1引言激光加工就是将激光束照射到加工物体的表面,用以除去或熔化材料以及改变物体表面性能。 激光对物体的加工不同于其他方法最显著的地方,就是它可以把光的能量通过聚焦集中在很小的面 积上,使被照射物体瞬间接受极高的激光功率密度辐射,从而达到加工的目的。目前,连续、大功 率激光器广泛应用于切割、焊接、快速成型和金属表面改性等。不同的加工方式要求不同,对激光 束的聚焦采取的方式也不一样。此外,为合理利用激光器连续工作能力,提高生产效率,往往需要 将激光束转换到不同的工位交替工作。本文介绍了一种三工位光路转换器同时分析了几种常见的激 光束聚焦方式。2三工位光路转换器为合理利用机器连续工作的能力,提高工作效率,可以采用一 种“品”字型三工位光路转换器。图1是其光闸分布示意图,其中光闸由气缸、反射镜、电控部分 组成,气缸支配反射镜动作,达到控制光路的目的。通过三个光闸的配合使用,可以将激光束分别 转换到三个不同的工位聚焦后进行加工。其工作过程为:当关闸A推进时,其上的凸面反射镜(采 用凸面反射镜是为了减小吸收堆上的功率密度)将激光束反射到吸收堆(后面水冷)上并吸收;当 光闸A开启时,光束通过45°金属反射镜反射到工位1聚焦后进行工作;工位1加工完成后光闸 B推进,其上的平面反射镜将光束转换到工位2进行工作;同样,光闸C可以将光束转换到工位3 。这样通过光闸间的配合使用,可以实现三工位交替工作,提高工作效率。另外,三工位呈“品” 字型摆布,使得激光到达三工位上工件的光程相等,加工同一规格的工件时,设置同样的工艺参数 ,确保产品质量稳定一致<1>。3激光束的聚焦不同的加工方式,对聚焦光斑的要求不一样,所 以应采用不同的聚焦方式,下面主要介绍透射聚焦、反射聚焦及其应用。3.1透镜聚焦硒化锌( ZnSe)平凸镜、正凹凸透镜、非球面镜和衍射光学系统都是通常使用的透射型透镜。通过正确 选取透镜种类,几乎可以实现任何尺寸的焦斑。其中平凸和凹凸形镜是最经济、有效的透镜。透镜 聚焦的机械结构比较简单如图2,它所用光学元件较少,易于调整,允许光束有偏心之类的小偏差 ,即允许光束偏心或角度偏离入射透镜<2>。这种结构有一个突出的特点就是能在聚焦镜和喷嘴 之间形成一个密封的气室,向气室通入高压辅助气体时,从喷嘴喷射出的高速气流可以吹开被激光 汽化的物质,实现切割。这种结构也可以用作焊接和热处理,此时辅助气体以较低速从喷嘴喷出< 3>。但透镜聚焦时,则当激光束通过后,透镜不断地被加热而发生膨胀,因此改变了透镜的曲率 半径,并且使透镜曲率半径变小,即所谓的热透镜效应,如图3所示,这样相对于冷透镜和热透镜 各有一个焦点,进行加工时,如果我们把焦点取在工件表面,开始时透镜处于冷的状态,焦点刚好 落在工件表面,但随着透镜被加热,焦点会向上移动而形成离焦状态,使得工件表面的光斑尺寸变 大,从而影响加工质量。为克服热透镜效应的影响,一方面必须很好地冷却透镜,另一方面要合理 选择焦点位置图1三工位光闸示意图图2透镜聚焦结构示意图图3热透镜效应<4>。此外,当激 光功率超过2kW时,传输透镜还有遭光学破坏的危险。所以透镜聚焦只适用于切割及较低功率的 焊接和热处理。3.2球面镜反射聚焦为了克服透镜聚焦的热透镜效应,常常采用反射聚焦,其中 金属球面镜反射聚焦比较简单,但金属球面镜的较大球差却影响聚焦效果。为了减小球差,可以采 用小角度(一般小于5°)入射方式,即近轴入射,图4为小角度入射时球面镜聚焦的结构示意图 ,这种聚焦结构能减小球差地影响,但不能消除球差,所以这种聚焦结构适用于那些不需要很小的 光斑(直径大于3mm),对焦点光斑的形状也较为宽松的场合,如激光热处理、熔覆、合金化以 及快速成型等。3.3离轴抛物面反射镜聚焦由于球差球面镜聚焦会影响聚焦效果,如果采用非球 面镜聚焦,则可使球差得到消除。如图5所示,轴上物点A入射到曲面上的反射点P(x,y), 经反射后成理想像于B,曲面要求消除球差,根据费马原理,满足等光程的要求有a+b=l+f 即(l-x)2+y2姨+(f-x)2+y2姨=l+f展开后整理得y2=4lfl+fx- 4lf(l+f)2x2可见消除球差的等光程面是二次曲面。当物在无限远时,曲面为抛物面y 2=4fx,f为有效焦距(EFL)<4>。抛物面反射镜聚焦结构如图6所示,这种聚焦方式 可以消除球差的影响,得到高质量的聚焦光斑。理论上,抛物反射镜应把激光束聚焦到光束的衍射 极限。衍射极限是对特定激光束直径和模式所能达到的最小焦斑。但抛物面反射镜是最难调整的反 射镜系统之一,因此在高功率激光系统中,通常很难达到衍射极限的聚焦<2>;同时抛物面反射 镜需要专门的超精车床加工,价格昂贵。这种聚焦系统一般用于要求高、功率大的焊接和热处理中 。4特殊光斑的整合<6>在一些特殊的场合,需要用特殊的光斑进行加工,比如激光加工扫描器 就要求能量均匀分布的光斑,有的需要能量均匀分布的线光斑,而有的要求是矩形光斑。要得到线 形光斑,可以有两种整合方图4小角度入射球面镜聚焦结构图5无球差曲面原理图图6抛物面反射 聚焦结构图7线光斑的柱面镜整合图8线光斑的积分镜整合图9线光斑形状及能量分布式,图7是 用两个柱面镜来实现线形光斑,图8是用拼合镜来实现线形光斑,其中球面凸面镜和球面凹面镜组 成望远系统;柱面镜将平行光聚焦在子午面,柱面镜的曲率和它到工件的距离决定了光斑的横向长 度;拼合镜是由八块按照一定规律放置的镜片组成,它使强度不均匀的入射光分割,并使反射光在 “焦平面”上相叠加,即产生积分作用,从而得到强度均匀分布的线光斑。所以这种拼合镜常常也 称为积分镜。此外,运用二维积分镜还可以得到强度均匀分布的矩形光斑,而能量均匀分布的矩形 光斑能大大提高激光熔覆或热处理质量。实现能量均匀分布的矩形光斑,还可以采用kaleid osope-type积分镜。图10为获得的矩形光斑。这种结构已成功应用于钢的硬化中,但 却不能用于激光熔覆。因为在激光熔覆中,大约70%的附带能量从工件表面反射到积分镜,而在 热处理中,由于高吸收率的涂层作用,反射能量只有20%~30%。另外,这种结构中,积分镜 到工件只有几个厘米,用于激光熔覆时粉料会污染镜头。特殊的激光光斑有着特殊的用途,但往往 这种光斑的实现较为困难,造价昂贵,所以在一般的加工中应用较少。4总结(1)三工位光路转 换器能合理利用激光器连续工作的能力,提高生产效率;(2)不同的聚焦方式有着自己的优点和 缺点,在实际应用中应综合考虑;(3)特殊形式的光斑实现困难,只应用于特定的加工形式中。图10矩形光斑形状及能量分布高功率激光加工中光束的转换、聚焦和整合@胡昌奎$华中科技大学激光技术与工程研究院!武汉430074
@陈培锋$华中科技大学激光技术与工程研究院!武汉430074
@黄涛$华中科技大学激光技术与工程研究院!武汉430074激光加工;;透射聚焦;;反射聚 焦;;整合介绍了一种能合理利用激光器连续工作能力的三工位光路转换装置;分析了透射聚焦和 反射聚焦的优缺点及其应用领域,其中反射聚焦中分析了球面镜反射聚焦和离轴抛物面反射聚焦两 种形式;最后简要介绍了能量均匀分布的线形光斑和矩形光斑的整合方式。1朱海红,朱国富,唐 霞辉等.一种新型实用的金刚石圆锯片激光焊接系统.金刚石与磨料磨具工程,1999,3(111):11~13
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3杨扬.CO2激光束几种聚焦方案的比较.激光杂志,1999,20(2):29~32
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5张以漠编.应用光学,机械工业出版社:北京,1982,601~602
6MarcelSchneider.LaserCladdingWithPower,Prin tPartnersIpskamp;Enschede,1998,52~71怯闷春暇道词迪 窒咝喂獍?其中球面凸面镜和球面凹面镜组成望远系统;柱面镜将平行光聚焦在子午面,柱面镜的 曲率和它到工件的距离决定了光斑的横向长度;拼合镜是由八块按照一定规律放置的镜片组成,它 使强度不均匀的入射光分割,并使反射光在“焦平面”上相叠加,即产生积分作用,从而得到强度 均匀分布的线光斑。所以这种拼合镜常常也称为积分镜。此外,运用二维积分镜还可以得到强度均 匀分布的矩形光斑,而能量均匀分布的矩形光斑能大大提高激光熔覆或热处理质量。实现能量均匀 分布的矩形光斑,还可以采用kaleidosope-type积分镜。图10为获得的矩形光 斑。这种结构已成功应用于钢的硬化中,但却不能用于激光熔覆。因为在激光熔覆中,大约70% 的附带能量从工件表面反射到积分镜,而在热处理中,由于高吸收率的涂层作用,反射能量只有2 0%~30%。另外,这种结构中,积分镜到工件只有几个厘米,用于激光熔覆时粉料会污染镜头 。特殊的激光光斑有着特殊的用途,但往往这种光斑的实现较为困难,造价昂贵,所以在一般的加 工中应用较少。4总结(1)三工位光路转换器能合理利用激光器连续工作的能力,提高生产效率 ;(2)不同的聚焦方式有着自己的优点和缺点,在实际应用中应综合考虑;(3)特殊形式的光 斑实现困难,只应用于特定的加工形式中。图10矩形光斑形状及能量分布高功率激光加工中光束的转换、聚焦和整合@胡昌奎$华中科技大学激光技术与工程研究院!武汉430074
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