一种用于激光-等离子弧同轴复合焊的光束整形方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及激光焊接领域，尤其涉及一种用于激光-等离子弧同轴复合焊光束整 形方法。
【背景技术】
[0002] 在激光-等离子弧复合焊的过程中，大多使用的是旁轴复合焊。典型的旁轴复合 焊主要由激光束1、等离子弧2和工件3组成，如图1。通过变换复合焊接参数对激光-等 离子弧复合焊进行研究。其最大缺点是热源的非对称性，焊接质量受焊接方向影响很大，并 且难以用于曲线或三维焊接。
[0003] 激光-等离子弧同轴复合焊能使激光束和等离子弧同心分布，从而获得确定的热 分布，可以提高电弧稳定性，提高熔化效率，并降低冷却速率和改善残余应力状态，改善焊 缝成型，适用于三维焊接同轴复合焊。
【发明内容】
[0004] 本发明是要改善激光-等离子弧旁轴复合焊过程中的焊接缺点，基于激光-等离 子弧同轴复合焊使其同心分布并且使其能应用于曲线焊接和三维焊接，而提供的一种用于 实现圆形光束整形为圆环光束的方法。
[0005] 本发明通过一组光学变换器件，改变激光光束的分布，将激光束分为环形光束，然 后再经聚焦镜将环形光束聚焦在同一位置，在工件表面形成一个激光光斑与等离子弧复合 的同轴热源；实现了圆形光束整形为圆环光束，为实现激光-等离子体同轴复合焊，改善的 旁轴焊接的缺陷起到重要的作用。
[0006] 为了实现圆形光束整形为圆环光束，采用了一种自行设计的圆锥镜和平面反射镜 的组合系统，如图2。两平面反射镜4的中心区有一直径为D的圆形通孔，用以限制到达圆 锥镜5反射面的光束大小，平面反射镜4的表面镀有高反膜。圆锥镜5为在外圆锥的顶端 加工一个内圆锥，并在内圆锥的表面镀高反膜，在外圆锥的表面镀增透膜。当光束通过平面 反射镜4的中心圆孔到达圆锥镜5,首先是内圆锥面的高反射效应，然后再经过平面反射镜 4的反射到达圆锥镜5的外圆锥表面，经过外圆锥表面的高折射效应，最后平行于圆锥镜5 的轴线输出，此时输出光束的图案就是圆环形状的。当进行复合焊接时，经聚焦镜将环形光 束聚焦在同一位置，在工件表面形成一个激光光斑与等离子弧复合的同轴热源。
[0007] 用于实现圆形光束整形为圆环光束的方法按以下步骤实现：
[0008] Sl确定入射光束的直径即平面反射镜的中心圆孔直径D和圆锥镜内圆锥直径D。；
[0009] S2确定圆锥镜的内锥角丫挪外锥角γ 2，
[0010] 由以下两式确定，其中，依据光的折射定律，ηι、η2分别为第一媒质的折射率，第二 媒质的折射率
[0011] Ii1Sin (2 γ A γ 2) = n2sin γ 2
[0012] 2
[0013] S3计算平面反射镜与圆锥镜之间的距离ED:当经过圆锥镜内圆锥表面外边界反 射的光束恰好能到达平面反射镜的表面时，此时是平面反射镜和圆锥镜之间的距离的最小 值。由几何关系，可以确定的最小值为
·，因此这二者之间的距离
[0015] S4确定圆锥镜所能得到的最大的环形光束的内外环直径Dp D2:由几何关系，
[0018] S5确定圆锥镜的外圆锥方向最大直径D3;
[0019] S6确定平面反射镜内圆孔上从距离光束中心r处发出的光线入射到圆锥镜并出 射形成圆环光束，其中
=有几何关系，
[0021] S7由S4和S6可得圆环的宽度h为：
[0023] 本发明所采用的组合系统实现了圆形光斑整形为圆环光斑，操作简单，比以往 的同类型整形方法操作简单，减少了以往的整形方法的装置的大小，效果理想，这对于激 光-等离子弧同轴复合焊的应用具有重大意义。
【附图说明】
[0024] 图1是典型的激光-等离子弧旁轴复合焊的示意图；
[0025] 图2是发明的原理图；
[0026] 图3是发明的下半边具体光路图；
[0027] 图4内圆锥面的反射光束光路图；
[0028] 图5外圆锥表面折射的光束的光路图；
[0029] 图6输出表面上的圆环图案；
[0030] 图7圆锥镜示意图。
[0031] 图中：1为激光束，2为等离子弧，3为工件，4为平面反射镜，5为圆锥镜，6为光源。
【具体实施方式】
【具体实施方式】 [0032] ：结合图2、3、4、5、6说明本实施方式，本实施方式中所用的圆形光 源为大功率半导体激光光纤耦合输出的光源。本实施方式按以下步骤实现：
[0033] 用于将圆形光束整形为圆环光束的设计方法具体步骤如下：
[0034] Sl如图2,确定入射光束的直径即平面反射镜的中心圆孔直径D和圆锥镜内圆锥 直径D。，并有D < D。。在本实施方式中，D = 6mm，D。= 8mm ;
[0035] S2确定圆锥镜的内锥角yJP外锥角γ 2:
[0036] 由折射定律和几何关系有
[0037] Ii1Sin (2 γ A γ 2) = n2sin γ 2
[0038] 2
[0039] 当经过内圆锥内顶尖反射的光束与内圆锥表面重合时，此时是反射光束能够到达 反射镜的表面的边界值，此时的Y1可以取得最大值，由几何关系有，此时的γ i= 30°，因 此在取值时Y1SSOd ;
[0040] 此处取 Y1= 15。，γ 2= 41。；
[0041] S3计算平面反射镜与圆锥镜之间的距离ED:当经过圆锥镜内圆锥表面外边界反 射的光束恰好能到达平面反射镜的表面时，此时是平面反射镜和圆锥镜之间的距离的最小 值。由几何关系，可以确定的最小值为
，因此这二者之间的距离
[0043] 由以上的取值有，
[0044] S4确定圆锥镜所能得到的最大的环形光束的内外环直径D1J2:由几何关系，可以 确定
[0047] 把以上所取数值代入上式中，得到D1= 63. 4mm，D 2= 80. 4mm ;
[0048] S5根据所得圆环光束的外环的最大直径02的大小确定圆锥镜的外圆锥方向最大 直径D3，其中D3>D2;
[0049] 此处取值 D3= IOOmm ;