CN110488398A - 一种获得可调双焦点的自由曲面透镜 - Google Patents
一种获得可调双焦点的自由曲面透镜 Download PDFInfo
- Publication number
- CN110488398A CN110488398A CN201910764220.4A CN201910764220A CN110488398A CN 110488398 A CN110488398 A CN 110488398A CN 201910764220 A CN201910764220 A CN 201910764220A CN 110488398 A CN110488398 A CN 110488398A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- lens
- free
- form surface
- surface lens
- cut
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Withdrawn
Links
- 238000000034 method Methods 0.000 claims description 8
- 239000013307 optical fiber Substances 0.000 claims description 4
- 238000003466 welding Methods 0.000 abstract description 32
- 239000000463 material Substances 0.000 abstract description 21
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 abstract description 7
- 230000007547 defect Effects 0.000 abstract description 5
- 238000000465 moulding Methods 0.000 abstract description 4
- 230000011218 segmentation Effects 0.000 abstract description 3
- 238000009826 distribution Methods 0.000 description 9
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 4
- 230000008901 benefit Effects 0.000 description 3
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 3
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 2
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 2
- 238000009738 saturating Methods 0.000 description 2
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 2
- 229910000838 Al alloy Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910000975 Carbon steel Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 description 1
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 1
- 239000010962 carbon steel Substances 0.000 description 1
- 230000009977 dual effect Effects 0.000 description 1
- 239000004744 fabric Substances 0.000 description 1
- 238000007667 floating Methods 0.000 description 1
- 238000003698 laser cutting Methods 0.000 description 1
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 1
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 description 1
- 238000004080 punching Methods 0.000 description 1
- 238000010791 quenching Methods 0.000 description 1
- 230000000171 quenching effect Effects 0.000 description 1
- 238000007493 shaping process Methods 0.000 description 1
- 238000001228 spectrum Methods 0.000 description 1
- 239000010935 stainless steel Substances 0.000 description 1
- 229910001220 stainless steel Inorganic materials 0.000 description 1
Classifications
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
- B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
- B23K26/02—Positioning or observing the workpiece, e.g. with respect to the point of impact; Aligning, aiming or focusing the laser beam
- B23K26/06—Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing
- B23K26/064—Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing by means of optical elements, e.g. lenses, mirrors or prisms
- B23K26/0648—Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing by means of optical elements, e.g. lenses, mirrors or prisms comprising lenses
-
- G—PHYSICS
- G02—OPTICS
- G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
- G02B3/00—Simple or compound lenses
- G02B3/02—Simple or compound lenses with non-spherical faces
- G02B3/06—Simple or compound lenses with non-spherical faces with cylindrical or toric faces
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- Optics & Photonics (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Plasma & Fusion (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Laser Beam Processing (AREA)
Abstract
本发明公开了一种获得可调双焦点的自由曲面透镜，该曲面透镜为一种柱面型透镜，本发明结构设计新颖，基于无穷大焦距光学镜片特性，基于单镜面不同参数分割下的分光特性，通过沿分割线方向旋转、沿垂直于光束传输轴与分割线的方向移动自由曲面透镜，配合聚焦镜可实现聚焦光斑从单焦点到双焦点、双焦点间距、双焦点能量比可调，尤其适用于激光焊接应用，特别有助于降低板材搭接宽度及装夹要求，降低高反材料焊接中产生的各种缺陷，适宜于不同材料、不等厚度材料焊接，并提高焊缝成形质量。
Description
技术领域
本发明涉及激光焊接技术领域，具体为一种获得可调双焦点的自由曲面透镜。
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，对于高反材料的激光焊接，普通的焊接方式不足以满足焊接需求，如铝合金的激光焊接，极易产生裂纹、气孔等激光焊接缺陷；即便是普通板材如碳钢、不锈钢等的焊接，通常会受到板材搭接缝宽的影响，对装夹治具要求高，对激光器或激光头配置相应提高。
除此之外，对于不等厚度板材的激光焊接，或不同材料的激光焊接，由于板材厚度或材质不同，对焊接激光束均有不同的要求。
目前，普通的焊接方式为单焦点焊接，为改善高反材料焊接质量，为降低板材对装夹治具等要求，为适应不同材料、不等厚度的板材焊接，通常会采用双焦点激光焊。
对于高反材料而言，当双焦点垂直焊缝方向与落于焊缝两边时，可以形成较大的熔池与匙孔，增加了匙孔稳定性，有利于内部气泡上浮，一定程度上改善焊缝内部的气孔。
对于普通材料而言，双焦点焊接有助于一定程度上提高焊缝宽度，降低板材搭接宽度限制，从而降低附属的装夹治具、激光器等要求。
对于不同材料焊接，激光吸收率不同；对于不同厚度板材，为确保焊接成型质量需求能量不同，通过双焦点能量分配的方式，可以较好的实现以上激光焊接需求。
在某些焊接场合，将双焦点平行置于焊缝，一个光斑焊接，一个光斑处理表面，也能有效改善焊接表面质量。
能够实现双焦点的方法较多，如分光棱镜分光、微透镜整形、自由曲面透镜组、半片球面透镜等。采用分光棱镜分光，单镜片焦点间距不可调，双镜片在实现单焦点时离焦光束段不重合导致发散角变大，实现双焦点时离焦光斑形状非对称分布；目前市面上常规的微透镜无法实现双焦点调节；自由曲面透镜组实现双焦点，需要两片镜片组合并协调移动实现双焦点及能量比调节，且一定程度上会影响聚焦光斑尺寸；半片球面透镜无法承受高功率应用，且与双片式分光棱镜类似，双焦点下离焦光斑形状非对称分布，不利于激光焊接。
基于上述各点，本发明提出一种获得可调双焦点的自由曲面透镜，基于无穷大焦距光学镜片特性，基于单镜面不同参数分割下的分光特性，通过沿分割线方向旋转、沿垂直于光束传输轴与分割线的方向移动自由曲面透镜，配合聚焦镜可实现聚焦光斑从单焦点到双焦点、双焦点间距、双焦点能量比可调，尤其适用于激光焊接应用，特别有助于降低板材搭接宽度及装夹要求，降低高反材料焊接中产生的各种缺陷，适宜于不同材料、不等厚度材料焊接，并提高焊缝成形质量。
发明内容
本发明的目的在于提供一种获得可调双焦点的自由曲面透镜，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：一种获得可调双焦点的自由曲面透镜，所述自由曲面透镜为一种柱面型透镜，所述自由曲面透镜外形包含但不限于矩形形状。
优选的，所述自由曲面透镜的每个镜面由两个相切的柱面面型构成，所述柱面面型包括凹型柱面、平面、凸型柱面，其中，两个柱面面型相切的切线为分割线。
优选的，所述自由曲面透镜的两个镜面分割线平行，且分割线平行于整个镜片柱面方向。
优选的，所述自由曲面透镜两条分割线构成一个平面，平面两端半个透镜有效焦距均为无穷大。
优选的，所述自由曲面透镜上方设置准直镜组，下方设置聚焦镜组，所述准直镜组、曲面透镜、聚焦镜组中心处于同一直线上。
优选的，其使用方法包括以下步骤：
A、光纤激光器出射发散光，入射到准直镜组以获得平行准直光束；
B、准直光束经过自由曲面透镜后再由聚焦镜组聚焦。
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，基于无穷大焦距光学镜片特性，基于单镜面不同参数分割下的分光特性，通过沿分割线方向旋转、沿垂直于光束传输轴与分割线的方向移动自由曲面透镜，配合聚焦镜可实现聚焦光斑从单焦点到双焦点、双焦点间距、双焦点能量比可调，尤其适用于激光焊接应用，特别有助于降低板材搭接宽度及装夹要求，降低高反材料焊接中产生的各种缺陷，适宜于不同材料、不等厚度材料焊接，并提高焊缝成形质量。
(2)本发明通过与聚焦镜配合使用，不影响聚焦光斑大小及焦点位置。在实现单焦点时，聚焦光束段整体为实心光束段，能量分布与常规光学配置相似；在实现双焦点时，离焦光束段光斑外形对称分布，有利于激光焊接应用，且根据需要可实现正负离焦双光束，可扩展到其他激光加工应用。
(3)本发明的自由曲面透镜，由于镜片数量少，调节方式较容易实现，有利于机械设计，并缩减整体的机械尺寸，可以通过以模块的形式插入到其他常规光学系统中。
附图说明
图1为本发明的自由曲面透镜示意图。
图2为本发明自由曲面透镜在光纤激光光路中的实施例。
图3为本发明实施例单焦点时聚焦光束段正负离焦光斑能量分布图。
图4为本发明实施例自由曲面透镜沿分割线方向旋转实现焦点位置单焦点到双焦点连续可调示意图。
图5为本发明实施例自由曲面透镜实现双焦点时，沿垂直于光束传输轴与分割线的方向移动下双焦点能量比连续可调示意图。
图6为本发明实施例实现负离焦双光束时的焦点及正负离焦能量分布图。
图7为本发明实施例实现正离焦双光束时的焦点及正负离焦能量分布图。
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。
请参阅图1，本发明提供一种技术方案：一种获得可调双焦点的自由曲面透镜，所述自由曲面透镜1为一种柱面型透镜，所述自由曲面透镜1外形包含但不限于矩形形状。
本发明中，自由曲面透镜1的每个镜面由两个相切的柱面面型构成，所述柱面面型包括凹型柱面、平面、凸型柱面，其中，两个柱面面型相切的切线为分割线。
本发明中，自由曲面透镜1的两个镜面分割线平行，且分割线平行于整个镜片柱面方向。
本发明中，自由曲面透镜1两条分割线构成一个平面，平面两端半个透镜有效焦距均为无穷大。
本发明中，自由曲面透镜1需要配合聚焦镜使用，不影响聚焦光斑大小及焦点位置；自由曲面透镜1配合聚焦镜使用时，通过沿分割线方向旋转实现聚焦光束单焦点到双焦点、双焦点间距调节；自由曲面透镜1配合聚焦镜使用时，沿垂直于光束传输轴与分割线的方向移动实现双焦点能量比调节。
自由曲面透镜1上方设置准直镜组2，下方设置聚焦镜组3，所述准直镜组2、曲面透镜1、聚焦镜组3中心处于同一直线上。
如图2所示，本发明的使用方法包括以下步骤：
A、光纤激光器出射发散光，入射到准直镜组2以获得平行准直光束；
B、准直光束经过自由曲面透镜1后再由聚焦镜组3聚焦。
在自由曲面透镜1沿分割线方向旋转获得单焦点时，离焦光束段能量也为实心分布，参考图3，与常规配置下的光束能量分布相近。
在自由曲面透镜1沿分割线方向旋转过程中，聚焦焦点光斑从单焦点到双焦点、双焦点间距连续可调，参考图4。
在自由曲面透镜1沿分割线方向旋转一定角度实现某个尺寸间距下的双焦点时，将自由曲面透镜1沿垂直于光束传输轴与分割线的方向移动，实现聚焦焦点位置双焦点能量比调节，参考图5。
在自由曲面透镜1基于单焦点对应位置沿分割线方向顺时针旋转一定角度时，实现负离焦光束段分光，对应聚焦光束段正负离焦光斑能量分布参考图6。
在自由曲面透镜1基于单焦点对应位置沿分割线方向逆时针旋转一定角度时，实现正离焦光束段分光，对应聚焦光束段正负离焦光斑能量分布参考图7。
在图3、图6、图7中，从左至右分别为焦点前不同距离、焦点、焦点后不同距离下的光斑能量分布，中间图为焦点位置光斑能量分布。
综上所述，本发明结构设计新颖，基于无穷大焦距光学镜片特性，基于单镜面不同参数分割下的分光特性，通过沿分割线方向旋转、沿垂直于光束传输轴与分割线的方向移动自由曲面透镜，配合聚焦镜可实现聚焦光斑从单焦点到双焦点、双焦点间距、双焦点能量比可调，尤其适用于激光焊接应用，特别有助于降低板材搭接宽度及装夹要求，降低高反材料焊接中产生的各种缺陷，适宜于不同材料、不等厚度材料焊接，并提高焊缝成形质量。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
Claims (6)
1.一种获得可调双焦点的自由曲面透镜，其特征在于：所述自由曲面透镜(1)为一种柱面型透镜，所述自由曲面透镜(1)外形包含但不限于矩形形状。
2.根据权利要求1所述的一种获得可调双焦点的自由曲面透镜，其特征在于：所述自由曲面透镜(1)的每个镜面由两个相切的柱面面型构成，所述柱面面型包括凹型柱面、平面、凸型柱面，其中，两个柱面面型相切的切线为分割线。
3.根据权利要求1所述的一种获得可调双焦点的自由曲面透镜，其特征在于：所述自由曲面透镜(1)的两个镜面分割线平行，且分割线平行于整个镜片柱面方向。
4.根据权利要求1所述的一种获得可调双焦点的自由曲面透镜，其特征在于：所述自由曲面透镜(1)两条分割线构成一个平面，平面两端半个透镜有效焦距均为无穷大。
5.根据权利要求1所述的一种获得可调双焦点的自由曲面透镜，其特征在于：所述自由曲面透镜(1)上方设置准直镜组，下方设置聚焦镜组，所述准直镜组、曲面透镜、聚焦镜组中心处于同一直线上。
6.实现权利要求1所述的一种获得可调双焦点的自由曲面透镜的使用方法，其特征在于：其使用方法包括以下步骤：
A、光纤激光器出射发散光，入射到准直镜组(2)以获得平行准直光束；
B、准直光束经过自由曲面透镜(1)后再由聚焦镜组(3)聚焦。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201910764220.4A CN110488398A (zh) | 2019-08-19 | 2019-08-19 | 一种获得可调双焦点的自由曲面透镜 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201910764220.4A CN110488398A (zh) | 2019-08-19 | 2019-08-19 | 一种获得可调双焦点的自由曲面透镜 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN110488398A true CN110488398A (zh) | 2019-11-22 |
Family
ID=68551973
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN201910764220.4A Withdrawn CN110488398A (zh) | 2019-08-19 | 2019-08-19 | 一种获得可调双焦点的自由曲面透镜 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN110488398A (zh) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2023221318A1 (zh) * | 2022-05-18 | 2023-11-23 | 上海嘉强自动化技术有限公司 | 自由曲面透镜、光学系统及其激光焊接装置 |
-
2019
- 2019-08-19 CN CN201910764220.4A patent/CN110488398A/zh not_active Withdrawn
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2023221318A1 (zh) * | 2022-05-18 | 2023-11-23 | 上海嘉强自动化技术有限公司 | 自由曲面透镜、光学系统及其激光焊接装置 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN111069770B (zh) | 一种光路分光单元及其同轴送丝熔覆头 | |
| US9261702B2 (en) | Optical device for beam shaping | |
| CN109530913B (zh) | 一种贝塞尔光束的激光加工优化方法及系统 | |
| CN107160032A (zh) | 一种间距与分光能量可调三光点激光焊接光学系统 | |
| CN111736355A (zh) | 一种基于微透镜组可调能量分布光学系统 | |
| CN110471186A (zh) | 一种基于非球面镜可调环形光斑zoom切割装置及方法 | |
| CN115453767B (zh) | 一种点环分布激光光学系统及使用方法 | |
| CN113751892A (zh) | 一种基于激光光斑能量整形的厚材切割系统 | |
| CN212885690U (zh) | 一种双焦点激光焊接光学系统及其激光焊接头 | |
| CN112548324A (zh) | 激光焊接方法和用于激光焊接的设备 | |
| CN106711765B (zh) | 一种具有三光斑照射一次成型功能的半导体激光熔覆光源结构 | |
| CN211956009U (zh) | 一种环形光斑的光学系统 | |
| CN106094226B (zh) | 一种基于二分束棱镜与楔形镜组合光学系统 | |
| CN110488398A (zh) | 一种获得可调双焦点的自由曲面透镜 | |
| CN110614449A (zh) | 一种基于多分光椭球面镜光内同轴送丝光学机构及其工作方法 | |
| CN110441839A (zh) | 一种获得可调双焦点的微透镜阵列 | |
| CN217571287U (zh) | 一种用于激光切割的贝塞尔光束镜头 | |
| CN210982792U (zh) | 一种获得可调双焦点的自由曲面透镜 | |
| CN218917824U (zh) | 能形成中心和外环聚焦光斑的激光光路系统 | |
| CN110480186A (zh) | 一种基于非球面镜可调环形光斑定倍切割装置 | |
| CN207013865U (zh) | 一种间距与分光能量可调三光点激光焊接光学系统 | |
| KR102612372B1 (ko) | 에어리 빔을 이용한 면취용 빔 생성 시스템 | |
| CN111922514B (zh) | 一种双焦点激光焊接光学系统及其光焊接头 | |
| CN214602523U (zh) | 一种整体环带激光焊接装置 | |
| CN210427969U (zh) | 一种基于非球面镜可调环形光斑zoom切割装置 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| WW01 | Invention patent application withdrawn after publication | ||
| WW01 | Invention patent application withdrawn after publication |
Application publication date: 20191122 |