CN110614431A - 一种基于柱面透镜调焦手持焊接光学机构及其工作方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于柱面透镜调焦手持焊接光学机构及其工作方法,包括手持焊接光学机构，准直镜组，平面反射镜，第一柱面透镜，第二柱面透镜以及保护镜，本发明结构设计新颖，基于柱面透镜单向聚焦特性，通过沿光轴方向移动其中一片柱面透镜，实现聚焦光束段光斑椭圆化整形及任意截面光斑单方向长度连续可调，有利于提高聚焦光斑激光功率密度而降低板材焊接所需功率，有助于提高焊接速度，有助于提高焊缝宽度适应性，适用于激光焊接应用，特别适用于不同缝宽板材的手持焊接应用。

Description

一种基于柱面透镜调焦手持焊接光学机构及其工作方法
技术领域
本发明涉及激光焊接技术领域，具体为一种基于柱面透镜调焦手持焊接光学机构及其工作方法。
背景技术
激光加工技术涵盖了激光切割、焊接、淬火、打孔、微加工等多种激光加工工艺，利用了激光与物质相互作用的基本特性。由于激光束具有与加工材料的非接触性、加工速度快与质量优异等优势，奠定了激光加工技术是一种无可替代的高新技术。
光纤激光器因为电光转换效率高、光纤柔韧性好、耦合效率高、光束质量好等优势，以及大功率激光器的出现，使得市场占有率日益突出，目前光纤耦合输出激光器千瓦级已是相当普及，万瓦级激光器也逐步上映市场，让光纤激光各类加工工艺越加普遍化。
光纤激光焊接，具有能量密度高、速度快、焊接变形小、熔宽与热影响区窄等优点。随着光纤激光焊接发展，对于一些焊接质量要求不高的低功率薄板焊接而言，为节省成本，降低繁琐夹具限制，降低激光焊接操作要求，不采用机床或机器人等进行激光焊接应用，逐渐形成了一套新的激光焊接技术，即手持焊接。
目前手持焊接光学方案有两种，一种是定光斑焊接，即主体为常规的准直聚焦，额外增加平反镜改变光束传输方向或其他辅助方法，以符合手持焊接人体工程学应用，该方案可确保手持焊接加工头足够小以降低成本与重量，从而更容易长时间手持使用，缺点在于不同板材搭接缝宽，需要离焦焊接，能量密度将大幅降低，并不利于能量利用以及焊接速度的提升。
另一种为扫描式光斑焊接，即通过如振镜摆动扫描、楔形镜旋转扫描等方式实现聚焦光斑不同图形的变化，最直接的是垂直于焊缝方向实现直线或近似直线扫描，以增加焊缝宽度适应性，该方案需要增加电机及相应控制系统，一方面大幅提升成本，另一方面则会导致手持焊接加工头重量偏重，对于客户使用体验十分不友好。
基于上述各点，本发明提出一种基于柱面透镜调焦手持焊接光学方案，基于柱面透镜单向聚焦特性，通过沿光轴方向移动其中一片柱面透镜，实现聚焦光束段光斑椭圆化整形及任意截面光斑单方向长度连续可调，有利于提高聚焦光斑激光功率密度而降低板材焊接所需功率，有助于提高焊接速度，有助于提高焊缝宽度适应性，适用于激光焊接应用，特别适用于不同缝宽板材的手持焊接应用。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于柱面透镜调焦手持焊接光学机构及其工作方法，以解决上述背景技术中提出的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种基于柱面透镜调焦手持焊接光学机构,包括手持焊接光学机构，准直镜组，平面反射镜，第一柱面透镜，第二柱面透镜，保护镜，所述手持焊接光学机构上设有准直镜组，平面反射镜，第一柱面透镜，第二柱面透镜，保护镜；
所述准直镜组为消像差镜组；
所述第一柱面透镜，第二柱面透镜面型包含平凸型柱面，双凸型柱面以及正弯月型柱面，所述第一柱面透镜，第二柱面透镜以及保护镜中心光轴同轴；
所述准直镜组，第一柱面透镜，第二柱面透镜以及保护镜中心光轴与平面反射镜中心法线共面；
所述准直镜组光轴与第一柱面透镜，第二柱面透镜以及保护镜中心光轴交点交于平面反射镜反射镜面中心；
所述第一柱面透镜聚焦线与第二柱面透镜聚焦线垂直。
优选的，所述平面反射镜入射角范围为30°-80°。
优选的，所述第一柱面透镜，第二柱面透镜有且仅有一片镜片沿中心光轴方向移动。
优选的，一种基于柱面透镜调焦手持焊接光学机构，其工作方法包括以下步骤：
A、光纤激光器出射发散光，入射到准直镜组以获得平行准直光束；
B、准直光束经过平面反射镜后发生光束偏转，偏转后的光束依次入射到第一柱面透镜，第二柱面透镜以及保护镜上；
C、通过沿镜片中心轴移动第二柱面透镜4，实现聚焦光束段光斑椭圆化，对垂直于焊缝方向上的光斑尺寸连续调节。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
(1)本发明结构设计新颖，基于柱面透镜单向聚焦特性，通过沿光轴方向移动其中一片柱面透镜，实现聚焦光束段光斑椭圆化整形及任意截面光斑单方向长度连续可调，有利于提高聚焦光斑激光功率密度而降低板材焊接所需功率，有助于提高焊接速度，有助于提高焊缝宽度适应性，适用于激光焊接应用，特别适用于不同缝宽板材的手持焊接应用。
(2)本发明提出的光学方案，较定光斑离焦焊接而言，其焊接光斑功率密度可大幅提高，同时确保焊缝上足够的光斑尺寸以降低激光焊接缺陷，除此之外，焦点附近不同离焦量光斑能量密度梯度化差异变小，有助于焊接深度的提升；
(3)本发明提出的光学方案，较扫描式焊接而言，机械结构设计难度小，可做到体积小重量轻，操作更为容易，针对不同缝宽板材的焊接，同样满足焊缝适应性调节，同时成本更低；
(4)本发明提出的光学方案，带平面反射镜，目的在于满足人体工程学的操作工况，在激光焊接过程中，可确保光纤接口处受力偏小，弯曲半径可控，避免光纤因受力过大或弯曲半径过小而损坏。
附图说明
图1为本发明整体光路示意图。
图中：1、准直镜组；2、平面反射镜；3、第一柱面透镜；4、第二柱面透镜；5、保护镜；6、手持焊接光学机构。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1,本发明提供一种技术方案：一种基于柱面透镜调焦手持焊接光学机构,包括手持焊接光学机构6，准直镜组1，平面反射镜2，第一柱面透镜3，第二柱面透镜4，保护镜5，手持焊接光学机构6上设有准直镜组1，平面反射镜2，第一柱面透镜3，第二柱面透镜4，保护镜5；
手持焊接光学机构6上的准直镜组1为消像差镜组，手持焊接光学机构6上第一柱面透镜3，第二柱面透镜4面型包含平凸型柱面，双凸型柱面以及正弯月型柱面，所述第一柱面透镜3，第二柱面透镜4以及保护镜5中心光轴同轴，准直镜组1，第一柱面透镜3，第二柱面透镜4以及保护镜5中心光轴与平面反射镜2中心法线共面，准直镜组1光轴与第一柱面透镜3，第二柱面透镜4以及保护镜5中心光轴交点交于平面反射镜2反射镜面中心。
第一柱面透镜3聚焦线与第二柱面透镜4聚焦线垂直，平面反射镜2入射角范围为30°-80°，第一柱面透镜3，第二柱面透镜4有且仅有一片镜片沿中心光轴方向移动。
工作原理：光纤激光器出射发散光，入射到准直镜组1以获得平行准直光束，准直光束经过平面反射镜2后发生光束偏转，偏转后的光束依次入射到第一柱面透镜3、第二柱面透镜4以及保护镜5上，实现对应垂直方向上的光束聚焦。
以第一柱面透镜3焦距长于第二柱面透镜4为例，通过沿镜片中心轴移动第二柱面透镜4，可实现聚焦光束段光斑椭圆化，且垂直于焊缝方向上的光斑尺寸连续调节。
本发明结构设计新颖，基于柱面透镜单向聚焦特性，通过沿光轴方向移动其中一片柱面透镜，实现聚焦光束段光斑椭圆化整形及任意截面光斑单方向长度连续可调，有利于提高聚焦光斑激光功率密度而降低板材焊接所需功率，有助于提高焊接速度，有助于提高焊缝宽度适应性，适用于激光焊接应用，特别适用于不同缝宽板材的手持焊接应用。
一种基于柱面透镜调焦手持焊接光学机构，其工作方法包括以下步骤：
A、光纤激光器出射发散光，入射到准直镜组1以获得平行准直光束；
B、准直光束经过平面反射镜2后发生光束偏转，偏转后的光束依次入射到第一柱面透镜3，第二柱面透镜4以及保护镜5上；
C、通过沿镜片中心轴移动第二柱面透镜4，实现聚焦光束段光斑椭圆化，对垂直于焊缝方向上的光斑尺寸连续调节。
本发明的有益效果是：
(1)本发明结构设计新颖，基于柱面透镜单向聚焦特性，通过沿光轴方向移动其中一片柱面透镜，实现聚焦光束段光斑椭圆化整形及任意截面光斑单方向长度连续可调，有利于提高聚焦光斑激光功率密度而降低板材焊接所需功率，有助于提高焊接速度，有助于提高焊缝宽度适应性，适用于激光焊接应用，特别适用于不同缝宽板材的手持焊接应用。
(2)本发明提出的光学方案，较定光斑离焦焊接而言，其焊接光斑功率密度可大幅提高，同时确保焊缝上足够的光斑尺寸以降低激光焊接缺陷，除此之外，焦点附近不同离焦量光斑能量密度梯度化差异变小，有助于焊接深度的提升；
(3)本发明提出的光学方案，较扫描式焊接而言，机械结构设计难度小，可做到体积小重量轻，操作更为容易，针对不同缝宽板材的焊接，同样满足焊缝适应性调节，同时成本更低；
(4)本发明提出的光学方案，带平面反射镜，目的在于满足人体工程学的操作工况，在激光焊接过程中，可确保光纤接口处受力偏小，弯曲半径可控，避免光纤因受力过大或弯曲半径过小而损坏。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (4)

1.一种基于柱面透镜调焦手持焊接光学机构,包括手持焊接光学机构(6)，准直镜组(1)，平面反射镜(2)，第一柱面透镜(3)，第二柱面透镜(4)，保护镜(5)，其特征在于：所述手持焊接光学机构(6)上设有准直镜组(1)，平面反射镜(2)，第一柱面透镜(3)，第二柱面透镜(4)，保护镜(5)；
所述准直镜组(1)为消像差镜组；
所述第一柱面透镜(3)，第二柱面透镜(4)面型包含平凸型柱面，双凸型柱面以及正弯月型柱面，所述第一柱面透镜(3)，第二柱面透镜(4)以及保护镜(5)中心光轴同轴；
所述准直镜组(1)，第一柱面透镜(3)，第二柱面透镜(4)以及保护镜(5)中心光轴与平面反射镜(2)中心法线共面；
所述准直镜组(1)光轴与第一柱面透镜(3)，第二柱面透镜(4)以及保护镜(5)中心光轴交点交于平面反射镜(2)反射镜面中心；
所述第一柱面透镜(3)聚焦线与第二柱面透镜(4)聚焦线垂直。
2.根据权利要求1所述的一种基于柱面透镜调焦手持焊接光学机构，其特征在于：所述平面反射镜(2)入射角范围为30°-80°。
3.根据权利要求1所述的一种基于柱面透镜调焦手持焊接光学机构，其特征在于：所述第一柱面透镜(3)，第二柱面透镜(4)有且仅有一片镜片沿中心光轴方向移动。
4.实现权利要求1所述的一种基于柱面透镜调焦手持焊接光学机构，其工作方法包括以下步骤：
A、光纤激光器出射发散光，入射到准直镜组(1)以获得平行准直光束；
B、准直光束经过平面反射镜(2)后发生光束偏转，偏转后的光束依次入射到第一柱面透镜(3)，第二柱面透镜(4)以及保护镜(5)上；
C、通过沿镜片中心轴移动第二柱面透镜(4)，实现聚焦光束段光斑椭圆化，对垂直于焊缝方向上的光斑尺寸连续调节。
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CN110919175A (zh) * 2019-12-30 2020-03-27 苏州迅镭激光科技有限公司 一种基于楔角镜手持式激光焊接头光学系统

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