CN111375889A - 基于多个光纤输出激光模块的激光加工头 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于多个光纤输出激光模块的激光加工头，包括多个光纤输出激光模块、与光纤输出激光模块一一对应的多个准直透镜、一个聚焦透镜、光纤支架、准直透镜支架、聚焦透镜支架以及管状壳体；所述多个光纤输出激光模块的输出光纤的输出端固定在光纤支架上；所述准直透镜包括至少一片透镜，固定在所述准直透镜支架上；所述聚焦透镜包括至少一片透镜，固定在所述聚焦透镜支架上；所述光纤支架固定在所述管状壳体内部靠近一端，并使光纤输出端面面向所述管状壳体的另一端；避免使用大功率光纤合束器；准直透镜尺寸大幅减小，提升了冷却效果，减小了热透镜效应；聚集透镜的散热能力大幅提升，减少热透镜效应，加工光束质量提升。

Description

基于多个光纤输出激光模块的激光加工头

技术领域

本发明属于激光技术领域，涉及一种激光加工头，特别是一种基于多个光纤输出激光模块的激光加工头，可广泛应用于激光产业中。

背景技术

目前在大功率激光加工中，当单个光纤输出激光器输出的光功率不能满足要求时，系统构成的方法是将多个光纤输出的激光模块输出的光通过光纤合束器合束到一个光纤中，然后通过光学系统将光纤合束器输出的光整形后成像到加工表面。这种系统的构成方式是：多个小功率激光模块+合束器+激光光学系统。目前，由于光纤输出激光模块使用方便灵活，光纤输出激光模块是主流的产品模式，可以是光纤耦合半导体激光模块，也可以是光纤激光器模块，还可以是固体激光器耦合到光纤中的输出模块。合束器由光纤拉锥技术制成。激光光学系统通常要消色差，以保证工作激光合指示光重合。

在这种激光加工系统中，技术上存在以下问题：首先是热管理风险：1、由于光纤合束功率很大，合束器中微小的泄漏光都会给器件的热管理带来巨大困难，所以，这种合束器的可靠性较差；2、激光光学系统都由多片透镜组成，由于玻璃导热性差，且只能在透镜边缘透镜框处散热，在大功率激光作用下，会产生热透镜效应，使工作点的位置漂移，并且透镜容易损伤。此外，拉锥式光纤合束器使合束光的光束质量劣化比较严重。比如现在常用的1000瓦光纤激光器的输出光的光参数积为0.6毫米毫弧度，7个这种激光器合束后目前最好能做到约4毫米毫弧度，而理论上合束质量有可能达到1.8毫米毫弧度。光束质量的劣化，会增加光学系统的复杂度并降低激光加工质量。

此外，采用光纤合束器制成的大功率激光器的价格昂贵，通常合束后单位功率激光加工是合束前价格的2倍左右。

发明内容

为了解决现有技术中存在的问题，本发明的目的是提供一种基于多个光纤输出激光模块的激光加工头，避免使用大功率光纤合束器，回避了热集中问题；通过采用多个准直透镜使准直透镜尺寸大幅减小，提升了冷却效果，减小了热透镜效应；通过采用特种冷却透镜框结构，使聚集透镜的散热能力大幅提升，减少热透镜效应，通过对小功率模块进行独立控制，可以实时改变光斑结构提高加工光束质量，降低了系统成本。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种基于多个光纤输出激光模块的激光加工头，包括多个光纤输出激光模块、与光纤输出激光模块一一对应的多个准直透镜、一个聚焦透镜、光纤支架、准直透镜支架、聚焦透镜支架以及管状壳体；所述多个光纤输出激光模块的输出光纤的输出端固定在光纤支架上；所述准直透镜包括至少一片透镜，固定在所述准直透镜支架上；所述聚焦透镜包括至少一片透镜，固定在所述聚焦透镜支架上；所述光纤支架固定在所述管状壳体内部靠近一端，并使光纤输出端面面向所述管状壳体的另一端；所述准直透镜支架设置在所述管状壳体的内部并邻近光纤支架，并使准直透镜与相对应的激光模块输出光纤端面一一对应；所述聚焦透镜支架固定在所述管状壳体的内部并邻近准直透镜组支架；固定在所述光纤支架上的诸光纤输出激光模块的输出光纤端面发出的光通过所述固定在准直透镜组支架上的与之对应的准直透镜后，经固定在所述聚焦透镜支架上的聚焦透镜后，共同形成激光加工光斑。

所述多个光纤输出激光模块的输出光纤的输出端面位于与之对应的准直透镜的前方焦点附近；所述诸准直透镜的光轴平行，在空间并行设置；所述聚焦透镜的光轴与所述诸准直透镜的光轴平行且位于诸准直透镜的后方；所述诸光纤输出激光模块输出光纤的输出端面通过相应的准直透镜后，由聚焦透镜聚焦到后焦点附近并叠加在一起形成一个重合的像，用于激光加工。

所述聚焦透镜后设置一带有气体喷嘴的电容传感头，所述电容传感头固定在所述管状壳体端部并邻近聚焦透镜，聚焦透镜输出的光斑穿过电容传感头上的气体喷嘴，形成一个激光切割头。

所述聚焦透镜后设置一个两维反射式振动镜，所述反射式振动镜固定在所述管状壳体的端部并邻近聚焦透镜，形成一个摆动式激光焊接头。

所述聚焦透镜支架与管状壳体间设置一个轴向电控位移平台，并且在所述聚焦镜后设置一个两维反射式振动镜；所述聚焦透镜固定在轴向电控位移平台上，所述电控位移平台安装在所述管状壳体内；所述反射式振动镜固定在所述管状壳体的端部并邻接聚焦透镜，形成一个扫描式激光焊接头，该激光加工头也可以作为3D打印头。

所述诸光纤输出激光模块发光的相对持续时间是相同的，或者是不同的；诸光纤输出激光模块发光的相对持续时间内的功率是相同的，或者是不同的；诸光纤输出激光模块发光的相对持续时间是同步的，或者是不同步的；通过调整光纤输出激光模块发光的相对持续时间、功率和相对持续时间的同步情况形成光斑形状随时间变化的光斑结构。

所述聚焦透镜中诸片透镜中至少一片透镜的至少一个面与所述聚焦透镜支架上的相应的一片由良导热材料加工的面型相同的透镜框贴合在一起，透镜框上与准直光对应的区域镂空，让相应光束透过。

本发明的效果在于：直接利用多个价格低廉的小功率光源，通过光学系统直接构建激光加工头。这种方案减轻了传统技术路中热集中和热透镜效应，增加了系统可靠性，提升了系统特性，同时，大幅降低激光加工系统的成本。

进一步的，本发明还使激光加工系统具有了实时改变光斑结构的能力，避免使用大功率光纤合束器，回避了热集中问题；本发明还通过采用多个准直透镜使准直透镜尺寸大幅减小，提升了冷却效果，减小了热透镜效应，通过采用特种冷却透镜框结构，使聚集透镜的散热能力大幅提升，减少热透镜效应，加工光束质量得到提高。

进一步的，本发明通过调整光纤输出激光模块发光的相对持续时间、功率和相对持续时间的同步情况形成光斑形状随时间变化的光斑结构，从而满足不同激光加工对光斑的要求。

进一步的，聚焦透镜中诸片透镜中至少一片透镜的至少一个面与所述聚焦透镜支架上的相应的一片由良导热材料加工的面型相同的透镜框贴合在一起，透镜框上与准直光对应的区域镂空，让相应光束透过，这种透镜安装结构可大幅增加透镜的散热能力。

附图说明

图1为本发明提出的基于多个光纤输出激光模块的激光加工头的结构示意图。

图2为本发明采用的光学系统结构示意图。

图3为本发明提出的一种基于多个光纤输出激光模块的激光切割头的结构示意图。

图4为本发明提出的一种基于多个光纤输出激光模块的摆动式激光焊接头的结构示意图。

图5为本发明提出的一种基于多个光纤输出激光模块的扫描式激光焊接头的结构示意图。

图6为依据本发明技术方案的一种由七个准直透镜和一个聚焦透镜组成的光学系统的排列结构实例示意图。

图7A为聚焦透镜中的某一片聚焦透镜示意图；图7B为与图7A所示透镜贴合在一起的一片聚焦透镜框架中与透镜贴合部分的结构的侧面示意图；图7C为与图7A所示透镜贴合在一起的一片聚焦透镜框架中与透镜贴合部分的结构的正面示意图。

其中：M-1、M-2、…、M-N分别表示光纤输出激光模块；CL-1、CL-2、…、和CL-N分别表示准直透镜；FL表示聚焦透镜，FL-1表示某片聚焦透镜；GXJ表示光纤支架；ZZZJ表示准直透镜支架；FLZJ表示聚焦透镜支架，FLJ-1A表示聚焦透镜支架上某片透镜架的部分结构；GZK表示管状壳体；DRT表示电容传感头；ZDJ表示两维反射式振动镜；DKPT表示电控平移台。

具体实施方式

下面结合附图和实施例详细说明本发明提出的基于多个光纤输出激光模块的激光加工头。

图1为本发明提出的基于多个光纤输出激光模块的激光加工头的结构示意图。包括多个光纤输出激光模块M-1、M-2、…、M-N、与光纤输出激光模块一一对应的多个准直透镜CL-1、CL-2、…、CL-N、一个聚焦透镜FL、光纤支架GXJ、准直透镜支架ZZZJ、聚焦透镜支架FLZJ以及管状壳体GZK。其中：多个光纤输出激光模块M-1、M-2、…、M-N的输出光纤的输出端固定在光纤支架GXJ上；与光纤输出模块M-1、M-2、…、M-N一一对应的多个准直透镜CL-1、CL-2、…、CL-N固定在准直透镜支架ZZZJ上，每个准直透镜至少包括一片透镜；聚焦透镜FL固定在所述聚焦透镜支架FLZJ上，聚焦透镜至少包括一片透镜；光纤支架GXJ固定在所述管状壳体GZK内部靠近一端，并使光纤输出端面面向所述管状壳体GZK的另一端；准直透镜支架ZZZJ设置在所述管状壳体GZK的内部并邻接光纤支架GXJ；聚焦透镜支架FLZJ固定在所述管状壳体GZK的内部并邻接准直透镜支架ZZZJ；固定在光纤支架GXJ上的诸光纤输出激光模块的输出光纤端面发出的光通过固定在准直透镜支架ZZZJ上的与之对应的准直透镜CL-1、CL-2、…、CL-N后，经固定在聚焦透镜支架FLZJ上的聚焦透镜FL后，共同形成所需的激光加工光斑。

图2为本发明采用的光学系统结构示意图。多个光纤输出激光模块CL-1、CL-2、…、CL-N的输出光纤的输出端面位于与之对应的准直透镜CL-1、CL-2、…、CL-N的前方焦点附近；准直透镜CL-1、CL-2、…、CL-N在空间并行设置；聚焦透镜位于诸准直透镜的后方。

通常，诸准直透镜的光轴平行，聚焦透镜的光轴与所述诸准直透镜的光轴平行。在该光学系统中，光纤输出激光模块的输出光纤的输出端面通过相应的准直透镜后，由聚焦透镜聚焦到后焦点附近并叠加在一起在聚焦透镜的后方焦点附近形成一个重合的像，用于激光加工。

在图1所示激光加工头的聚焦透镜的后方接一个目前普遍采用的电容传感头，就可构成一个激光切割头，其结构示意如图3所示。电容传感头DRT固定在壳体的一端，邻接聚焦透镜。电容传感头用作位置传感器，利用传感头端面与被切割金属物体之间的电容量的变化来监控传感头端面到被切割物体的距离，防止碰撞并保证切割质量，是激光切割头的标准配件。电容传感头上带有气体喷嘴和气体接口，聚焦透镜汇聚的光通过气体喷嘴后作用在物体表面上，气体喷嘴输出的气流将熔化的物质吹离，保证切割正常进行。电容传感器上还带有高频电容信号输出头，将切割头间距信息传递出去，用于实时调整切割头的位置。

在图1所示激光加工头的聚焦透镜的后方接一个目前普遍采用的两维反射式振动镜，就可构成一个摆动式激光焊接头，其结构示意如图4所示。两维反射式振动镜ZDJ固定在壳体GZK的一端，邻接聚焦透镜FL。两维反射式振动镜是激光加工领域采用的标准产品，由压电陶瓷驱动，它可以使聚焦透镜输出的光束在两维平面内扫描。在激光深熔焊中，使高功率焊接光斑在一个小区域以某种规律做振动，可以排除焊接区域的含气量，提高焊接质量，同时减低对焊接件对准精度的要求，这种焊接方式法也被称为激光摆动焊接。通过控制两维振动镜每一维的振动幅度、频率和相位，可以产生线形、椭圆形、八字形等各种所需的摆动曲线，满足不同焊接要求。

在图1所示激光加工头的聚焦透镜的后方接一个目前普遍采用的两维反射式振动镜ZDJ，同时在聚焦透镜架FLZJ与管状壳体GZK间设置一个沿轴向运动的电控位移平台DKPT，就可构成一个扫描式激光焊接头，其结构示意如图5所示。这种加工头也可以做3D打印头使用。从聚焦透镜FL发出的光可以由两维反射式振动镜在较大的角区域范围内进行位置扫描，两维振动镜由摆动电机驱动；通过电控位移平台DKPT控制聚焦透镜FL的位置，可以将焦点控制在所需的空间位移上。当这种系统用于焊接时，可以方便的空间分布的多个焊接区域进行高速焊接。这种加工头也可以用在3D打印系统中，对物料进行烧结。

在本发明所提出的激光加工头方案中，小功率模块可以是连续光激光器，也可以是准连续光激光器，还可以是脉冲激光器。可以对诸小功率模块独立控制。即诸光纤输出激光模块发光的相对持续时间可以是相同的，也可以是不同的；诸光纤输出激光模块发光的相对持续时间内的功率可以是相同的，也可以是不同的；诸光纤输出激光模块发光的相对持续时间可以是同步的，也可以是不同步的；形成光斑形状随时间变化的光斑结构，满足不同激光加工对光斑的要求。

在本发明所提出的激光加工头方案中，聚焦透镜中诸片透镜中至少一片透镜的至少一个面与所述聚焦透镜支架上的相应的一片由良导热材料加工的面型相同的透镜框贴合在一起，透镜框上与准直光对应的区域镂空，让相应光束透过；这种透镜安装结构可大幅增加透镜的散热能力。

实施例1：根据本发明提出的基于多个光纤输出激光模块的激光加工头的技术方案，本发明的某一实施例中，要求设计一个光斑大小200微米，功率7000瓦的激光切割头。激光切割头采用图3所示结构，其光学系统采用图6所示的透镜结构。其中：7个准直透镜光轴平行，焦距相同50毫米，相邻透镜间距8毫米，分布在同一个平面上；聚焦透镜光轴与位于中心的准直透镜的光轴重合，焦距500毫米；采用7个输出为1000瓦的光纤激光器模块，输出光纤芯径为20微米，数值孔径0.06，每个输出光纤的输出端面位于相应的准直透镜的前焦点上。该切割头形成一个直径200微米，汇聚角为2.52度的切割光斑。该切割头提供的光束质量，要远好于目前用光纤合束器的系统提供的光束质量。

在该实施例中，焦距500毫米聚焦透镜采用两片分离透镜形成一个消色差和球差的透镜，其中：面向准直光的透镜为一双凸透镜，材料为石英玻璃，面向准直光的面的曲率半径分布为118.06，另一个面的曲率半径为168.98，中心厚度为2毫米；另一片透镜为双凹透镜，与第一片透镜中心间距为2毫米，面向前一片透镜的面的曲率半径为160.54，另一面的曲率半径为760.12。根据该透镜特点，两片透镜的外表面采用图7A至图7C所示结构进行冷却。透镜框采用紫铜加工而成。双凸透镜面向准直光面对应的透镜框为凹面，曲率半径118.06，在以顶点为中心直径16.02的圆周上，均匀开6个直径6.5的孔，在顶点处开一直径6.5的孔，顶点处框架厚度8毫米。双凹透镜面向工作面对应的透镜框为凸面，曲率半径760.12，在以顶点为中心直径15.79的圆周上，均匀开6个直径6.3的孔，在顶点处开一直径6.3的孔，顶点处框架厚度8毫米。采用这种结构可以极大提高聚焦透镜的散热能力。

实施例2：根据本发明提出的基于多个光纤输出激光模块的激光加工头的技术方案，本发明的某一实施例中，要求设计一个中心功率大，边缘功率小的光斑，中心区域高功率大小200微米，边缘光斑大小400微米，功率7000瓦的激光切割头。这种切割光斑的好处是可以对切割区域预热，大幅降低材料的反射率，适合切割铜、铝等高反射率材料。激光切割头采用图3所示结构，其光学系统采用图6所示的透镜结构。其中：7个准直透镜光轴平行，6个透镜焦距相同为50毫米，一个透镜焦距为25毫米，相邻透镜间距8毫米，分布在同一个平面上；聚焦透镜光轴与位于中心的准直透镜的光轴重合，焦距500毫米；采用7个输出为1000瓦的光纤激光器模块，输出光纤芯径为20微米，数值孔径0.06，每个输出光纤的输出端面位于相应的准直透镜的前焦点上。该切割头形成一个中心功率高边缘功率低的光斑结构，中心高功率区域直径200微米，边缘低功率区域直径400微米。高功率光斑汇聚角为2.52度，低功率光斑汇聚角为1.26度。该切割头提供的光束质量，要远好于目前用光纤合束器的系统提供的光束质量。

在该实施例中，将6个大小200微米光斑对应的激光模块统一控制，将直径400微米的光斑独立控制。这两个光斑的相对持续时间可以是相同的，也可以是不同的；这两个光斑的相对持续时间内的功率可以是相同的，也可以是不同的；这两个光斑的相对持续时间可以是同步的，也可以是不同步的。通过改变光斑的相对功率分布，可以满足不同激光加工工艺的要求。

实施例3：根据本发明提出的基于多个光纤输出激光模块的激光加工头的技术方案，本发明的某一实施例中，要求设计一个摆动式激光焊接头，功率4000瓦，光斑200微米。激光切割头采用图4所示结构，其光学系统采用图6所示的透镜结构。其中：7个准直透镜光轴平行，焦距相同50毫米，相邻透镜间距8毫米，分布在同一个平面上；聚焦透镜光轴与位于中心的准直透镜的光轴重合，焦距500毫米；采用1个输出为1000瓦的光纤激光器模块和6个输出功率为500瓦的光纤激光器模块，其输出光纤芯径为20微米，数值孔径0.06，每个输出光纤的输出端面位于相应的准直透镜的前焦点上。该焊接头形成一个直径200微米，汇聚角为2.52度的焊接光斑。该焊接头提供的光束质量，要远好于目前用光纤合束器的系统提供的光束质量。该焊接头的两维振镜采用压电陶瓷驱动，适合高频小范围扫描，光斑摆动范围在几个毫米。这种摆动焊接头在焊接中使熔池小孔的位置不断运动，便于气体的排出，提高焊接质量，另外控制摆动区域，可以降低对焊缝拼接精度的要求。

实施例4：根据本发明提出的基于多个光纤输出激光模块的激光加工头的技术方案，本发明的某一实施例中，要求设计一台扫描式焊接与3D打印共用的加工头，采用图5所示结构。要求功率7000瓦，光斑400微米，其光学系统采用图6所示的透镜结构。其中：7个准直透镜光轴平行，焦距相同50毫米，相邻透镜间距8毫米，分布在同一个平面上；聚焦透镜光轴与位于中心的准直透镜的光轴重合，焦距1000毫米；采用7个输出为1000瓦的光纤激光器模块，输出光纤芯径为20微米，数值孔径0.06，每个输出光纤的输出端面位于相应的准直透镜的前焦点上。该切割头形成一个直径400微米，汇聚角为1.26度的光斑。该系统采用两维扫描振镜，可以在较大的角范围进行扫描定位。该激光加工头无论作为扫描焊接头还是3D打印头，都可以在一个较大的区域工作内实现所需的加工，由于光束质量极好，可以降低对电控位移平台精度控制的要求。

本发明提出的基于多个光纤输出激光模块的激光加工头，利用价格低廉的小功率模块直接构造激光光斑，与现有方案相比，在技术上有效解决了热集中和热透镜问题，并提高了光束质量，这带来了可靠性提高和技术指标稳定的优点；在系统造价上，由于回避了大功率光纤合束器的使用，大幅降低了系统成本；此外，该方案使激光加工系统的光斑结构具有实时改变的能力，增加了制造灵活性。

Claims (7)

1.一种基于多个光纤输出激光模块的激光加工头，其特征是：包括多个光纤输出激光模块、与光纤输出激光模块一一对应的多个准直透镜、一个聚焦透镜、光纤支架、准直透镜支架、聚焦透镜支架以及管状壳体；所述多个光纤输出激光模块的输出光纤的输出端固定在光纤支架上；所述准直透镜包括至少一片透镜，固定在所述准直透镜支架上；所述聚焦透镜包括至少一片透镜，固定在所述聚焦透镜支架上；所述光纤支架固定在所述管状壳体内部靠近一端，并使光纤输出端面面向所述管状壳体的另一端；所述准直透镜支架设置在所述管状壳体的内部并邻近光纤支架，并使准直透镜与相对应的激光模块输出光纤端面一一对应；所述聚焦透镜支架固定在所述管状壳体的内部并邻近准直透镜组支架；固定在所述光纤支架上的诸光纤输出激光模块的输出光纤端面发出的光通过所述固定在准直透镜组支架上的与之对应的准直透镜后，经固定在所述聚焦透镜支架上的聚焦透镜后，共同形成激光加工光斑。

2.根据权利要求1所述的一种基于多个光纤输出激光模块的激光加工头，其特征是：所述多个光纤输出激光模块的输出光纤的输出端面位于与之对应的准直透镜的前方焦点附近；所述诸准直透镜的光轴平行，在空间并行设置；所述聚焦透镜的光轴与所述诸准直透镜的光轴平行且位于诸准直透镜的后方；所述诸光纤输出激光模块输出光纤的输出端面通过相应的准直透镜后，由聚焦透镜聚焦到后焦点附近并叠加在一起形成一个重合的像，用于激光加工。

3.根据权利要求1所述的一种基于多个光纤输出激光模块的激光加工头，其特征是：所述聚焦透镜后设置一带有气体喷嘴的电容传感头，所述电容传感头固定在所述管状壳体端部并邻近聚焦透镜，聚焦透镜输出的光斑穿过电容传感头上的气体喷嘴，形成一个激光切割头。

4.根据权利要求1所述的一种基于多个光纤输出激光模块的激光加工头，其特征是：所述聚焦透镜后设置一个两维反射式振动镜，所述反射式振动镜固定在所述管状壳体的端部并邻近聚焦透镜，形成一个摆动式激光焊接头。

5.根据权利要求1所述的一种基于多个光纤输出激光模块的激光加工头，其特征是：所述聚焦透镜支架与管状壳体间设置一个轴向电控位移平台，并且在所述聚焦镜后设置一个两维反射式振动镜；所述聚焦透镜固定在轴向电控位移平台上，所述电控位移平台安装在所述管状壳体内；所述反射式振动镜固定在所述管状壳体的端部并邻接聚焦透镜，形成一个扫描式激光焊接头。

6.根据权利要求1所述的一种基于多个光纤输出激光模块的激光加工头，其特征是：所述诸光纤输出激光模块发光的相对持续时间是相同的，或者是不同的；诸光纤输出激光模块发光的相对持续时间内的功率是相同的，或者是不同的；诸光纤输出激光模块发光的相对持续时间是同步的，或者是不同步的；通过调整光纤输出激光模块发光的相对持续时间、功率和相对持续时间的同步情况形成光斑形状随时间变化的光斑结构。

7.根据权利要求1所述的一种基于多个光纤输出激光模块的激光加工头，其特征是：所述聚焦透镜中诸片透镜中至少一片透镜的至少一个面与所述聚焦透镜支架上的相应的一片由良导热材料加工的面型相同的透镜框贴合在一起，透镜框上与准直光对应的区域镂空，让相应光束透过。

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