光纖激光焊接機作為激光焊接機的一種分類，其界定性特征在于采用光纖激光器作為光源，在激光材料加工領域，激光焊接機通常依據(jù)其激光工作介質(zhì)的類型進行分類，在光纖激光焊接機中，從光纖端面輸出的激光束是發(fā)散的，必須經(jīng)過一系列精密光學鏡片的“駕馭——準直、轉(zhuǎn)折、聚焦，最終才能形成可用于焊接的高能量密度光斑，這其中離不開光學鏡片的構(gòu)成，下面我們將為大家簡單拆解這其中的系統(tǒng)原理及核心鏡片組件，作為一個簡單分析科普。

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一、光學系統(tǒng)原理：從發(fā)散光到“能量利劍”

光纖激光焊接機的光學系統(tǒng)是一個精密的光束整形與傳輸系統(tǒng)，其工作原理遵循幾何光學與物理光學的基本定律。

1.光束的產(chǎn)生與初始狀態(tài)激光在光纖激光器的增益光纖中產(chǎn)生，并通過傳輸光纖（通常為QBH或QD輸出頭）引導至焊接頭。此時，激光束以一定的發(fā)散角（NA值）從光纖端面輸出，光斑直徑小但能量分散，無法直接用于焊接。

2.光束的整形與傳輸過程

核心光學處理流程如下：

準直： 使用準直鏡將發(fā)散的激光束轉(zhuǎn)換為平行光束。這擴大了光束直徑，降低了功率密度，為安全傳輸和后續(xù)聚焦奠定基礎。

傳輸/轉(zhuǎn)折： 在復雜的光路或機器人手臂中，通過高反射率的反射鏡改變光束方向，實現(xiàn)靈活傳輸，能量損失極?。ǚ瓷渎?gt;99.5%）。

聚焦： 使用聚焦鏡將平行光束會聚于一點（焦點）。根據(jù)透鏡公式 1/f=1/u+1/v，當物距（u）為無窮大（平行光）時，像距（v）等于焦距（f）。焦點處的功率密度可達10?-10?W/cm2以上，足以瞬間汽化金屬，產(chǎn)生深熔焊所需的“小孔效應”。

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3.核心光學原理

小孔效應（KeyholeEffect）： 當高能量密度的激光束照射金屬表面時，材料迅速汽化，蒸汽壓力將熔融金屬排開，形成細長空洞。激光束在孔壁發(fā)生多次反射，能量被充分吸收，實現(xiàn)深寬比大的優(yōu)質(zhì)焊縫。

波長特性： 常見光纖激光波長為1070nm（近紅外）。該波段被金屬（尤其是鋼、鋁、銅）吸收率高，且易于通過普通光學玻璃傳輸，但對某些特殊材料（如塑料、玻璃）需選用特定波長的激光器。

（激光焊接原理圖）

二、核心光學鏡片詳解：參數(shù)、類型與選擇

光纖激光焊接機的光學鏡片系統(tǒng)是一個精密協(xié)作的整體，下表概述了其核心成員及功能：

1.準直鏡

作用與原理： 位于光路最前端，采用正透鏡（平凸或雙凸）將光纖輸出的點光源成像于無窮遠，形成平行光。

關鍵參數(shù)分析：

焦距（f）： 與光纖芯徑（d）共同決定準直后光斑直徑（D≈2*NA*f）。常用焦距在50mm-150mm之間。

數(shù)值孔徑匹配： 準直鏡的NA值需大于或等于光纖的NA值，以收集全部激光能量。

波段： 專為1070nm±10nm波段優(yōu)化，鍍有寬帶增透膜，單面透過率通常>99.5%。

選型考量： 需根據(jù)后續(xù)聚焦鏡的孔徑和所需光斑大小進行匹配設計。

（平凸透鏡）

2.聚焦鏡

作用與原理： 將準直后的平行光會聚于工件表面，是實現(xiàn)能量集中最關鍵的一環(huán)。

關鍵參數(shù)深度分析：

焦距（FocalLength）：

短焦距（如75mm-100mm）： 產(chǎn)生更小的焦點尺寸（可低至數(shù)十微米），能量密度極高，適合精密焊接、切割，但工作距離短，易受飛濺污染。

中長焦距（如150mm-300mm）： 焦點相對較大，能量密度適中，工作距離長，防污染能力強，是深熔焊和大多數(shù)焊接應用的主流選擇。

景深： 與焦距平方成正比，與焦點直徑平方成反比。長焦距鏡頭景深更大，對工件不平整度容忍度更高。

材料選擇：

硒化鋅： 最常用。對1070nm激光吸收率極低（<0.5%），熱透鏡效應小，適用于中高功率（數(shù)千瓦至萬瓦級）。

熔融石英： 成本較低，但吸收率稍高，適用于中低功率。

硅： 適用于極高功率，但需要特殊的防反射鍍膜。

鍍膜技術： 表面鍍有高強度增透膜，并需具備高硬度以抵抗偶爾的飛濺損傷。

（藍寶石窗口片）

3.保護鏡

“犧牲層”設計哲學： 作為最廉價且最易更換的光學元件，其核心作用是保護內(nèi)部昂貴的準直鏡和聚焦鏡。

技術細節(jié)：

材料： K9光學玻璃經(jīng)濟常用；藍寶石鏡片硬度高、耐高溫、導熱性好，使用壽命長數(shù)倍，但成本高昂。

參數(shù)： 厚度通常為1-3mm。過薄易變形，過厚引入像差。鍍有增透膜以最大化能量透過。

維護策略： 必須建立定期檢查（每4-8小時）和及時更換制度。輕微污染或劃傷即會導致光束質(zhì)量下降、焊接不穩(wěn)定，甚至損壞內(nèi)部鏡片。

（鍍金反射鏡）

4.反射鏡

角色定位： 在機器人焊接系統(tǒng)中，引導激光束通過機器人手臂的各個關節(jié)，實現(xiàn)三維空間內(nèi)的靈活照射。

高性能要求：

基底材料： 通常為高熱導率的無氧銅或鉬，并鍍有高反射膜層。

膜層選擇： 金膜在1070nm波段反射率最高（>99%），但較軟；介質(zhì)膜更耐磨，反射率也極高。

冷卻設計： 高功率下，反射鏡通常集成水冷通道，防止熱變形影響光束質(zhì)量。

三、鏡片選型與系統(tǒng)集成考量

在實際應用中，光學鏡片的選型是一個系統(tǒng)工程：

功率容量匹配： 必須確保所有鏡片（尤其是聚焦鏡）的損傷閾值高于系統(tǒng)最大激光功率，并留有足夠安全裕量。

像差控制： 高質(zhì)量鏡片采用非球面設計以消除球差，確保焦點能量集中。

冷卻與密封： 高功率焊接頭集成精密水冷系統(tǒng)，為鏡片散熱。同時，光路需密封并充潔凈正壓空氣或氮氣，防止灰塵和煙霧侵入。

模塊化設計： 現(xiàn)代焊接頭趨向模塊化，允許用戶快速更換不同焦距的聚焦模塊，以適應不同的焊接需求。

光纖激光焊接機絕非簡單的“光纖出光即焊”。其背后是一套精密復雜的光學系統(tǒng)在支撐。準直鏡、聚焦鏡、保護鏡和反射鏡等光學鏡片，這些鏡片的材質(zhì)、鍍膜、參數(shù)選擇和維護狀態(tài)，共同決定了光束的最終質(zhì)量，進而直接影響焊接的熔深、速度、穩(wěn)定性和良品率。