CN212885690U - 一种双焦点激光焊接光学系统及其激光焊接头 - Google Patents

Abstract

实用新型公开了一种双焦点激光焊接光学系统及其激光焊接头，一种双焦点激光焊接光学系统，包括沿光的入射方向依次设置的第一镜组、第二镜组和第三镜组；沿光的入射方向，第一镜组包括依次设置的第一透镜、第二透镜和第三透镜，第二镜组包括依次设置的第四透镜、第五透镜和第六透镜，第三镜组包括依次设置的反射镜和平面保护窗；第一透镜、第二透镜、第五透镜和第六透镜均为正透镜；第三透镜为负透镜，第四透镜为楔形镜。上述焊接光学系统，可在工件表面形成两个能量一致的聚焦点，有效提高了能量利用率，增大了焊接熔宽，提高了焊接过程的稳定性，减少了飞溅，改善了焊接质量，能够满足激光焊接的各项技术指标；且结构简单，安装调试方便、成本低廉。

Description

一种双焦点激光焊接光学系统及其激光焊接头

技术领域

实用新型涉及一种双焦点激光焊接光学系统及其激光焊接头，属于激光焊接领域。

背景技术

激光焊接是利用高能量密度的激光束作为热源的一种高效精密焊接方法。激光焊接时，激光通过聚焦镜等光学元件被聚焦于工件表面，激光的圆度、能量分布等聚焦特性直接影响到激光焊接的效果。平行激光经过聚焦后，激光聚焦光斑直径非常小，当激光深熔焊铝时，焊缝中气孔比较多，开孔小，金属蒸汽难以溢出，导致飞溅严重。可以增大熔宽解决这个问题，通常在激光焊接中，增大熔宽的方法是降低焊接速度或加大激光束的离焦量。降低焊接速度，会延长焊接时间，影响效率；增大激光的离焦量，会导致焊接过程不稳定。此外，精密焊接必须有精密的夹紧装置保持焊缝间隙在很小的范围内，否则可能会出现激光直接透过焊缝或者激光偏离焊缝的现象，影响焊接质量，焊缝出现咬边现象。

实用新型内容

本实用新型提供一种双焦点激光焊接光学系统及其激光焊接头，可有效增大焊接熔宽，在很大程度上减少焊缝中的气孔，改善焊接质量，提高了焊接过程的稳定性，同时有效防止了焊缝出现咬边现象。

为解决上述技术问题，实用新型所采用的技术方案如下：

一种双焦点激光焊接光学系统，包括沿光的入射方向依次设置的第一镜组、第二镜组和第三镜组；沿光的入射方向，第一镜组包括依次设置的第一透镜、第二透镜和第三透镜，第二镜组包括依次设置的第四透镜、第五透镜和第六透镜，第三镜组包括依次设置的反射镜和平面保护窗；第一透镜、第二透镜、第五透镜和第六透镜均为正透镜；第三透镜为负透镜，第四透镜为楔形镜。

上述双焦点焊接光学系统适用于半导体激光器、YAG激光器和CO2激光器，激光器数值孔径NA在0.1左右。

激光器出来的发散光，依次经过第一透镜、第二透镜和第三透镜准直成平行光，经过异形楔形镜被分离成两束能量一致的光束，再经过五透镜和第六透镜聚焦，最后被反射在工作平面形成两个聚焦点，两焦点在工作平面分离1mm，且两焦点光斑的能量一致。两个聚焦点都在衍射极限内，聚焦光斑圆度在98％以上。

为了保证聚焦光斑分离1mm，第一透镜、第二透镜和第三透镜的组合焦距范围在40mm～70mm之间；第五镜片和第六镜片的组合焦距在60mm-100mm之间。

上述楔形镜的楔角为1-3°，优选为1.7°。

沿光的入射方向，第一透镜的两面依次为第一物侧面和第一像侧面，第二透镜的两面依次为第二物侧面和第二像侧面，第三透镜的两面依次为第三物侧面和第三像侧面，第四透镜的两面依次为第四物侧面和第四像侧面，第五透镜的两面依次为第五物侧面和第五像侧面，第六透镜的两面依次为第六物侧面和第六像侧面；为了进一步提高扫描的稳定性和扫描效率，第一物侧面为平面，第一像侧面的曲率半径为37.18mm；第二物侧面的曲率半径为109mm，第二像侧面的曲率半径为76.8mm；第三物侧面的曲率半径为37mm，第三像侧面的曲率半径为-27mm；第五物侧面的曲率半径为81mm，第五像侧面的曲率半径为420mm；第六物侧面的曲率半径为44mm，第六像侧面的曲率半径为-134mm。

上述平面保护窗的两面都是平面。

为了进一步提高两个焦点的均匀性，第四物侧面为平面，第四像侧面自中心起被斜切为楔形、形成楔形镜，也即高度方向的一半高度被斜切、形成楔形，楔角优选为1.7°，第四透镜没被斜切的厚度为5mm。

为了减少能量损耗，提高焊接效率，第一透镜与第二透镜的中心间隔为3.5±0.05mm；第二透镜与第三透镜的中心间隔为0.5±0.05mm；第三透镜与第四透镜的中心间隔为10 ±0.05mm；第四透镜与第五透镜的中心间隔为2±0.05mm；第五透镜和第六透镜的中心间隔是3±0.05mm。

为了进一步提高焊接的稳定性，第一透镜的中心厚度为6±0.1mm；第二透镜的中心厚度为5±0.1mm；第三透镜的中心厚度为5±0.1mm；第五透镜的中心厚度为5± 0.1mm；第六透镜的中心厚度为5±0.1mm。

为了满足高功率激光焊接的要求，第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜、第五透镜、第六透镜、反射镜和平面保护窗的材料均为紫外熔融石英。

一种双焦点激光焊接头，包括上述双焦点激光焊接光学系统，还包括依次相接的QBH 接头、第一镜座、第二镜座和第三镜座；

第一透镜、第二透镜和第三透镜依次安装在第一镜座内；第一透镜和第二透镜之间设有第一隔圈，第二透镜和第三透镜之间设有第二隔圈；第一透镜的物侧面通过第一镜座内的限位台阶固定；第三透镜的像侧面通过与第三透镜依次相接的第一过渡圈和第一压圈固定；

第二镜座外侧设有调节圈、内侧设有内镜筒，调节圈、第二镜座和内镜筒通过导钉固定、形成旋转筒，旋转筒可相对第一镜座和第三镜座转动；第四透镜、第五透镜和第六透镜依次安装在内镜筒中；第四透镜和第五透镜之间设有第三隔圈；第五透镜和第六透镜之间设有第四隔圈；第四透镜的物侧面通过与第四透镜依次相接的第二过渡圈和第二压圈固定；第六透镜的像侧面通过内镜筒中的限位台阶固定；

反射镜安装在第三镜座内，反射镜的反射面与光的入射方向呈45°夹角；平面保护窗安装在反射镜反射面一侧的第三镜座侧壁上，平面保护窗与光的入射方向呈90°夹角。

上述第一镜座、第二镜座和第三镜座组装形成镜筒，各镜座所用材质为铝；镜筒的中心偏要保证小于1’。

旋转旋转筒，以实现对楔形镜和聚焦镜的旋转，进而实现调节双焦点相对于焊接点的位置，提高精度；旋转旋转筒，还可以改变双焦点焊接头的工作方式，如，两个焦点的中心连线与焊接方向平行或垂直。

上述双焦点焊接头可应用于焊接金属等材料，提高焊接稳定性，减少飞溅，能够满足激光焊接的各项技术指标。

本实用新型未提及的技术均参照现有技术。

本实用新型双焦点激光焊接光学系统，一束激光通过聚焦头聚焦到工件表面形成两个聚焦点，两个焦点在工作平面分离1mm，能量一致，有效提高了能量利用率，增大了焊接熔宽，提高了焊接过程的稳定性，减少了飞溅，改善了焊接质量，能够满足激光焊接的各项技术指标，可应用于焊接金属等材料；且结构简单，安装调试方便、成本低廉。

附图说明

图1为本实用新型双焦点激光焊接光学系统的光学系统图；

图2为本实用新型双焦点激光焊接光学系统的焦点能量分布；

图3为本实用新型双焦点激光焊接头的结构示意图；

图4为本实用新型双焦点激光焊接头的工作方式图；

图中，1为第一透镜，2为第二透镜，3为第三透镜，4为第四透镜，5为第五透镜， 6为第六透镜，7为反射镜，8为平面保护窗，9为QBH连接头，10为第一隔圈，11为第二隔圈，12为第一过渡圈，13为第一压圈，14为第二镜座，15为调节圈，16为第二压圈，17为第二过渡圈，18为第三隔圈三，19为第四隔圈，20为内镜筒，21为第三镜座，22为第一镜座。

具体实施方式

为了更好地理解实用新型，下面结合实施例进一步阐明实用新型的内容，但实用新型的内容不仅仅局限于下面的实施例。

实施例1

如图1所示，一种双焦点激光焊接光学系统，包括沿光的入射方向依次设置的第一镜组、第二镜组和第三镜组；沿光的入射方向，第一镜组包括依次设置的第一透镜、第二透镜和第三透镜，第二镜组包括依次设置的第四透镜、第五透镜和第六透镜，第三镜组包括依次设置的反射镜和平面保护窗；第一透镜、第二透镜、第五透镜和第六透镜均为正透镜；第三透镜为负透镜，第四透镜为楔形镜；第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜、第五透镜、第六透镜、反射镜和平面保护窗的材料均为紫外熔融石英。

第一透镜的中心厚度为6mm；第二透镜的中心厚度为5mm；第三透镜的中心厚度为5mm；第五透镜的中心厚度为5mm；第六透镜的中心厚度为5mm；第一透镜与第二透镜的中心间隔为3.5mm；第二透镜与第三透镜的中心间隔为0.5mm；第三透镜与第四透镜的中心间隔为10mm；第四透镜与第五透镜的中心间隔为2mm；第五透镜和第六透镜的中心间隔是3mm。

沿光的入射方向，第一透镜的两面依次为第一物侧面和第一像侧面，第二透镜的两面依次为第二物侧面和第二像侧面，第三透镜的两面依次为第三物侧面和第三像侧面，第四透镜的两面依次为第四物侧面和第四像侧面，第五透镜的两面依次为第五物侧面和第五像侧面，第六透镜的两面依次为第六物侧面和第六像侧面；第一物侧面为平面，第一像侧面的曲率半径为37.18mm；第二物侧面的曲率半径为109mm，第二像侧面的曲率半径为76.8mm；第三物侧面的曲率半径为37mm，第三像侧面的曲率半径为-27mm；第四物侧面为平面，第四像侧面自中心起被斜切为楔形、形成楔形镜(也即高度方向的一半高度被斜切、形成楔形)，楔角为2°，第四透镜没被斜切的厚度为5mm；第五物侧面的曲率半径为81mm，第五像侧面的曲率半径为420mm；第六物侧面的曲率半径为44mm，第六像侧面的曲率半径为-134mm。第一透镜、第二透镜和第三透镜的组合焦距为50mm；第五镜片和第六镜片的组合焦距为75mm。

如图2所示，激光器出来的发散光，依次经过第一透镜、第二透镜和第三透镜准直成平行光，经过异形楔形镜被分离成两束能量一致的光束，再经过五透镜和第六透镜聚焦，最后被反射在工作平面形成两个聚焦点，两焦点在工作平面分离1mm，且两焦点光斑的能量一致。从图2可以看出，两个聚焦点都在衍射极限内，聚焦光斑圆度98％以上；旋转楔形镜，可实现调节双焦点相对于焊接点的位置，提高精度，如图4，旋转楔形镜还可以改变双焦点焊接头的工作方式，如，两个焦点的中心连线与焊接方向平行或垂直。

实施例2

如图3所示，一种双焦点激光焊接头，包括实施例1所述的双焦点激光焊接光学系统，还包括依次相接的QBH接头、第一镜座、第二镜座和第三镜座；

第一透镜、第二透镜和第三透镜依次安装在第一镜座内；第一透镜和第二透镜之间设有第一隔圈，第二透镜和第三透镜之间设有第二隔圈；第一透镜的物侧面通过第一镜座内的限位台阶固定；第三透镜的像侧面通过与第三透镜依次相接的第一过渡圈和第一压圈固定；

第二镜座外侧设有调节圈、内侧设有内镜筒，调节圈、第二镜座和内镜筒通过导钉固定、形成旋转筒，旋转筒可相对第一镜座和第三镜座转动；第四透镜、第五透镜和第六透镜依次安装在内镜筒中；第四透镜和第五透镜之间设有第三隔圈；第五透镜和第六透镜之间设有第四隔圈；第四透镜的物侧面通过与第四透镜依次相接的第二过渡圈和第二压圈固定；第六透镜的像侧面通过内镜筒中的限位台阶固定；

反射镜安装在第三镜座内，反射镜的反射面与光的入射方向呈45°夹角；平面保护窗安装在反射镜反射面一侧的第三镜座侧壁上，平面保护窗与光的入射方向呈90°夹角。

上述第一镜座、第二镜座和第三镜座组装形成镜筒，各镜座所用材质为铝；镜筒的中心偏要保证小于1’。

旋转旋转筒，以实现对楔形镜和聚焦镜的旋转，进而实现调节双焦点相对于焊接点的位置，提高精度；旋转旋转筒，还可以改变双焦点焊接头的工作方式，如图4，两个焦点的中心连线与焊接方向平行或垂直。

经实践，上述双焦点焊接头可应用于焊接金属等材料，提高焊接稳定性，减少了飞溅，能够满足激光焊接的各项技术指标，且结构简单，安装调试方便、成本低廉。

Claims (9)

1.一种双焦点激光焊接光学系统，其特征在于：包括沿光的入射方向依次设置的第一镜组、第二镜组和第三镜组；沿光的入射方向，第一镜组包括依次设置的第一透镜、第二透镜和第三透镜，第二镜组包括依次设置的第四透镜、第五透镜和第六透镜，第三镜组包括依次设置的反射镜和平面保护窗；第一透镜、第二透镜、第五透镜和第六透镜均为正透镜；第三透镜为负透镜，第四透镜为楔形镜。

2.如权利要求1所述的双焦点激光焊接光学系统，其特征在于：第一透镜、第二透镜和第三透镜的组合焦距范围在40mm～70mm之间；第五镜片和第六镜片的组合焦距在60mm-100mm之间。

3.如权利要求1或2所述的双焦点激光焊接光学系统，其特征在于：楔形镜的楔角为1°～3°。

4.如权利要求1或2所述的双焦点激光焊接光学系统，其特征在于：沿光的入射方向，第一透镜的两面依次为第一物侧面和第一像侧面，第二透镜的两面依次为第二物侧面和第二像侧面，第三透镜的两面依次为第三物侧面和第三像侧面，第四透镜的两面依次为第四物侧面和第四像侧面，第五透镜的两面依次为第五物侧面和第五像侧面，第六透镜的两面依次为第六物侧面和第六像侧面；第一物侧面为平面，第一像侧面的曲率半径为37.18mm；第二物侧面的曲率半径为109mm，第二像侧面的曲率半径为76.8mm；第三物侧面的曲率半径为37mm，第三像侧面的曲率半径为-27mm；第五物侧面的曲率半径为81mm，第五像侧面的曲率半径为420mm；第六物侧面的曲率半径为44mm，第六像侧面的曲率半径为-134mm。

5.如权利要求4所述的双焦点激光焊接光学系统，其特征在于：第四物侧面为平面，第四像侧面自中心起被斜切为楔形、形成楔形镜，楔角为1.7°，第四透镜没被斜切的厚度为5±0.2mm。

6.如权利要求1或2所述的双焦点激光焊接光学系统，其特征在于：第一透镜与第二透镜的中心间隔为3.5±0.05mm；第二透镜与第三透镜的中心间隔为0.5±0.05mm；第三透镜与第四透镜的中心间隔为10±0.05mm；第四透镜与第五透镜的中心间隔为2±0.05mm；第五透镜和第六透镜的中心间隔是3±0.05mm。

7.如权利要求1或2所述的双焦点激光焊接光学系统，其特征在于：第一透镜的中心厚度为6±0.1mm；第二透镜的中心厚度为5±0.1mm；第三透镜的中心厚度为5±0.1mm；第五透镜的中心厚度为5±0.1mm；第六透镜的中心厚度为5±0.1mm。

8.如权利要求1或2所述的双焦点激光焊接光学系统，其特征在于：第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜、第五透镜、第六透镜、反射镜和平面保护窗的材料均为紫外熔融石英。

9.一种双焦点激光焊接头，包括权利要求1-8任意一项所述的双焦点激光焊接光学系统，其特征在于：还包括依次相接的QBH接头、第一镜座、第二镜座和第三镜座；

第一透镜、第二透镜和第三透镜依次安装在第一镜座内；第一透镜和第二透镜之间设有第一隔圈，第二透镜和第三透镜之间设有第二隔圈；第一透镜的物侧面通过第一镜座内的限位台阶固定；第三透镜的像侧面通过与第三透镜依次相接的第一过渡圈和第一压圈固定；

第二镜座外侧设有调节圈、内侧设有内镜筒，调节圈、第二镜座和内镜筒通过导钉固定、形成旋转筒，旋转筒可相对第一镜座和第三镜座转动；第四透镜、第五透镜和第六透镜依次安装在内镜筒中；第四透镜和第五透镜之间设有第三隔圈；第五透镜和第六透镜之间设有第四隔圈；第四透镜的物侧面通过与第四透镜依次相接的第二过渡圈和第二压圈固定；第六透镜的像侧面通过内镜筒中的限位台阶固定；

反射镜安装在第三镜座内，反射镜的反射面与光的入射方向呈45°夹角；平面保护窗安装在反射镜反射面一侧的第三镜座侧壁上，平面保护窗与光的入射方向呈90°夹角。

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