一种分束双聚焦点激光加工头

摘要

本发明提供了一种分束双聚焦点激光加工头，包括光路腔体、腔体连接盒、伺服电机和外接法兰；光路腔体通过联轴器与伺服电机的输出轴相连；光路腔体的内部设置有分束镜、第一反射镜、第二反射镜、第三反射镜、聚焦镜和两个伸缩套筒；分束镜和第一反射镜分别通过一调整镜座固定安装在光路腔体的侧壁上，第二反射镜和第三反射镜分别通过一调整镜座安装在两个伸缩套筒的伸缩端上，伸缩套筒的固定端安装在光路腔体的侧壁上。该分束双聚焦点激光加工头通过对入射激光束进行空间分束，实现前后两个聚焦点，改变双光束聚焦点之间相对空间位置，提高激光能量利用效率，可有效抑制激光焊接等离子屏蔽作用，提高加工深度，改善激光加工质量。

权利要求

1.一种分束双聚焦点激光加工头，其特征在于，包括光路腔体(1)、腔体连接盒(12)、伺服电机(13)和外接法兰(16)；

光路腔体(1)通过联轴器与伺服电机(13)的输出轴相连；伺服电机(13)可驱动光路腔体(1)绕其自身轴线旋转；腔体连接盒(12)通过外接法兰(16)与外部机床固定连接，伺服电机(13)与腔体连接盒(12)相连；光路腔体(1)通过带轴承座的连接法兰(14)连接在腔体连接盒(12)上，腔体连接盒(12)通过轴承座对光路腔体(1)提供悬挂支持并实现其自转；

所述光路腔体(1)的外壁侧面上设置有激光入射孔，光纤输出耦合装置(17)与激光入射孔相连，所述光路腔体(1)的底部设置有激光出射孔；

所述光路腔体(1)的内部设置有分束镜(2)、第一反射镜(3)、第二反射镜(4)、第三反射镜(5)、聚焦镜(6)和两个伸缩套筒(7)；

所述聚焦镜(6)可以是单个组合透镜，也可以是两个独立的聚焦透镜组合而成；所述聚焦透镜是指普通平凸聚焦镜或者组合透镜；

分束镜(2)和第一反射镜(3)分别通过一调整镜座(8)固定安装在光路腔体(1)的侧壁上，第二反射镜(4)和第三反射镜(5)分别通过一调整镜座(8)安装在两个伸缩套筒(7)的伸缩端上，所述伸缩套筒(7)的固定端安装在光路腔体(1)的侧壁上；

外部光纤(18)通过光纤输出耦合装置(17)接入激光入射孔，之后激光束入射至分束镜(2)，经分束镜(2)的反射和透射后，形成反射激光束和透射激光束这两束激光；反射激光束垂直入射至第一反射镜(3)，经第一反射镜(3)的反射后，水平入射至第三反射镜(5)，经第三反射镜(5)的反射后，垂直入射至聚焦镜(6)，聚焦镜(6)将激光束聚焦后输出第一光斑(10)在工件(9)的表面；

透射激光束水平入射至第二反射镜(4)；经第二反射镜(4)的反射后，垂直入射至聚焦镜(6)，聚焦镜(6)将激光束聚焦后输出第二光斑(11)在工件(9)的表面，第二光斑(11)位于第一光斑(10)的前方，两者之间有间距。

说明书

一种分束双聚焦点激光加工头

技术领域

[0001] 本发明属于激光加工领域，具体涉及一种分束双聚焦点激光加工头。

背景技术

[0002] 目前，随着商用高功率激光器不断向前发展，光纤激光焊接时功率密度可达到6 8 2
10-10W/cm ，与传统的厚板焊接技术相比，光纤激光焊接具有高速，极小焊后变形等优点。
但是高功率光纤激光焊接厚板过程比较复杂，焊接时产生的小孔极不稳定，易产生飞溅、表面塌陷、底部驼峰等焊接缺陷，不仅影响焊缝美观，而且影响了焊缝力学性能。

[0003] 激光焊接是在空间有限的局部区域连接两块或更多的固体材料，使工件加热熔化，形成熔池，并保持稳定直至凝固。在激光焊接过程中，当激光束照射金属材料时，其能量通过热传导和热辐射的方式传输到工件表面及表面以下的更深处。在激光热源的作用下，材料熔化、蒸发，并穿透工件的厚度方向形成狭长空洞，随着激光焊接的进行，小孔沿被焊工件间的接缝移动，进而形成焊缝。激光焊接的目的是通过激光的辐射和被焊材料对激光能量的吸收产生液态熔池，并使之长大到理想尺寸，然后沿固液界面移动熔池，消除被焊构件间的初始缝隙，形成高质量的焊缝。熔池过大或过小，或者蒸发严重，都将导致焊接的失败。此外，焊缝的最终质量还可能因其他因素的改变而恶化，如合金组分的蒸发，过大的温度梯度(导致热裂纹)，以及焊接熔池体积与几何形状的不稳定(导致气孔和空穴)等。

[0004] 激光焊接的显著特征是大熔深、窄焊道、小热影响区以及高能量密度。同时，激光焊接也代表着一种在微小区间内材料加热与冷却之间的精细平衡。高功率激光焊接过程中的光致等离子体对激光束有屏蔽作用，焊接熔池上方形成的等离子体气团对激光能量的吸收，降低了焊接熔深、导致激光能量的浪费、影响焊接过程的稳定性、降低焊接质量，因而对激光焊接等离子体进行有效的抑制和调控十分重要。

发明内容

[0005] 本发明针对上述现有技术的不足，提供了一种分束双聚焦点激光加工头；该分束双聚焦点激光加工头通过对入射激光束进行空间分束，实现前后两个聚焦点，改变双光束聚焦点之间相对空间位置，提高激光能量利用效率，可有效抑制激光焊接等离子屏蔽作用，提高加工深度，改善激光加工质量以及实现激光加工中的特殊要求。

[0006] 本发明是通过如下技术方案实现的：

[0007] 一种分束双聚焦点激光加工头，包括光路腔体、腔体连接盒、伺服电机和外接法兰；

[0008] 光路腔体通过联轴器与伺服电机的输出轴相连；伺服电机可驱动光路腔体绕其自身轴线旋转；

[0009] 腔体连接盒通过外接法兰与外部机床固定连接，伺服电机与腔体连接盒相连；光路腔体通过带轴承座的连接法兰连接在腔体连接盒上，腔体连接盒通过轴承座对光路腔体提供悬挂支持并实现其自转；

[0010] 所述光路腔体的外壁侧面上设置有激光入射孔，光纤输出耦合装置与激光入射孔相连，所述光路腔体的底部设置有激光出射孔；

[0011] 所述光路腔体的内部设置有分束镜、第一反射镜、第二反射镜、第三反射镜、聚焦镜和两个伸缩套筒；分束镜和第一反射镜分别通过一调整镜座固定安装在光路腔体的侧壁上，第二反射镜和第三反射镜分别通过一调整镜座安装在两个伸缩套筒的伸缩端上，所述伸缩套筒的固定端安装在光路腔体的侧壁上；

[0012] 外部光纤通过光纤输出耦合装置接入激光入射孔，之后激光束入射至分束镜，经分束镜的反射和透射后，形成反射激光束和透射激光束这两束激光；

[0013] 反射激光束垂直入射至第一反射镜，经第一反射镜的反射后，水平入射至第三反射镜，经第三反射镜的反射后，垂直入射至聚焦镜，聚焦镜将激光束聚焦后输出第一光斑在工件的表面；

[0014] 透射激光束水平入射至第二反射镜；经第二反射镜的反射后，垂直入射至聚焦镜，聚焦镜将激光束聚焦后输出第二光斑在工件的表面，第二光斑位于第一光斑的前方，两者之间有间距。

[0015] 本发明具体如下有益效果：

[0016] 1、本发明通过对一束入射激光束进行空间分束，实现工件表面前后两个聚焦点，焦点连线构成近似线激光的效果，但双焦点连线的形式比传统的线激光能量更集中(线激光的能量均匀分布在整条线上，双焦点则仅仅集中在线的两个端点)，更符合焊接所需的高能量密度要求，不增加对激光器的额外要求。在焊接过程中，沿着焊接方向，前焦点加热、熔化，后焦点在前焦点的基础上进一步加深熔深(能量足够高时构成小孔焊接效果)，熔池存在时间加长，冶金反应充分，从而提高焊缝质量。

[0017] 2、本发明相比传统的单焦点光束焊接，分离的双焦点将相同的激光能量进行了合理的空间分布，降低了单焦点情况下的能量集中度，使得熔池蒸发效应比单焦点减少，从而减少等离子体体积，可有效抑制激光焊接等离子屏蔽作用，提高激光能量利用效率，提高加工深度；并且仅仅通过灵活改变双光束聚焦点之间相对距离，而无须改变焊接功率和速度，不会对应影响焊接深度和焊接效率，即可调控等离子的体积和分布形态，这是单焦点情况无法做到的。

[0018] 3、本发明通过控制伺服电机带动光路腔体根据控制需要进行旋转，既可以保持焊接方向与焦点连线之间的夹角为零度(二者重合)，显然也可以按预先设计的摆动变化二者夹角，该夹角的灵活控制带来两个好处，一是在一定范围内灵活控制焊缝宽度(最大为双焦点连线距离)，二是利用实时摆动改变光束对焊接等离子团的入射位置，避免光束对等离子体的持续加热，从而实时调控等离子的体积和分布形态，有利于有效抑制激光焊接等离子屏蔽作用，提高激光能量利用效率。

[0019] 4、本发明结构精巧，拆装方便，侧面入射光束和顶部连接法兰的灵活设计，入射光路及调节光路等都与机床本体完全脱藕，从而降低了加工头在机床安装的要求。

[0020] 5、本发明既可以通过采用单个聚焦透镜可以使得双束激光都聚焦在工件表面，也可以两个独立的聚焦透镜使二者不同时聚焦在工件表面(采用不同焦距的两个独立的聚焦透镜，或者相同焦距但两个独立的聚焦透镜沿光束入射方向错开一定间距即可实现)，实现离焦双点的效果，这种焦点的分离特别适合深熔焊接或小孔焊接的技术需要，比如说前点聚焦在表面，产生一定熔深之后，后点聚焦在新的熔深底部(工件内部)，则大大增强激光焊接的能量利用率，有效提高焊缝深度。

附图说明

[0021] 图1为本发明所述分束双聚焦点激光加工头的结构图；

[0022] 图中各标号的含义如下：

[0023] 光路腔体1、分束镜2、第一反射镜3、第二反射镜4、第三反射镜5、聚焦镜6、伸缩套筒7、调整镜座8、工件9、第一光斑10、第二光斑11、腔体连接盒12、伺服电机13、连接法兰14、外接法兰16、光纤输出耦合装置17、外部光纤18。

具体实施方式

[0024] 下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细的说明。

[0025] 如图1所示，本发明提供了一种分束双聚焦点激光加工头，包括光路腔体1、腔体连接盒12、伺服电机13和外接法兰16；

[0026] 光路腔体1通过联轴器与伺服电机13的输出轴相连；伺服电机13可驱动光路腔体1绕其自身轴线旋转。

[0027] 腔体连接盒12通过外接法兰16与外部机床固定连接，伺服电机13与腔体连接盒12相连(伺服电机13自身重力通过腔体连接盒12支撑，而腔体连接盒12通过外接法兰16与外部机床连接，以保持腔体连接盒12和伺服电机13相对外部机床的结构稳定性，因此加工头旋转时，伺服电机通过输出轴传递转矩但自身不转、腔体连接盒12也不转)。

[0028] 光路腔体1通过带轴承座的连接法兰14连接在腔体连接盒12上，由于联轴器只提供转矩，不能提供轴向力，故腔体连接盒12通过轴承座对光路腔体1提供悬挂支持作用并实现其自转能力。

[0029] 所述光路腔体1的外壁侧面上设置有激光入射孔，光纤输出耦合装置17与之相连，所述光路腔体1的底部设置有激光出射孔；

[0030] 所述光路腔体1的内部设置有分束镜2、第一反射镜3、第二反射镜4、第三反射镜5、聚焦镜6和两个伸缩套筒7；其中，分束镜2和第一反射镜3通过调整镜座8固定安装在光路腔体1的侧壁上，第二反射镜4和第三反射镜5分别通过一调整镜座8安装在两个伸缩套筒7的伸缩端上，所述伸缩套筒7的固定端安装在光路腔体1的侧壁上。

[0031] 外部光纤18通过光纤输出耦合装置17接入激光入射孔，之后激光束入射至分束镜2，经分束镜2的反射和透射后，形成反射激光束和透射激光束这两束激光；其中分束镜2可以是半透半反镜，也可以按照一定比例分配两个激光束。

[0032] 反射激光束垂直入射至第一反射镜3，经第一反射镜3的反射后，水平入射至第三反射镜5，经第三反射镜5的反射后，垂直入射至聚焦镜6，聚焦镜6将激光束聚焦后输出第一光斑10在工件9的表面；

[0033] 透射激光束水平入射至第二反射镜4；经第二反射镜4的反射后，垂直入射至聚焦镜6，聚焦镜6将激光束聚焦后输出第二光斑11在工件9的表面，第二光斑11位于第一光斑10的前方，两者之间有一定间距。

[0034] 其中，伸缩套筒7用于调节两个焦点之间的距离，调整镜座8用于调整镜片的空间方位角度。聚焦镜6可以是单个组合透镜(如f-theta)，也可以是两个独立的聚焦透镜(普通平凸聚焦镜或者组合透镜(如f-theta))组合而成。

[0035] 本发明所述的分束双聚焦点激光加工头形成的双聚焦点一前一后，两点构成焦点连线。通过采用单个聚焦透镜可以使得双束激光都聚焦在工件表面，也可以两个独立的聚焦透镜使二者不同时聚焦在工件表面(采用不同焦距的两个独立的聚焦透镜，或者相同焦距但两个独立的聚焦透镜沿光束入射方向错开一定间距即可实现)，实现离焦双点的效果。当焊接时(焊接路径不是直线时)，为了保持焊接方向与焦点连线之间的夹角(零度则重合，显然也可以有夹角)一致或者按预先设计的摆动变化，必须控制伺服电机13带动光路腔体1根据控制需要进行旋转。

[0036] 优选的，光路腔体1还可以在侧壁上和聚焦镜6的旁边开设气体流孔，通入保护气体，主要起到防止熔渣飞溅、保护聚焦镜片和冷却作用，以及对焊接熔池冶金反应的保护作用。

[0037] 本发明可改变为多种方式对本领域的技术人员是显而易见的，比如在激光束进入聚焦镜之前，在光路的任意合适位置添加扩束准直镜、或者添加若干反射镜使光路多反射转折几次再进入聚焦镜等等，这样的常规技术手段改变不认为脱离本发明的保护范围。