一种间距与分光能量可调三光点激光焊接光学系统的制作方法

技术领域：

本发明涉及激光焊接领域，特别涉及一种间距与分光能量可调三光点激光焊接光学系统。

背景技术：
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工业激光加工行业包括激光切割、焊接、打标、钻孔、微加工、熔覆、淬火、表面处理、3d打印等各方面，涵盖了各类常用金属或非金属材料的激光加工，其中尤以激光焊接、打标、3d打印等激光加工行业对激光束多样性的要求更具代表性。

激光焊接，从最初的单焦点焊接，到后面衍生的双焦点焊接、三焦点焊接等，目的是为了获得更好焊接效果与质量。双焦点焊接是激光束经过特殊整形后，聚焦出两束能量相同、大小一致的光斑，分别对称落在焊缝两边来进行加工的工艺方式，三焦点焊接通常是在双焦点焊接基础上，引入另一焦点对待焊接或焊接后的焊缝进行预处理或后处理,但在一些激光焊接场合，分布在焊缝两边的双光斑会用于辅助处理焊缝，大部分能量则分给了焊缝上的光斑。可见，不同的激光焊接场合，三光点激光焊接的三个光斑能量分布上，有其特定的要求。

当下的三焦点激光焊接光路，大致从两个方向出发，一种是通过特殊的光纤来获得三光点的输出光束，另一种则是通过外光路特殊整形处理来实现。前一种方案，以ipg为代表的光纤激光器分光方案，通过常规外光路聚焦后的三光点方向往往具有随意性，对激光焊接方向有诸多限制，而且高功率的特殊光纤，价格上十分昂贵，三光点分光能量以及光斑间距均不可调；后一种方案，有以laserline为代表的分光方案，通过镜片表面部分阵列化及分光化，获得主光点为方形，侧双光点为圆形的三光点，该方案的问题在于，三个光点的距离固定，十分影响并限制光纤芯径差异较大、聚焦镜焦距差异较大的激光焊接应用，再者，阵列化的镜面非常难加工，成本昂贵，目前仅有少数国外供应商有稳定的产品。

基于以上所述，同时考虑到机械结构实现的难易性，本发明提出一种间距与分光能量可调三光点激光焊接光学系统，通过采用圆楔形镜与三分束棱镜组合，基于双片圆楔形镜间距可调所引起的光束平移特性，基于双片三分束棱镜分束特性与棱夹角特性，基于圆楔形镜与三分束棱镜中心轴旋转特性，实现了一种聚焦三光点光学系统，三光点间距、能量以及方向均可调节，适用于任意光纤芯径的光纤激光器激光焊接应用，特别有助于提高激光钎焊中焊接件焊缝质量。

技术实现要素：
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本发明提供一种间距与分光能量可调三光点激光焊接光学系统，以解决上述背景技术中提出的问题。

为了解决上述问题，本发明提供了一种技术方案：一种间距与分光能量可调三光点激光焊接光学系统，包括：光纤激光器自出光点和焦平面，其创新点在于：还包括消像差准直镜组、第一片圆楔形镜、第二片圆楔形镜、第一片三分束棱镜、第二片三分束棱镜和消像差聚焦镜组；所述光纤激光器自出光点、消像差准直镜组、第一片圆楔形镜、第二片圆楔形镜、第一片三分束棱镜、第二片三分束棱镜、消像差聚焦镜组和焦平面自上而下以相互间隔的方式排列在一起且相互同心；所述第一片圆楔形镜与第二片圆楔形镜相互平行，所述第一片圆楔形镜与第二片圆楔形镜的楔形面相互对应；所述第一片圆楔形镜与第二片圆楔形镜之间的间距可调，且所述第一片圆楔形镜与第二片圆楔形镜可围绕中心轴360°旋转；所述第一片三分束棱镜与第二片三分束棱镜的分光面相互对应，所述第一片三分束棱镜与第二片三分束棱镜可围绕中心轴360°旋转；所述消像差准直镜组和消像差聚焦镜组均可换为消像差非球面镜，所述消像差准直镜组和消像差聚焦镜组的镜片均为圆柱状且相互同轴。

作为优选，所述第一片圆楔形镜与第二片圆楔形镜楔形面的楔角相同，且所述第一片圆楔形镜与第二片圆楔形镜的两侧镜面均为平面。

作为优选，所述第一片三分束棱镜和第二片三分束棱镜对应中心轴过三条分光棱交点，三条分光棱与中心轴夹角即棱轴夹角相同，三个分光面为平面且等面积等角度分布，两片三分束棱镜棱轴夹角相同。

作为优选，所述消像差聚焦镜组聚焦三光点在焦平面上，且三光点大小相同，中心连线为等边三角形，等边三角形中心不动，三光点间距、分束能量及方向可控。

本发明的有益效果：

(1)本发明结构设计新颖，通过采用圆楔形镜与三分束棱镜组合，基于双片圆楔形镜间距可调所引起的光束平移特性，基于双片三分束棱镜分束特性与棱夹角特性，基于圆楔形镜与三分束棱镜中心轴旋转特性，实现了一种聚焦三光点光学系统，三光点间距、能量以及方向均可调节，适用于任意光纤芯径的光纤激光器激光焊接应用，特别有助于提高激光钎焊中焊接件焊缝质量。

(2)本发明的光纤激光束经过消像差准直镜组准直后为平行光束，平行光束由两片圆楔形镜折射不影响传输方向的同时，产生光轴方向上的位置偏移，偏移距离与两圆楔形镜间距有关，确保入射到第一片三分束棱镜上的光束分光能量任意可控。

(3)本发明的圆楔形镜产生的偏移平行光束，经过两片三分束棱镜分束后，形成三束光束，当两片三分束棱镜六个中心对称面每两个相邻面夹角为60°时，三束光束传输方向相同，聚焦焦点为一个点，在此基础上微调其中两相邻中心对称面夹角，聚焦焦点即可分成三个光斑，对称面夹角改变的大小，决定三分光点的距离。

(4)本发明的圆楔形镜组与三分束棱镜组的组合调节，即实现了三光点间距与能量的调节。同时，圆楔形镜组、三分束棱镜组360°中心轴旋转，在保证三个分光光斑中心位置不动的同时，确保三个光斑可朝任意方向改变，以满足激光焊接的各向加工需求。

附图说明：

为了易于说明，本发明由下述的具体实施及附图作以详细描述。

图1为本发明的光学系统结构示意图。

图2为本发明的三分束棱镜结构示意图。

图3为本发明的光斑演化示意图。

1-光纤激光器自出光点；2-消像差准直镜组；3-第一片圆楔形镜；4-第二片圆楔形镜；5-第一片三分束棱镜；6-第二片三分束棱镜；7-消像差聚焦镜组；8-焦平面。

具体实施方式：

如图1、图2和图3所示，本具体实施方式采用以下技术方案：一种间距与分光能量可调三光点激光焊接光学系统，包括：光纤激光器自出光点1和焦平面8，还包括消像差准直镜组2、第一片圆楔形镜3、第二片圆楔形镜4、第一片三分束棱镜5、第二片三分束棱镜6和消像差聚焦镜组7；所述光纤激光器自出光点1、消像差准直镜组2、第一片圆楔形镜3、第二片圆楔形镜4、第一片三分束棱镜5、第二片三分束棱镜6、消像差聚焦镜组7和焦平面8自上而下以相互间隔的方式排列在一起且相互同心；所述第一片圆楔形镜3与第二片圆楔形镜4相互平行，所述第一片圆楔形镜3与第二片圆楔形镜4的楔形面相互对应；所述第一片圆楔形镜3与第二片圆楔形镜4之间的间距可调，且所述第一片圆楔形镜3与第二片圆楔形镜4可围绕中心轴360°旋转；所述第一片三分束棱镜5与第二片三分束棱镜6的分光面相互对应，所述第一片三分束棱镜5与第二片三分束棱镜6可围绕中心轴360°旋转；所述消像差准直镜组2和消像差聚焦镜组7均可换为消像差非球面镜，所述消像差准直镜组2和消像差聚焦镜组7的镜片均为圆柱状且相互同轴。

其中，所述第一片圆楔形镜3与第二片圆楔形镜4楔形面的楔角相同，且所述第一片圆楔形镜3与第二片圆楔形镜4的两侧镜面均为平面；所述第一片三分束棱镜5和第二片三分束棱镜6对应中心轴过三条分光棱交点，三条分光棱与中心轴夹角即棱轴夹角相同，三个分光面为平面且等面积等角度分布，两片三分束棱镜棱轴夹角相同；所述消像差聚焦镜组7聚焦三光点在焦平面上，且三光点大小相同，中心连线为等边三角形，等边三角形中心不动，三光点间距、分束能量及方向可控。

参阅图1、图2和图3，光纤激光器自出光点1输出发散光束，发散光束由消像差准直镜组2准直形成准直光束，准直光束与消像差准直镜组2中心轴同轴，经过第一片圆楔形镜3后，折射改变光束传输方向，对应光束又通过具有相同楔角的第二片圆楔形镜4，再次折射改变光束传输方向，由于两圆楔形镜之间的楔形面平行，故经过第二片圆楔形镜4的出射光束与入射到第一片圆楔形镜3的光束方向相同，仅发生了光轴上的位置平移，且平移方向与第一片圆楔形镜3、第二片圆楔形镜4中心对称面共面。平移激光束正入射到第一片三分束棱镜5后，被分为三条先交叉后发散的平行光束，三条光束再经过第二片三分束棱镜6，由于第一片三分束棱镜5与第二片三分束棱镜6棱轴夹角相同，分光面相对，当第一片三分束棱镜5与第二片三分束棱镜6共6个中心对称面的相邻两个面夹角为60°时，定义为第一片三分束棱镜5与第二片三分束棱镜6的初始态。在初始态下，经过第二片三分光棱镜折射后的三束分光束再由消像差聚焦镜组7聚焦后，焦平面8形成一个光斑；在初始状态基础上，绕中心轴小角度旋转第一片三分束棱镜5或第二片三分束棱镜6以改变6个对称面相邻两个对称面夹角，同时在确保经过第一片三分束棱镜5的三束分光束再通过第二片三分束棱镜6的分光面时完整落在对应分光面上而不至于二次分光的前提下，焦平面8会出现3个中心连线为等边三角形、大小相同的聚焦光斑，中心连线间距取决于前面的小角度旋转角大小，等边三角形中心不变；换言之，基于初始状态进行的小角度旋转，可以实现焦平面8聚焦光斑从单点逐渐演化为3个点的过程，且光斑间距连续可调，这就确保了不同的光纤芯径下，三光点激光焊接都能进行；另外，当第一片三分束棱镜5与第二片三分束棱镜6在上述前提下再整体旋转时，三光点的方向也会发生变化，确保了三光点的360°各向焊接应用。

在能量分布上，由于第一片圆楔形镜3与第二片圆楔形镜4的作用，导致第二片圆楔形镜4上出射的光束光轴相对于入射到第一片圆楔形镜3的入射光束光轴有第一片圆楔形镜3、第二片圆楔形镜4中心对称面上的位置偏移，偏移距离取决于第一片圆楔形镜3、第二片圆楔形镜4之间的距离，距离越小，光束位置偏移就越小，当第一片圆楔形镜3、第二片圆楔形镜4间距基本为零时，光束基本无偏移，此时第一片三分束棱镜5产生的三束分光束能量基本一致，故焦平面8三光点光斑能量基本一致；反之，当第一片圆楔形镜3、第二片圆楔形镜4间距逐渐变大，则光束位置偏移就越大，体现在第一片三分束棱镜5各分光面上的能量分布差异越大，产生的三束分光束能量差异也就越大，焦平面8三光点光斑能量差异相应也越大；基于第一片圆楔形镜3、第二片圆楔形镜4间距可连续变化，同时第一片圆楔形镜3、第二片圆楔形镜4组合整体绕中心轴一定角度旋转，即可按需求调整焦平面8上三个光点的能量，比如一个光斑能量低，另两光斑能量相同且比较高；或者一个光斑能量高，另两个光斑能量相同且较低。

本发明光路结构的实施步骤为：首先通过第一片三分束棱镜5或第二片三分束棱镜6相对中心轴小角度旋转形成所需要的三分光点，其次将第一片三分束棱镜5与第二片三分束棱镜6整体旋转一定角度来获得需要加工的方向，然后则是第一片圆楔形镜3、第二片圆楔形镜4整体旋转一定角度来确保在焊缝两边的光斑能量分布一致，最后才是改变第一片圆楔形镜3与第二片圆楔形镜4间距来实现三个光斑能量差异化，如果需求是焊缝两边光斑能量低而中间光斑能量高，通过上述调节发现只能实现三光斑能量基本一致到焊缝两边光斑能量高而中间光斑能量低，那么再将第一片圆楔形镜3、第二片圆楔形镜4整体旋转180°即可。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点，本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内，本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。