技術(shù)領(lǐng)域：

本發(fā)明涉及激光焊接領(lǐng)域，特別涉及一種間距與分光能量可調(diào)三光點(diǎn)激光焊接光學(xué)系統(tǒng)。

背景技術(shù)：
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工業(yè)激光加工行業(yè)包括激光切割、焊接、打標(biāo)、鉆孔、微加工、熔覆、淬火、表面處理、3d打印等各方面，涵蓋了各類常用金屬或非金屬材料的激光加工，其中尤以激光焊接、打標(biāo)、3d打印等激光加工行業(yè)對(duì)激光束多樣性的要求更具代表性。

激光焊接，從最初的單焦點(diǎn)焊接，到后面衍生的雙焦點(diǎn)焊接、三焦點(diǎn)焊接等，目的是為了獲得更好焊接效果與質(zhì)量。雙焦點(diǎn)焊接是激光束經(jīng)過(guò)特殊整形后，聚焦出兩束能量相同、大小一致的光斑，分別對(duì)稱落在焊縫兩邊來(lái)進(jìn)行加工的工藝方式，三焦點(diǎn)焊接通常是在雙焦點(diǎn)焊接基礎(chǔ)上，引入另一焦點(diǎn)對(duì)待焊接或焊接后的焊縫進(jìn)行預(yù)處理或后處理,但在一些激光焊接場(chǎng)合，分布在焊縫兩邊的雙光斑會(huì)用于輔助處理焊縫，大部分能量則分給了焊縫上的光斑?？梢?，不同的激光焊接場(chǎng)合，三光點(diǎn)激光焊接的三個(gè)光斑能量分布上，有其特定的要求。

當(dāng)下的三焦點(diǎn)激光焊接光路，大致從兩個(gè)方向出發(fā)，一種是通過(guò)特殊的光纖來(lái)獲得三光點(diǎn)的輸出光束，另一種則是通過(guò)外光路特殊整形處理來(lái)實(shí)現(xiàn)。前一種方案，以ipg為代表的光纖激光器分光方案，通過(guò)常規(guī)外光路聚焦后的三光點(diǎn)方向往往具有隨意性，對(duì)激光焊接方向有諸多限制，而且高功率的特殊光纖，價(jià)格上十分昂貴，三光點(diǎn)分光能量以及光斑間距均不可調(diào)；后一種方案，有以laserline為代表的分光方案，通過(guò)鏡片表面部分陣列化及分光化，獲得主光點(diǎn)為方形，側(cè)雙光點(diǎn)為圓形的三光點(diǎn)，該方案的問題在于，三個(gè)光點(diǎn)的距離固定，十分影響并限制光纖芯徑差異較大、聚焦鏡焦距差異較大的激光焊接應(yīng)用，再者，陣列化的鏡面非常難加工，成本昂貴，目前僅有少數(shù)國(guó)外供應(yīng)商有穩(wěn)定的產(chǎn)品。

基于以上所述，同時(shí)考慮到機(jī)械結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)的難易性，本發(fā)明提出一種間距與分光能量可調(diào)三光點(diǎn)激光焊接光學(xué)系統(tǒng)，通過(guò)采用圓楔形鏡與三分束棱鏡組合，基于雙片圓楔形鏡間距可調(diào)所引起的光束平移特性，基于雙片三分束棱鏡分束特性與棱夾角特性，基于圓楔形鏡與三分束棱鏡中心軸旋轉(zhuǎn)特性，實(shí)現(xiàn)了一種聚焦三光點(diǎn)光學(xué)系統(tǒng)，三光點(diǎn)間距、能量以及方向均可調(diào)節(jié)，適用于任意光纖芯徑的光纖激光器激光焊接應(yīng)用，特別有助于提高激光釬焊中焊接件焊縫質(zhì)量。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
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本發(fā)明提供一種間距與分光能量可調(diào)三光點(diǎn)激光焊接光學(xué)系統(tǒng)，以解決上述背景技術(shù)中提出的問題。

為了解決上述問題，本發(fā)明提供了一種技術(shù)方案：一種間距與分光能量可調(diào)三光點(diǎn)激光焊接光學(xué)系統(tǒng)，包括：光纖激光器自出光點(diǎn)和焦平面，其創(chuàng)新點(diǎn)在于：還包括消像差準(zhǔn)直鏡組、第一片圓楔形鏡、第二片圓楔形鏡、第一片三分束棱鏡、第二片三分束棱鏡和消像差聚焦鏡組；所述光纖激光器自出光點(diǎn)、消像差準(zhǔn)直鏡組、第一片圓楔形鏡、第二片圓楔形鏡、第一片三分束棱鏡、第二片三分束棱鏡、消像差聚焦鏡組和焦平面自上而下以相互間隔的方式排列在一起且相互同心；所述第一片圓楔形鏡與第二片圓楔形鏡相互平行，所述第一片圓楔形鏡與第二片圓楔形鏡的楔形面相互對(duì)應(yīng)；所述第一片圓楔形鏡與第二片圓楔形鏡之間的間距可調(diào)，且所述第一片圓楔形鏡與第二片圓楔形鏡可圍繞中心軸360°旋轉(zhuǎn)；所述第一片三分束棱鏡與第二片三分束棱鏡的分光面相互對(duì)應(yīng)，所述第一片三分束棱鏡與第二片三分束棱鏡可圍繞中心軸360°旋轉(zhuǎn)；所述消像差準(zhǔn)直鏡組和消像差聚焦鏡組均可換為消像差非球面鏡，所述消像差準(zhǔn)直鏡組和消像差聚焦鏡組的鏡片均為圓柱狀且相互同軸。

作為優(yōu)選，所述第一片圓楔形鏡與第二片圓楔形鏡楔形面的楔角相同，且所述第一片圓楔形鏡與第二片圓楔形鏡的兩側(cè)鏡面均為平面。

作為優(yōu)選，所述第一片三分束棱鏡和第二片三分束棱鏡對(duì)應(yīng)中心軸過(guò)三條分光棱交點(diǎn)，三條分光棱與中心軸夾角即棱軸夾角相同，三個(gè)分光面為平面且等面積等角度分布，兩片三分束棱鏡棱軸夾角相同。

作為優(yōu)選，所述消像差聚焦鏡組聚焦三光點(diǎn)在焦平面上，且三光點(diǎn)大小相同，中心連線為等邊三角形，等邊三角形中心不動(dòng)，三光點(diǎn)間距、分束能量及方向可控。

本發(fā)明的有益效果：

(1)本發(fā)明結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)新穎，通過(guò)采用圓楔形鏡與三分束棱鏡組合，基于雙片圓楔形鏡間距可調(diào)所引起的光束平移特性，基于雙片三分束棱鏡分束特性與棱夾角特性，基于圓楔形鏡與三分束棱鏡中心軸旋轉(zhuǎn)特性，實(shí)現(xiàn)了一種聚焦三光點(diǎn)光學(xué)系統(tǒng)，三光點(diǎn)間距、能量以及方向均可調(diào)節(jié)，適用于任意光纖芯徑的光纖激光器激光焊接應(yīng)用，特別有助于提高激光釬焊中焊接件焊縫質(zhì)量。

(2)本發(fā)明的光纖激光束經(jīng)過(guò)消像差準(zhǔn)直鏡組準(zhǔn)直后為平行光束，平行光束由兩片圓楔形鏡折射不影響傳輸方向的同時(shí)，產(chǎn)生光軸方向上的位置偏移，偏移距離與兩圓楔形鏡間距有關(guān)，確保入射到第一片三分束棱鏡上的光束分光能量任意可控。

(3)本發(fā)明的圓楔形鏡產(chǎn)生的偏移平行光束，經(jīng)過(guò)兩片三分束棱鏡分束后，形成三束光束，當(dāng)兩片三分束棱鏡六個(gè)中心對(duì)稱面每?jī)蓚€(gè)相鄰面夾角為60°時(shí)，三束光束傳輸方向相同，聚焦焦點(diǎn)為一個(gè)點(diǎn)，在此基礎(chǔ)上微調(diào)其中兩相鄰中心對(duì)稱面夾角，聚焦焦點(diǎn)即可分成三個(gè)光斑，對(duì)稱面夾角改變的大小，決定三分光點(diǎn)的距離。

(4)本發(fā)明的圓楔形鏡組與三分束棱鏡組的組合調(diào)節(jié)，即實(shí)現(xiàn)了三光點(diǎn)間距與能量的調(diào)節(jié)。同時(shí)，圓楔形鏡組、三分束棱鏡組360°中心軸旋轉(zhuǎn)，在保證三個(gè)分光光斑中心位置不動(dòng)的同時(shí)，確保三個(gè)光斑可朝任意方向改變，以滿足激光焊接的各向加工需求。

附圖說(shuō)明：

為了易于說(shuō)明，本發(fā)明由下述的具體實(shí)施及附圖作以詳細(xì)描述。

圖1為本發(fā)明的光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2為本發(fā)明的三分束棱鏡結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3為本發(fā)明的光斑演化示意圖。

1-光纖激光器自出光點(diǎn)；2-消像差準(zhǔn)直鏡組；3-第一片圓楔形鏡；4-第二片圓楔形鏡；5-第一片三分束棱鏡；6-第二片三分束棱鏡；7-消像差聚焦鏡組；8-焦平面。

具體實(shí)施方式：

如圖1、圖2和圖3所示，本具體實(shí)施方式采用以下技術(shù)方案：一種間距與分光能量可調(diào)三光點(diǎn)激光焊接光學(xué)系統(tǒng)，包括：光纖激光器自出光點(diǎn)1和焦平面8，還包括消像差準(zhǔn)直鏡組2、第一片圓楔形鏡3、第二片圓楔形鏡4、第一片三分束棱鏡5、第二片三分束棱鏡6和消像差聚焦鏡組7；所述光纖激光器自出光點(diǎn)1、消像差準(zhǔn)直鏡組2、第一片圓楔形鏡3、第二片圓楔形鏡4、第一片三分束棱鏡5、第二片三分束棱鏡6、消像差聚焦鏡組7和焦平面8自上而下以相互間隔的方式排列在一起且相互同心；所述第一片圓楔形鏡3與第二片圓楔形鏡4相互平行，所述第一片圓楔形鏡3與第二片圓楔形鏡4的楔形面相互對(duì)應(yīng)；所述第一片圓楔形鏡3與第二片圓楔形鏡4之間的間距可調(diào)，且所述第一片圓楔形鏡3與第二片圓楔形鏡4可圍繞中心軸360°旋轉(zhuǎn)；所述第一片三分束棱鏡5與第二片三分束棱鏡6的分光面相互對(duì)應(yīng)，所述第一片三分束棱鏡5與第二片三分束棱鏡6可圍繞中心軸360°旋轉(zhuǎn)；所述消像差準(zhǔn)直鏡組2和消像差聚焦鏡組7均可換為消像差非球面鏡，所述消像差準(zhǔn)直鏡組2和消像差聚焦鏡組7的鏡片均為圓柱狀且相互同軸。

其中，所述第一片圓楔形鏡3與第二片圓楔形鏡4楔形面的楔角相同，且所述第一片圓楔形鏡3與第二片圓楔形鏡4的兩側(cè)鏡面均為平面；所述第一片三分束棱鏡5和第二片三分束棱鏡6對(duì)應(yīng)中心軸過(guò)三條分光棱交點(diǎn)，三條分光棱與中心軸夾角即棱軸夾角相同，三個(gè)分光面為平面且等面積等角度分布，兩片三分束棱鏡棱軸夾角相同；所述消像差聚焦鏡組7聚焦三光點(diǎn)在焦平面上，且三光點(diǎn)大小相同，中心連線為等邊三角形，等邊三角形中心不動(dòng)，三光點(diǎn)間距、分束能量及方向可控。

參閱圖1、圖2和圖3，光纖激光器自出光點(diǎn)1輸出發(fā)散光束，發(fā)散光束由消像差準(zhǔn)直鏡組2準(zhǔn)直形成準(zhǔn)直光束，準(zhǔn)直光束與消像差準(zhǔn)直鏡組2中心軸同軸，經(jīng)過(guò)第一片圓楔形鏡3后，折射改變光束傳輸方向，對(duì)應(yīng)光束又通過(guò)具有相同楔角的第二片圓楔形鏡4，再次折射改變光束傳輸方向，由于兩圓楔形鏡之間的楔形面平行，故經(jīng)過(guò)第二片圓楔形鏡4的出射光束與入射到第一片圓楔形鏡3的光束方向相同，僅發(fā)生了光軸上的位置平移，且平移方向與第一片圓楔形鏡3、第二片圓楔形鏡4中心對(duì)稱面共面。平移激光束正入射到第一片三分束棱鏡5后，被分為三條先交叉后發(fā)散的平行光束，三條光束再經(jīng)過(guò)第二片三分束棱鏡6，由于第一片三分束棱鏡5與第二片三分束棱鏡6棱軸夾角相同，分光面相對(duì)，當(dāng)?shù)谝黄质忡R5與第二片三分束棱鏡6共6個(gè)中心對(duì)稱面的相鄰兩個(gè)面夾角為60°時(shí)，定義為第一片三分束棱鏡5與第二片三分束棱鏡6的初始態(tài)。在初始態(tài)下，經(jīng)過(guò)第二片三分光棱鏡折射后的三束分光束再由消像差聚焦鏡組7聚焦后，焦平面8形成一個(gè)光斑；在初始狀態(tài)基礎(chǔ)上，繞中心軸小角度旋轉(zhuǎn)第一片三分束棱鏡5或第二片三分束棱鏡6以改變6個(gè)對(duì)稱面相鄰兩個(gè)對(duì)稱面夾角，同時(shí)在確保經(jīng)過(guò)第一片三分束棱鏡5的三束分光束再通過(guò)第二片三分束棱鏡6的分光面時(shí)完整落在對(duì)應(yīng)分光面上而不至于二次分光的前提下，焦平面8會(huì)出現(xiàn)3個(gè)中心連線為等邊三角形、大小相同的聚焦光斑，中心連線間距取決于前面的小角度旋轉(zhuǎn)角大小，等邊三角形中心不變；換言之，基于初始狀態(tài)進(jìn)行的小角度旋轉(zhuǎn)，可以實(shí)現(xiàn)焦平面8聚焦光斑從單點(diǎn)逐漸演化為3個(gè)點(diǎn)的過(guò)程，且光斑間距連續(xù)可調(diào)，這就確保了不同的光纖芯徑下，三光點(diǎn)激光焊接都能進(jìn)行；另外，當(dāng)?shù)谝黄质忡R5與第二片三分束棱鏡6在上述前提下再整體旋轉(zhuǎn)時(shí)，三光點(diǎn)的方向也會(huì)發(fā)生變化，確保了三光點(diǎn)的360°各向焊接應(yīng)用。

在能量分布上，由于第一片圓楔形鏡3與第二片圓楔形鏡4的作用，導(dǎo)致第二片圓楔形鏡4上出射的光束光軸相對(duì)于入射到第一片圓楔形鏡3的入射光束光軸有第一片圓楔形鏡3、第二片圓楔形鏡4中心對(duì)稱面上的位置偏移，偏移距離取決于第一片圓楔形鏡3、第二片圓楔形鏡4之間的距離，距離越小，光束位置偏移就越小，當(dāng)?shù)谝黄瑘A楔形鏡3、第二片圓楔形鏡4間距基本為零時(shí)，光束基本無(wú)偏移，此時(shí)第一片三分束棱鏡5產(chǎn)生的三束分光束能量基本一致，故焦平面8三光點(diǎn)光斑能量基本一致；反之，當(dāng)?shù)谝黄瑘A楔形鏡3、第二片圓楔形鏡4間距逐漸變大，則光束位置偏移就越大，體現(xiàn)在第一片三分束棱鏡5各分光面上的能量分布差異越大，產(chǎn)生的三束分光束能量差異也就越大，焦平面8三光點(diǎn)光斑能量差異相應(yīng)也越大；基于第一片圓楔形鏡3、第二片圓楔形鏡4間距可連續(xù)變化，同時(shí)第一片圓楔形鏡3、第二片圓楔形鏡4組合整體繞中心軸一定角度旋轉(zhuǎn)，即可按需求調(diào)整焦平面8上三個(gè)光點(diǎn)的能量，比如一個(gè)光斑能量低，另兩光斑能量相同且比較高；或者一個(gè)光斑能量高，另兩個(gè)光斑能量相同且較低。

本發(fā)明光路結(jié)構(gòu)的實(shí)施步驟為：首先通過(guò)第一片三分束棱鏡5或第二片三分束棱鏡6相對(duì)中心軸小角度旋轉(zhuǎn)形成所需要的三分光點(diǎn)，其次將第一片三分束棱鏡5與第二片三分束棱鏡6整體旋轉(zhuǎn)一定角度來(lái)獲得需要加工的方向，然后則是第一片圓楔形鏡3、第二片圓楔形鏡4整體旋轉(zhuǎn)一定角度來(lái)確保在焊縫兩邊的光斑能量分布一致，最后才是改變第一片圓楔形鏡3與第二片圓楔形鏡4間距來(lái)實(shí)現(xiàn)三個(gè)光斑能量差異化，如果需求是焊縫兩邊光斑能量低而中間光斑能量高，通過(guò)上述調(diào)節(jié)發(fā)現(xiàn)只能實(shí)現(xiàn)三光斑能量基本一致到焊縫兩邊光斑能量高而中間光斑能量低，那么再將第一片圓楔形鏡3、第二片圓楔形鏡4整體旋轉(zhuǎn)180°即可。

以上顯示和描述了本發(fā)明的基本原理和主要特征和本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)，本行業(yè)的技術(shù)人員應(yīng)該了解，本發(fā)明不受上述實(shí)施例的限制，上述實(shí)施例和說(shuō)明書中描述的只是說(shuō)明本發(fā)明的原理，在不脫離本發(fā)明精神和范圍的前提下，本發(fā)明還會(huì)有各種變化和改進(jìn)，這些變化和改進(jìn)都落入要求保護(hù)的本發(fā)明范圍內(nèi)，本發(fā)明要求保護(hù)范圍由所附的權(quán)利要求書及其等效物界定。