激光焊接机在五金工业公司运用

激光加工系统中，主要使用透镜或抛物面反射镜作为聚焦元件。

C02激光器中，ZnSe是聚焦透镜的主要材料，它对CQ激光波长的光束具有良好的传输特性o Nd:YAG激光波长的光束可以直接穿透玻璃，因此玻璃常用来做一些透光元件。功率在2kW以上光束，其光学元件主要由石英材料制成，石英不仅传输特性好，还有较强的热载承受能力。焊接过程中，烟雾和金属飞溅很容易污染透镜，大多数的焊接应用可通过喷嘴设计适当减少这种危害。Nd：YAG激光器在切割、焊接加工头中的聚焦透镜经常采用玻璃作为防护罩，加工质量的好坏在很大程度上取决于防护罩的情况。如今已有专门的传感元件用于检测和显示防护罩的损伤程度，这样就避免了许多不必要的关机和防护罩清理工作。

虽然透镜聚焦价格较便宜，但反射镜聚焦却愈来愈普及，尤其是在焊接应用中，因为反射式聚焦镜可与水冷元件相配合使用，而且，反射镜式光学元件对激光加工过程的污染与损害具有一定的抵抗能力。当加工所需的平均功率较高时(≥3.5kW)，一般均采用水冷的反射镜式光学元件。在焊接应用中，通常是采用带有不同涂层的铜制抛物面状反射镜。如果涂层适当，金属制的抛物面反射镜也能用于Nd: YAG澈光。同透镜聚焦系统相比，聚焦反射镜的价格较贵。根据几何形状不同聚焦反射镜可分为圆柱形、球形、环形和抛物面形。一些具有特殊镜面结构的反射镜和其他用于改变激光束能量密度分布的光学镜片主要用于表面加工。

无论是反射式聚焦还是透射式聚焦，由于聚焦系统与加工头的集成性，使得光束的作用区域及加工速度受到了一定的限制。扫描式聚焦系统突破了聚焦镜在空间排布上的限制，大大提高了激光加工的效率。在图3-28所示的扫描式聚焦焊接加工头中，激光束通过两个呈900排列的反射镜传输到工件的表面，反射镜的角度可灵活、快速变化，获得很高的加工效率，同相应的软件配合，可以实现任何二维轨迹的焊接加工。

为扩大激光束在工业中的应用范围，可将激光束分解成两个或多个独立的光束。如图3-29所示的分光元件能对两个分离焦点之间的距离进行调整，采用这种光学元件，在对间隙较敏感的焊接应用中，可适当放宽焊缝的间隙，提高焊接适应性。上产生一定直径的光束，由此弥补光束源的j二作条件或加工系统中光束路径长度变化带来的影响。图3-20所示为一个扩束镜的典型结构示意图。

3.7.2光束的转向

对光束转向元件的要求是应当确保

光束在经过光路上的不同光学元件时保1 00%  持源光束的功率不变。CQ激光器和输HIlNd：YAG激光器的传统转向方法都是将

反射镜插入在光束的传输路径q1。

图3-21所示为CQ激光器和Nd: YAG

激光器的光束转向原理。3.7.3光束的能量分配

某些加工任务町能需要在几个不同_L位同时使用一个光束源的能量，我们称将光束能量以不同形式进行分配的标准元件为能量分配元件，这类元件常用于Nd:YAG激光器中。有的能量分配元件只能提供固定的分束比，也有一些可由用户来选择分束比。图3-22所示为两个不同设计原理的能量分配元件．每个能量分配元件都有两个输出路径。3.7.4反射镜传输

c02激光器是通过反射镜将光束传输至工件表面。如果要使加工区域内所有点的光束质量都保持恒定，在与精密机械导轨相配合的同时，反射镜必须具有很高的反射度和表面光沽度(精度≤A/20)o图3-23所示为一种无需调整的柔性臂式光束传输系统，这种柔性臂式光束传输系统允许的L作距离达Sm左右。

与传统光束传输系统相比，这种光束传输几乎不需要任何调整，光束路径长度恒定，因此在聚焦光学元件中的输入光束直径也恒定，不必再要用于弥补光束发散的复杂光学系统。若刚性不够，还可使用玻璃或碳纤维强化的轻型防护管完全可以保证光束的精确传输。

Nd：YAG激光器除了可采用反射镜进行光束传输外，也可采用光纤传输。光纤传输简化r系统的复杂运动结构，而且光束能够到达普通刚性传输方法无法到达的工作区域，如汽车车身的内部。光纤传输的另一·个优点是可以将激光源放在离加工系统较远的地方‘(>50m)，以适应不同的工作条件。

要将光束耦合入光纤，必须将光束聚焦到小于纤芯直径的程度，如K 3-24所示。聚焦元件fl将进入光纤的光束聚焦列较小直径，激光束在光纤中传出时是发散的，必须通过光学是切割应用来说，需要较小的焦点直径，可以采用小直径和数值孔径低的光纤，这种光纤能同光束产生可靠的内耦合。图3-24光纤传输的基本原理

光纤传输的功率损耗主要来自光纤端面的反射和耦合散射。由于功率密度高，光纤的两端面一般是不镀膜的，以保持此二面的高纯净，因而在耦合过程中大约会有1096的能量损失。不过，一些大公司也生产端面带镀膜的大功率光纤，激光功率的传输效率可达9896以上，在一些特定的应用场合中，只有使用这种光纤，才有可能制造出经济的加工系统。

激光加工用的光纤由石英纤芯和包层组成，光纤有两种折射率分布形式，即阶跃分布和梯度分布，阶跃分布式光纤的折射率从中心到边缘呈阶梯状递减，梯度分布式光纤的折射率从中心到边缘是呈抛物线状递减的，有些类似透镜传输，但其光纤的设计同折射率阶跃分布式光纤是一样的。图3-26光纤的全反射原理

折射率阶跃分布式光纤，由于包层中含有某些添加成分，折射率相对较低。光束在光纤中是通过完全反射传输到工件表面的，如图3-26所示。纤芯与包层之间折射率的差异限制了进入到光纤内的光束入射角大小。将激光聚焦至光纤端面耦合进入光纤，焦斑直径应小于光纤芯径，光束会聚角(纤孔径角y，方可在芯部与包层的界面上实现全内反射。一般采用NA来描述光式中，NA称为光纤波导的数值孔径，门l为芯部折射率，rz2为包层折射率。

目前，工业中应用的光纤内芯直径一般在0.3～1.5mm之间，折射率阶跃分布式光纤是目前应用较为普遍的一种，其价格较低，且能保证较高的可靠性。传输大功率光束时，也可以采用¨光纤束”的传输方式，虽然这一方法已经通过了实验室测试，但由于成本较高、光束传输质量差，在目前的激光器和加工中并不被看重。

为保证光纤的弯曲半径大于要求的较低值，同时保护光纤免受机械损伤，通常将光纤装入硬塑料套管中，这样，光纤的外径一般会到Smm左右。

    借助不同的转向机构，可以成倍地增加输出光纤的数量，大幅度地提高多工位系统的激光加工效率o在实际生产中，转向机构可以将一个激光源所产生的光顺序地或同时提供给几个光学元件。图3-27所示为Nd: YAG激光器开发的多路转接器，它能够以很高的转向频率，依次给超过20根的光纤提供光源，这种设计为“多点”或“多工位”技术的系统方案解决莫定了基础。