光纖激光焊接機(jī)作為激光焊接機(jī)的一種分類(lèi)，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(lǐng)域，激光焊接機(jī)通常依據(jù)其激光工作介質(zhì)的類(lèi)型進(jìn)行分類(lèi)，在光纖激光焊接機(jī)中，從光纖端面輸出的激光束是發(fā)散的，必須經(jīng)過(guò)一系列精密光學(xué)鏡片的“駕馭——準(zhǔn)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(kāi)光學(xué)鏡片的構(gòu)成，下面我們將為大家簡(jiǎn)單拆解這其中的系統(tǒng)原理及核心鏡片組件，作為一個(gè)簡(jiǎn)單分析科普。

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一、光學(xué)系統(tǒng)原理：從發(fā)散光到“能量利劍”

光纖激光焊接機(jī)的光學(xué)系統(tǒng)是一個(gè)精密的光束整形與傳輸系統(tǒng)，其工作原理遵循幾何光學(xué)與物理光學(xué)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(guò)傳輸光纖（通常為QBH或QD輸出頭）引導(dǎo)至焊接頭。此時(shí)，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(wú)法直接用于焊接。

2.光束的整形與傳輸過(guò)程

核心光學(xué)處理流程如下：

準(zhǔn)直： 使用準(zhǔn)直鏡將發(fā)散的激光束轉(zhuǎn)換為平行光束。這擴(kuò)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(chǔ)。

傳輸/轉(zhuǎn)折： 在復(fù)雜的光路或機(jī)器人手臂中，通過(guò)高反射率的反射鏡改變光束方向，實(shí)現(xiàn)靈活傳輸，能量損失極小（反射率>99.5%）。

聚焦： 使用聚焦鏡將平行光束會(huì)聚于一點(diǎn)（焦點(diǎn)）。根據(jù)透鏡公式 1/f=1/u+1/v，當(dāng)物距（u）為無(wú)窮大（平行光）時(shí)，像距（v）等于焦距（f）。焦點(diǎn)處的功率密度可達(dá)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(yīng)”。

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3.核心光學(xué)原理

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

波長(zhǎng)特性： 常見(jiàn)光纖激光波長(zhǎng)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(guò)普通光學(xué)玻璃傳輸，但對(duì)某些特殊材料（如塑料、玻璃）需選用特定波長(zhǎng)的激光器。

（激光焊接原理圖）

二、核心光學(xué)鏡片詳解：參數(shù)、類(lèi)型與選擇

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

1.準(zhǔn)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(diǎn)光源成像于無(wú)窮遠(yuǎn)，形成平行光。

關(guān)鍵參數(shù)分析：

焦距（f）： 與光纖芯徑（d）共同決定準(zhǔn)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(zhǔn)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(zhuān)為1070nm±10nm波段優(yōu)化，鍍有寬帶增透膜，單面透過(guò)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(jìn)行匹配設(shè)計(jì)。

（平凸透鏡）

2.聚焦鏡

作用與原理： 將準(zhǔn)直后的平行光會(huì)聚于工件表面，是實(shí)現(xiàn)能量集中最關(guān)鍵的一環(huán)。

關(guān)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(diǎn)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(zhǎng)焦距（如150mm-300mm）： 焦點(diǎn)相對(duì)較大，能量密度適中，工作距離長(zhǎng)，防污染能力強(qiáng)，是深熔焊和大多數(shù)焊接應(yīng)用的主流選擇。

景深： 與焦距平方成正比，與焦點(diǎn)直徑平方成反比。長(zhǎng)焦距鏡頭景深更大，對(duì)工件不平整度容忍度更高。

材料選擇：

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

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(shù)： 表面鍍有高強(qiáng)度增透膜，并需具備高硬度以抵抗偶爾的飛濺損傷。

（藍(lán)寶石窗口片）

3.保護(hù)鏡

“犧牲層”設(shè)計(jì)哲學(xué)： 作為最廉價(jià)且最易更換的光學(xué)元件，其核心作用是保護(hù)內(nèi)部昂貴的準(zhǔn)直鏡和聚焦鏡。

技術(shù)細(xì)節(jié)：

材料： K9光學(xué)玻璃經(jīng)濟(jì)常用；藍(lán)寶石鏡片硬度高、耐高溫、導(dǎo)熱性好，使用壽命長(zhǎng)數(shù)倍，但成本高昂。

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

維護(hù)策略： 必須建立定期檢查（每4-8小時(shí)）和及時(shí)更換制度。輕微污染或劃傷即會(huì)導(dǎo)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(jī)器人焊接系統(tǒng)中，引導(dǎo)激光束通過(guò)機(jī)器人手臂的各個(gè)關(guān)節(jié)，實(shí)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(dǎo)率的無(wú)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(shè)計(jì)： 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(shí)際應(yīng)用中，光學(xué)鏡片的選型是一個(gè)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，并留有足夠安全余量。

像差控制： 高質(zhì)量鏡片采用非球面設(shè)計(jì)以消除球差，確保焦點(diǎn)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(shí)，光路需密封并充潔凈正壓空氣或氮?dú)猓乐够覊m和煙霧侵入。

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

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