CN111922513A - 一种激光焊接光束整形优化装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种激光焊接光束整形优化装置，包括准直镜组、整形镜组、聚焦镜组，所述准直镜组用于将激光器出射的激光变成平行光，并出射至整形镜组，所述整形镜组用于匀化准直的高斯光束，将具有高斯分布的光束调制成能量均匀分布的光束，并将调制后的光束出射至聚焦镜组，所述聚焦镜组用于将调制光汇聚到待焊接表面上，聚焦镜组可以补偿匀化后的光束，使得在最后聚焦状态下的聚焦光束更均匀，同时聚焦镜组是具备可调节功能的，使得聚焦镜组可以改变激光光斑的大小。本发明可以将光斑进行平顶整形，且光斑大小可调。

Description

一种激光焊接光束整形优化装置
技术领域
本发明涉及激光半导体焊接加工领域，具体涉及一种激光焊接光束整形优化装置。
背景技术
目前激光焊接已经逐步的在取代传统的焊接方式，激光焊接更加的环保，而且是非接触的焊接，激光锡焊是以激光作为热源的一种锡焊方法，也就是以激光热源为主体，对锡球熔融固化达到连接、导通、加固的工艺效果，目前的半导体激光是多模激光器，输出是多模光，在激光焦点理想情况下是均匀分布的，但是由于激光多模的模式的影响往往得不到理想的比较平的光斑，这就导致了在激光焊接的过程中出现了光斑中心能量密度比较大，周围能量密度比较小，实际的效果就是中心光斑处的焊锡已经融化了到合适的工艺效果，但是边缘光斑接触到的位置并没有到合适的工艺效果，或者是中心位置的已经过爆了，边缘才达到焊锡的熔点，为了避免这些情况的影响，申请人提出了将激光光斑整形为平顶的光束，而现有的方法是：利用微透镜阵列进行光束的平顶的整形，存在的缺点是微透镜制作加工困难，中心对位困难，不能应用于功率比较高的用途，虽然有做了不同的改进但是仍然不适用于工业化的应用，也有利用折射的方式将光斑进行平顶整形，但是折射的方式的缺点，是不能任意的使用光斑的大小，当利用离焦光斑的时候就失去了平顶的特点。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术之缺陷，提供一种激光焊接光束整形优化装置，可以将光斑进行平顶整形，并优化光束质量，可以解决平顶光斑不受控制，光斑大小不可调的问题。
本发明是这样实现的：本发明公开了一种激光焊接光束整形优化装置，包括准直镜组、整形镜组、聚焦镜组，所述准直镜组用于将激光器出射的激光变成平行光，并出射至整形镜组，所述整形镜组用于匀化准直的高斯光束，将具有高斯分布的光束调制成能量均匀分布的光束，并将调制后的光束出射至聚焦镜组，所述聚焦镜组用于将调制光汇聚到待焊接表面上。
本激光焊接光束整形优化装置还包括反射镜组，所述反射镜组包括至少一个反射镜，所述反射镜组内的各个反射镜用于调整光路方向；所述反射镜组位于整形镜组与聚焦镜组之间。
所述反射镜组包括第一反射镜、第二反射镜，所述整形镜组出射的调制光经过第一反射镜、第二反射镜后，在经过聚焦镜组后汇聚到待焊接表面上。第一反射镜与第二反射镜平行设置，且与水平方向呈45度角。
进一步地，所述准直镜组包括第一非球面镜、第二非球面镜，第一非球面镜包括入射曲面R1和出射曲面R2，入射曲面R1与出射曲面R2弯曲方向相同，均沿光路方向弯曲，第二非球面镜包括入射曲面R3和出射曲面R4，所述入射曲面R3与出射曲面R4弯曲方向相反。
进一步地，第一非球面镜的入射曲面R1的非球面系数为K＝1.0084,4th系数为-2.24X10-6，6th系数为-7.86*10-9，8th系数为2.87*10-11，10th系数为-4.72*10-14，12th系数为-9.6*10-17，14th系数为1.48*10-18，16th系数,7.9*10-21，18th系数3.53*10-25，20th系数为-1.27*10-25；
第二非球面镜的出射曲面R4的非球面系数为K＝0.0423,4th系数为-2.539X10-8，6th系数为-6.41*10-10，8th系数为7.30*10-13，10th系数为1.08*10-14，12th系数为6.88*10-18，14th系数为-3.67*10-20，16th系数,-4.54*10-23，18th系数3.84*10-25，20th系数为-2.46*10-28。
进一步地，第一非球面镜的出射曲面R2的曲率半径为-46.3446±5％；第二非球面镜的入射曲面R3的曲率半径为101.5106±5％。
准直镜组中第一非球面镜入射曲面R1的中心点与出射曲面R2的中心点之间的距离d2为8.32；
准直镜组中第二非球面镜入射曲面R3的中心点与出射曲面R4的中心点之间的距离d4为5；
准直镜组中第一非球面镜出射曲面R2的中心点与第二非球面镜入射曲面R3的中心点之间的距离d3为2.1297；
激光器的激光出射端面的中心点与准直镜组中第一非球面镜入射曲面R1的中心点之间的距离d1为57.3773±5％。
进一步地，整形镜组为二元光学元件或匀化光束元件，经过两次刻蚀，实现了光束能量的调制。
进一步地，聚焦镜组包括非球面透镜和透镜，非球面透镜包括入射曲面R5和出射曲面R6，入射曲面R5与出射曲面R6弯曲方向相同，均沿光路反方向弯曲，透镜包括入射曲面R7和出射曲面R8，入射曲面R7与出射曲面R8弯曲方向相同，均沿光路方向弯曲。
从聚焦镜组中非球面透镜的入射曲面R5的非球面系数为K＝-0.0486,4th系数为3.06X10-7，6th系数为-2*10-8，8th系数为1.64*10-10，10th系数为-3.10*10-13，12th系数为-2.12*10-15，14th系数为1.46*10-19，16th系数,4.29*10-20，18th系数1.69*10-22，20th系数为-1.03*10-24；聚焦镜组中透镜的出射曲面R8的曲率半径为-27.7546±5％。
进一步地，聚焦镜组中非球面透镜的出射曲面R6的曲率半径为99.786±5％；聚焦镜组中透镜的入射曲面R7的曲率半径为-22.2769±5％。
聚焦镜组中非球面透镜的入射曲面R5的中心点与出射曲面R6的中心点之间的距离d5为10.6312；
聚焦镜组中透镜的入射曲面的中心点与出射曲面R8的中心点之间的距离d7为2.9316。
进一步地，聚焦镜组中的非球面透镜与透镜之间的距离可调；聚焦镜组中的出射曲面R6的中心点与入射曲面R7的中心点之间的距离d6的可调范围为14mm-75mm，满足不同要求的平顶光斑直径需求。
本发明的有益效果为：本发明的激光焊接光束整形优化装置的激光器光纤出射的具有一定角度的光经过准直镜组之后，变成平行光，平行光束经过整形镜组之后，进行了光束能量的调制，调制光经过第一反射镜及第二反射镜后，在经过聚焦镜组后汇聚到待焊接表面上。准直镜组用于匀化准直的高斯光束，将具有高斯分布的光束调制成能量均匀分布的光束，聚焦镜组可以补偿匀化后的光束，使得在最后聚焦状态下的聚焦光束更均匀，同时聚焦镜组是具备可调节功能的，使得聚焦镜组可以改变激光光斑的大小。采用上述结构可以对平顶光斑进行整形，以及优化光束质量，可以解决平顶光斑不受控制，光斑大小不可调的问题。
附图说明
图1为本发明的激光焊接光束整形优化装置的结构示意图；
图2为本发明的激光焊接光束整形优化装置的准直镜组的结构示意图；
图3为本发明的激光焊接光束整形优化装置的聚焦镜组的结构示意图；
图4为本发明整形后的光斑图；
图5为本发明整形后的光斑呈平顶分布示意图。
具体实施方式
为使本发明实施的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施的技术方案进行清楚、完整地描述。
参见图1至图3，本实施例公开了一种激光焊接光束整形优化装置，包括准直镜组2、整形镜组3、聚焦镜组6，所述准直镜组2用于将激光器1出射的激光变成平行光，并出射至整形镜组3，所述整形镜组3用于匀化准直的高斯光束，将具有高斯分布的光束调制成能量均匀分布的光束，并将调制后的光束出射至聚焦镜组6，所述聚焦镜组6用于将调制光汇聚到待焊接表面上。聚焦镜组6可以补偿匀化后的光束，使得在最后聚焦状态下的聚焦光束更均匀，同时聚焦镜组是具备可调节功能的，使得聚焦镜组可以改变激光光斑的大小。
本激光焊接光束整形优化装置还包括反射镜组，所述反射镜组包括至少一个反射镜，所述反射镜组内的各个反射镜用于调整光路方向；所述反射镜组位于整形镜组3与聚焦镜组6之间。
本实施例所述反射镜组包括第一反射镜4、第二反射镜5，所述整形镜组3出射的调制光经过第一反射镜4、第二反射镜5后，在经过聚焦镜组6后汇聚到待焊接表面上。第一反射镜4与第二反射镜5平行设置，且与水平方向呈45度角。
进一步地，所述准直镜组2包括第一非球面镜201、第二非球面镜202，第一非球面镜201包括入射曲面R1和出射曲面R2，入射曲面R1与出射曲面R2弯曲方向相同，均沿光路方向弯曲，第二非球面镜202包括入射曲面R3和出射曲面R4，所述入射曲面R3与出射曲面R4弯曲方向相反。
进一步地，第一非球面镜201的入射曲面R1的非球面系数为K＝1.0084,4th系数为-2.24X10-6，6th系数为-7.86*10-9，8th系数为2.87*10-11，10th系数为-4.72*10-14，12th系数为-9.6*10-17，14th系数为1.48*10-18，16th系数,7.9*10-21，18th系数3.53*10-25，20th系数为-1.27*10-25；
第二非球面镜202的出射曲面R4的非球面系数为K＝0.0423,4th系数为-2.539X10-8，6th系数为-6.41*10-10，8th系数为7.30*10-13，10th系数为1.08*10-14，12th系数为6.88*10-18，14th系数为-3.67*10-20，16th系数,-4.54*10-23，18th系数3.84*10-25，20th系数为-2.46*10-28。
进一步地，第一非球面镜201的出射曲面R2的曲率半径为-46.3446±5％；第二非球面镜202的入射曲面R3的曲率半径为101.5106±5％。
准直镜组采用上述参数可以得到最后需要的准直镜的焦距，相差最小，能与后面的光路进行匹配。
准直镜组2中第一非球面镜201入射曲面R1的中心点与出射曲面R2的中心点之间的距离d2为8.32；
准直镜组2中第二非球面镜202入射曲面R3的中心点与出射曲面R4的中心点之间的距离d4为5；
准直镜组2中第一非球面镜201出射曲面R2的中心点与第二非球面镜202入射曲面R3的中心点之间的距离d3为2.1297；
激光器1的激光出射端面的中心点与准直镜组2中第一非球面镜201入射曲面R1的中心点之间的距离d1为57.3773±5％。
采用本发明的准直镜组可以消除波像差的影响，调制准直光束的相位和振幅接近于理想值。
进一步地，整形镜组为二元光学元件或匀化光束元件，经过两次刻蚀，实现了光束能量的调制。
进一步地，聚焦镜组6包括非球面透镜和透镜，非球面透镜包括入射曲面R5和出射曲面R6，入射曲面R5与出射曲面R6弯曲方向相同，均沿光路反方向弯曲，透镜包括入射曲面R7和出射曲面R8，入射曲面R7与出射曲面R8弯曲方向相同，均沿光路方向弯曲。
从聚焦镜组中非球面透镜的入射曲面R5的非球面系数为K＝-0.0486,4th系数为3.06X10-7，6th系数为-2*10-8，8th系数为1.64*10-10，10th系数为-3.10*10-13，12th系数为-2.12*10-15，14th系数为1.46*10-19，16th系数,4.29*10-20，18th系数1.69*10-22，20th系数为-1.03*10-24；聚焦镜组中透镜的出射曲面R8的曲率半径为-27.7546±5％。
进一步地，聚焦镜组6中非球面透镜的出射曲面R6的曲率半径为99.786±5％；聚焦镜组中透镜的入射曲面R7的曲率半径为-22.2769±5％。
聚焦镜组中非球面透镜的入射曲面R5的中心点与出射曲面R6的中心点之间的距离d5为10.6312；
聚焦镜组中透镜的入射曲面的中心点与出射曲面R8的中心点之间的距离d7为2.9316。
进一步地，非球面透镜601与透镜602是可调的，通过调节他们之间的相对位置可以改变激光光斑的大小。
本实施例聚焦镜组中的出射曲面R6的中心点与入射曲面R7的中心点之间的距离d6的范围为14mm-75mm。
参见图4和图5，采用本装置整形后的平顶光斑的平顶均匀性高于90％rms；整形后的平顶光斑的效率高于90％。且激光的波长从800nm到1100nm；激光的平顶光斑直径可调；激光功率使用可以达到500W。
本发明的工作原理为：激光器光纤出射的具有一定角度的光经过准直镜组之后，变成平行光，平行光束经过整形镜组之后，进行了光束能量的调制，调制光经过第一反射镜及第二反射镜后，在经过聚焦镜组后汇聚到待焊接表面上。准直镜组包括第一非球面镜、第二非球面镜，整形镜组是利用匀化光束元件，经过两次刻蚀，实现了光束能量的调制，不受光束模式不均匀的影响，聚焦镜组包括非球面透镜和透镜，非球面透镜与透镜是可调的，通过调节他们之间的相对位置可以改变激光光斑的大小。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种激光焊接光束整形优化装置，其特征在于：包括准直镜组(2)、整形镜组(3)、聚焦镜组(6)，所述准直镜组(2)用于将激光器(1)出射的激光变成平行光，并出射至整形镜组(3)，所述整形镜组(3)用于匀化准直的高斯光束，将具有高斯分布的光束调制成能量均匀分布的光束，并将调制后的光束出射至聚焦镜组(6)，所述聚焦镜组(6)用于将调制光汇聚到待焊接表面上。
2.根据权利要求1所述的激光焊接光束整形优化装置，其特征在于：还包括反射镜组，所述反射镜组包括至少一个反射镜，所述反射镜组内的各个反射镜用于调整光路方向；所述反射镜组位于整形镜组(3)与聚焦镜组(6)之间。
3.根据权利要求1所述的激光焊接光束整形优化装置，其特征在于：所述准直镜组(2)包括第一非球面镜(201)、第二非球面镜(202)，第一非球面镜(201)包括入射曲面R1和出射曲面R2，入射曲面R1与出射曲面R2弯曲方向相同，均沿光路方向弯曲，第二非球面镜(202)包括入射曲面R3和出射曲面R4，所述入射曲面R3与出射曲面R4弯曲方向相反。
4.根据权利要求3所述的激光焊接光束整形优化装置，其特征在于：第一非球面镜(201)的入射曲面R1的非球面系数为K＝1.0084,4th系数为-2.24X10-6，6th系数为-7.86*10-9，8th系数为2.87*10-11，10th系数为-4.72*10-14，12th系数为-9.6*10-17，14th系数为1.48*10-18，16th系数,7.9*10-21，18th系数3.53*10-25，20th系数为-1.27*10-25；
第二非球面镜(202)的出射曲面R4的非球面系数为K＝0.0423,4th系数为-2.539X10-8，6th系数为-6.41*10-10，8th系数为7.30*10-13，10th系数为1.08*10-14，12th系数为6.88*10-18，14th系数为-3.67*10-20，16th系数,-4.54*10-23，18th系数3.84*10-25，20th系数为-2.46*10-28。
5.根据权利要求3所述的激光焊接光束整形优化装置，其特征在于：第一非球面镜(201)的出射曲面R2的曲率半径为-46.3446±5％；第二非球面镜(202)的入射曲面R3的曲率半径为101.5106±5％；
准直镜组中第一非球面镜入射曲面R1的中心点与出射曲面R2的中心点之间的距离d2为8.32；
准直镜组中第二非球面镜入射曲面R3的中心点与出射曲面R4的中心点之间的距离d4为5；
准直镜组中第一非球面镜出射曲面R2的中心点与第二非球面镜入射曲面R3的中心点之间的距离d3为2.1297；
激光器的激光出射端面的中心点与准直镜组中第一非球面镜入射曲面R1的中心点之间的距离d1为57.3773±5％。
6.根据权利要求1所述的激光焊接光束整形优化装置，其特征在于：整形镜组为二元光学元件或匀化光束元件。
7.根据权利要求1所述的激光焊接光束整形优化装置，其特征在于：聚焦镜组(6)包括非球面透镜(601)和透镜(602)，非球面透镜(601)包括入射曲面R5和出射曲面R6，入射曲面R5与出射曲面R6弯曲方向相同，均沿光路反方向弯曲，透镜(602)包括入射曲面R7和出射曲面R8，入射曲面R7与出射曲面R8弯曲方向相同，均沿光路方向弯曲。
8.根据权利要求7所述的激光焊接光束整形优化装置，其特征在于：聚焦镜组中非球面透镜(601)的入射曲面R5的非球面系数为K＝-0.0486,4th系数为3.06X10-7，6th系数为-2*10-8，8th系数为1.64*10-10，10th系数为-3.10*10-13，12th系数为-2.12*10-15，14th系数为1.46*10-19，16th系数,4.29*10-20，18th系数1.69*10-22，20th系数为-1.03*10-24；聚焦镜组中透镜(602)的出射曲面R8的曲率半径为-27.7546±5％。
9.根据权利要求7所述的激光焊接光束整形优化装置，其特征在于：聚焦镜组(6)中非球面透镜(601)的出射曲面R6的曲率半径为99.786±5％；聚焦镜组中透镜(602)的入射曲面R7的曲率半径为-22.2769±5％；
聚焦镜组中非球面透镜的入射曲面R5的中心点与出射曲面R6的中心点之间的距离d5为10.6312；
聚焦镜组中透镜的入射曲面的中心点与出射曲面R8的中心点之间的距离d7为2.9316。
10.根据权利要求7所述的激光焊接光束整形优化装置，其特征在于：聚焦镜组(6)中的非球面透镜(601)与透镜(602)之间的距离可调；聚焦镜组中的出射曲面R6的中心点与入射曲面R7的中心点之间的距离d6的可调范围为14mm-75mm，满足不同要求的平顶光斑直径需求。
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