本發(fā)明涉及高功率光纖激光器激光焊接技術(shù)領(lǐng)域，具體為一種基于低頻斬波反射鏡脈沖復(fù)合焊接光學(xué)系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

激光加工技術(shù)涵蓋了激光切割、焊接、淬火、打孔、微加工等多種激光加工工藝，利用了激光與物質(zhì)相互作用的基本特性。由于激光束具有與加工材料的非接觸性、加工速度快與質(zhì)量優(yōu)異等優(yōu)勢，奠定了激光加工技術(shù)是一種無可替代的高新技術(shù)。

當(dāng)前激光切割占據(jù)了整個(gè)激光加工行業(yè)的主要地位，其中又以光纖輸出類激光切割為首要。光纖輸出類激光器涵蓋了光纖激光器以及半導(dǎo)體光纖耦合激光器，由于光纖的柔韌性以及對(duì)近紅外光束有很好的耦合輸出的性能，使得光纖輸出類激光器的市場占有率日益突出。目前千瓦級(jí)光纖輸出類激光器已相當(dāng)普及，萬瓦級(jí)激光器也逐步上映市場，如ipg早已有高達(dá)100kw激光器問世。

隨著光纖激光高功率化的普及，激光切割以外的激光加工應(yīng)用也逐步得到擴(kuò)展，從科研化到工業(yè)化，激光焊接、淬火、熔覆等都有較高程度的研究，甚至于新興的3d打印技術(shù)，也是研究得如火如荼。

激光焊接，與傳統(tǒng)的tig電弧焊、mig電弧焊等相比，具有能量密度高、速度快、焊接變形小、熔寬與熱影響區(qū)窄等優(yōu)點(diǎn)。但是，對(duì)于高反材料的激光焊接，普通的焊接方式不足以滿足焊接需求，如鋁合金的激光焊接，極易產(chǎn)生裂紋、氣孔等激光焊接缺陷。

目前，有助于解決高反材料激光焊接缺陷的方式有多種。在鋁合金激光焊接中，比如多光點(diǎn)激光焊接，較常規(guī)的是雙光點(diǎn)激光焊，當(dāng)雙光點(diǎn)垂直焊縫方向與落于焊縫兩邊時(shí)，可以形成較大的熔池與匙孔，增加了匙孔穩(wěn)定性，有利于內(nèi)部氣泡上浮，一定程度上改善焊縫內(nèi)部的氣孔，但這一般是針對(duì)大氣孔而言，小氣孔則很難消除；比如擺動(dòng)掃描焊接，即通過特殊光學(xué)系統(tǒng)如振鏡掃描、旋轉(zhuǎn)楔形鏡掃描等，掃描頻率在100hz量級(jí)的一定范圍內(nèi)，都有助于抑制焊縫內(nèi)部氣孔的產(chǎn)生，有研究表明，減小焊縫深寬比有利于焊縫氣孔的降低，這對(duì)于深熔焊來講也是一種限制；又比如脈沖激光點(diǎn)焊，以co2激光器為例，當(dāng)脈沖激光頻率在50hz～200hz范圍內(nèi)，可以有效抑制甚至消除焊縫氣孔，但是鋁合金對(duì)co2激光反射率比光纖激光器的還高，而低頻脈沖光纖激光器平均功率很難做上去，即便有價(jià)格也十分昂貴，且由于材料的高反特性，能量利用率低下，很難做到深熔焊；再如激光電弧復(fù)合焊，較大程度上可改善甚至消除高反材料的焊接缺陷，同時(shí)還提高熔深，改善表面質(zhì)量，不過電弧焊本身的引入，會(huì)導(dǎo)致熱影響區(qū)大幅擴(kuò)大，即便是激光脈沖電弧復(fù)合焊，也很難替代單獨(dú)的激光焊接熔寬與熱影響區(qū)狹小這一本質(zhì)。

基于上述各點(diǎn)，本發(fā)明提出一種基于低頻斬波反射鏡脈沖復(fù)合焊接光學(xué)系統(tǒng)，通過低頻斬波反射鏡高速旋轉(zhuǎn)功能，可將連續(xù)激光束分成1：1占空比的脈沖光束，脈沖光束在時(shí)域上分別經(jīng)過主光路與副光路，主光路固定，副光路末端平面反射鏡與第二消像差聚焦鏡組構(gòu)成的光路方向相較于主光路方向夾角可調(diào)，且第二組消像差聚焦鏡組可沿對(duì)應(yīng)光軸移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了焊縫方向上兩光斑間距可調(diào)、副光路在焊縫表面的光斑大小可調(diào)功能，適用于高功率連續(xù)光纖激器激光焊接，尤其是如鋁合金等高反材料的非熔透激光焊接應(yīng)用，可有效改善甚至消除激光焊接缺陷如裂紋、氣孔等，同時(shí)有效提高熔深及表面質(zhì)量。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種基于低頻斬波反射鏡脈沖復(fù)合焊接光學(xué)系統(tǒng)，以解決上述背景技術(shù)中提出的問題。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供如下技術(shù)方案：一種基于低頻斬波反射鏡脈沖復(fù)合焊接光學(xué)系統(tǒng)，包括消像差準(zhǔn)直鏡組、低頻斬波反射鏡、第一反射鏡、第二反射鏡、第三反射鏡、第四反射鏡、第一消像差聚焦鏡組及第二消像差聚焦鏡組；所述消像差準(zhǔn)直鏡組、第一反射鏡、第二反射鏡、第三反射鏡、第四反射鏡、第一消像差聚焦鏡組及第二消像差聚焦鏡組均為圓柱狀，石英材料；所述低頻斬波反射鏡為等角多扇形柱狀，輕質(zhì)鋁合金材料；所述低頻斬波反射鏡、第一反射鏡、第二反射鏡、第三反射鏡、第四反射鏡均為45°反射角，反射鏡面均為平面；所述低頻斬波反射鏡為1：1占空比3倍頻反射鏡，垂直于鏡面方向上有3個(gè)對(duì)稱面，各對(duì)稱面形成的中心對(duì)稱軸為低頻斬波反射鏡轉(zhuǎn)軸；所述第四反射鏡與第二消像差聚焦鏡組共同轉(zhuǎn)軸為入射到第四反射鏡的光束中心軸，轉(zhuǎn)軸經(jīng)過第四反射鏡反射鏡面中心；所述低頻斬波反射鏡反射鏡面、第一反射鏡鏡面平行，且與第一消像差聚焦鏡組構(gòu)成主光路，低頻斬波反射鏡漏光區(qū)域、第二反射鏡、第三反射鏡、第四反射鏡以及第二消像差聚焦鏡組構(gòu)成副光路；所述低頻斬波反射鏡反射光束、第二反射鏡反射光束方向相互垂直；所述主光路第一消像差聚焦鏡組與第二消像差聚焦鏡組中心軸共面。

優(yōu)選的，所述副光路末端的第四反射鏡與第二消像差聚焦鏡組構(gòu)成的光路方向相較于主光路方向夾角可調(diào)，且所述第二消像差聚焦鏡組沿對(duì)應(yīng)光軸移動(dòng)，落在焊縫表面主光路光斑與副光路光斑中心連線在焊縫方向上，兩光斑中心距離可調(diào)且前后可交換，副光路在焊縫表面的光斑大小可調(diào)；所述低頻斬波反射鏡轉(zhuǎn)速可調(diào)，相應(yīng)主光路、副光路脈沖頻率可調(diào)。

優(yōu)選的，所述消像差準(zhǔn)直鏡組、第一消像差聚焦鏡組以及第二消像差聚焦鏡組可替換為消像差非球面鏡。

優(yōu)選的，其使用方法包括以下步驟：

a、在高功率光纖激光器出光點(diǎn)入射下，發(fā)散光束經(jīng)過消像差準(zhǔn)直鏡組準(zhǔn)直，準(zhǔn)直光束入射到低頻斬波反射鏡表面，同時(shí)低頻斬波反射鏡經(jīng)過轉(zhuǎn)軸進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，低頻斬波反射鏡表面會(huì)出現(xiàn)1：1占空比下的光束完全漏光、部分漏光與部分反光、完全反光交替性規(guī)則過程；

b、當(dāng)?shù)皖l斬波反射鏡在時(shí)域上實(shí)現(xiàn)完全漏光時(shí)，主光路無光，經(jīng)過消像差準(zhǔn)直鏡組準(zhǔn)直的光束自低頻斬波反射鏡漏光后入射到第二反射鏡上，逐一經(jīng)由第二反射鏡、第三反射鏡以及第四反射鏡反射后，由第二消像差聚焦鏡組聚焦，斜入射到焊縫表面；

c、當(dāng)?shù)皖l斬波反射鏡在時(shí)域上實(shí)現(xiàn)部分漏光與部分反光時(shí)，副光路上遵從完全漏光時(shí)描述，主光路上則是經(jīng)由低頻斬波反射鏡反射的準(zhǔn)直光束，再由第一反射鏡反射，反射光束由第一消像差聚焦鏡組聚焦，聚焦光束垂直或近似垂直落在焊接件表面的焊縫上；

d、當(dāng)?shù)皖l斬波反射鏡在時(shí)域上實(shí)現(xiàn)完全反光時(shí)，副光路無光，主光路上光束傳輸行為參照部分漏光與部分反光下主光路的傳輸行為；在低頻斬波反射鏡連續(xù)勻速繞轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)下，整個(gè)光束傳輸行為出現(xiàn)上述交替變化過程，實(shí)現(xiàn)了主光路與副光路的脈沖變換。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是：

1、本發(fā)明提供的基于低頻斬波反射鏡脈沖復(fù)合焊接光學(xué)系統(tǒng)，通過低頻斬波反射鏡高速旋轉(zhuǎn)功能，可將連續(xù)激光束分成1：1占空比的脈沖光束，脈沖光束在時(shí)域上分別經(jīng)過主光路與副光路，主光路固定，副光路第四反射鏡與第二消像差聚焦鏡組構(gòu)成的光路方向相較于主光路方向夾角可調(diào)，且第二消像差聚焦鏡組可沿對(duì)應(yīng)光軸移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了焊縫方向上兩光斑間距可調(diào)、副光路在焊縫表面的光斑大小可調(diào)功能，適用于高功率連續(xù)光纖激器激光焊接，尤其是如鋁合金等高反材料的非熔透激光焊接應(yīng)用，可有效改善甚至消除激光焊接缺陷如裂紋、氣孔等，同時(shí)有效提高熔深及表面質(zhì)量。

2、本發(fā)明提供的連續(xù)光纖激光器激光束經(jīng)過消像差準(zhǔn)直鏡組準(zhǔn)直后，由低頻斬波反射鏡進(jìn)行時(shí)域分光，從而獲得主光路與副光路上的兩路脈沖光束。主光路固定，垂直或近似垂直焊接件表面，聚焦光束落在焊縫上；副光路斜入射到焊接件表面，聚焦光束落在焊縫上，第四反射鏡與第二消像差聚焦鏡組可共同繞入射到第四反射鏡光束中心軸旋轉(zhuǎn)，即可改變焊接件表面焊縫方向上兩光斑間距以及前后關(guān)系；同時(shí)，低頻斬波反射鏡旋轉(zhuǎn)頻率可調(diào)，可保證主光路、副光路脈沖頻率可調(diào)，第二消像差聚焦鏡組沿對(duì)應(yīng)入射光軸上位置可調(diào)，可確保副光路在焊縫表面上的光斑大小可調(diào)。

3、本發(fā)明提供的第四反射鏡繞對(duì)應(yīng)的入射光軸旋轉(zhuǎn)時(shí)，不會(huì)改變反射率；低頻斬波反射鏡繞轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)時(shí)，不會(huì)引起反射光束角度的變化，極大程度上保證了光束光斑特性比如時(shí)域上主光路、副光路聚焦光束垂直于對(duì)應(yīng)光軸上的光斑基本為圓形，且不影響反射率；第一消像差聚焦鏡組與第二消像差聚焦鏡組中心軸共面，確保第四反射鏡與第二消像差聚焦鏡組在整體旋轉(zhuǎn)擺動(dòng)過程中，副光路落在焊縫上的光斑不發(fā)生偏離。

4、本發(fā)明提供的光路系統(tǒng)脈沖頻率，在特殊的脈沖頻率范圍內(nèi)，有助于降低甚至消除高反材料的激光焊接缺陷，同時(shí)減少熱影響區(qū)，降低焊縫形變；主光路與副光路落在焊接件焊縫上的兩個(gè)光斑間距可調(diào)，前后方向可換，副光路落在焊縫表面上的光斑大小可調(diào)，不僅適用于副光路光斑預(yù)處理、主光路光斑后加工方式，也適用于雙光斑重疊焊方式以及主光路光斑先加工、副光路光斑后處理方式，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，如副光路光斑對(duì)焊縫先進(jìn)行預(yù)加熱軟化，有利于主光路光束的能量吸收效率。另外，還有助于提高焊接熔深與深寬比，改善焊接表面質(zhì)量，且理論上消除了非必要的能量損失。

附圖說明

圖1為本發(fā)明所述的低頻斬波反射鏡脈沖復(fù)合焊接光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本發(fā)明所述的低頻斬波反射鏡全反射時(shí)光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3為本發(fā)明所述的低頻斬波反射鏡全漏光時(shí)光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4為本發(fā)明的低頻斬波反射鏡結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實(shí)施方式

下面將結(jié)合本發(fā)明實(shí)施例中的附圖，對(duì)本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實(shí)施例僅僅是本發(fā)明一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例。基于本發(fā)明中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動(dòng)前提下所獲得的所有其他實(shí)施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。

請(qǐng)參閱圖1-4，本發(fā)明提供一種技術(shù)方案：一種基于低頻斬波反射鏡脈沖復(fù)合焊接光學(xué)系統(tǒng)，包括消像差準(zhǔn)直鏡組2、低頻斬波反射鏡3、第一反射鏡5、第二反射鏡8、第三反射鏡9、第四反射鏡10、第一消像差聚焦鏡組6及第二消像差聚焦鏡組11；所述消像差準(zhǔn)直鏡組2、第一反射鏡5、第二反射鏡8、第三反射鏡9、第四反射鏡10、第一消像差聚焦鏡組6及第二消像差聚焦鏡組11均為圓柱狀，石英材料；所述低頻斬波反射鏡3為等角多扇形柱狀，輕質(zhì)鋁合金材料；所述低頻斬波反射鏡3、第一反射鏡5、第二反射鏡8、第三反射鏡9、第四反射鏡10均為45°反射角，反射鏡面均為平面；所述低頻斬波反射鏡3為1：1占空比3倍頻反射鏡，垂直于鏡面方向上有3個(gè)對(duì)稱面，各對(duì)稱面形成的中心對(duì)稱軸為低頻斬波反射鏡轉(zhuǎn)軸4；所述第四反射鏡10與第二消像差聚焦鏡組11共同轉(zhuǎn)軸為入射到第四反射鏡10的光束中心軸，轉(zhuǎn)軸經(jīng)過第四反射鏡10反射鏡面中心；所述低頻斬波反射鏡3反射鏡面、第一反射鏡5鏡面平行，且與第一消像差聚焦鏡組6構(gòu)成主光路，低頻斬波反射鏡3漏光區(qū)域、第二反射鏡8、第三反射鏡9、第四反射鏡10以及第二消像差聚焦鏡組11構(gòu)成副光路；所述低頻斬波反射鏡3反射光束、第二反射鏡8反射光束方向相互垂直；所述主光路第一消像差聚焦鏡組6與第二消像差聚焦鏡組11中心軸共面；消像差準(zhǔn)直鏡組2、第一消像差聚焦鏡組6以及第二消像差聚焦鏡組11可替換為消像差非球面鏡。

本發(fā)明中，副光路末端的第四反射鏡10與第二消像差聚焦鏡組11構(gòu)成的光路方向相較于主光路方向夾角可調(diào)，且所述第二消像差聚焦鏡組11沿對(duì)應(yīng)光軸移動(dòng)，落在焊縫表面主光路光斑與副光路光斑中心連線在焊縫方向上，兩光斑中心距離可調(diào)且前后可交換，副光路在焊縫表面的光斑大小可調(diào)；所述低頻斬波反射鏡3轉(zhuǎn)速可調(diào)，相應(yīng)主光路、副光路脈沖頻率可調(diào)。

工作原理：在高功率光纖激光器出光點(diǎn)1入射下，發(fā)散光束經(jīng)過消像差準(zhǔn)直鏡組2準(zhǔn)直，準(zhǔn)直光束入射到低頻斬波反射鏡3表面，同時(shí)低頻斬波反射鏡3經(jīng)過轉(zhuǎn)軸4進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，低頻斬波反射鏡表面會(huì)出現(xiàn)1：1占空比下的光束完全漏光、部分漏光與部分反光、完全反光交替性規(guī)則過程，圖1所示為部分漏光與部分反光的現(xiàn)象，圖2所示為完全反光現(xiàn)象，圖3所示為3完全漏光現(xiàn)象。當(dāng)?shù)皖l斬波反射鏡3在時(shí)域上實(shí)現(xiàn)完全漏光時(shí)，主光路無光，經(jīng)過消像差準(zhǔn)直鏡組2準(zhǔn)直的光束自低頻斬波反射鏡3漏光后入射到第二反射鏡8上，逐一經(jīng)由第二反射鏡8、第三反射鏡9以及第四反射鏡10反射后，由第二消像差聚焦鏡組11聚焦，形成第一聚焦點(diǎn)7，斜入射到焊縫表面；當(dāng)?shù)皖l斬波反射鏡3在時(shí)域上實(shí)現(xiàn)部分漏光與部分反光時(shí)，副光路上遵從完全漏光時(shí)描述，主光路上則是經(jīng)由低頻斬波反射鏡3反射的準(zhǔn)直光束，再由第一反射鏡5反射，反射光束由第一消像差聚焦鏡組6聚焦，形成第二聚焦點(diǎn)12，聚焦光束垂直或近似垂直落在焊接件表面的焊縫上；當(dāng)?shù)皖l斬波反射鏡3在時(shí)域上實(shí)現(xiàn)完全反光時(shí)，副光路無光，主光路上光束傳輸行為參照部分漏光與部分反光下主光路的傳輸行為。在低頻斬波反射鏡3連續(xù)勻速繞轉(zhuǎn)軸4旋轉(zhuǎn)下，整個(gè)光束傳輸行為出現(xiàn)上述交替變化過程，實(shí)現(xiàn)了主光路與副光路的脈沖變換。同時(shí)，由于第四反射鏡10與第二消像差聚焦鏡組11整體可繞第四反射鏡10入射光束光軸旋轉(zhuǎn)，確保焊縫上主光路與副光路光斑間距以及朝向可控，另外第二消像差聚焦鏡組11還可沿著第四反射鏡10反射光束即第二消像差聚焦鏡組11入射光束光軸方向做位置調(diào)整，保證了焊縫表面上副光路光斑大小的調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)了雙光路脈沖復(fù)合焊接光學(xué)系統(tǒng)。

低頻斬波反射鏡3如圖4，a、b、c三個(gè)部分為反射區(qū)域，均為60°扇形區(qū)，每個(gè)漏光區(qū)域也為60°區(qū)域，d區(qū)不允許通光，確保各脈沖1：1占空比。

本發(fā)明結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)新穎，通過低頻斬波反射鏡高速旋轉(zhuǎn)功能，可將連續(xù)激光束分成1：1占空比的脈沖光束，脈沖光束在時(shí)域上分別經(jīng)過主光路與副光路，主光路固定，副光路第四反射鏡與第二消像差聚焦鏡組構(gòu)成的光路方向相較于主光路方向夾角可調(diào)，且第二消像差聚焦鏡組可沿對(duì)應(yīng)光軸移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了焊縫方向上兩光斑間距可調(diào)、副光路在焊縫表面的光斑大小可調(diào)功能，適用于高功率連續(xù)光纖激器激光焊接，尤其是如鋁合金等高反材料的非熔透激光焊接應(yīng)用，可有效改善甚至消除激光焊接缺陷如裂紋、氣孔等，同時(shí)有效提高熔深及表面質(zhì)量。

盡管已經(jīng)示出和描述了本發(fā)明的實(shí)施例，對(duì)于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員而言，可以理解在不脫離本發(fā)明的原理和精神的情況下可以對(duì)這些實(shí)施例進(jìn)行多種變化、修改、替換和變型，本發(fā)明的范圍由所附權(quán)利要求及其等同物限定。