CN217551503U - 光学系统及其激光焊接装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及激光焊接技术领域,特别是涉及一种光学系统及其激光焊接装置。一种光学系统,沿光轴依次包括:准直镜,包括第一入射镜面和第一出射镜面,所述第一入射镜面与所述第一出射镜面的其中一个为平面,另一个为凸面;以及,聚焦镜,包括第二入射镜面和第二入射镜面,所述第二入射镜面与所述第二出射镜面的其中一个为平面,另一个为凸面;其中,所述准直镜、所述聚焦镜的所述凸面的顶点与顶点处的曲率半径圆心的连线均与所述准直镜、所述聚焦镜的所述平面的法线形成大于0°的夹角;所述准直镜、所述聚焦镜均能够以光轴为旋转轴发生旋转。本实用新型的光学系统,将准直镜、聚焦镜与楔形镜功能融合,简化光路方案并保障功能完整性。
Description
技术领域
本实用新型涉及激光焊接技术领域,特别是涉及一种光学系统及其激光焊接装置。
背景技术
激光加工技术涵盖了激光切割、焊接、淬火、打孔、微加工等多种激光加工工艺,利用了激光与物质相互作用的基本特性。由于激光束具有与加工材料的非接触性、加工速度快与质量优异等优势,奠定了激光加工技术是一种无可替代的高新技术。
光纤激光焊接,具有能量密度高、速度快、焊接变形小、熔宽与热影响区窄等优点。随着光纤激光焊接发展,对于一些焊接质量要求不高的低功率薄板焊接而言,为节省成本,降低繁琐夹具限制,降低激光焊接操作要求,不采用机床或机器人等进行激光焊接应用,逐渐形成了一套新的激光焊接技术,即手持焊接。
传统技术的手持焊接中存在着扫描式光斑焊接,即通过如焊接装置中的振镜摆动扫描、楔形镜旋转扫描等方式实现聚焦光斑不同图形的变化。其中,振镜摆动扫描方案受电机限制及光学镜片较多影响导致激光头比较大且沉重,不利于客户手持应用体验;而楔形镜旋转扫描方案由于楔形镜与准直、聚焦镜分开应用,致使光路系统镜片较多,即便是采用中空电机带动楔形镜旋转,激光头结构也会较为复杂、沉重,客户使用体验不佳。
实用新型内容
为了解决传统技术中存在的问题,本实用新型提供了一种光学系统及其激光焊接装置,基于双片楔形镜扫描特性,将准直镜、聚焦镜与楔形镜功能融合,简化光路方案并保障功能完整性。
本实用新型一方面公开了一种光学系统,沿光轴依次包括:准直镜,包括第一入射镜面和第一出射镜面,所述第一入射镜面与所述第一出射镜面的其中一个为平面,另一个为凸面;以及,聚焦镜,包括第二入射镜面和第二入射镜面,所述第二入射镜面与所述第二出射镜面的其中一个为平面,另一个为凸面;其中,所述准直镜、所述聚焦镜的所述凸面的顶点与顶点处的曲率半径圆心的连线均与所述准直镜、所述聚焦镜的所述平面的法线形成大于0°的夹角;所述准直镜、所述聚焦镜均能够以光轴为旋转轴发生旋转。
在部分实施例中,所述准直镜、所述聚焦镜的所述凸面的顶点与顶点处的曲率半径圆心的连线均与所述准直镜、所述聚焦镜的所述平面的法线形成的夹角均小于10°。
在部分实施例中,所述准直镜、所述聚焦镜的所述凸面的顶点与顶点处的曲率半径圆心的连线均与光轴重合。
在部分实施例中,所述准直镜、所述聚焦镜在垂直于其所述凸面的顶点与顶点处的曲率半径圆心的连线的平面上的投影为中心对称图形。
在部分实施例中,所述准直镜能够与所述聚焦镜以相同的旋转速度与旋转方向旋转。
在部分实施例中,所述第一入射镜面为平面,所述第一出射镜面为凸面;所述第二入射镜面为凸面,所述第二出射镜面为平面。
在部分实施例中,所述准直镜、所述聚焦镜的所述凸面为球面镜面或者非球面镜面。
在部分实施例中,在第一入射镜面、第一出射镜面、第二入射镜面与所述第二出射镜面的一个或多个上设置增透膜。
本实用新型另一方面公开了一种激光焊接装置,包括激光源以及前述任一所述的光学系统,所述光学系统设置在所述激光源形成的光路上。
在部分实施例中,所述激光焊接装置还包括保护镜组件,所述保护镜组件设置在光路上且设置在所述聚焦镜远离所述准直镜的一侧。
有益效果
本实用新型的光学系统,基于双片楔形镜扫描特性,将准直镜、聚焦镜与楔形镜功能融合,简化光路方案并保障功能完整性。当本实用新型的光学系统应用于激光焊接装置时,有助于降低激光头尺寸及重量,提升客户使用体验,同时具备图形扫描功能,有助于提高焊缝宽度适应性及焊接质量,适用于激光焊接应用,特别适用于不同缝宽板材的手持焊接应用。
附图说明
图1为部分实施例中本实用新型的光学系统的示意图;
图2为部分实施例中本实用新型的光学系统的准直镜的示意图;
图3为部分实施例中本实用新型的光学系统的聚焦镜的示意图;
其中,1为激光源,2为准直镜,3为聚焦镜,4为保护镜组件,21为第一入射镜面,22为第一出射镜面,31为第二入射镜面,32为第二出射镜面。
具体实施方式
为使本实用新型的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂,下面结合附图对本实用新型的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本实用新型。但是本实用新型能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施,本领域技术人员可以在不违背本实用新型内涵的情况下做类似改进,因此本实用新型不受下面公开的具体实施例的限制。
在本实用新型的描述中,需要理解的是,术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系,仅是为了便于描述本实用新型和简化描述,而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作,因此不能理解为对本实用新型的限制。
此外,术语“第一”、“第二”仅用于描述目的,而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此,限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本实用新型的描述中,“多个”的含义是至少两个,例如两个,三个等,除非另有明确具体的限定。
在本实用新型中,除非另有明确的规定和限定,第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触,或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且,第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方,或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方,或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
需要说明的是,当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件,它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件,它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“上”、“下”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的,并不表示是唯一的实施方式。
参阅图1,图1示出了本申请一实施例中的光学系统的示意图,本申请一实施例提供了的光学系统包括依次设置在光路上的准直镜2和聚焦镜3。在该部分实施例中,光路由激光源1产生,激光源1为点发散光源,其发出的光束经过准直镜2准直后形成平行光束,平行光束进一步通过聚焦镜3形成焦点。
图2为图1中准直镜2的放大示意图。进一步的,如图2所示,准直镜2包括朝向激光源1的第一入射镜面21和相对远离激光源1的第一出射镜面22,第一入射镜面21与第一出射镜面22的其中一个为平面而另一个为凸面。这就意味着准直镜2具有两种具体的设置形式:第一种如图2所示,第一入射镜面21为平面,而第一出射镜面22为凸面;第二种则是设置第一入射镜面21为凸面,设置第一出射镜面22为平面。而无论所述平面被配置为第一入射镜面21或是第一出射镜面22,所述平面均被配置为其法线与所述凸面的顶点与顶点处的曲率半径圆心的连线形成大于0°的夹角,所述凸面的顶点指的是所述凸面的垂直于光轴的切平面与光轴的交点。准直镜2能够以光轴为旋转轴发生旋转。
类似地,如图3所示,聚焦镜3包括朝向激光源1的第二入射镜面31和相对远离激光源1的第二出射镜面32,第二入射镜面31与第二出射镜面32的其中一个为平面而另一个为凸面。这就意味着聚焦镜3具有两种具体的设置形式,第一种如图3所示,第二入射镜面31为凸面,而第二出射镜面32为平面;第二种则是设置第二入射镜面31为平面,设置第二出射镜面32为凸面。而无论所述平面被配置为第二入射镜面31或是第二出射镜面32,所述平面均被配置为其法线与所述凸面的顶点与顶点处的曲率半径圆心的连线形成大于0°的夹角。聚焦镜3能够以光轴为旋转轴发生旋转。
作为一种具体的示例,本申请的光学系统如图1所示,准直镜2的第一入射镜面21为平面,其第一出射镜面22为凸面,聚焦镜3的第二入射镜面31为凸面,而第二出射镜面32为平面。由于平面的法线与所述凸面的顶点与顶点处的曲率半径圆心的连线形成大于0°的夹角,这就使得激光源1发出的光线通过平面的第一入射镜面21会发生折射,折射后的光线经过凸面的第一出射镜面22进行准直,获得传输方向偏离光路中心轴的平行准直光束。该平行准直光束再次经过聚焦镜3的凸面的第二入射镜面31发生汇聚,但同样由于第二出射镜面32的平面与其凸面的顶点与顶点处的曲率半径圆心的连线形成大于0°的夹角,汇聚光束在经过平面的第二出射镜面32后再次发射偏折,最终使得汇聚光束的聚焦焦点相较于整个光路中心轴产生一定的偏移量。如此设置,旋转准直镜2以及聚焦镜3使准直镜2和聚焦镜3的相对旋转角度发生变化,本申请的光学系统便可以实现不同聚焦焦点偏移量。在此基础上同向同速准直镜2和聚焦镜3,即可实现不同直径圆的扫描。又或者,在其他部分实施例中,控制准直镜2和聚焦镜3的转速与转向不同,进而可以实现其他不同图形的扫描应用。
通过上述分析可知,本申请的光学系统,基于双片楔形镜扫描特性,将准直镜与楔形镜功能融合,在实现准直功能的同时,仍然能够大致呈楔形,从而能够使光束在经过准直镜后发生偏转。类似地,将聚焦镜与楔形镜功能融合,在实现光束汇聚功能的同时,由于能够大致呈楔形,光束在经过聚焦镜后也会发生偏转。如此,本申请的光学系统相较于传统技术简化了光路方案并保障了功能完整性。当本申请的光学系统应用于激光焊接装置时,有助于降低激光头尺寸及重量,提升客户使用体验,同时具备图形扫描功能,有助于提高焊缝宽度适应性及焊接质量,适用于激光焊接应用,特别适用于不同缝宽板材的手持焊接应用。
可以理解的,除了图1所示的实施例中,准直镜2与聚焦镜3的凸面相对设置的情形,在其他部分实施例中,也可以出现准直镜2与聚焦镜3的平面相对设置的情形,或者准直镜2的凸面与聚焦镜3的平面相对设置的情形,或者准直镜2的平面与聚焦镜3的凸面相对设置的情形。在这些其他的实施例中,激光源1发出的点发散光均可以以类似的原理在经过准直镜2获得传输方向偏离光路中心轴的平行准直光束,该平行准直光束在经过聚焦镜3后获得的汇聚光束的聚焦焦点相较于整个光路中心轴同样也会产生一定的偏移量。
具体来说,本申请的光学系统设置准直镜2、聚焦镜3的所述平面的法线与准直镜2、聚焦镜3的所述凸面的顶点与顶点处的曲率半径圆心的连线形成的夹角均小于10°。准直镜2的平面与其所述凸面的顶点与顶点处的曲率半径圆心的连线的夹角与聚焦镜3的平面与其所述凸面的顶点与顶点处的曲率半径圆心的连线的夹角可以设置为相同,也可以设置为不同。如此设置,本申请的光学系统的聚焦焦点不会偏离光轴过多,适用于激光焊接应用,特别适用于手持焊接应用。
具体来说,在如图1所示的部分实施例中,无论所述凸面被配置为第一入射镜面21或是第一出射镜面22,所述凸面均被配置为所述凸面的顶点与顶点处曲率半径圆心的连线与光轴重合。如此设置,有利于本申请的光学系统对聚焦焦点的位置进行控制和判断,进而有助于实现不同图形的扫描应用。
在部分实施例中,优选地将准直镜2、聚焦镜3设置为其在垂直于所述凸面的顶点与顶点处的曲率半径圆心的连线的平面上的投影为中心对称图形。如此设置,准直镜2与聚焦镜3更加容易加工。
可以理解的,对于准直镜2、聚焦镜3的所述凸面的具体形状,本申请的光学系统并不加以严格限制,只要准直镜2的凸面可以实现准直功能,而聚焦镜3的凸面可以实现聚焦功能即可。具体来说,准直镜2的凸面可以为球面镜面或者非球面镜面,聚焦镜3的凸面可以为球面镜面或者非球面镜面。准直镜2的凸面与聚焦镜3的凸面的具体形状可以设置为相同也可设置为不同。实践中,为了降低制造成本,准直镜2的凸面与聚焦镜3的凸面均为球面镜面,且球面镜面的曲率相同。当然,本领域技术人员也可以结合实际情况,根据本申请所公开的光学系统的具体构思对准直镜2、聚焦镜3的凸面的形状进行具体设计,本申请在此不再赘述。
作为一种具体可实现的实例,本申请的光路系统的准直镜2、聚焦镜3的镜面材料可以为熔融石英或者蓝宝石或者硫化锌,当然本领域技术人员也可以根据具体需要重新进行选择。这些镜片材料可以满足激光焊接中所需要的透射特性、折射特性以及机械特性。
在部分实施例中,至少在第一入射镜面、第一出射镜面、第二入射镜面与所述第二出射镜面的其中一个上设置增透膜。如此,便可以进一步细化调节准直镜2、聚焦镜3的光学性能,以满足激光焊接的需要。
本申请另一方面公开了一种激光焊接装置,所述激光焊接装置包括激光源1以及前述任一所述的光学系统,所述光学系统设置在所述激光源形成的光路上。本申请的激光焊接装置通过设置本申请的所述光学系统,较定光斑离焦焊接而言,其焊接光斑功率密度可大幅提高,同时确保焊缝上足够的光斑尺寸以降低激光焊接缺陷,且焊接质量更好,表面更为美观;较振镜扫描、传统楔形镜扫描而言,同样具备任意形状、一定范围尺寸可调的图形扫描,而光路系统精简许多,除了机械结构上更容易设计并能保证更小的外观尺寸外,整体重量也会更轻,有利于客户手持焊接应用体验,另外光路系统镜片数量更少,成本更低。
具体的,如图所示,本申请的激光焊接装置还可以包括保护镜组件4,保护镜组件4设置在光路上且设置在聚焦镜3远离准直镜2的一侧。如此,保护镜组件4可以对装置内的聚焦镜3、准直镜2进行保护,提高本申请的激光焊接装置的焊接效果。在部分实施例中,保护镜组件4可以包括保护镜壳体以及保护镜本体,保护镜本体安装在保护镜壳体中,保护镜本体设置于激光源1形成的光路上。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合,为使描述简洁,未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述,然而,只要这些技术特征的组合不存在矛盾,都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本实用新型的几种实施方式,其描述较为具体和详细,但并不能因此而理解为对实用新型专利范围的限制。应当指出的是,对于本领域的普通技术人员来说,在不脱离本实用新型构思的前提下,还可以做出若干变形和改进,这些都属于本实用新型的保护范围。因此,本实用新型专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (10)
1.一种光学系统,其特征在于,沿光轴依次包括:
准直镜,包括第一入射镜面和第一出射镜面,所述第一入射镜面与所述第一出射镜面的其中一个为平面,另一个为凸面;以及
聚焦镜,包括第二入射镜面和第二出射镜面,所述第二入射镜面与所述第二出射镜面的其中一个为平面,另一个为凸面;
其中,所述准直镜、所述聚焦镜的所述凸面的顶点与顶点处的曲率半径圆心的连线均与所述准直镜、所述聚焦镜的所述平面的法线形成大于0°的夹角;所述准直镜、所述聚焦镜均能够以光轴为旋转轴发生旋转。
2.根据权利要求1所述的光学系统,其特征在于,所述准直镜、所述聚焦镜的所述凸面的顶点与顶点处的曲率半径圆心的连线均与所述准直镜、所述聚焦镜的所述平面的法线形成的夹角均小于10°。
3.根据权利要求1所述的光学系统,其特征在于,所述准直镜、所述聚焦镜的所述凸面的顶点与顶点处的曲率半径圆心的连线均与光轴重合。
4.根据权利要求1所述的光学系统,其特征在于,所述准直镜、所述聚焦镜在垂直于其所述凸面的顶点与顶点处的曲率半径圆心的连线的平面上的投影为中心对称图形。
5.根据权利要求1所述的光学系统,其特征在于,所述准直镜能够与所述聚焦镜以相同的旋转速度与旋转方向旋转。
6.根据权利要求1所述的光学系统,其特征在于,所述第一入射镜面为平面,所述第一出射镜面为凸面;所述第二入射镜面为凸面,所述第二出射镜面为平面。
7.根据权利要求1所述的光学系统,其特征在于,所述准直镜、所述聚焦镜的所述凸面为球面镜面或者非球面镜面。
8.根据权利要求1所述的光学系统,其特征在于,在第一入射镜面、第一出射镜面、第二入射镜面与所述第二出射镜面的一个或多个上设置增透膜。
9.一种激光焊接装置,其特征在于,包括激光源以及权利要求1-8任一所述的光学系统,所述光学系统设置在所述激光源形成的光路上。
10.根据权利要求9所述的激光焊接装置,其特征在于,所述激光焊接装置还包括保护镜组件,所述保护镜组件设置在光路上且设置在所述聚焦镜远离所述准直镜的一侧。
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