一种基于楔角镜手持式激光焊接头光学系统技术方案

本发明专利技术揭示了一种基于楔角镜手持式激光焊接头光学系统，其包括沿光轴同心设置的准直镜、反射镜、楔角镜、聚焦镜以及保护镜，光束从一光纤芯径端面射出经过所述准直镜处理为准直平行光，然后经所述反射镜反射转向，再经所述楔角镜将光进行偏移设定角度后经所述聚焦镜射向工作平面，其中所述准直镜的焦距f

An optical system of hand held laser welding joint based on wedge angle mirror

【技术实现步骤摘要】
一种基于楔角镜手持式激光焊接头光学系统
本专利技术属于激光焊接
，特别是涉及一种基于楔角镜手持式激光焊接头光学系统。
技术介绍
激光焊接作为一种先进的焊接技术，已普遍应用于保温杯、汽车及电子等行业。配合自动化控制的激光焊接头设备作为重要输出应用端。激光焊接领域中需要保证焊接区域的焊缝无气泡、无虚焊、无断层及熔宽大等特点，且要求外观均匀及易于后续处理。但是传统的焊接头光束能量分布近似高斯分布，这种不均匀光束能量分布会导致焊接区域中间深、边缘没有被焊透的现象。因此提出一种光学方案使焊接头光斑大小不变、来回扫描，最后使得焊接区域熔融物能量分布均匀。均匀能量使得焊缝熔宽大、气泡减少及粘接拉力加强。现有技术中，光学方案设计后，实现常用电机旋转带动反射镜在某一个方向扫描“一”型，扫描时会出现仅一个方向光束能量搅拌焊接区域；而其余方向无能量搅动覆盖，使得焊缝形貌的美观性差及部分方向焊接强度下降。外置电机旋转导致结构臃肿，实际焊接中异型区域手持焊接头难于实施加工。因此，有必要提供一种新的基于楔角镜手持式激光焊接头光学系统来解决上述问题。
技术实现思路
本专利技术的主要目的在于提供一种基于楔角镜手持式激光焊接头光学系统，能够实现光斑大小恒定、能量分布均匀的光束进行O型扫描，大大提高了焊接质量和焊缝的美观性。本专利技术通过如下技术方案实现上述目的：一种基于楔角镜手持式激光焊接头光学系统，其包括沿光轴同心设置的准直镜、反射镜、楔角镜、聚焦镜以及保护镜，光束从一光纤芯径端面射出经过所述准直镜处理为准直平行光，然后经所述反射镜反射转向，再经所述楔角镜将光进行偏移设定角度后经所述聚焦镜射向工作平面，其中所述准直镜的焦距f1、所述楔角镜的楔角α和折射率n以及所述光纤芯径D满足以下关系式：进一步的，所述楔角镜通过一旋转驱动件驱动绕光轴进行自旋转运动。与现有技术相比，本专利技术一种基于楔角镜手持式激光焊接头光学系统的有益效果在于：通过楔角镜的旋转实现光束的O型扫描，同时能够保持在焊接区域内的任意点的光束聚焦的光斑大小恒定不变、且光束的入射角度也恒定不变，从而大大提高了焊接头的焊接质量和焊缝形貌的美观度；通过以扫描直径与光斑直径之比恒等于4为约束条件来配置楔角镜、准直镜以及聚焦镜，非常有益于激光能量的均匀传导，使得光斑区域的能量分布均匀。【附图说明】图1为本专利技术的结构示意图；图2为本专利技术的光斑设计效果示意图；图3为本专利技术中楔角镜的侧面结构示意图；图4为本专利技术中扫描区域的分解示意图；图5为本专利技术中楔角镜射出光斑与焦距的计算分解示意图；图6为本专利技术中不同扫描方式的焊缝结构示意图；图7-8分别为本专利技术内角焊在第一组参数条件下采用线型与O型扫描方式的焊缝结构示意图；图9-10分别为本专利技术内角焊在第二组参数条件下采用线型与O型扫描方式的焊缝结构示意图；图11-12分别为本专利技术内角焊在第三组参数条件下采用线型与O型扫描方式的焊缝结构示意图；图13-14分别为本专利技术外角焊在第四组参数条件下采用线型与O型扫描方式的焊缝结构示意图；图15-16分别为本专利技术外角焊在第五组参数条件下采用线型与O型扫描方式的焊缝结构示意图；图中数字表示：100基于楔角镜手持式激光焊接头光学系统；1准直镜；2反射镜；3楔角镜；4聚焦镜；5保护镜。【具体实施方式】实施例：请参照图1-图5，本实施例一种基于楔角镜手持式激光焊接头光学系统100，其包括沿光轴同心设置的准直镜1、反射镜2、绕光轴进行自旋转的楔角镜3、聚焦镜4以及保护镜5，光束从光纤芯径端面射出经过准直镜1处理为准直平行光，然后经反射镜2反射转向，再经楔角镜将光进行偏移设定角度后经聚焦镜4射向工作平面，其中准直镜1的焦距f1、聚焦镜4的焦距f2、楔角镜3的楔角α和折射率n以及光纤芯径D满足以下关系式：准直镜1用于对激光光束进行准直；反射镜2对准直光束进行反射转向；聚焦镜用于确定光学系统的后工作距离以及光斑大小；保护镜5用于防止返渣烧毁、污染聚焦镜以及提升透整个焊接头的使用寿命。聚焦镜4与准直镜1的焦距比值K＝f2/f1。根据行业内所述光斑直径大小D1由K值决定，其值D1的计算公式为：D1＝D·f2/f1。所述的楔角镜楔角为α，材料折射率为n，可在360°范围内旋转，从而实现光束扫描，其旋转驱动可以采用现有技术中的旋转镜筒驱动模组，本实施例不再进行赘述。平行光经楔角镜3后的光偏转角δ的计算公式如下：δ＝(n-1)·α。通过旋转楔角镜3，光斑会在工件表面形成一个圆环，该圆环的直径即为扫描直径，其计算公式如下：令扫描直径与光斑直径之比恒等于4，则：则有：本实施例以扫描直径与光斑直径之比恒等于4为约束条件来配置楔角镜、准直镜以及聚焦镜，然后用该光学系统来对工件进行焊接，然后再对工件焊缝进行外观检测以及缺陷检测，其测试报告内容如下：配置功率范围0-1500W可调幅度0-2mm光纤芯径50μm准直焦距50mm聚焦焦距120mm重量1KG一、功能测试可实现单激光、线型和O型三种方式，如图6所示。二、焊接效果测试分别做内角焊和外角焊2种测试，且摇摆方式采用了线型与O型，根据实际情况选择焊接效果最好的参数，仅供参考。其中，内角焊：其中，外角焊：总结：1)相比其他焊接头在进行外角焊接时，手持头较轻，往前推阻力较小，不易卡顿，焊接效果较好；2)内角焊O型效果整体好于线型；3)后续焊接头内角焊较多，建议研发部设计将摆动直径设置在0.6mm左右。本实施例一种基于楔角镜手持式激光焊接头光学系统100通过楔角镜的旋转实现光束的O型扫描，同时能够保持在焊接区域内的任意点的光束聚焦的光斑大小恒定不变、且光束的入射角度也恒定不变，从而大大提高了焊接头的焊接质量和焊缝形貌的美观度；通过以扫描直径与光斑直径之比恒等于4为约束条件来配置楔角镜、准直镜以及聚焦镜，非常有益于激光能量的均匀传导，使得光斑区域的能量分布均匀。以上所述的仅是本专利技术的一些实施方式。对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本专利技术创造构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本专利技术的保护范围。本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于楔角镜手持式激光焊接头光学系统，其特征在于：其包括沿光轴同心设置的准直镜、反射镜、楔角镜、聚焦镜以及保护镜，光束从一光纤芯径端面射出经过所述准直镜处理为准直平行光，然后经所述反射镜反射转向，再经所述楔角镜将光进行偏移设定角度后经所述聚焦镜射向工作平面，其中所述准直镜的焦距f

【技术特征摘要】
1.一种基于楔角镜手持式激光焊接头光学系统，其特征在于：其包括沿光轴同心设置的准直镜、反射镜、楔角镜、聚焦镜以及保护镜，光束从一光纤芯径端面射出经过所述准直镜处理为准直平行光，然后经所述反射镜反射转向，再经所述楔角镜将光进行偏移设定角度后经所述聚焦镜射向工作平...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈进，李勋武，刘德军，
申请(专利权)人：苏州迅镭激光科技有限公司，
类型：发明
国别省市：江苏;32