2.2. Фокусирующие системы для лазерной сварки

Излучение на выходе из резонатора технологического лазера представляет собой пучок диаметром от нескольких миллиметров до десятков миллиметров и не обеспечивает высокой степени концентрации энергии и требуемого характера распределения плотности мощности. Для реализации высокопроизводительного процесса лазерной сварки применяют различные оптические системы преобразования параметров лазерного излучения.

Фокусирующие линзы и зеркала. С целью повышения плотности мощности лазерного излучения осуществляют его фокусировку. Для фокусировки применяется как прозрачная оптика проходного типа (линзы), так и отражательная металлооптика (зеркала).

Фокусирующие прозрачные линзы используются при малых мощностях лазерного излучения (до 1...3 кВт). При повышенных мощностях лазерного излучения все шире начинают использоваться зеркальные фокусирующие системы из металлооптики, обеспечивающие значительно больший срок службы. Зеркальные фокусирующие системы используются в виде одиночного фокусирующего зеркала или какого-либо варианта двухзеркального объектива Кассегрена.

Лазерная сварка с фокусировкой одиночным зеркалом может осуществляться, когда фокусирующее сферическое зеркало установлено под углом к оси падающего излучения. Может использоваться дополнительно плоское зеркало, которое необходимо при обработке крупногабаритных деталей. Если обрабатываемые детали имеют небольшие размеры, то лазерное излучение можно направлять непосредственно на фокусирующее сферическое зеркало (по траектории отраженного от плоского зеркала излучения). Также может использоваться плоское кольцевое зеркало, а фокусирующее сферическое зеркало установливаться соосно с падающии излучением. Эту метод фокусировки целесообразно использовать в тех случаях, когда лазерное излучение имеет кольцевое сечение.

Большими возможностями фокусировки мощного лазерного излучения для технологических целей обладают двухзеркальные объективы(рис.2.3)

Рис. 2.3. Классическая схема

объектива Кассегрена:

1 — параболоидальное зеркало;

2 — гиперболоидальное зерка-

ло; 3 — лазерный кольцевой

луч.

.

Объектив Кассегрена состоит из большого вогнутого параболоидального и малого выпуклого гиперболоидального зеркал и обладает хорошими фокусирующими свойствами для достижения высокой концентрации энергии лазерного излучения. Однако этот объектив для фокусировки лазерного излучения не применяется, так как имеет существенные недостатки:

1) когда внутренний диаметр кольцевого луча меньше диаметра малого зеркала, происходит экранирование излучения малым зеркалом;

2) изготовление зеркальных поверхностей второго порядка весьма сложно, трудоемко и дорого;

3) на малом зеркале достигается высокая концентрация энергии излучения, что может вызывать тепловые деформации поверхности зеркала и ухудшение вследствие этого фокусирующих характеристик.

Зеркальная оптика для мощных технологических лазеров обычно изготавливается из чистой меди, обеспечивающей высокие значения коэффициентов отражения и теплопроводности.

Металлические зеркала изготавливают достаточно массивными и жесткими, чтобы они могли выдержать высокий уровень лазерного излучения и не допустили значительных тепловых деформаций поверхности зеркал.

Для снижения тепловых деформаций и повышения стойкости в лазерах большой мощности применяют искусственное охлаждение медных зеркал водой. Использование защитных и многослойных просветляющих покрытий позволяет увеличивать стойкость зеркал при хранении и эксплуатации.

Лазерное излучение сравнительно небольшой мощности (до 1...3 кВт) фокусируется обычно линзами из оптически прозрачных материалов.