光纤激光焊接机光学镜片组件分析
光纤激光焊接机作为激光焊接机的一种分类，其界定性特征在于采用光纤激光器作为光源，在激光材料加工领域，激光焊接机通常依据其激光工作介质的类型进行分类，在光纤激光焊接机中，从光纤端面输出的激光束是发散的，必须经过一系列精密光学镜片的“驾驭——准直、转折、聚焦，最终才能形成可用于焊接的高能量密度光斑，这其中离不开光学镜片的构成，下面我们将为大家简单拆解这其中的系统原理及核心镜片组件，作为一个简单分析科普。
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一、光学系统原理：从发散光到“能量利剑”
光纤激光焊接机的光学系统是一个精密的光束整形与传输系统，其工作原理遵循几何光学与物理光学的基本定律。
1.光束的产生与初始状态激光在光纤激光器的增益光纤中产生，并通过传输光纤（通常为QBH或QD输出头）引导至焊接头。此时，激光束以一定的发散角（NA值）从光纤端面输出，光斑直径小但能量分散，无法直接用于焊接。
2.光束的整形与传输过程
核心光学处理流程如下：
准直： 使用准直镜将发散的激光束转换为平行光束。这扩大了光束直径，降低了功率密度，为安全传输和后续聚焦奠定基础。
传输/转折： 在复杂的光路或机器人手臂中，通过高反射率的反射镜改变光束方向，实现灵活传输，能量损失极小（反射率>99.5%）。
聚焦： 使用聚焦镜将平行光束会聚于一点（焦点）。根据透镜公式 1/f=1/u+1/v，当物距（u）为无穷大（平行光）时，像距（v）等于焦距（f）。焦点处的功率密度可达10⁶-10⁷W/cm²以上，足以瞬间汽化金属，产生深熔焊所需的“小孔效应”。
（图源知乎分享）
3.核心光学原理
小孔效应（KeyholeEffect）： 当高能量密度的激光束照射金属表面时，材料迅速汽化，蒸汽压力将熔融金属排开，形成细长空洞。激光束在孔壁发生多次反射，能量被充分吸收，实现深宽比大的优质焊缝。
波长特性： 常见光纤激光波长为1070nm（近红外）。该波段被金属（尤其是钢、铝、铜）吸收率高，且易于通过普通光学玻璃传输，但对某些特殊材料（如塑料、玻璃）需选用特定波长的激光器。
（激光焊接原理图）
二、核心光学镜片详解：参数、类型与选择
光纤激光焊接机的光学镜片系统是一个精密协作的整体，下表概述了其核心成员及功能：
| 镜片类型 | 核心功能 | 关键技术参数 | 常用材料/镀膜 | 维护特点 |
| 准直镜 | 变发散光为平行光 | 焦距、准直后光斑直径、透过率 | 熔融石英、硒化锌，增透膜（AR） | 长期稳定，需防尘 |
| 聚焦镜 | 汇聚光束至高能焦点 | 焦距（决定焦点大小/工作距）、景深、透过率 | 硒化锌（ZnSe）、硅（Si）、熔融石英 | 核心易损件，需定期检测 |
| 保护镜 | 阻挡飞溅与污染物 | 直径、厚度、透过率、损伤阈值 | 光学玻璃（K9、蓝宝石），表面镀增透膜 | 易耗品，需频繁检查更换 |
| 反射镜 | 改变光束传输路径 | 反射率（>99.5%）、表面平整度（λ/10）、尺寸 | 铜/钼基材镀金/银/介质膜 | 避免划伤，定期清洁 |
1.准直镜
作用与原理： 位于光路最前端，采用正透镜（平凸或双凸）将光纤输出的点光源成像于无穷远，形成平行光。
关键参数分析：
焦距（f）： 与光纤芯径（d）共同决定准直后光斑直径（D≈2*NA*f）。常用焦距在50mm-150mm之间。
数值孔径匹配： 准直镜的NA值需大于或等于光纤的NA值，以收集全部激光能量。
波段： 专为1070nm±10nm波段优化，镀有宽带增透膜，单面透过率通常>99.5%。
选型考量： 需根据后续聚焦镜的孔径和所需光斑大小进行匹配设计。
（平凸透镜）
2.聚焦镜
作用与原理： 将准直后的平行光会聚于工件表面，是实现能量集中最关键的一环。
关键参数深度分析：
焦距（FocalLength）：
短焦距（如75mm-100mm）： 产生更小的焦点尺寸（可低至数十微米），能量密度极高，适合精密焊接、切割，但工作距离短，易受飞溅污染。
中长焦距（如150mm-300mm）： 焦点相对较大，能量密度适中，工作距离长，防污染能力强，是深熔焊和大多数焊接应用的主流选择。
景深： 与焦距平方成正比，与焦点直径平方成反比。长焦距镜头景深更大，对工件不平整度容忍度更高。
材料选择：
硒化锌： 最常用。对1070nm激光吸收率极低（<0.5%），热透镜效应小，适用于中高功率（数千瓦至万瓦级）。
熔融石英： 成本较低，但吸收率稍高，适用于中低功率。
硅： 适用于极高功率，但需要特殊的防反射镀膜。
镀膜技术： 表面镀有高强度增透膜，并需具备高硬度以抵抗偶尔的飞溅损伤。
（蓝宝石窗口片）
3.保护镜
“牺牲层”设计哲学： 作为最廉价且最易更换的光学元件，其核心作用是保护内部昂贵的准直镜和聚焦镜。
技术细节：
材料： K9光学玻璃经济常用；蓝宝石镜片硬度高、耐高温、导热性好，使用寿命长数倍，但成本高昂。
参数： 厚度通常为1-3mm。过薄易变形，过厚引入像差。镀有增透膜以最大化能量透过。
维护策略： 必须建立定期检查（每4-8小时）和及时更换制度。轻微污染或划伤即会导致光束质量下降、焊接不稳定，甚至损坏内部镜片。
（镀金反射镜）
4.反射镜
角色定位： 在机器人焊接系统中，引导激光束通过机器人手臂的各个关节，实现三维空间内的灵活照射。
高性能要求：
基底材料： 通常为高热导率的无氧铜或钼，并镀有高反射膜层。
膜层选择： 金膜在1070nm波段反射率最高（>99%），但较软；介质膜更耐磨，反射率也极高。
冷却设计： 高功率下，反射镜通常集成水冷通道，防止热变形影响光束质量。
三、镜片选型与系统集成考量
在实际应用中，光学镜片的选型是一个系统工程：
功率容量匹配： 必须确保所有镜片（尤其是聚焦镜）的损伤阈值高于系统最大激光功率，并留有足够安全余量。
像差控制： 高质量镜片采用非球面设计以消除球差，确保焦点能量集中。
冷却与密封： 高功率焊接头集成精密水冷系统，为镜片散热。同时，光路需密封并充洁净正压空气或氮气，防止灰尘和烟雾侵入。
模块化设计： 现代焊接头趋向模块化，允许用户快速更换不同焦距的聚焦模块，以适应不同的焊接需求。
光纤激光焊接机绝非简单的“光纤出光即焊”。其背后是一套精密复杂的光学系统在支撑。准直镜、聚焦镜、保护镜和反射镜等光学镜片，这些镜片的材质、镀膜、参数选择和维护状态，共同决定了光束的最终质量，进而直接影响焊接的熔深、速度、稳定性和良品率。