一種分束雙聚焦點(diǎn)激光加工頭的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于激光加工領(lǐng)域，具體涉及一種分束雙聚焦點(diǎn)激光加工頭。
【背景技術(shù)】
[0002]目前，隨著商用高功率激光器不斷向前發(fā)展，光纖激光焊接時(shí)功率密度可達(dá)到106-108W/cm2，與傳統(tǒng)的厚板焊接技術(shù)相比，光纖激光焊接具有高速，極小焊后變形等優(yōu)點(diǎn)。但是高功率光纖激光焊接厚板過(guò)程比較復(fù)雜，焊接時(shí)產(chǎn)生的小孔極不穩(wěn)定，易產(chǎn)生飛濺、表面塌陷、底部駝峰等焊接缺陷，不僅影響焊縫美觀，而且影響了焊縫力學(xué)性能。
[0003]激光焊接是在空間有限的局部區(qū)域連接兩塊或更多的固體材料，使工件加熱熔化，形成熔池，并保持穩(wěn)定直至凝固。在激光焊接過(guò)程中，當(dāng)激光束照射金屬材料時(shí)，其能量通過(guò)熱傳導(dǎo)和熱輻射的方式傳輸?shù)焦ぜ砻婕氨砻嬉韵碌母钐?。在激光熱源的作用下，材料熔化、蒸發(fā)，并穿透工件的厚度方向形成狹長(zhǎng)空洞，隨著激光焊接的進(jìn)行，小孔沿被焊工件間的接縫移動(dòng)，進(jìn)而形成焊縫。激光焊接的目的是通過(guò)激光的輻射和被焊材料對(duì)激光能量的吸收產(chǎn)生液態(tài)熔池，并使之長(zhǎng)大到理想尺寸，然后沿固液界面移動(dòng)熔池，消除被焊構(gòu)件間的初始縫隙，形成高質(zhì)量的焊縫。熔池過(guò)大或過(guò)小，或者蒸發(fā)嚴(yán)重，都將導(dǎo)致焊接的失敗。此外，焊縫的最終質(zhì)量還可能因其他因素的改變而惡化，如合金組分的蒸發(fā)，過(guò)大的溫度梯度(導(dǎo)致熱裂紋)，以及焊接熔池體積與幾何形狀的不穩(wěn)定(導(dǎo)致氣孔和空穴)等。
[0004]激光焊接的顯著特征是大熔深、窄焊道、小熱影響區(qū)以及高能量密度。同時(shí)，激光焊接也代表著一種在微小區(qū)間內(nèi)材料加熱與冷卻之間的精細(xì)平衡。高功率激光焊接過(guò)程中的光致等離子體對(duì)激光束有屏蔽作用，焊接熔池上方形成的等離子體氣團(tuán)對(duì)激光能量的吸收，降低了焊接熔深、導(dǎo)致激光能量的浪費(fèi)、影響焊接過(guò)程的穩(wěn)定性、降低焊接質(zhì)量，因而對(duì)激光焊接等離子體進(jìn)行有效的抑制和調(diào)控十分重要。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供了一種分束雙聚焦點(diǎn)激光加工頭；該分束雙聚焦點(diǎn)激光加工頭通過(guò)對(duì)入射激光束進(jìn)行空間分束，實(shí)現(xiàn)前后兩個(gè)聚焦點(diǎn)，改變雙光束聚焦點(diǎn)之間相對(duì)空間位置，提高激光能量利用效率，可有效抑制激光焊接等離子屏蔽作用，提高加工深度，改善激光加工質(zhì)量以及實(shí)現(xiàn)激光加工中的特殊要求。
[0006]本發(fā)明是通過(guò)如下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的:
[0007]一種分束雙聚焦點(diǎn)激光加工頭，包括光路腔體、腔體連接盒、伺服電機(jī)和外接法---，
[0008]光路腔體通過(guò)聯(lián)軸器與伺服電機(jī)的輸出軸相連；伺服電機(jī)可驅(qū)動(dòng)光路腔體繞其自身軸線旋轉(zhuǎn)；
[0009]腔體連接盒通過(guò)外接法蘭與外部機(jī)床固定連接，伺服電機(jī)與腔體連接盒相連；光路腔體通過(guò)帶軸承座的連接法蘭連接在腔體連接盒上，腔體連接盒通過(guò)軸承座對(duì)光路腔體提供懸掛支持并實(shí)現(xiàn)其自轉(zhuǎn)；
[0010]所述光路腔體的外壁側(cè)面上設(shè)置有激光入射孔，光纖輸出耦合裝置與激光入射孔相連，所述光路腔體的底部設(shè)置有激光出射孔；
[0011]所述光路腔體的內(nèi)部設(shè)置有分束鏡、第一反射鏡、第二反射鏡、第三反射鏡、聚焦鏡和兩個(gè)伸縮套筒；分束鏡和第一反射鏡分別通過(guò)一調(diào)整鏡座固定安裝在光路腔體的側(cè)壁上，第二反射鏡和第三反射鏡分別通過(guò)一調(diào)整鏡座安裝在兩個(gè)伸縮套筒的伸縮端上，所述伸縮套筒的固定端安裝在光路腔體的側(cè)壁上；
[0012]外部光纖通過(guò)光纖輸出耦合裝置接入激光入射孔，之后激光束入射至分束鏡，經(jīng)分束鏡的反射和透射后，形成反射激光束和透射激光束這兩束激光；
[0013]反射激光束垂直入射至第一反射鏡，經(jīng)第一反射鏡的反射后，水平入射至第三反射鏡，經(jīng)第三反射鏡的反射后，垂直入射至聚焦鏡，聚焦鏡將激光束聚焦后輸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鏡；經(jīng)第二反射鏡的反射后，垂直入射至聚焦鏡，聚焦鏡將激光束聚焦后輸出第二光斑在工件的表面，第二光斑位于第一光斑的前方，兩者之間有間距。
[0015]本發(fā)明具體如下有益效果:
[0016]1、本發(fā)明通過(guò)對(duì)一束入射激光束進(jìn)行空間分束，實(shí)現(xiàn)工件表面前后兩個(gè)聚焦點(diǎn)，焦點(diǎn)連線構(gòu)成近似線激光的效果，但雙焦點(diǎn)連線的形式比傳統(tǒng)的線激光能量更集中(線激光的能量均勻分布在整條線上，雙焦點(diǎn)則僅僅集中在線的兩個(gè)端點(diǎn))，更符合焊接所需的高能量密度要求，不增加對(duì)激光器的額外要求。在焊接過(guò)程中，沿著焊接方向，前焦點(diǎn)加熱、熔化，后焦點(diǎn)在前焦點(diǎn)的基礎(chǔ)上進(jìn)一步加深熔深(能量足夠高時(shí)構(gòu)成小孔焊接效果)，熔池存在時(shí)間加長(zhǎng)，冶金反應(yīng)充分，從而提高焊縫質(zhì)量。
[0017]2、本發(fā)明相比傳統(tǒng)的單焦點(diǎn)光束焊接，分離的雙焦點(diǎn)將相同的激光能量進(jìn)行了合理的空間分布，降低了單焦點(diǎn)情況下的能量集中度，使得熔池蒸發(fā)效應(yīng)比單焦點(diǎn)減少，從而減少等離子體體積，可有效抑制激光焊接等離子屏蔽作用，提高激光能量利用效率，提高加工深度；并且僅僅通過(guò)靈活改變雙光束聚焦點(diǎn)之間相對(duì)距離，而無(wú)須改變焊接功率和速度，不會(huì)對(duì)應(yīng)影響焊接深度和焊接效率，即可調(diào)控等離子的體積和分布形態(tài)，這是單焦點(diǎn)情況無(wú)法做到的。
[0018]3、本發(fā)明通過(guò)控制伺服電機(jī)帶動(dòng)光路腔體根據(jù)控制需要進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，既可以保持焊接方向與焦點(diǎn)連線之間的夾角為零度(二者重合)，顯然也可以按預(yù)先設(shè)計(jì)的擺動(dòng)變化二者夾角，該夾角的靈活控制帶來(lái)兩個(gè)好處，一是在一定范圍內(nèi)靈活控制焊縫寬度(最大為雙焦點(diǎn)連線距離)，二是利用實(shí)時(shí)擺動(dòng)改變光束對(duì)焊接等離子團(tuán)的入射位置，避免光束對(duì)等離子體的持續(xù)加熱，從而實(shí)時(shí)調(diào)控等離子的體積和分布形態(tài)，有利于有效抑制激光焊接等離子屏蔽作用，提高激光能量利用效率。
[0019]4、本發(fā)明結(jié)構(gòu)精巧，拆裝方便，側(cè)面入射光束和頂部連接法蘭的靈活設(shè)計(jì)，入射光路及調(diào)節(jié)光路等都與機(jī)床本體完全脫藕，從而降低了加工頭在機(jī)床安裝的要求。
[0020]5、本發(fā)明既可以通過(guò)采用單個(gè)聚焦透鏡可以使得雙束激光都聚焦在工件表面，也可以兩個(gè)獨(dú)立的聚焦透鏡使二者不同時(shí)聚焦在工件表面(采用不同焦距的兩個(gè)獨(dú)立的聚焦透鏡，或者相同焦距但兩個(gè)獨(dú)立的聚焦透鏡沿光束入射方向錯(cuò)開(kāi)一定間距即可實(shí)現(xiàn))，實(shí)現(xiàn)離焦雙點(diǎn)的效果，這種焦點(diǎn)的分離特別適合深熔焊接或小孔焊接的技術(shù)需要，比如說(shuō)前點(diǎn)聚焦在表面，產(chǎn)生一定熔深之后，后點(diǎn)聚焦在新的熔深底部(工件內(nèi)部)，則大大增強(qiáng)激光焊接的能量利用率，有效提高焊縫深度。
【附圖說(shuō)明】
[0021]圖1為本發(fā)明所述分束雙聚焦點(diǎn)激光加工頭的結(jié)構(gòu)圖；
[0022]圖中各標(biāo)號(hào)的含義如下:
[0023]光路腔體1、分束鏡2、第一反射鏡3、第二反射鏡4、第三反射鏡5、聚焦鏡6、伸縮套筒7、調(diào)整鏡座8、工件9、第一光斑10、第二光斑11、腔體連接盒12、伺服電機(jī)13、連接法蘭14、外接法蘭16、光纖輸出耦合裝置17、外部光纖18。
【具體實(shí)施方式】
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