一种基于低频斩波反射镜脉冲复合焊接光学系统的制作方法

本发明涉及高功率光纤激光器激光焊接技术领域，具体为一种基于低频斩波反射镜脉冲复合焊接光学系统。

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。

当前激光切割占据了整个激光加工行业的主要地位，其中又以光纤输出类激光切割为首要。光纤输出类激光器涵盖了光纤激光器以及半导体光纤耦合激光器，由于光纤的柔韧性以及对近红外光束有很好的耦合输出的性能，使得光纤输出类激光器的市场占有率日益突出。目前千瓦级光纤输出类激光器已相当普及，万瓦级激光器也逐步上映市场，如ipg早已有高达100kw激光器问世。

随着光纤激光高功率化的普及，激光切割以外的激光加工应用也逐步得到扩展，从科研化到工业化，激光焊接、淬火、熔覆等都有较高程度的研究，甚至于新兴的3d打印技术，也是研究得如火如荼。

激光焊接，与传统的tig电弧焊、mig电弧焊等相比，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。但是，对于高反材料的激光焊接，普通的焊接方式不足以满足焊接需求，如铝合金的激光焊接，极易产生裂纹、气孔等激光焊接缺陷。

目前，有助于解决高反材料激光焊接缺陷的方式有多种。在铝合金激光焊接中，比如多光点激光焊接，较常规的是双光点激光焊，当双光点垂直焊缝方向与落于焊缝两边时，可以形成较大的熔池与匙孔，增加了匙孔稳定性，有利于内部气泡上浮，一定程度上改善焊缝内部的气孔，但这一般是针对大气孔而言，小气孔则很难消除；比如摆动扫描焊接，即通过特殊光学系统如振镜扫描、旋转楔形镜扫描等，扫描频率在100hz量级的一定范围内，都有助于抑制焊缝内部气孔的产生，有研究表明，减小焊缝深宽比有利于焊缝气孔的降低，这对于深熔焊来讲也是一种限制；又比如脉冲激光点焊，以co2激光器为例，当脉冲激光频率在50hz～200hz范围内，可以有效抑制甚至消除焊缝气孔，但是铝合金对co2激光反射率比光纤激光器的还高，而低频脉冲光纤激光器平均功率很难做上去，即便有价格也十分昂贵，且由于材料的高反特性，能量利用率低下，很难做到深熔焊；再如激光电弧复合焊，较大程度上可改善甚至消除高反材料的焊接缺陷，同时还提高熔深，改善表面质量，不过电弧焊本身的引入，会导致热影响区大幅扩大，即便是激光脉冲电弧复合焊，也很难替代单独的激光焊接熔宽与热影响区狭小这一本质。

基于上述各点，本发明提出一种基于低频斩波反射镜脉冲复合焊接光学系统，通过低频斩波反射镜高速旋转功能，可将连续激光束分成1：1占空比的脉冲光束，脉冲光束在时域上分别经过主光路与副光路，主光路固定，副光路末端平面反射镜与第二消像差聚焦镜组构成的光路方向相较于主光路方向夹角可调，且第二组消像差聚焦镜组可沿对应光轴移动，实现了焊缝方向上两光斑间距可调、副光路在焊缝表面的光斑大小可调功能，适用于高功率连续光纤激器激光焊接，尤其是如铝合金等高反材料的非熔透激光焊接应用，可有效改善甚至消除激光焊接缺陷如裂纹、气孔等，同时有效提高熔深及表面质量。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种基于低频斩波反射镜脉冲复合焊接光学系统，以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种基于低频斩波反射镜脉冲复合焊接光学系统，包括消像差准直镜组、低频斩波反射镜、第一反射镜、第二反射镜、第三反射镜、第四反射镜、第一消像差聚焦镜组及第二消像差聚焦镜组；所述消像差准直镜组、第一反射镜、第二反射镜、第三反射镜、第四反射镜、第一消像差聚焦镜组及第二消像差聚焦镜组均为圆柱状，石英材料；所述低频斩波反射镜为等角多扇形柱状，轻质铝合金材料；所述低频斩波反射镜、第一反射镜、第二反射镜、第三反射镜、第四反射镜均为45°反射角，反射镜面均为平面；所述低频斩波反射镜为1：1占空比3倍频反射镜，垂直于镜面方向上有3个对称面，各对称面形成的中心对称轴为低频斩波反射镜转轴；所述第四反射镜与第二消像差聚焦镜组共同转轴为入射到第四反射镜的光束中心轴，转轴经过第四反射镜反射镜面中心；所述低频斩波反射镜反射镜面、第一反射镜镜面平行，且与第一消像差聚焦镜组构成主光路，低频斩波反射镜漏光区域、第二反射镜、第三反射镜、第四反射镜以及第二消像差聚焦镜组构成副光路；所述低频斩波反射镜反射光束、第二反射镜反射光束方向相互垂直；所述主光路第一消像差聚焦镜组与第二消像差聚焦镜组中心轴共面。

优选的，所述副光路末端的第四反射镜与第二消像差聚焦镜组构成的光路方向相较于主光路方向夹角可调，且所述第二消像差聚焦镜组沿对应光轴移动，落在焊缝表面主光路光斑与副光路光斑中心连线在焊缝方向上，两光斑中心距离可调且前后可交换，副光路在焊缝表面的光斑大小可调；所述低频斩波反射镜转速可调，相应主光路、副光路脉冲频率可调。

优选的，所述消像差准直镜组、第一消像差聚焦镜组以及第二消像差聚焦镜组可替换为消像差非球面镜。

优选的，其使用方法包括以下步骤：

a、在高功率光纤激光器出光点入射下，发散光束经过消像差准直镜组准直，准直光束入射到低频斩波反射镜表面，同时低频斩波反射镜经过转轴进行旋转，低频斩波反射镜表面会出现1：1占空比下的光束完全漏光、部分漏光与部分反光、完全反光交替性规则过程；

b、当低频斩波反射镜在时域上实现完全漏光时，主光路无光，经过消像差准直镜组准直的光束自低频斩波反射镜漏光后入射到第二反射镜上，逐一经由第二反射镜、第三反射镜以及第四反射镜反射后，由第二消像差聚焦镜组聚焦，斜入射到焊缝表面；

c、当低频斩波反射镜在时域上实现部分漏光与部分反光时，副光路上遵从完全漏光时描述，主光路上则是经由低频斩波反射镜反射的准直光束，再由第一反射镜反射，反射光束由第一消像差聚焦镜组聚焦，聚焦光束垂直或近似垂直落在焊接件表面的焊缝上；

d、当低频斩波反射镜在时域上实现完全反光时，副光路无光，主光路上光束传输行为参照部分漏光与部分反光下主光路的传输行为；在低频斩波反射镜连续匀速绕转轴旋转下，整个光束传输行为出现上述交替变化过程，实现了主光路与副光路的脉冲变换。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、本发明提供的基于低频斩波反射镜脉冲复合焊接光学系统，通过低频斩波反射镜高速旋转功能，可将连续激光束分成1：1占空比的脉冲光束，脉冲光束在时域上分别经过主光路与副光路，主光路固定，副光路第四反射镜与第二消像差聚焦镜组构成的光路方向相较于主光路方向夹角可调，且第二消像差聚焦镜组可沿对应光轴移动，实现了焊缝方向上两光斑间距可调、副光路在焊缝表面的光斑大小可调功能，适用于高功率连续光纤激器激光焊接，尤其是如铝合金等高反材料的非熔透激光焊接应用，可有效改善甚至消除激光焊接缺陷如裂纹、气孔等，同时有效提高熔深及表面质量。

2、本发明提供的连续光纤激光器激光束经过消像差准直镜组准直后，由低频斩波反射镜进行时域分光，从而获得主光路与副光路上的两路脉冲光束。主光路固定，垂直或近似垂直焊接件表面，聚焦光束落在焊缝上；副光路斜入射到焊接件表面，聚焦光束落在焊缝上，第四反射镜与第二消像差聚焦镜组可共同绕入射到第四反射镜光束中心轴旋转，即可改变焊接件表面焊缝方向上两光斑间距以及前后关系；同时，低频斩波反射镜旋转频率可调，可保证主光路、副光路脉冲频率可调，第二消像差聚焦镜组沿对应入射光轴上位置可调，可确保副光路在焊缝表面上的光斑大小可调。

3、本发明提供的第四反射镜绕对应的入射光轴旋转时，不会改变反射率；低频斩波反射镜绕转轴旋转时，不会引起反射光束角度的变化，极大程度上保证了光束光斑特性比如时域上主光路、副光路聚焦光束垂直于对应光轴上的光斑基本为圆形，且不影响反射率；第一消像差聚焦镜组与第二消像差聚焦镜组中心轴共面，确保第四反射镜与第二消像差聚焦镜组在整体旋转摆动过程中，副光路落在焊缝上的光斑不发生偏离。

4、本发明提供的光路系统脉冲频率，在特殊的脉冲频率范围内，有助于降低甚至消除高反材料的激光焊接缺陷，同时减少热影响区，降低焊缝形变；主光路与副光路落在焊接件焊缝上的两个光斑间距可调，前后方向可换，副光路落在焊缝表面上的光斑大小可调，不仅适用于副光路光斑预处理、主光路光斑后加工方式，也适用于双光斑重叠焊方式以及主光路光斑先加工、副光路光斑后处理方式，除了有助于降低甚至消除激光焊接缺陷，也有助于提高能量利用率，如副光路光斑对焊缝先进行预加热软化，有利于主光路光束的能量吸收效率。另外，还有助于提高焊接熔深与深宽比，改善焊接表面质量，且理论上消除了非必要的能量损失。

附图说明

图1为本发明所述的低频斩波反射镜脉冲复合焊接光学系统结构示意图；

图2为本发明所述的低频斩波反射镜全反射时光学系统结构示意图；

图3为本发明所述的低频斩波反射镜全漏光时光学系统结构示意图；

图4为本发明的低频斩波反射镜结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1-4，本发明提供一种技术方案：一种基于低频斩波反射镜脉冲复合焊接光学系统，包括消像差准直镜组2、低频斩波反射镜3、第一反射镜5、第二反射镜8、第三反射镜9、第四反射镜10、第一消像差聚焦镜组6及第二消像差聚焦镜组11；所述消像差准直镜组2、第一反射镜5、第二反射镜8、第三反射镜9、第四反射镜10、第一消像差聚焦镜组6及第二消像差聚焦镜组11均为圆柱状，石英材料；所述低频斩波反射镜3为等角多扇形柱状，轻质铝合金材料；所述低频斩波反射镜3、第一反射镜5、第二反射镜8、第三反射镜9、第四反射镜10均为45°反射角，反射镜面均为平面；所述低频斩波反射镜3为1：1占空比3倍频反射镜，垂直于镜面方向上有3个对称面，各对称面形成的中心对称轴为低频斩波反射镜转轴4；所述第四反射镜10与第二消像差聚焦镜组11共同转轴为入射到第四反射镜10的光束中心轴，转轴经过第四反射镜10反射镜面中心；所述低频斩波反射镜3反射镜面、第一反射镜5镜面平行，且与第一消像差聚焦镜组6构成主光路，低频斩波反射镜3漏光区域、第二反射镜8、第三反射镜9、第四反射镜10以及第二消像差聚焦镜组11构成副光路；所述低频斩波反射镜3反射光束、第二反射镜8反射光束方向相互垂直；所述主光路第一消像差聚焦镜组6与第二消像差聚焦镜组11中心轴共面；消像差准直镜组2、第一消像差聚焦镜组6以及第二消像差聚焦镜组11可替换为消像差非球面镜。

本发明中，副光路末端的第四反射镜10与第二消像差聚焦镜组11构成的光路方向相较于主光路方向夹角可调，且所述第二消像差聚焦镜组11沿对应光轴移动，落在焊缝表面主光路光斑与副光路光斑中心连线在焊缝方向上，两光斑中心距离可调且前后可交换，副光路在焊缝表面的光斑大小可调；所述低频斩波反射镜3转速可调，相应主光路、副光路脉冲频率可调。

工作原理：在高功率光纤激光器出光点1入射下，发散光束经过消像差准直镜组2准直，准直光束入射到低频斩波反射镜3表面，同时低频斩波反射镜3经过转轴4进行旋转，低频斩波反射镜表面会出现1：1占空比下的光束完全漏光、部分漏光与部分反光、完全反光交替性规则过程，图1所示为部分漏光与部分反光的现象，图2所示为完全反光现象，图3所示为3完全漏光现象。当低频斩波反射镜3在时域上实现完全漏光时，主光路无光，经过消像差准直镜组2准直的光束自低频斩波反射镜3漏光后入射到第二反射镜8上，逐一经由第二反射镜8、第三反射镜9以及第四反射镜10反射后，由第二消像差聚焦镜组11聚焦，形成第一聚焦点7，斜入射到焊缝表面；当低频斩波反射镜3在时域上实现部分漏光与部分反光时，副光路上遵从完全漏光时描述，主光路上则是经由低频斩波反射镜3反射的准直光束，再由第一反射镜5反射，反射光束由第一消像差聚焦镜组6聚焦，形成第二聚焦点12，聚焦光束垂直或近似垂直落在焊接件表面的焊缝上；当低频斩波反射镜3在时域上实现完全反光时，副光路无光，主光路上光束传输行为参照部分漏光与部分反光下主光路的传输行为。在低频斩波反射镜3连续匀速绕转轴4旋转下，整个光束传输行为出现上述交替变化过程，实现了主光路与副光路的脉冲变换。同时，由于第四反射镜10与第二消像差聚焦镜组11整体可绕第四反射镜10入射光束光轴旋转，确保焊缝上主光路与副光路光斑间距以及朝向可控，另外第二消像差聚焦镜组11还可沿着第四反射镜10反射光束即第二消像差聚焦镜组11入射光束光轴方向做位置调整，保证了焊缝表面上副光路光斑大小的调节，实现了双光路脉冲复合焊接光学系统。

低频斩波反射镜3如图4，a、b、c三个部分为反射区域，均为60°扇形区，每个漏光区域也为60°区域，d区不允许通光，确保各脉冲1：1占空比。

本发明结构设计新颖，通过低频斩波反射镜高速旋转功能，可将连续激光束分成1：1占空比的脉冲光束，脉冲光束在时域上分别经过主光路与副光路，主光路固定，副光路第四反射镜与第二消像差聚焦镜组构成的光路方向相较于主光路方向夹角可调，且第二消像差聚焦镜组可沿对应光轴移动，实现了焊缝方向上两光斑间距可调、副光路在焊缝表面的光斑大小可调功能，适用于高功率连续光纤激器激光焊接，尤其是如铝合金等高反材料的非熔透激光焊接应用，可有效改善甚至消除激光焊接缺陷如裂纹、气孔等，同时有效提高熔深及表面质量。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。