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微透镜焊接实例光斑及仪器参数确定的相关计算

作者: 时间:2021-03-09

随着科技进步,精小加工、高集成加工日益与人们的生活相融。激光焊接具有利于自动化,形变小,美观,深熔深等诸多优点。反之,也相应着其苛刻的构成。其中最首要,也是无法绕开的关键问题之一就是激光焊接匀化。将入射的高斯光,匀化成平顶光。高斯光能量分布不匀,会严重影响焊接的质量。常见的平顶光整形,主要分为DOEROE两类。而ROE激光匀光中,又以微透镜阵列为出众的黑马。其廉价、优异激光匀化效果带来高性价比。本文主要以实例介绍微透镜阵列用于激光焊接微透镜,将高斯光匀化成平顶光的相关激光焊接光学计算。

下图光路为本文所讲激光匀化的核心光路:


LA1,LA2 同型号微透镜阵列   FL:聚焦镜   FP:接收屏面   dn:入射准直光直径  DPT:匀光大小

fLA1=fLA2微透镜阵列的焦距   a12:微透镜间距离   S:阵列2与聚焦镜间距    fFL:聚焦镜焦距

微透镜阵列激光焊接匀化实例应用中,通常使两个微透镜之间的距离为其焦距,两个微透镜为同型号同参数的微透镜。成像在FP上的光斑形状以及对应的尺寸比例与微透镜真理的子口形状、尺寸比例相关。即,子口经的形状为圆,焦面上的匀光光斑为圆;若想得到相应比例的矩形光斑,就需要更换想应比例的矩形子口经的微透镜阵列。激光焊接光学计算中,主要影响的参数是阵列的焦距f,聚焦镜的焦距F以及阵列的子口经大小p。简化后粗略的计算公式如下:

DFT= pLA·fFL/ fLA2

下图是我司激光焊列行业龙头企业客户的测试样品,测试所使用的微透镜阵列为ML-R500*300-F6.7——矩形口径微透镜阵列,子单元尺寸为0.5mm*0.3mm,焦距为6.7mm。(我司微透镜阵列的命名方式:ML-形状+子单元尺寸-子单元焦距,其中子单元尺寸单位为μm,焦距单位为mmR代表矩形子单元口径,H为六边形,S为方形,C为圆形。)。聚焦镜的焦距为100mm。其中,d为测试中PT距离聚焦镜FL的距离。当d=100mm=F的时候,在PT面形成了较好的矩形光斑,光斑尺寸约为7.5mm*4.5mm,与口径的53比例矩形十分相合。讲p=0.5*0.3μmF=100mmf=6.7mm带入上面简化的式子,计算的光斑尺寸应为7.46*4.78mm,与实际结果较为接近。

客户在日常元器件的选择中,可以根据上述的简化公式进行激光焊接光学计算。日常的应用中,客户的工作距离(一般工作距离,以聚焦镜开始计算。为了保持较好的匀化效果,应使聚焦镜的焦距=工作距离)和所希望的光斑尺寸较为固定。所以,可以由这两个已经确定的条件,反推出所需要的微透镜阵列p/f比值,在根据p/f在我司的标准品手册中筛选。

例如,客户需要在聚焦镜后100mm的工作距离上,实现4*3mm的光斑。则相应的计算为F=100mmS=4*3mm。由S/F,等,相应的p/f比值应该为0.04*0.03。对应到我司的标准品,就是ML-R400*300-F10这款型号。激光焊接匀光光路即为:ML-R400*300-F10阵列组+F=100mm的聚焦镜,以此类推。

从上图中也可以看出,随着工作距离d的缩小,光斑尺寸开始产生变形,逐渐椭圆,向圆形靠近。针对这种情况,可以选用小焦距的聚焦镜,以防止激光焊接匀化光斑变形,确保光斑成型比例不变。



 


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