[发明专利]一种基于低频斩波反射镜脉冲复合焊接光学系统

说明书

技术领域

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。

发明内容

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。