CN110936014A - 一种可实现大幅面扫描焊接的光学系统 - Google Patents

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Abstract

本发明揭示了一种可实现大幅面扫描焊接的光学系统，其包括沿光轴依次同轴设置的楔角镜、平凹透镜、弯月透镜、第一平凸透镜和第二平凸透镜，所述光学系统、所述平凹透镜、所述弯月透镜、所述第一平凸透镜和所述第二平凸透镜的焦距分别为f、f1、f2、f3、f4且满足以下关系：‑0.7≤f1/f≤‑1，3≤f2/f≤4，2≤f3/f≤2.5，1.7≤f1/f≤1.9。本发明可在±13°的超大幅面内将光束进行扫描，同时可以保持光束聚焦光斑大小、光束与板材的入射角度恒定，大大提高了焊接质量和焊缝形貌的美观性。

Description

一种可实现大幅面扫描焊接的光学系统
【技术领域】
本发明属于激光焊接技术领域，特别是涉及一种可实现大幅面扫描焊接的光学系统。
【背景技术】
激光焊接领域中需要保证焊接域的均匀、稳定。焊接头一般要求焊缝的熔宽大、焊缝无气泡和断层、具备形态良好的焊接形态和美观性。而传统的焊接头光束能量分布近似高斯分布，这种光束能量分布会导致焊缝中间深、边缘没有被焊透的情况。因此提出用一种使焊接头光斑来回扫描的光学方案来解决上述问题，通过搅拌熔池使得气泡更少，粘接强度更强。
但现有技术中，利用振镜扫描的扫描范围较小，一般为-2～2°，且在扫描时会出现中心视场光束质量较好、击穿能量强；而边缘视场的光束质量与板材成一定角度，使得焊缝形貌的美观性和焊接强度在边缘下降。
因此，有必要提供一种新的可实现大幅面扫描焊接的光学系统来解决上述问题。
【发明内容】
本发明的主要目的在于提供一种可实现大幅面扫描焊接的光学系统，可在±13°的超大幅面内将光束进行扫描，同时可以保持光束聚焦光斑大小、光束与板材的入射角度恒定，大大提高了焊接质量和焊缝形貌的美观性。
本发明通过如下技术方案实现上述目的：一种可实现大幅面扫描焊接的光学系统，其包括沿光轴依次同轴设置的楔角镜、平凹透镜、弯月透镜、第一平凸透镜和第二平凸透镜，所述光学系统、所述平凹透镜、所述弯月透镜、所述第一平凸透镜和所述第二平凸透镜的焦距分别为f、f1、f2、f3、f4且满足以下关系：
Figure BDA0002343977780000011
进一步的，所述楔角镜可绕其中心轴进行自旋转。
进一步的，在所述楔角镜与所述平凹透镜之间设置有一光阑。
进一步的，所述平凹透镜至所述光阑的距离D1与所述平凹透镜至所述弯月透镜的距离D2之比满足：1/4≤D1/D2≤1/3。
进一步的，进入所述楔角镜的光束为平行光束。
与现有技术相比，本发明一种可实现大幅面扫描焊接的光学系统的有益效果在于：通过调整各个光学元件的焦距参数以及控制楔角镜的旋转角度，可在±13°的超大幅面内将光束进行C型、S型、圆形、线段、正余弦曲线扫描，同时可以保持光束聚焦光斑大小、光束与板材的入射角度恒定，大大提高了焊接质量和焊缝形貌的美观性；本光学系统可以形成总焦距长达190mm以及扫描直径高达40mm的工作幅面。
【附图说明】
图1为本发明的光路原理图。
【具体实施方式】
实施例：
请参照图1，本实施例一种可实现大幅面扫描焊接的光学系统100，其包括沿光轴依次同轴设置的楔角镜1、平凹透镜2、弯月透镜3、第一平凸透镜4和第二平凸透镜5，所述光学系统100、平凹透镜2、弯月透镜3、第一平凸透镜4和第二平凸透镜5的焦距分别为f、f1、f2、f3、f4且满足以下关系：
Figure BDA0002343977780000021
所述楔角镜1可绕其中心轴进行自旋转。
在楔角镜1与平凹透镜2之间设置有一光阑6，所述平凹透镜2至光阑6的距离D1与平凹透镜2至弯月透镜3的距离D2之比满足：1/4≤D1/D2≤1/3。
进入所述楔角镜1的光束为平行光束。平行光束经楔角镜1后改变整体光束的偏转角使得光线进入平凹透镜2，所述的平凹透镜2，一方面可平衡所述楔角镜1带来的像散，另一方面其边缘光线高度相对较低，所以在光学系统中其对总光焦度的贡献相对较低，最后所述平凹透镜2平衡了光学系统中的大量像差；光阑6的设置可根据工艺要求的不同改变光束的切趾因子实现光束点扩散函数形态控制以及杂散光消除，弯月透镜3、第一平凸透镜4和第二平凸透镜5是在光焦度分裂技术的基础上，同时考虑像方远心综合得出的优质解，这样使得光学系统的像差控制更加容易，像方远心的设计也方便了焊接加工控制，光束最后聚焦在工作平面上。
本实施例中，楔角镜1、平凹透镜2、弯月透镜3、第一平凸透镜4、第二平凸透镜5、光阑6的具体参数如表1所示。在其他实施例中，也可以选自其他参数的对应光学元件，只要满足上述焦距条件即可。
表1光学系统中各光学元件参数表
Figure BDA0002343977780000031
本实施例一种可实现大幅面扫描焊接的光学系统100，通过调整各个光学元件的焦距参数以及控制楔角镜的旋转角度，可在±13°的超大幅面内将光束进行C型、S型、圆形、线段、正余弦曲线扫描，同时可以保持光束聚焦光斑大小、光束与板材的入射角度恒定，大大提高了焊接质量和焊缝形貌的美观性；本光学系统可以形成总焦距长达190mm以及扫描直径高达40mm的工作幅面，通过采用低成本的楔角镜旋转使得光束可在光学系统视场范围内进行大幅面地扫描焊接。
以上所述的仅是本发明的一些实施方式。对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，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 (5)

1.一种可实现大幅面扫描焊接的光学系统，其特征在于：其包括沿光轴依次同轴设置的楔角镜、平凹透镜、弯月透镜、第一平凸透镜和第二平凸透镜，所述光学系统、所述平凹透镜、所述弯月透镜、所述第一平凸透镜和所述第二平凸透镜的焦距分别为f、f1、f2、f3、f4且满足以下关系：
Figure FDA0002343977770000011
2.如权利要求1所述的可实现大幅面扫描焊接的光学系统，其特征在于：所述楔角镜可绕其中心轴进行自旋转。
3.如权利要求1所述的可实现大幅面扫描焊接的光学系统，其特征在于：在所述楔角镜与所述平凹透镜之间设置有一光阑。
4.如权利要求3所述的可实现大幅面扫描焊接的光学系统，其特征在于：所述平凹透镜至所述光阑的距离D1与所述平凹透镜至所述弯月透镜的距离D2之比满足：1/4≤D1/D2≤1/3。
5.如权利要求1所述的可实现大幅面扫描焊接的光学系统，其特征在于：进入所述楔角镜的光束为平行光束。
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