CN110908099A - 一种用于激光焊接机的准远心高功率光学聚焦镜头及其成像方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于激光焊接机的准远心高功率光学聚焦镜头及其成像方法。聚焦镜头由三片折射透镜构成，按光线入射方向，透镜的光焦度依次为负、正、正；前两片透镜弯向光线入射方向，第三片透镜前表面背向光线入射方向；三片透镜的玻璃折射率依次为n₅₁、n₅₂和n₅₃，1.20≤n₅₁≤1.80，1.50≤n₅₂=n₅₃≤2.15。该聚焦镜头的相对孔径较大，聚焦性能接近衍射极限，因此，系统的功率更高，且工作面积可达到φ150mm；镜头的准远心结构可避免被加工工件有轻微离焦或倾斜带来的焊缝形状的剧烈变化，它可将大孔径激光束聚焦在待焊接工件的工作面上，获得较大的熔深和熔宽，实现激光焊接机的精密焊接。

Description

一种用于激光焊接机的准远心高功率光学聚焦镜头及其成像 方法

技术领域

本发明涉及一种用于激光焊接机的准远心高功率光学聚焦镜头及其成像方法，具体是指一种将大孔径激光束聚焦在待焊接工件的工作面上获得较大的熔深和熔宽，适用于激光焊接的光学聚焦镜头及成像方法。

背景技术

工业常用激光焊接机包括振镜激光焊接机、激光点焊机、自动激光焊接机、模具激光焊接机等。其中，激光振镜焊接机通常应用于焊接工艺要求较高而且光路移动方便的焊接场合，例如微电子元件、集成电路引线等精密零件的焊接。参见附图1，它是振镜激光焊接机的工作原理示意图，由激光器1扩束后发出的光线经过准直系统2后，先后入射到X振镜3和Y振镜4，通过对两个偏转方向振镜的控制即可实现焊点位置的精确控制，最后，光线经过聚焦镜头5聚焦后作用于工作平台上待焊接工件接头6处，从而实现工件的焊接工作。

现有技术公开了采用长焦的高速扫描振镜焊接方式焊接铝合金以实现“U”型焊缝，增大焊接接头的力学性能，但存在焊接过程及焊接熔深不稳定等问题。

在激光加工领域中，所采用的激光的波长越短、聚焦镜头的焦距越短，越能获得比较精细的聚焦光斑，因此催生出一批用于紫外激光器的远心镜头。中国发明专利CN109633864A提供了一种关于紫外波段激光加工的远心镜头，该镜头包括五片透镜，其中第一片为双凹负透镜，第二片为弯月负透镜，第三片为弯月正透镜，第四片为双凸正透镜，第五片为平凸正透镜，镜头的焦距为74mm,入瞳直径为10mm，F数为7.4；从中不难发现，现有用于激光焊接的远心聚焦镜头存在如下不足：（1）大多用在紫外波段，而鲜见于近红外波段的激光焊接机中；（2）入瞳直径和相对孔径都较小，入瞳直径一般小于15mm，F/#大于8；（3）镜头设计使用镜片数多，有些甚至通过增加非球面来提高镜头性能，导致镜头能量损失大、功率低，影响焊接质量和焊接速度的进一步提高。

而现有红外激光器与紫外激光器相比最大的优势就是拥有更高的功率，它适合进行铝合金之类需要较高功率产品的焊接，由于铝合金的广泛应用，使得提高红外激光精密焊接技术十分必要。公开号为CN 104813214 A的中国发明专利公开了一种近红外聚焦镜头，是一种用于激光印刷设备的近红外激光聚焦镜头，镜头包括五片透镜，其中，第一透镜为平凹负透镜，第二、三透镜为双凸正透镜，第四、五透镜为弯月形正透镜，镜头焦距f＝19mm，F数为0.85，视场角2ω＝12°；此镜头属于近红外激光切割用F-θ镜头,是一种兼具大视场、大相对孔径的显微物镜,该镜头存在的不足：（1）镜片数量较多，镜头能量损失较大；（2）由于该镜头没有设置像方远心结构，扫描过程中存在着主光线与工作面不垂直的问题，若将其用在振镜激光焊接机中，会导致焊接过程中工件中间与边缘处熔深熔宽的剧烈变化，使得焊缝宽度不一致，影响焊接的质量和精度。

高功率的光学聚焦镜头是激光焊接加工系统的核心部件之一，在生产操作中,激光聚焦光斑的运动轨迹与产品的接缝重合精度要求较高，镜头的聚焦性能直接决定焊接质量。

发明内容

本发明针对现有技术存在的不足，提供一种相对孔径大、工作面积大、结构简单紧凑、具有准远心特点的高功率高质量光学聚焦镜头及其成像方法。

实现本发明目的的技术方案是提供一种用于激光焊接机的准远心高功率光学聚焦镜头，它由三片折射透镜构成，按光线入射方向，三片透镜的光焦度依次为φ₅₁、φ₅₂、φ₅₃，相对于镜头焦距归一化时的取值范围为：-1.50≤φ₅₁≤-1.00、0.80≤φ₅₂≤1.40和0.50≤φ₅₃≤1.10；前两片透镜弯向光线入射方向，第三片透镜前表面的弯曲方向背向光线入射方向；按光线入射方向，第一片透镜的折射率n₅₁的取值范围为：1.20≤n₅₁≤1.80，第二片和第三片透镜的折射率n₅₂和n₅₃取值范围为：1.50≤n₅₂=n₅₃≤2.15。

本发明提供的一种用于激光焊接机的准远心高功率光学聚焦镜头，它的入瞳直径D取值范围为25mm≤D≤40mm，工作F数的取值范围为4.5≤F/#≤6。它的视场角大于等于35°，半视场远心度小于1°。

实现本发明目的的技术方案还包括提供一种用于激光焊接机的准远心高功率光学聚焦镜头的成像方法，包括以下步骤：

（1）入射光线通过位于镜头物方焦平面处的孔径光阑传播至第一片透镜；按光线入射方向的第一片透镜，其光焦度为负值，弯向孔径光阑，用于减小镜头的球差，获得与光轴夹角为入射角2倍的发散光，使入射到第二片透镜的光束口径得到成倍提升，增大了镜头光瞳直径和能量利用率；

（2）将步骤（1）得到的发散光入射至第二片透境，其光焦度为正值，弯向孔径光阑，用于校正镜头场曲像差，将入射光线会聚后，获得主光线与光轴夹角减小3/4的会聚光线；

（3）将步骤（2）得到的会聚光线入射至第三片透镜，其光焦度为正值，前表面弯曲方向背向孔径光阑，用于校正镜头的像散，并对入射光线进一步会聚，得到主光线与光轴夹角减小到1/12的成像光束，在工作面上得到近似垂直的激光束。

本发明提供的聚焦镜头的工作原理是：将大孔径的激光束通过孔径光阑传播至第一片透镜，孔径光阑用于约束进入镜头的光通量；第一片透镜将入射光线进行发散，获得与光轴夹角为入射角2倍的发散光，使入射到第二片透镜的光束口径得到成倍提升；然后，第二片透境对入射光线进行会聚，使出射主光线与光轴的夹角减小3/4；第三片透镜对入射光线进一步会聚，得到主光线与光轴夹角减小到1/12的成像光束，最后将激光束近似垂直聚焦到工作面上。该聚焦镜头对于场曲和畸变进行有效校正，出射光斑直径接近衍射极限，激光束在工作表面的辐射照度分布均匀、能量集中，镜头的光学性能优良。

本发明基于高速扫描振镜的大功率激光焊接系统，提出一种用于近红外波段的、新型准远心光学聚焦镜头及其成像方法，较好的解决了当前激光焊接系统存在的不足，具有必要性和实用性。

本发明克服了大相对孔径和高远心度的设计难点，一方面通过增大入瞳直径和相对孔径，提高能量利用率；另一方面通过采用准远心光路设计，将激光束几近垂直入射到工作面,避免了因焦点位置发生偏移而影响焊接精度。这保证了激光焊接系统的高功率密度，使得系统在单位时间内获得更大熔深和熔宽，在提高焊接速度的同时保证工件焊缝宽度一致、平整美观、质量好。

与现有技术相比，本发明的有益效果一方面在于，现有技术相对孔径较小、入射光通量较少，导致镜头的功率较低，影响焊接质量和焊接速度的进一步提高。在实际的工件焊接生产中,接缝处的溶池面积决定焊接的强度。熔池面积小，则激光焦点运动轨迹与产品对接缝重叠的精度要求很高。本发明的高功率准远心光学聚焦镜头使得入瞳直径和相对孔径大幅度增加，所以提高了激光输出功率密度，因此系统可以获得更大熔池，其聚焦点使焊接接缝与镜头运动轨迹之间拥有更大的重合的余量，既降低了焊接难度，又保证了焊接质量。

另一方面，与现有技术相比，本发明的有益效果在于：激光聚焦光学镜头仅由三片折射透镜构成，三片透镜由两种普通玻璃材料制成，镜头结构简单、加工成本低、工作面积大，为进一步扩展激光焊接的应用范围和提升焊接质量提供了可能。

附图说明

图1是一种激光焊接机的工作原理示意图；

图2是本发明实施例提供的光学聚焦镜头的结构示意图；

图3是本发明实施例提供的光学聚焦镜头的畸变曲线图；

图4是本发明实施例提供的光学聚焦镜头的场曲、像散曲线图；

图5是本发明实施例提供的光学聚焦镜头的光线追迹点列图；

图6是本发明实施例提供的光学聚焦镜头的能量集中度曲线图；

图7是本发明实施例提供的光学聚焦镜头的光线扇形图；

图中：1、激光器；2、准直系统；3、X振镜；4、Y振镜；5、聚焦镜头；6、待焊接工件接头；50、镜头的孔径光阑；51、按光线入射方向的第一片透镜；52、按光线入射方向的第二片镜；53、按光线入射方向的第三片透镜；531、第三片透镜的前表面。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明技术方案作进一步的阐述。

实施例1:本实施例的技术方案是提供一种用于振镜式激光焊接机光学聚焦镜头及其成像方法。光学聚焦镜头的焦距f=150mm,F数F/#=6,扫描角θ=±15°，工作波长为1.064μm，孔径光阑位于镜头的物方焦平面处，X扫描振镜到Y扫描振镜的距离d_x,y=21mm,Y扫描振镜至按光线入射方向的第一片透镜前表面的距离d_y,1=40mm。

参见附图1,它是激光焊接机的工作原理图，由激光器1扩束后发出的光线经过准直系统2后，入射到X振镜3进行X方向的光线偏折，接着入射到Y振镜4进行Y方向的光线偏折，最后，光线经过聚焦镜头5聚焦后作用于工作平台上待焊接工件接头6处。

参见附图2，它是本实施例提供的聚焦镜头的结构示意图，它由三片折射透镜构成，按光线入射方向，镜头结构依次为孔径光阑50，第一片透镜51,第二片透镜52和第三片透镜53。三片透镜的光焦度依次为φ₅₁、φ₅₂、φ₅₃，相对于镜头焦距归一化时的取值范围为：-1.50≤φ₅₁≤-1.00、0.80≤φ₅₂≤1.40和0.50≤φ₅₃≤1.10；第一片透镜51和第二片透镜52弯向光线入射方向，第三片透镜53的前表面531的弯曲方向背向光线入射方向；第一片透镜的折射率n₅₁的取值范围为：1.20≤n₅₁≤1.80，第二片和第三片透镜的折射率n₅₂和n₅₃取值范围为：1.50≤n₅₂=n₅₃≤2.15。

由该结构可知，入射光线通过孔径光阑50传播至第一片透镜，可获得与光轴夹角为入射角2倍的发散光，使入射到第二片透镜的光束口径得到成倍提升，增大了镜头光瞳直径和能量利用率；第二片透境将入射光线会聚后，获得主光线与光轴夹角减小3/4的会聚光线，再进一步入射到第三片透镜；最后，第三片透镜对入射光线进一步会聚，得到主光线与光轴夹角减小到1/12的成像光束，在工作面上得到近似垂直的激光束。

聚焦镜头各透镜的具体参数如下:

。

聚焦镜头的成像方法包括以下步骤：

（1）入射光线通过位于镜头物方焦平面处的孔径光阑传播至第一片透镜；按光线入射方向的第一片透镜，其光焦度为负值，弯向孔径光阑，用于减小镜头的球差，获得与光轴夹角为入射角2倍的发散光，使入射到第二片透镜的光束口径得到成倍提升，增大了镜头光瞳直径和能量利用率；

（2）将步骤（1）得到的发散光入射至第二片透境，其光焦度为正值，弯向孔径光阑，用于校正镜头场曲像差，将入射光线会聚后，获得主光线与光轴夹角减小3/4的会聚光线；

（3）将步骤（2）得到的会聚光线入射至第三片透镜，其光焦度为正值，前表面弯曲方向背向孔径光阑，用于校正镜头的像散，并对入射光线进一步会聚，得到主光线与光轴夹角减小到1/12的成像光束，在工作面上得到近似垂直的激光束。

本实施例所述的光学镜头畸变曲线图如图3所示，图中，横坐标为相对于像面的畸变值(单位%)，纵坐标表示归一化视场，由图3可知，可以看出该光学镜头已经充分校正了畸变像差，畸变率小于0.1％。

参见附图4，是本实施例提供的聚焦镜头的场曲像散曲线，横坐标表示场曲像散值，纵坐标是归一化视场，图中的两条曲线S和T分别表示弧矢和子午两个面内的场曲，镜头有效的校正像散和场曲使得两曲线之间的差值即像散值在像差容限范围内。

参见附图5，它是光线通过本实施例提供的光学镜头的光线追迹点列图，即激光束在工件表面的聚焦情况，图5中呈现的是对应振镜不同偏转情况下的点列图，圆表示Airy斑，由此可见，像面上对应振镜不同偏转情况下的点列图都落在Airy斑附近，表明该光学镜头聚焦特性接近衍射理论极限。

参见附图6,它是本实施例所述的光学镜头的能量集中度曲线，由图6可见，80%以上的能量集中在Airy斑范围内点。

参见附图7,它是本实施例提供的光学镜头的相对照度图，由图7可知，激光束在工作表面的辐射照度分布均匀、能量集中，只在边缘部分略有下降，但满足使用要求。

本发明提供的聚焦镜头，入射激光束光线首先通过位于镜头物方焦平面处的孔径光阑传播至第一片透镜；按光线入射方向的第一片透镜，它将进入孔径光阑的光线进行发散并传播至第二片透镜；按光线入射方向的第二片透境，它将进入第二片透镜的光线进行会聚并传播至第三片透镜；按光线入射方向的第三片透镜，它将光线进一步会聚后近似垂直作用在工作面上。

激光的材料焊接加工因其独特的优点得到了广泛的应用。经过严格的像差校正，本发明提供的用于激光焊接机的准远心高功率光学聚焦镜头及其成像方法，仅由三片透镜组成，镜简长度约300毫米，工作面积达到φ150mm，该镜头具有相对孔径大、工作面积大、加工成本低、结构简单紧凑等优点，保证焊缝宽度一致、平整美观、质量好，为进一步拓展激光焊接机的应用范围和实现精密焊接提供了可能。

Claims (4)

1.一种用于激光焊接机的准远心高功率光学聚焦镜头，其特征在于：它由三片折射透镜构成，按光线入射方向，三片透镜的光焦度依次为φ₅₁、φ₅₂、φ₅₃，相对于镜头焦距归一化时的取值范围为：-1.50≤φ₅₁≤-1.00、0.80≤φ₅₂≤1.40和0.50≤φ₅₃≤1.10；前两片透镜弯向光线入射方向，第三片透镜前表面的弯曲方向背向光线入射方向；第一片透镜的折射率n₅₁的取值范围为：1.20≤n₅₁≤1.80，第二片和第三片透镜的折射率n₅₂和n₅₃取值范围为：1.50≤n₅₂=n₅₃≤2.15。

2.根据权利要求1所述的一种用于激光焊接机的准远心高功率光学聚焦镜头，其特征在于：聚焦镜头的入瞳直径D取值范围为25mm≤D≤40mm，工作F数的取值范围为4.5≤F/#≤6。

3.根据权利要求1所述的一种用于激光焊接机的准远心高功率光学聚焦镜头，其特征在于：它的视场角大于等于35°，半视场远心度小于1°。

4.一种用于激光焊接机的准远心高功率光学聚焦镜头的成像方法，其特征在于，包括以下步骤：

（1）入射光线通过位于镜头物方焦平面处的孔径光阑传播至第一片透镜；按光线入射方向的第一片透镜，其光焦度为负值，弯向孔径光阑，用于减小镜头的球差，获得与光轴夹角为入射角2倍的发散光，使入射到第二片透镜的光束口径得到成倍提升，增大了镜头光瞳直径和能量利用率；

（2）将步骤（1）得到的发散光入射至第二片透境，其光焦度为正值，弯向孔径光阑，用于校正镜头场曲像差，将入射光线会聚后，获得主光线与光轴夹角减小3/4的会聚光线；

（3）将步骤（2）得到的会聚光线入射至第三片透镜，其光焦度为正值，前表面弯曲方向背向孔径光阑，用于校正镜头的像散，并对入射光线进一步会聚，得到主光线与光轴夹角减小到1/12的成像光束，在工作面上得到近似垂直的激光束。

Images