基于单片透镜的激光加工头及激光切割头及激光焊接头的制作方法

1.本发明属于激光加工技术领域，尤其涉及一种基于单片透镜的激光加工头及激光切割头及激光焊接头。


背景技术：

2.在大功率激光加工设备中，由于激光加工头中激光透镜镀膜及玻璃材料不完美，会存在与工作激光功率成比例的散射光，这种光是一种热源，加热激光加工头中的所有部件，对光学部件和机械部件都带来热危害。减少这种危害有两种途径，一是尽可能减少光学系统中光学透镜的片数，这从根本上减小热杂光的量；另一种途径是增加机械装置的导热特性，可以使激光加工头内部的热量快速传导出去。目前激光加工头光学系统通常采用准直镜头与聚焦镜头的组合模式，最典型的系统中光学透镜的片数为4片，通常每片透镜在激光加工头内大约产生工作功率0.5％的热杂光。该热杂光会从热的方面限制激光加工头的使用功率，并且会影响激光加工头的可靠性。


技术实现要素：

3.为了解决现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种基于单片透镜的激光加工头，可以大幅降低激光加工头中的热杂光，同时降低激光切割头的复杂度并降低设备成本。
4.为了实现上述目的，本发明提出一种基于单片透镜的激光加工头，包括激光输出光纤和单片光学透镜；所述单片光学透镜设置在所述激光输出光纤的输出光路上并将激光输出光纤发出的光成像到其后某待加工表面。
5.本发明提出一种激光切割头，包括激光输出光纤、单片光学透镜、透镜框、套管和拨杆；其中：所述单片光学透镜固定在所述透镜框上；所述透镜框设置在所述套管内，所述透镜框外环面与所述套管之间设置有自润滑结构；所述套管壁上沿平行于管轴线方向开有槽，所述拨杆穿出所述套管上的槽与所述透镜框连接。
6.进一步，所述拨杆可拖动所述透镜框及所述单片光学透镜在所述套管内沿轴向滑动。
7.进一步，所述透镜框或者由自润滑材料制成；或者由透镜框基体和涂在其外表面的自润滑涂层组成；或者由透镜框基体和镶嵌在透镜框的基体外环表面上的自润滑材料组成。
8.本发明提出一种激光焊接头，包括激光输出光纤、单片光学透镜和透镜框及振动装置；其中：所述单片光学透镜固定在所述透镜框上；所述振动装置用于使所述透镜框沿垂直于透镜光轴的方向振动。
9.进一步，所述振动装置包括簧片、永久磁铁和电磁铁；所述簧片平面与光轴平行，与所述透镜框固定在一起；所述永久磁铁固定在透镜框上；所述电磁铁产生与光轴垂直的电磁力；所述电磁铁通过磁力带动所述永久磁铁及所述透镜框及所述单片光学透镜沿垂直
于透镜光轴方向振动。
10.进一步，在所述单片光学透镜后设置反射镜、反射镜框和反射镜振动装置；所述反射镜固定在所述反射镜框上，所述单片光学透镜的振动方向与单片光学透镜的光轴所在平面垂直；所述反射镜振动装置使反射镜在所述单片光学透镜的振动方向垂直的平面内振动。
11.进一步，所述反射镜振动装置包括簧片、永久磁铁和电磁铁；所述簧片与所述反射镜法线垂直，与所述反射镜框固定在一起；所述永久磁铁固定在所述反射镜框上；所述电磁铁产生与反射镜垂直的磁力；所述电磁铁通过磁力带动所述永久磁铁、所述反射镜框及所述反射镜沿垂直于所述单片光学透镜振动方向的方向振动。
12.进一步，所述反射镜对激光加工波长全反射，对可见光波段透射；在所述反射镜的背面设置图像监控系统。
13.与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：
14.本发明提供的激光加工头，将激光加工头中的光学系统简化到只含有一片光学透镜，极大的降低了热杂光，使激光加工头中的热问题大幅简化，同时降低了激光加工头的复杂度及制造成本。
15.进一步的，本发明还提供了一种基于单片透镜的激光切割头，由于透镜框可以在套管中滑动，使得该激光切割头可以实现激光对焦功能；在透镜框与套管之间设置了自润滑结构，使该切割头在实现低摩擦的同时保持了高导热性，使该切割头的热环境大幅改善，自润滑结构优选石墨，作为良导热材料，并且，自润滑结构可以实现器件之间的面接触，极大程度的提升的导热性能，随着热问题的大幅改善，可以提高激光切割头的工作功率，延长激光切割头的寿命，提高切割头的可靠性。。
16.进一步的，本发明还提供了一种基于单片透镜的激光焊接头，这种焊接头可以实现振动焊接。与目前现有振动焊接技术中通过插入振动反射镜实现振动的方案不同，本发明通过直接振动透镜来实现焊接光斑的振动，简化了系统结构。特别是，提出了用电磁力实现振动的方案，降低了系统成本。
17.进一步的，本发明提供的一种基于单片透镜的激光焊接头的振动装置采用簧片作为柔性支点，这种结构简单，振动所需电磁力小。
18.进一步的，本发明提供的一种基于单片透镜的激光焊接头，在单片光学透镜后设置有反射镜、反射镜框和反射振动装置，可以改变激光输出光路的方向，使激光焊接头在焊接时更加方便。
19.进一步的，本发明提供的一种基于单片透镜的激光焊接头在反射镜的背面设置有图像监视系统，利用该系统可以对焊接过程进行实时监控，可以提高焊接稳定性。
附图说明
20.图1为本发明提出的基于单片透镜的激光加工头结构示意图。
21.图2为本发明提出的一种基于单片透镜的激光切割头的结构示意图。
22.图3a为本发明提出的一种基于单片透镜的激光焊接头的结构示意图。
23.图3b为本发明提出的一种基于单片透镜的激光焊接头中振动装置结构示意图。
24.图4为本发明提出的一种具有两维振动的基于单片透镜的激光焊接头的结构示意
图。
25.图5为本发明提出的一种具有两维振动的带有图像监视功能的基于单片透镜的激光焊接头的结构示意图。
26.其中：1表示激光输出光纤；2表示单片光学透镜；41表示具有自润滑结构的透镜框，42表示无自润滑结构的透镜框，43表示反射镜框；5表示套管；6表示拨杆；71表示簧片，72表示永久磁铁，73表示电磁铁；8表示反射镜；10表示图像监视系统。
具体实施方式
27.下面结合附图和具体实施例，对本发明提出的基于单片透镜的激光加工头进行详细说明。
28.图1为本发明提出的基于单片透镜的激光加工头结构示意图。由激光输出光纤1发出的光被单片透镜2汇聚到待加工表面，实现热加工。该结构是最简单的光学结构，其特点是可以大幅减小激光加工头中的热杂光。当激光器是单模光纤激光器时，其中的透镜2可以采用单片球面透镜，可以大幅降低激光加工头的成本。
29.图2为本发明提出的一种基于单片透镜的激光切割头的结构示意图。由激光输出光纤1、单片光学透镜2、透镜框41、套管6、拨杆5组成；其中：单片光学透镜2固定在透镜框41上；透镜框通常采用环状，环状透镜框41设置在套管6内，环状透镜框41外环面与套管6内表面至少有一个具有自润滑结构；套管6壁上沿平行于管轴线方向开有一个槽，拨杆5通过套管6上的槽与环状透镜框41连接。在该激光切割头中，拨杆5可拖动透镜框41及透镜2在套管6内沿轴向滑动，实现激光切割中的对焦功能。在该切割头中，透镜框41通常由自润滑材料制成，也可以由环状透镜框基体和涂在其外环表面的自润滑涂层组成，还可以由环状透镜框基体和镶嵌在环状透镜框基体外环表面上的自润滑材料组成。
30.图3a为本发明提出的一种基于单片透镜的激光焊接头的结构示意图。由激光输出光纤1、单片光学透镜2、透镜框42、及振动装置组成；其中：单片光学透镜2固定在透镜框42上；振动装置使透镜框42沿垂直于透镜光轴的方向振动；该焊接头实现了激光振动焊接。
31.其中，振动装置的一种可行方案包括簧片71、永久磁铁72和电磁铁73组成，如图3b所述。簧片71平面与光轴平行，与透镜框42固定在一起；永久磁铁72固定在透镜框42上；电磁铁73产生与光轴垂直的电磁力；电磁铁73通过磁力带动永久磁铁72及透镜框42及单片光学透镜2沿垂直于透镜光轴方向振动，实现激光振动焊接。该结构实际上是用簧片作为柔性支点，这种结构简单，振动所需电磁力小。
32.图4为本发明提出的一种具有两维振动的基于单片透镜的激光焊接头的结构示意图。是在图3所示结构上，在单片光学透镜2的后面设置一个反射镜8、一个反射镜框43和反射镜振动装置；其中：反射镜8固定在反射镜框43上，使光轴偏转，光轴所在平面与单片光学透镜2的振动方向垂直；反射镜振动装置使反射镜8的反射角度在与单片光学透镜2的振动方向垂直的平面内振动。
33.如图4所示，反射镜振动装置包括簧片71、永久磁铁72和电磁铁73；簧片71与反射镜8法线垂直，与反射镜框43固定在一起；永久磁铁72固定在反射镜框43上；电磁铁73产生与反射镜8垂直的磁力；电磁铁73通过磁力带动永久磁铁72及反射镜框43及反射镜8沿垂直于透镜2振动方向的方向振动；该振动与透镜2的振动形成各种所需的光斑振动模式，用于
激光振动焊接。
34.图5为本发明提出的一种具有两维振动的带有图像监视功能的基于单片透镜的激光焊接头结构示意图。在图4所示系统中，使反射镜8对激光加工波长全反射，对可见光波段透射，在反射镜8的背面设置一图像监控系统10；图像监控系统对焊接区域进行图像监控。利用该系统可以对焊接过程进行实时监控。
35.根据图2所示技术方案，我们设计了一个小型化的低成本激光切割头。其中：输出光纤数值孔径小于0.065，光纤芯径20微米。输出功率小于2000瓦；所用透镜为球面透镜，焦距8.75毫米，放大率为3，共轭距约50毫米。该切割头可以用作单模光纤切割机的切割头。
36.根据图3所示技术方案，我们设计了一个小型化的低成本激光焊接头。其中：输出光纤数值孔径小于0.065，光纤芯径20微米。输出功率小于1500瓦；所用透镜为球面透镜，焦距16.57毫米，放大率为4。该焊接头可用于采用单模光纤激光器的手持激光焊接机。
37.本发明提供基于单片透镜的激光加工头，与现有在商用产品相比，激光加工头中的热杂光大幅降低，成本也大幅降低。