一种实现激光切割与焊接应用切换的光学装置的制作方法

本发明涉及激光加工技术领域，更具体地说，涉及一种实现激光切割与焊接应用切换的光学装置。

背景技术：

激光加工技术是利用激光束与物质相互作用的特性，对材料进行切割、焊接、表面处理、打孔及微加工等的一种加工技术，其作为先进制造技术已广泛应用于汽车制造、航空航天、仪器仪表、工业加工等诸多领域。其中，激光切割和激光焊接技术为激光加工技术的重要应用，这两种技术在工业加工过程中相辅相成，密不可分。

目前，现有的激光切割设备和激光焊接设备为两个相互独立的体系，因此，当在加工过程中需要进行激光切割和激光焊接时，则需要同时购置激光切割设备和激光焊接设备，其设备成本比较高，而且工艺流程比较繁琐、复杂。

综上所述，如何降低设备成本，简化工艺流程，是目前本领域技术人员亟待解决的技术问题。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种实现激光切割与焊接应用切换的光学装置，以降低设备成本，简化工艺流程。

为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种实现激光切割与焊接应用切换的光学装置，包括机箱、位于所述机箱内且用于发射激光束的激光光源，还包括：

设置在所述激光束的传输路径上、用于对所述激光束进行耦合的聚焦镜；

设置在所述聚焦镜的出光口位置处的传能光纤；

可移动地安装在所述机箱内的发散镜，所述发散镜用于当移进所述激光光源、所述聚焦镜及所述传能光纤形成的光路中时对所述激光束进行扩散，使所述激光束用于激光焊接，并当移出所述光路中时使所述激光束用于激光切割。

优选的，所述机箱底部与所述发散镜之间设置有用于使所述发散镜进行移动且相互配合的滑轨和滑槽，其中，所述滑轨与所述滑槽均呈v型。

优选的，还包括与所述发散镜相连的丝杠螺母机构、与所述丝杠螺母机构相连的驱动电机。

优选的，还包括设置在所述光路中的限位开关、与所述限位开关及所述驱动电机相连的控制器。

优选的，所述发散镜可移动地安装在所述聚焦镜的入光口侧。

优选的，所述发散镜可移动地安装在所述传能光纤的出光口侧。

优选的，所述激光光源包括半导体激光器、对所述半导体激光器发射出的激光束进行合束的反射镜。

优选的，所述发散镜为双凹透镜、平凹透镜、凹面镜中的任意一种。

优选的，所述聚焦镜为球面镜、非球面镜、两个分离且正交放置的柱面镜中的任意一种。

本发明提供了一种实现激光切割与焊接应用切换的光学装置，包括机箱、位于机箱内且用于发射激光束的激光光源，还包括：设置在激光束的传输路径上、用于对激光束进行耦合的聚焦镜；设置在聚焦镜的出光口位置处的传能光纤；可移动地安装在机箱内的发散镜，发散镜用于当移进激光光源、聚焦镜及传能光纤形成的光路中时对激光束进行扩散，使激光束用于激光焊接，并用于当移出光路中时使激光束用于激光切割。

本申请公开的上述技术方案，在实现激光切割与焊接应用切换的光学装置中设置起耦合作用的聚焦镜和可移动的发散镜，当发散镜移进激光光源、聚焦镜及传能光纤形成的光路中时，其可以对激光束起到扩散的作用，以扩大激光束的发散角，扩大实现激光切割与焊接应用切换的光学装置最终所输出的激光束的光斑面积，降低实现激光切割与焊接应用切换的光学装置最终所输出的激光束的功率密度，使得所输出的激光束可以用于激光焊接，当发散镜移出光路中时，则激光束在照射到聚焦镜之后可以直接耦合进传能光纤，最终输出光斑面积比较小、功率密度比较大的激光束，使得实现激光切割与焊接应用切换的光学装置最终所输出的激光束可以用于激光切割，即上述实现激光切割与焊接应用切换的光学装置既可以进行激光焊接又可以进行激光切割，且可以通过调整发散镜的位置来实现激光焊接和激光切割之间的灵活转换，因此，则可以降低设备成本，简化工艺流程。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的一种实现激光切割与焊接应用切换的光学装置的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的实现激光切割时的示意图；

图3为本发明实施例提供的激光焊接与激光切割的一具体实施例的光斑对比图；

图4为本发明实施例提供的实现激光焊接时的一具体实施例的示意图；

图5为本发明实施例提供的实现激光焊接时的另一具体实施例的示意图。

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。

参见图1和图2，其中，图1示出了本发明实施例提供的一种实现激光切割与焊接应用切换的光学装置的结构示意图，图2示出了本发明实施例的实现激光切割时的示意图。本发明实施例提供的一种实现激光切割与焊接应用切换的光学装置，可以包括机箱1、位于机箱1内且用于发射激光束的激光光源2，还可以包括：

设置在激光束的传输路径上、用于对激光束进行耦合的聚焦镜3；

设置在聚焦镜3的出光口位置处的传能光纤4；

可移动地安装在机箱1内的发散镜5，发散镜5用于当移进激光光源2、聚焦镜3及传能光纤4形成的光路中时对激光束进行扩散，使激光束用于激光焊接，并用于当移出光路中时使激光束用于激光切割。

实现激光切割与焊接应用切换的光学装置可以包括机箱1、激光光源2、聚焦镜3、传能光纤4及发散镜5。机箱1用于固定和保护激光光源2等器件；激光光源2用于发射激光束，其输出功率可以根据加工材料的特征而进行设定和调整；聚焦镜3设置在激光光源2所发射的激光束的传输路径上，该聚焦镜3用于对所接收到的激光束进行耦合，以使其可以进入到传能光纤4中；传能光纤4设置在聚焦镜3的出光口位置处，用于接收聚焦镜4所耦合的激光束并传输激光束，其包括包层区域41和内芯区域42。

发散镜5可移动地安装在机箱1内，用于在激光光源2、聚焦镜3及传能光纤4所形成的光路中和光路外进行移动，以对激光束的发散角起到调整的作用，从而改变实现激光切割与焊接应用切换的光学装置最终所输出的激光束的光斑面积和功率密度，使得实现激光切割与焊接应用切换的光学装置既可以进行激光焊接又可以进行激光切割。

具体地，当发散镜5移进光路中并接收激光束时，其可以对所接收到的激光束起到扩散的作用，从而扩大激光束的发散角，最终使得实现激光切割与焊接应用切换的光学装置可以输出光斑面积比较大、功率比较小的激光束，而这类激光束则可以用于激光焊接；当发散镜5移出光路中时，此时，激光光源2所发射出的激光束会直接垂直照射到聚焦镜3上，聚焦镜3在接收到激光束后会直接对其进行耦合，耦合后的激光束在进入传能光纤4时，其入射角会小于或等于传能光纤4的临界角，此时，激光束则会在传能光纤4的内芯区域42内传输，并最终输出加工所用的激光束。由于内芯区域42的横截面积比较小且未经过发散镜5的扩散作用，则实现激光切割与焊接应用切换的光学装置最终会输出光斑面积比较小、功率密度比较高的激光束，因此，使得该类激光束可以用于激光切割。

参见图3，其示出了本发明实施例提供的激光焊接与激光切割的一具体实施例的光斑对比图，当进行激光焊接时，实现激光切割与焊接应用切换的光学装置最终所输出的激光束的光斑半径r1＝4mm，当进行激光切割时，实现激光切割与焊接应用切换的光学装置最终所输出的激光束的光斑半径r2＝2mm。因此，则可以在激光光源2的输出功率不变的情况下，通过增大所输出的激光束的光斑面积而减少其功率密度来实现从激光切割到激光焊接的转化。

另外，由于上述实现激光切割与焊接应用切换的光学装置在进行激光焊接和激光切割时只需对发散镜5的位置进行调整即可，而无需对传能光纤4等器件进行更换或操作，因此，则可以简化激光焊接和激光切割共用情况下的工艺流程。除此之外，还可以减少对传能光纤4等器件所带来的损害，从而可以提高传能光纤4等器件的使用寿命，提高实现激光切割与焊接应用切换的光学装置的使用寿命，降低实现激光切割与焊接应用切换的光学装置的使用成本。

需要说明的是，发散镜5与聚焦镜3之间的相对位置需要在前期的光学设计和机械设计中进行明确。

本申请公开的上述技术方案，在实现激光切割与焊接应用切换的光学装置中设置起耦合作用的聚焦镜和可移动的发散镜，当发散镜移进激光光源、聚焦镜及传能光纤形成的光路中时，其可以对激光束起到扩散的作用，以扩大激光束的发散角，扩大实现激光切割与焊接应用切换的光学装置最终所输出的激光束的光斑面积，降低实现激光切割与焊接应用切换的光学装置最终所输出的激光束的功率密度，使得所输出的激光束可以用于激光焊接，当发散镜移出光路中时，则激光束在照射到聚焦镜之后可以直接耦合进传能光纤，最终输出光斑面积比较小、功率密度比较大的激光束，使得实现激光切割与焊接应用切换的光学装置最终所输出的激光束可以用于激光切割，即上述实现激光切割与焊接应用切换的光学装置既可以进行激光焊接又可以进行激光切割，且可以通过调整发散镜的位置来实现激光焊接和激光切割之间的灵活转换，因此，则可以降低设备成本，简化工艺流程。

本发明实施例提供的一种实现激光切割与焊接应用切换的光学装置，机箱1底部与发散镜5之间可以设置有用于使发散镜5进行移动且相互配合的滑轨6和滑槽7，其中，滑轨6与滑槽7均呈v型。

可以在机箱1的底部与发散镜5之间设置有相互配合且均呈v型的滑轨6和滑槽7，以使发散镜5能够在光路中和光路外进行移动。其中，呈v型的滑轨6和滑槽7不仅可以对发散镜5起到导向的作用，以减少发散镜5在移动过程中所发生的偏移，而且还可以减少发散镜5在移动过程中的摩擦力。

需要说明的是，可以将呈v型的滑轨6设置在发散镜5上，相应的，则可以将呈v型的滑槽7设置在机箱1的底部。当然，也可以将呈v型的滑槽7设置在发散镜5上，而将呈v型的滑轨6设置在机箱1的底部。另外，也可以将滑轨6和滑槽7的横截面设置为四边形或者五边形等，本申请对其形状不做任何限定。

本发明实施例提供的一种实现激光切割与焊接应用切换的光学装置，还可以包括与发散镜5相连的丝杠螺母机构、与丝杠螺母机构相连的驱动电机。

可以在实现激光切割与焊接应用切换的光学装置中设置与发散镜5相连的丝杠螺母机构及与丝杠螺母机构相连的驱动电机。通过驱动电机驱动丝杠螺母机构进行运动，以利用丝杠螺母机构带动发散镜5在呈v型的滑轨6和呈v型的滑槽7的相互配合下进行移动。

当然，也可以通过气缸等方式驱动发散镜5进行移动等，本申请对驱动发散镜5进行移动的方式不做任何限定。

本发明实施例提供的一种实现激光切割与焊接应用切换的光学装置，还可以包括设置在光路中的限位开关、与限位开关及驱动电机相连的控制器。

为了使发散镜5可以准确地移动到激光光源2、聚焦镜3及传能光纤4所形成的光路中而使激光束可以垂直地照射到发散镜5上，则可以在光路的相应位置上设置限位开关，并设置与限位开关及驱动电机相连的控制器。当发散镜5移动到光路中之后，限位开关可以发送命令至控制器，此时，控制器则可以控制驱动电机停止驱动，以使发散镜5停止运动。

参见图1和图4，其中，图4示出了本发明实施例提供的实现激光焊接时的一具体实施例的示意图。本发明实施例提供的一种实现激光切割与焊接应用切换的光学装置，发散镜5可移动地安装在聚焦镜3的入光口侧。

发散镜5可以可移动地安装在聚焦镜3的入光口侧。

相应地，当发散镜5移进光路中时，激光光源2发射出的激光束垂直照射到发散镜5上，通过发散镜5的扩散作用之后，激光束的直径被放大一定的程度，然后，再通过聚焦镜3耦合进传能光纤4。在经过发散镜5的扩散作用之后，激光束的入射角会大于传能光纤4的临界角，这就使得激光束可以在传能光纤4的包层区域41和内芯区域42内共同传输。由于包层区域41和内芯区域42整体的横截面积及数值孔径均比较大，因此，从传能光纤4输出的激光束的光斑面积会比较大，功率密度会比较低，则该激光束可用于激光焊接；当发散镜5移出光路中后，对应的光路可以参见图2，激光光源2所发射出的激光束会直接垂直照射到聚焦镜3上，聚焦镜3在接收到激光束后会直接对其进行耦合。耦合后的激光束在进入传能光纤4时，其入射角会小于或等于传能光纤4的临界角，此时，激光束则会在传能光纤4的内芯区域42内传输。由于内芯区域42的横截面积比较小，因此，从传能光纤4输出的激光束的光斑面积会比较小，功率密度会比较高，则该激光束可用于激光切割。

参见图5，其示出了本发明实施例提供的实现激光焊接时的另一具体实施例的示意图。本发明实施例提供的一种实现激光切割与焊接应用切换的光学装置，发散镜5可移动地安装在传能光纤4的出光口侧。

除了将发散镜5设置在聚焦镜3的入光口侧外，还可以将发散镜5可移动地设置在传能光纤4的出光口侧，以对传能光纤4所输出的激光束进行作用。

当发散镜5移进光路中时，即当发散镜5移到传能光纤4的出光口位置处时，发散镜5则可以对传能光纤4所输出的激光束起到扩散的作用，从而扩大所输出的激光束的光斑尺寸，扩大所输出的激光束的光斑面积，减少所输出的激光束的功率密度，以使其适用于激光焊接；当发散镜5移出光路中时，即移到传能光纤4的出光口位置之外时，则最终可以得到光斑面积比较小、功率密度比较大的激光束，对应的光路可以参见图2，从而使得实现激光切割与焊接应用切换的光学装置最终所输出的激光束可以适用于激光切割。

本发明实施例提供的一种实现激光切割与焊接应用切换的光学装置，激光光源2可以包括半导体激光器21、对半导体激光器21发射出的激光束进行合束的反射镜22。

实现激光切割与焊接应用切换的光学装置中所设置的激光光源2具体为一个由多个半导体激光器21利用反射镜22合束制成的光源，即该激光光源2为单管合束光源，通过反射镜22对激光束进行空间合束。其中，半导体激光器21具有电光转换效率高、体积小、波长短等优点，因此，将其运用到实现激光切割与焊接应用切换的光学装置中时则可以提高该装置的加工性能，并提高该装置的产品竞争力。

本发明实施例提供的一种实现激光切割与焊接应用切换的光学装置，发散镜5可以为双凹透镜、平凹透镜、凹面镜中的任意一种。

应用在实现激光切割与焊接应用切换的光学装置中的发散镜5具体可以为双凹透镜、平凹透镜、凹面镜中的任意一种，以对激光束起到扩散的作用。

本发明实施例提供的一种实现激光切割与焊接应用切换的光学装置，聚焦镜3可以为球面镜、非球面镜、两个分离且正交放置的柱面镜中的任意一种。

应用在实现激光切割与焊接应用切换的光学装置中的聚焦镜3具体可以为球面镜、非球面镜、两个分离且正交放置的柱面镜中的任意一种，以将所接收到的激光束耦合到传能光纤4中。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。另外，本发明实施例提供的上述技术方案中与现有技术中对应技术方案实现原理一致的部分并未详细说明，以免过多赘述。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。