CN114192971A - 一种激光加工光路系统、方法及其应用 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种激光加工光路系统、方法及其应用，该光路系统包括沿光路传输方向依次设置有传输光纤、石英端帽和反射镜片，其中，所述传输光纤输送发散光束至所述石英端帽，所述石英端帽的至少一端端面为凸起的曲面，用于将所述发散光束会聚成为准直光束射入所述反射镜，该光路系统将分开设立的激光输出头搭配拔插式手持焊接头的光路体系进行了一体化整合，大大简化了光学元器件安装与调试系统，整个光路系统非常简洁。
Description
技术领域
本发明实施例涉及激光技术领域，特别涉及激光加工光路系统技术领域。
背景技术
激光加工已经广泛应用于切割、打标、焊接、熔覆、淬火等各种工业加工领域，尤其是激光焊接相对于传统的电弧焊、氩弧焊、等离子弧焊等方式，具有热输入小、焊缝美观、焊接速度快等优势，已经越来越收到重视应用在家电、厨具、动力电池、运动器材、汽车、飞机、轮船等制造领域。手持式激光焊接是将激光加工头改造为手持式以便于人手直接操作使用的激光焊接方式，相对于一般的平台式激光焊接手持激光焊接更加的灵活多变，应用场景更加多样化；相对于传统的手持电弧焊、氩弧焊等焊接方式又具有激光焊接的独特优势，加之附带光源摆动和智能化的结构系统，手持式激光焊接对焊工焊接水平的要求大幅度下降，可以充分的解放对焊接能力的需求市场应用潜能巨大。
手持式激光焊接头是手持式激光焊接系统的核心部分，它主要由光路系统、电路系统、结构系统和软件系统组成，其中光路系统是核心部分起到决定激光焊接质量和效果的重要作用。
如图1传统手持式激光加工头的光路示意图，通常由输出端帽1、准直透镜2、平面反射镜片3、聚焦透镜4组成，准直透镜2将端帽1输出的发散光进行准直后在平面反射镜3上进行反射再由聚焦透镜4会聚在待加工材料上，至少四个光路元器件才能完成整个光路，光路相对复杂不够简洁。
因此，设计一种简单的激光焊接光路系统是很有必要的。
发明内容
针对现有技术的上述缺陷，本发明实施例主要解决的技术问题是提供一种激光加工光路系统，光学器件数量较少，大大简化了光学元器件安装与调试系统，整个光路系统非常简洁。
本发明实施例的目的是通过如下技术方案实现的：
沿光路传输方向依次设置有传输光纤、石英端帽和反射镜片，所述传输光纤输送发散光束至所述石英端帽，所述石英端帽的至少一端端面为凸起的曲面，用于将所述发散光束会聚成为准直光束射入所述反射镜；
在一些实施例中，所述石英端帽的曲面上镀有均匀高透的增透模，用于保证特定波长的激光通过并减少出光功率的损耗，所述增透膜的带宽大于通过的激光光束的波长范围；
在一些实施例中，所述石英端帽的曲面长度和曲率可调，用于保证经过准直后的所述平行光束的直径不小于预定范围；
在一些实施例中，所述反射镜为凹面反射镜，述凹面反射镜的空间位置可调整，所述准直光束经所述凹面反射镜反射后在待加工工件上形成可移动的聚焦光斑；
在一些实施例中，所述反射镜为变形反射镜，所述变形反射镜的面型可调整，所述准直光束经所述变形反射镜反射后在待加工工件上形成可移动的聚焦光斑
在一些实施例中，所述凹面反射镜的空间位置可调整，且所述凹面反射镜表面镀有高反射膜，用于对预设的入射角度范围内的特定波长激光进行有效反射；
在一些实施例中，所述反射镜或所述石英端帽为分隔设置，所述反射镜和所述石英端帽之间设置有致动电机或散热模块。
区别于现有技术的情况，本发明实施例提供了一种极简化激光加工光路系统，将石英端帽与准直透镜进行结合、聚焦透镜与平面反射镜相结合得到一种全新的光路系统，大大简化了光学元器件安装与调试系统，整个光路系统非常简洁，更加有利于整个激光加工头进行轻量化设计。
附图说明
一个或多个实施例中通过与之对应的附图中的图片进行示例性说明，这些示例性说明并不构成对实施例的限定，附图中具有相同参考数字标号的元件表示为类似的元件，除非有特别申明，附图中的图不构成比例限制。
图1是现有技术一实施例提供的手持式激光加工光路系统组成示意图；
图2是本发明一实施例提供的激光加工光路系统组成示意图；
图3是本发明一实施例提供的激光加工光路系统中变形反射镜的组成示意图；
图4是本发明一实施例提供的激光加工方法的流程示意图；
图5是本发明一实施例提供的手持激光加工头的结构示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，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。
为了便于理解本申请，下面结合附图和具体实施例，对本申请进行更详细的说明。除非另有定义，本说明书所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。在本申请的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是用于限制本申请。本说明书所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
本发明实施例提供一种激光加工光路系统100，请参阅图2，其包含石英端帽10和反射镜20；石英端帽10和反射镜20依次位于同一输出光路上，所述石英端帽10上熔接有传输光纤30，传输光纤30一端与激光器相连接，另一端与石英端帽10熔接，激光器产生的激光光束通过所述传输光纤30传输至所述石英端帽10，所述石英端帽10将发散的激光光束准直后输出，准直之后的平行光束向前直接传输至反射镜20，反射镜20反射所述激光光束并将所述激光光束会聚于待加工工件上，从而完成对待加工工件的激光加工。
石英端帽10一端的端面11为具有会聚功能的非平面形状，在本实施例中，该石英端帽的端面11为凸起的曲面，被石英端帽拓束过的发散光束通过曲面11时发生一定程度的会聚，因此被准直成为平行光束。
相对于传统的手持激光加工光路中由石英端帽对发散光束进行拓束后，再通过凸透镜进行准直输出，该曲面石英端帽10相当于图1所示加工光路中的石英端帽1和凸透镜2的结合，由于省去一个光学器件，使得光路系统相对简单，也避免了激光光束在两个光学器件的传输过程中的产生损耗。
该曲面石英端帽10另一端的端面如图2所示为平面形状12，也可以根据需要为其他形状，以达到与所述传输光纤30的配合熔接。
该石英端帽10的曲面11表面镀有均匀高透的增透膜，可以使预设波段的激光高效通过，从而减少出光光斑和出光功率的损失。
以传输光纤的芯径在10-50μm，传输激光功率在500-2000W、指示红光功率在0.5-2mW的光纤激光器为例，石英端帽10的曲面11表面镀有波段为1060-1200nm带宽的增透模，该增透膜可以保证波长为1070-1090nm之间的激光达到99％以上的通过率，同时也可以使波长为640-670nm的指示红光进行透过，其透过率不小于50％。另外，曲面石英端帽10的通光孔径NA在0.01～0.3之间，直径在6-12mm之间，则可以通过调整曲面石英端帽10的长度和曲面11的曲率以保证通过曲面石英端帽10的准直光束直径达到3-8mm，从而实现良好的拓束和准直性能。
图1所示的传统的手持激光加工头的光路系统中，反射镜3为平面镜，并不提供会聚功能，而是直接将光束反射到聚焦透镜4上，由聚焦透镜完成光束的会聚。在本发明实施例中，反射镜20可以为凹面反射镜，其具有相对的两端，一端为平面22，另一端为凹面21。所述凹面反射镜20的凹面21反射自石英端帽10射入的准直平行光束，并同时将该激光光束进行会聚，会聚后的光束直接照射在待加工件上形成聚焦光斑。
该凹面21的表面镀有高反射膜，该反射膜可以对入射角θ在55°-65°之间的激光光束进行98％以上的反射，该入射角θ为曲面石英端帽10中心轴与凹面反射镜20中心轴的夹角，根据加工需求，可以通过控制与凹面发射镜连接的振动电机，调节凹面反射镜20的空间位置，带动调节入射角θ的大小，从而实现聚焦光斑的摆动。
该凹面反射镜20的有效反射面积为聚焦光斑直径的2-3倍以上，对所述指示红光的反射率大于或等于60％，可以保证激光光束被有效的反射，降低了激光功率损失。
该凹面反射镜20的会聚焦距在120-150mm，有利于确定合适的工作距离，合适的工作距离，也即光学镜片与待加工工件的工作距离，太小的焦距工作距离，加工中产生的飞溅物容易损伤光学镜片，太大的焦距工作距离，会增加加工时的操作难度。
该凹面反射镜20的凹面21的中心点B与曲面石英端帽10曲面11的顶点A之间的距离为50-80mm之间，该距离有利于安装振镜电机和散热结构。
在一些实施例中，散热块40安装在凹面反射镜20的平面22上，该散热块40内部可以设置有冷媒，通过空气交换将凹面反射镜工作时产生的热量带走，以保证凹面反射镜20满负荷长时间工作时的最大温度在60℃以下，从而保证凹面反射镜20上镀有的高反射膜能够保持在稳定状态。
在一些实施例中，散热块(图未示出)还可以分别固定在曲面石英端帽10和凹面反射镜20的一侧，或是环绕设置于曲面石英端帽10和凹面反射镜20周围，散热块内部设有环行的气路管道，通过导入流动的冷却气体，带走光学镜片工作时产生的热量。
利用凹面反射镜20替代传统的平面反射镜，取消了聚焦镜，从而简化并优化了光路系统，有利于整体的手持激光焊接头缩小体积和重量、降低成本和安装操作。
在本发明的一些实施例中，反射镜20还可以是变形反射镜，该变形镜片可以是多个小镜片构成的连续表面变形反射镜，也可以是具有单一光学镜片的变形反射镜，通过调节变形反射镜的光学镜片面型或曲率，可以使形成的聚焦光斑在加工过程中，按照加工轨迹和设定的速度，在加工件上做一维、二维或三维的动态移动。
图3示出了一种具有单一光学镜片的变形反射镜，该变形镜20包含单一光学镜片21和设置在光学镜片21背部的促动器，通过控制单元30调节促动器可带动所述光学镜片21发生形变，从而改变所述光学镜片21的面型，实现所述激光光束的波前变化。由于整个加工过程中只需要控制单一变形镜20的单一光学镜片21的面型变化，不需要多个变形镜的相互配合或是多个光学镜片的配合，因此调节过程较为精准和便捷。促动器可为气压促动器，液压促动器或压电陶瓷促动器等，不限于此。
在一些实施例中，促动器为气压促动器时，在激光加工装置进行进行工作时，压力气体进入变形镜20内，压力使得光学镜片21发生微形变，从而使光学镜片21的面型发生变化，通过调节变形镜20内气体的压力，可得到不同的面型，镜面可以呈现为凸面、凹面、平面，激光光束经过变形镜20的光学镜面21反射后，焦点位置也不同，这就实现了气体压力调整焦点位置，满足了不同加工工艺对激光光束焦点位置的需求。
在一些实施例中，当促动器为压电陶瓷促动器，所述变形镜20包括基座23，固定于所述基座23上的多个压电陶瓷致动器22以及固定于多个压电陶瓷致动器22上的单一光学镜片21。当压电陶瓷致动器22阵列施加电压时，压电陶瓷促动器22产生离面位移，位移通过压电陶瓷致动器22传递到光学镜片21，使光学镜片21产生变形，从而达到面型或曲率的改变，所述光学镜片21的面型可以为凸面、凹面、平面，所述光学镜片可以为球面镜，偶次非球面镜，奇次非球面镜，轮胎面镜，自由曲面镜等，不限于此。
当加工轨迹比较复杂，特别是需要聚焦光斑在三维空间中移动时，利用摆动电机带动凹面反射镜，则需要三组电机推动三组光学系统来实现摆动，一方面摆动电机的推力大小把整个摆动的频率限制在一个较低的水平，由此限制了工艺的多样性。与此同时，三组电机推动三组光学系统也导致整套光学加工系统巨大的体积。使用一个变形反射镜则更有助于手持激光加工设备在体积和重量上的减少，可实现快速调焦，结构简单，使用方便，加工制造成本较低。
激光加工光路系统100还包括保护镜片50，保护镜片50位于反射镜20的反射光路方向上，会聚后的反射光束穿过该保护镜片50，照射在待加工工件上。该保护镜片50的两面均镀有增透膜，用于保证传输激光和指示红光有效的透过。当准直光束直径为3-8mm时，保护镜片直径至少为16-20mm、厚度为2-3mm。
保护镜片50与反射镜20的中心点B的距离为25-30mm，该距离有利于保护镜片的安装固定和留有足够的空间进行散热，又保证距离焊接工作区较远以减少损坏。
本发明实施例还提供了一种用于手持加工头的激光加工方法200，如图4流程图所示，包括：
通过传输光纤将发散光束输入石英端帽；
通过所述石英端帽将所述发散光束拓束后准直成为平行光束；
将所述平行光束射入反射镜；
通过所述反射镜反射所述平行光束的同时进行聚焦，以在待加工件上形成聚焦光斑；
控制致动电机的运动状态，以使所述聚焦光斑根据设定的速度、设定的加工轨迹在待加工件上完成一维、二维方向或三维空间上的移动。
本发明实施例还提供了一种应用该激光加工光路系统的手持加工头300，该加工头为枪式设计，包括枪座301和枪管302，其中枪座301便于手部的持握，上述激光加工光路100中的传输光纤30、曲面石英端帽20(图未示出)、反射镜30(图未示出)和保护镜片50(图未示出)依次收容于枪座301内部，枪管302中设有一贯通的通光孔(图未示出)，用于使经激光加工光路100出射的聚焦光束无障碍的照射在待加工区域，该枪管的长度应大于光路系统100中的反射镜30的焦距工作距离。
采用该激光加工光路的一体式手持加工头可以支持多种激光功率和出光方式，可以复合应用于焊接、切割、激光清洗和熔覆等多种激光加工场合。
本发明实施例将现有的手持加工头中通过激光输出头与加工头插拔式的安装进行了一体化整合，不仅去掉了原有光学器件中的固持件，并且创新性的采用曲面石英端帽直接兼具光束拓束和准直功能，替代了原有的石英端帽与准直镜的组合，同时将平面反射镜与聚焦镜结合为一体，采用凹面反射镜或变形反射镜，满足了不同加工工艺对激光光束焦点位置的需求，同时也有效的减少不必要的固定结构件、优化光路系统的同时也简化了安装、提升了手持加工头的可靠性和一致性，有利于整体的手持激光加工头缩小体积和重量、降低成本和安装操作。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；在本发明的思路下，以上实施例或者不同实施例中的技术特征之间也可以进行组合，步骤可以以任意顺序实现，并存在如上所述的本发明的不同方面的许多其它变化，为了简明，它们没有在细节中提供；尽管参照前述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)
1.一种激光加工光路系统，其特征在于，沿光路传输方向依次设置有传输光纤、石英端帽和反射镜；其中，
所述传输光纤输送发散光束至所述石英端帽；
所述石英端帽的至少一端端面为凸起的曲面，用于将所述发散光束会聚成为准直光束射入所述反射镜。
2.根据权利要求1所述的激光加工光路系统，其特征在于，所述石英端帽的曲面上镀有均匀高透的增透模，用于保证特定波长的激光高效通过以减少出光功率的损耗，所述增透膜的带宽大于通过的激光光束的波长范围。
3.根据权利要求1所述的激光加工光路系统，其特征在于，所述石英端帽的曲面长度和曲率可调，用于保证所述准直光束的直径不小于预设范围。
4.根据权利要求1所述的激光加工光路系统，其特征在于，所述反射镜为凹面反射镜，所述凹面反射镜的空间位置可调整，所述准直光束经所述凹面反射镜反射后在待加工工件上形成可移动的聚焦光斑。
5.根据权利要求1所述的激光加工光路系统，其特征在于，所述反射镜为变形反射镜，所述变形反射镜的面型可调整，所述准直光束经所述变形反射镜反射后在待加工工件上形成可移动的聚焦光斑。
6.根据权利要求1所述的激光加工光路系统，其特征在于，所述反射镜表面镀有高反射膜，用于对预设的入射角度范围内的特定波长激光进行有效反射。
7.根据权利要求1所述的激光加工光路系统，其特征在于，所述反射镜与所述石英端帽为间隔设置，其间设置有致动电机或散热模块。
8.一种激光加工方法，其特征在于，包括：
通过传输光纤将发散光束输入石英端帽；
通过所述石英端帽将所述发散光束拓束后准直成为平行光束；
通过反射镜将所述平行光束反射后会聚在待加工件上形成聚焦光斑。
9.根据权利要求8所述的激光加工方法，其特征在于，所述聚焦光斑可根据设定的速度和/或设定的加工轨迹在待加工件上移动。
10.一种手持激光加工头，其特征在于，包括可手部握持的枪座，所述枪座内设置有如权利要求1-7所述的激光加工光路系统。
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