在激光焊接領(lǐng)域，隨著高功率光纖激光器和碟片激光器的引入，機(jī)遇和挑戰(zhàn)以有史以來最快的速度在迅速地增長。最值得注意的是，更高激光功率和光束質(zhì)量使其應(yīng)用范圍有機(jī)會擴(kuò)展到更深的激光深熔焊接，這也為激光聚焦光學(xué)組件帶來了一個(gè)全新的挑戰(zhàn)。
具體來說，聚焦光學(xué)組件面對的挑戰(zhàn)或者說障礙被稱為“離焦量（focal shift）”，對這一問題的描述早在十年前就由Dirk Lange提出。該研究對離焦量進(jìn)行了定義和量化（在YAG功率不超過3kW時(shí)為1 mm/kW）。巧合的是，在同一時(shí)期，EWI在一項(xiàng)涉及光束耦合器應(yīng)用中觀察到在4kW光纖激光功率時(shí)也有類似的現(xiàn)象。但EWI在開始10kW功率的光纖激光焊接試驗(yàn)時(shí)才觀察到離焦量對激光焊接造成的實(shí)際影響。
控制和管理離焦量
激光焊接過程中離焦量的產(chǎn)生過程如圖1所示。為了便于討論，我們假設(shè)具有非常低的吸收率的透鏡和一個(gè)保護(hù)蓋片的1微米聚焦光學(xué)組件在非常潔凈的情況下開始傳輸。不幸的是，這種情況在生產(chǎn)環(huán)境中是很少存在的。有時(shí)在焊接時(shí)(或之前)，煙塵、蒸汽、油、飛濺物或其他形式的污染物會在最近的光學(xué)表面上發(fā)現(xiàn)——保護(hù)玻璃窗口。這種污染會使得窗口局部過熱，產(chǎn)生熱變形和窗口折射率的變化。這個(gè)結(jié)果會導(dǎo)致焦點(diǎn)遠(yuǎn)離工作面而向光學(xué)組件移動，從而產(chǎn)生更多污染和焊接熔深的損失。
圖1：激光焊接中離焦量的發(fā)生。
有很多關(guān)于控制和管理離焦量的解決方案。首先，最常見的是氣刀，這實(shí)際是一種高速、橫向的清潔的氣流或其他氣體，旨在保護(hù)最末的光學(xué)表面免受污染。有許多種不同的氣刀（也被稱為“窗口保護(hù)”裝置）被用來解決離焦量問題。其中有些設(shè)備使用了散射光監(jiān)控解決方案來檢測污染何時(shí)開始，并希望以此能在產(chǎn)生不良焊縫之前暫停焊接過程。不幸的是，目前還沒有人能制作出一種完全有效的窗口保護(hù)裝置，并且過程中的污染并不是讓透射聚焦光學(xué)組件發(fā)生熱移位的原因。
聚焦光學(xué)組件的替代方案
面對這一現(xiàn)實(shí)，EWI開始研究激光聚焦光學(xué)組件的替代方案，設(shè)計(jì)準(zhǔn)則如下：
● 盡可能多地減少光學(xué)傳輸裝置；
● 使用熱穩(wěn)定性較好的光學(xué)傳輸裝置；
● 在可能的情況下使用金屬反射鏡；
● 提供更好的光學(xué)冷卻；
● 放置最末的光學(xué)表面時(shí)使其遠(yuǎn)離工作面。
依據(jù)這些準(zhǔn)則，EWI制作出一種“復(fù)合式”聚焦光學(xué)組件，綽號叫“bazooka（火箭筒）”(圖2)，該組件集合了多種創(chuàng)新的功能。首先，激光光纖發(fā)散光束的準(zhǔn)直是用經(jīng)過金剛石切削處理的硫化鋅材料透鏡完成的，這種材料的熱導(dǎo)率是傳統(tǒng)的光學(xué)傳輸材料石英玻璃的20倍。對這種材料進(jìn)行金剛石車削(DT)意味著可以在凸面得到理論上完美的透鏡面形。其次，這個(gè)透鏡的平面一側(cè)通過與另一個(gè)DT表面（水冷透鏡支架）直接接觸來冷卻。這樣的DT面與DT面接觸能產(chǎn)生極其高效的熱傳遞，從而讓準(zhǔn)直透鏡保持冷卻。
圖2：“Bazooka（火箭筒）”復(fù)合式激光聚焦光學(xué)組件。
“火箭筒”的準(zhǔn)直光束的聚焦是用標(biāo)準(zhǔn)的離軸、水冷拋物面鏡完成的，這種拋物面鏡幾十年來通常用于高功率CO2激光焊接系統(tǒng)中。這種堅(jiān)固的未鍍膜的光學(xué)表面對污染幾乎完全免疫，可以被多次清洗，能防止飛濺物接觸到中間窗口。這種中間窗口對于保護(hù)相對較昂貴的ZnS準(zhǔn)直透鏡來說是很有必要的。并且在此窗口的輸出側(cè)使用清潔氣流來預(yù)防煙塵和其他低速污染物。
在不超過8千瓦的光纖激光功率情況下，這種“復(fù)合”光學(xué)設(shè)計(jì)的離焦量幾乎為零(~0.2 mm/kW)。出人意料的是，這與EWI所有的傳統(tǒng)傳輸聚焦設(shè)備測量的離焦量相反。這種現(xiàn)象被歸因?yàn)閭鬏敼鈱W(xué)組件的負(fù)離焦(“上方”)和未鍍膜銅反射鏡這一面的正離焦(“下方”)的結(jié)合而引起的。