移量消除方法，其特征在于，所述边界条件包括：
激光光源的坐标、发散角、形状、偏振类型及波长；
透镜的固定边界；
透镜的初始温度及对流系数；以及
环境温度。
6.根据权利要求1所述的激光焦点偏移量消除方法，其特征在于，建立激光设备的多物理场耦合模型包括定义激光光源功率为自变量，定义激光焦点坐标为因变量。
7.根据权利要求6所述的激光焦点偏移量消除方法，其特征在于，所述计算所述耦合分析模型包括：
设定所述激光光源功率为0，记录焦点坐标L1；
设定所述激光光源功率为激光设备工作功率，记录焦点坐标L2；
计算焦点偏移量△L＝L1-L2。
8.根据权利要求1所述的激光焦点偏移量消除方法，其特征在于，所述补偿所述焦点偏移量包括调整激光设备与工件的相对位置。
9.根据权利要求1所述的激光焦点偏移量消除方法，其特征在于，所述激光设备为激光切割头或激光焊接头。
10.根据权利要求1所述的激光焦点偏移量消除方法，其特征在于，所述透镜包括扩束镜、聚焦镜及保护镜。
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