阅读说明：本技术 一种双波段激光摆动焊接光学系统 (Dual-waveband laser swing welding optical system ) 是由 邵华江 李思佳 于 2020-07-10 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种双波段激光摆动焊接光学系统,包含光纤耦合输出蓝光激光器、第一准直镜组、第一合束镜、第二合束镜、聚焦镜组、保护镜、光纤激光器、第二准直镜组、第一振镜、第二振镜、滤光片、CCD镜头。本发明结构设计新颖,基于光纤耦合输出蓝光激光器与光纤激光器光束质量特性,基于有色金属材料对不同波长激光吸收特性,基于双片振镜摆动扫描特性,基于CCD机械视觉成像特性,通过光纤耦合输出蓝光激光器与光纤激光器合束聚焦,结合光纤激光振镜模块摆动扫描,辅以CCD机械视觉成像,可大幅提高有色金属焊接表面质量与焊接深度,同时有效降低激光飞溅和材料内部焊接缺陷。(The invention discloses a dual-band laser swing welding optical system which comprises an optical fiber coupling output blue laser, a first collimating lens group, a first beam combining lens, a second beam combining lens, a focusing lens group, a protective lens, an optical fiber laser, a second collimating lens group, a first vibrating lens, a second vibrating lens, an optical filter and a CCD (charge coupled device) lens. The invention has novel structural design, outputs the beam quality characteristics of the blue laser and the fiber laser based on fiber coupling, absorbs the laser with different wavelengths based on non-ferrous metal materials, outputs the combined beam focusing of the blue laser and the fiber laser based on the swinging scanning characteristic of a double-piece galvanometer and the mechanical visual imaging characteristic of a CCD (charge coupled device), combines the swinging scanning of a fiber laser galvanometer module and is assisted with the mechanical visual imaging of the CCD, thereby greatly improving the welding surface quality and the welding depth of non-ferrous metals and effectively reducing the laser splashing and the welding defects in the materials.)

一种双波段激光摆动焊接光学系统

技术领域

本发明涉及激光焊接技术领域，具体为一种双波段激光摆动焊接光学系统。

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。

激光焊接，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，对于有色金属的激光焊接，普通的焊接方式不足以满足焊接需求，如镀锌板材、铜、铝等材料的激光焊接，内部极易产生裂纹、气孔等激光焊接缺陷，且飞溅较大，极容易导致激光加工头镜片的损坏，表面成型质量很差。

目前，有多种方案可以一定程度上改善以上有色金属激光焊接的问题。

激光器方面，供应商如IPG等针对光纤激光器通过点、环形组合光斑能量比可调模式，来降低焊接飞溅，同时提高焊接表面质量。但有色金属固液气状态下对光纤激光的吸收率差异很大，需要较大的激光功率才能进行激光焊接，光斑功率密度较高，极容易导致等离子体云的产生与聚集，从而使得金属蒸汽无法及时排除，产生内部缺陷；Laserline等采用更短波长的光纤耦合输出蓝光激光器进行激光焊接，由于有色金属对蓝光激光的高吸收率，能够有效降低焊接飞溅，提升焊接表里成型质量，但是当下光纤耦合输出蓝光激光器功率低，光束质量较光纤激光器差太多，无法进行深熔焊接，且随着激光功率的增加成本变得相当昂贵。

激光加工头方面，有基于光纤激光器的摆动焊接光路系统，比如振镜摆动焊接系统，通过时间上分散能量的方式，一定程度上可降低焊接飞溅，提高焊接表面质量，但同样会遇到上述点、环形组合光斑能量比可调模式焊接问题，无法非常有效的提升有色金属焊接表里质量；也有基于普通半导体激光器与光纤激光器双波段焊接光路系统，最常见的是915nm半导体激光器与1070nm光纤激光器双波段方案，虽然也能一定程度上提高焊接表里质量，提高焊接深度，但有色金属对915nm激光的吸收率，较蓝光激光的吸收率低了很多，无法达到蓝光激光的治本效果。

发明内容

本发明的目的在于提供一种双波段激光摆动焊接光学系统，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：一种双波段激光摆动焊接光学系统，所述光学系统包含光纤耦合输出蓝光激光器、第一准直镜组、第一合束镜、第二合束镜、聚焦镜组、保护镜、光纤激光器、第二准直镜组、第一振镜、第二振镜、滤光片、CCD镜头；所述第一准直镜组、聚焦镜组、第二准直镜组均为消像差球面镜组，且第一准直镜组、聚焦镜组中心轴同轴，同时也与第二准直镜组中心轴平行，材料均为熔融石英材料；

所述第一合束镜镀膜包含400nm-500nm高透射率，650nm±20nm高反射率，相对于第一准直镜组中心光轴45°夹角安装，材料为熔融石英材料；

所述第二合束镜镀膜包含400nm-500nm高透射率，650nm±20nm半透半反，1020nm-1090nm高反射率，相对于第一准直镜组中心光轴45°夹角安装，材料为熔融石英材料；所述保护镜材料为熔融石英材料。

优选的，所述第一振镜、第二振镜安装基准角均为45°，第一振镜转轴与第二准直镜组中心轴垂直，第二振镜转轴与第二准直镜组中心轴平行，且第一振镜、第二振镜相对于各自安装基准角有±5°范围以内的摆动角度，镜片材料包括熔融石英、SiC以及轻型金属材料。

优选的，所述光学系统光纤耦合输出蓝光激光器出射激光依次经过第一准直镜组、第一合束镜、第二合束镜、聚焦镜组、保护镜；

所述光学系统光纤激光器出射激光依次经过第二准直镜组、第一振镜、第二振镜、第二合束镜、聚焦镜组、保护镜；

所述光学系统机械视觉成像依次由保护镜、聚焦镜组、第二合束镜、第一合束镜、滤光片、CCD镜头组成。

优选的，所述光纤耦合输出蓝光激光器激光波长400nm-500nm，光纤激光器激光波长1020nm-1090nm。

优选的，所述滤光片为带通滤光片，透光中心波长650nm，半波带宽≤30nm，截止波长包含可见光波段与近红外波段。

优选的，其使用方法包括以下步骤：

A、光纤耦合输出蓝光激光器出射激光，经过第一准直镜组形成准直光束，准直光束陆续由第一合束镜、第二合束镜折射，再由聚焦镜组聚焦，聚焦光束通过保护镜后汇聚成一点；

B、同时，光纤激光器出射激光，经过第二准直镜组准直形成准直光束，准直光束陆续由第一振镜、第二振镜、第二合束镜反射，在第一振镜、第二振镜配合摆动时，反射后的出射光束相对于聚焦镜组有着不同方向的夹角，再经过聚焦镜组聚焦，聚焦焦点偏离聚焦镜组中心轴，随着第一振镜、第二振镜实时摆动，聚焦光斑在焦平面形成特定扫描图形；

C、在激光焊接过程中，通过光纤耦合输出蓝光激光器聚焦定光斑与光纤激光器摆动扫描光斑优化组合，可实现有色金属焊接质量最佳化；

D、采用红光照明光源照明工件时，板材表面发生漫反射，部分光束反射依次经过保护镜、聚焦镜组、第二合束镜、第一合束镜、滤光片、CCD镜头，最后成像到CCD上，可以实时观察焊接表面情况。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

(1)本发明结构设计新颖，基于光纤耦合输出蓝光激光器与光纤激光器光束质量特性，基于有色金属材料对不同波长激光吸收特性，基于双片振镜摆动扫描特性，基于CCD机械视觉成像特性，通过光纤耦合输出蓝光激光器与光纤激光器合束聚焦，结合光纤激光振镜模块摆动扫描，辅以CCD机械视觉成像，可大幅提高有色金属焊接表面质量与焊接深度，同时有效降低激光飞溅和材料内部焊接缺陷。

(2)本发明提出的光纤耦合输出蓝光激光器波长在400nm-500nm之间，有色金属对其吸收率明显高于目前市面上其他激光器，比如光纤激光器与普通半导体激光器，仅需要低功率出光，使得加工材料熔化且远远达不到沸点，可有效降低激光飞溅，提高表面成型质量。

(3)本发明提出的光纤耦合输出蓝光激光器与光纤激光器复合焊接应用，光纤耦合输出蓝光激光器主要作为辅助，通过对有色金属材料预热熔化提高对光纤激光吸收率，可大幅降低所需光纤激光器功率，从而降低焊接能量密度，降低等离子体云浓度，结合光纤端振镜摆动扫描，可有效排除金属蒸汽，降低焊缝内部缺陷，另外由于光纤激光器较好的光束质量，穿透能量强，可大幅提升焊接深度。

(4)本发明提出的CCD视觉系统，结合红光视觉照明光源照明焊接工件，配合CCD工业相机，可实时观察焊接板面成像。

附图说明

图1为本发明的光路传输原理图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“内”、“外”“前端”、“后端”、“两端”、“一端”、“另一端”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“设置有”、“连接”等，应做广义理解，例如“连接”，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

请参阅图1，本发明提供一种技术方案：一种双波段激光摆动焊接光学系统1，包含光纤耦合输出蓝光激光器1、第一准直镜组2、第一合束镜3、第二合束镜4、聚焦镜组5、保护镜6、光纤激光器7、第二准直镜组8、第一振镜9、第二振镜10、滤光片11、CCD镜头12。

本发明中，所述光纤耦合输出蓝光激光器1激光波长400nm-500nm，光纤激光器7激光波长1020nm-1090nm；

所述第一准直镜组2、聚焦镜组5、第二准直镜组8均为消像差球面镜组，且第一准直镜组2、聚焦镜组5中心轴同轴，同时也与第二准直镜组8中心轴平行，材料均为熔融石英材料；

所述第一合束镜3镀膜包含400nm-500nm高透射率，650nm±20nm高反射率，相对于第一准直镜组2中心光轴45°夹角安装，材料为熔融石英材料；

所述第二合束镜4镀膜包含400nm-500nm高透射率，650nm±20nm半透半反，1020nm-1090nm高反射率，相对于第一准直镜组2中心光轴45°夹角安装，材料为熔融石英材料；

所述保护镜6材料为熔融石英材料；

所述第一振镜9、第二振镜10安装基准角均为45°，第一振镜9转轴与第二准直镜组8中心轴垂直，第二振镜10转轴与第二准直镜组8中心轴平行，且第一振镜9、第二振镜10相对于各自安装基准角有±5°范围以内的摆动角度，镜片材料包括熔融石英、SiC以及轻型金属材料；

所述滤光片11为带通滤光片，透光中心波长650nm，半波带宽≤30nm，截止波长包含可见光波段与近红外波段。

本发明中，所述光学系统光纤耦合输出蓝光激光器1出射激光依次经过第一准直镜组2、第一合束镜3、第二合束镜4、聚焦镜组5、保护镜6；

所述光学系统光纤激光器7出射激光依次经过第二准直镜组8、第一振镜9、第二振镜10、第二合束镜4、聚焦镜组5、保护镜6；

所述光学系统机械视觉成像依次由保护镜6、聚焦镜组5、第二合束镜4、第一合束镜3、滤光片11、CCD镜头12组成。

工作原理：本发明的使用方法包括以下步骤：

A、光纤耦合输出蓝光激光器1出射激光，经过第一准直镜组2形成准直光束，准直光束陆续由第一合束镜3、第二合束镜4折射，再由聚焦镜组5聚焦，聚焦光束通过保护镜6后汇聚成一点；

B、同时，光纤激光器7出射激光，经过第二准直镜组8准直形成准直光束，准直光束陆续由第一振镜9、第二振镜10、第二合束镜4反射，在第一振镜9、第二振镜10配合摆动时，反射后的出射光束相对于聚焦镜组5有着不同方向的夹角，再经过聚焦镜组5聚焦，聚焦焦点偏离聚焦镜组5中心轴，随着第一振镜9、第二振镜10实时摆动，聚焦光斑在焦平面形成特定扫描图形；

C、在激光焊接过程中，通过光纤耦合输出蓝光激光器1聚焦定光斑与光纤激光器7摆动扫描光斑优化组合，可实现有色金属焊接质量最佳化；

D、采用红光照明光源照明工件时，板材表面发生漫反射，部分光束反射依次经过保护镜6、聚焦镜组5、第二合束镜4、第一合束镜3、滤光片11、CCD镜头12，最后成像到CCD上，可以实时观察焊接表面情况。

综上所述，本发明结构设计新颖，基于光纤耦合输出蓝光激光器与光纤激光器光束质量特性，基于有色金属材料对不同波长激光吸收特性，基于双片振镜摆动扫描特性，基于CCD机械视觉成像特性，通过光纤耦合输出蓝光激光器与光纤激光器合束聚焦，结合光纤激光振镜模块摆动扫描，辅以CCD机械视觉成像，可大幅提高有色金属焊接表面质量与焊接深度，同时有效降低激光飞溅和材料内部焊接缺陷。

本发明未详述之处，均为本领域技术人员的公知技术。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。