激光加工头简介

  在激光材料加工中，常常要将聚焦的激光束引导到工件上，用于此目的的装置称为激光加工头。根据不同的应用场景，可分为切割头、焊接头、钎焊头、熔覆头等。

  加工头可以看作是光束传输系统的末端部分。来自激光（通常是工业激光）的辐射可以传递到单个加工头，也可以传递到多个加工头，后者要么是交替的方式（时间共享），要么是在不同头部之间分配光学功率（通过分束器）。

  在许多情况下，激光光线必须聚焦到工件上的某个小点上才可以做到足够高的光学强度，一般光束焦点位于工件的表面上或附近。通常，激光光线以近似准直的形式（即具有相对较大的光束直径和较低的光束发散度）发送到加工头，然后在头部内通过透镜或曲面镜进行聚焦。聚焦元件到光束焦点的距离大致等于其焦距。在某些情况下，可以更换聚焦元件以使用不相同焦距的值，这不仅会影响焦点处的光束半径，还会影响其与加工头出口的距离，即工作距离。

  加工头通常为特定的波长范围设计，并对使用的镜子、透镜镀相应的抗反射涂层，因而其光束聚焦性能好。常见的加工头有工作在1.06μm（用于YAG激光和光纤激光）或10.6μm（CO2激光）的波长范围，也有用于绿光（532nm，515nm）或2μm波长范围的加工头。对于自由空间光束系统（例如CO2激光和准分子激光的常见解决方案），输入光束通常应具有适当的准直光束半径和光束质量因子M2。

  对于使用高功率光纤电缆进行传输的情况（常见于光纤激光和二极管激光在内的固态激光），通常只与光纤的芯径和入射角度有关。实际上光纤模式上的光功率分布也有影响，最终决定获得的聚焦光斑大小。激光光功率不能超过加工头的额定值，除了激光的平均功率外，对于脉冲激光，峰值功率也可能受到限制。

  许多激光器不能频繁开启或关闭，因而使用光束快门来阻挡光束。在某些情况下，光束快门被集成到加工头中。

  对于某些应用，可以在两个不同的光束之间进行切换，例如具有不一样的光学波长和/或不同的光束参数。

  在某些特殊配置中，有些过程会使用几束光束的组合。例如，双点技术使用两个紧密排列的具有相等功率和直径的激光束，例如用于焊接，能轻松实现一前一后分布或并列分布，产生不同的焊接过程或熔池形貌。

  一些激光头可以发生可见波长的引导激光，用于显示焦点位置，便于示教焊接轨迹。

  工作距离是加工头输出端与工件表面之间的距离。在某些情况下，工作距离需要相当小，以便有效聚焦或近距离吹气。在其他大多数情况下，需要更大的工作距离，比如远程激光焊（通常不需要工艺气体），需要专门开发特殊的加工头，并且很在大多数情况下要具有更高光束质量的激光源。对于光束有效瑞利长度较小的情况（即强聚焦和/或光束质量较差的情况），可能需要用自动反馈系统准确稳定工作距离，可用距离传感器（通常为电容传感器或CMOS传感器）

  在加工过程中，准确的激光光束定位至关重要，特别是在激光微加工中，其公差可以远低于1毫米。位置参数可能涉及到与工件上某些特征的距离（例如锡焊焊盘或已焊焊缝），或者与工件边缘的距离。

  一些激光加工头具有固定的光束路径；此时只可以通过移动整个激光头来移动光束，利用gantry+伺服机构或机器人实现，也可以将工件移动到固定的光束位置上。而有些加工头配备了集成的激光扫描仪，即振镜系统，包含一些可移动的光学元件，用于在一维或二维甚至三维中扫描输出光束的方向。通常有两种不一样的技术解决方案用于激光头振镜系统：

  可移动的扫描镜安装在聚焦镜或反射镜之后，与已经聚焦的光束一起工作。聚焦元件上的固定光束位置具有这样的优点，即元件不必那么大，其光学像差也不那么关键。这种配置通常用于工作距离较大，光束方向可变的情况。

  先将光束发送到可移动的镜面，再通过聚焦元件，使用f-θ透镜，通过该透镜可以在工件上的可变位置上实现恒定的光束方向。然而，此类透镜的直径受到限制，因此其工作区域也受到限制，工作幅面一般不大。

  快速光束扫描也经常用作灵活生成各种光束截面的手段。当光束以足够高的频率扫描时，所得到的平均强度截面可通过扫描参数轻松修改，无需更改光学元件。还有一些激光钻孔头，其包含一种特殊类型的扫描仪，快速地将光束焦点在圆圈周围移动。这对于切割具有较大直径的孔非常有用。

  有时，需要激光头有特别高的灵活性，不仅需要在平面上变化激光点的位置，还需要改变光束从哪个方向进入工件。有时，激光头安装在机器人手臂上，能轻松实现五个或六个自由度。例如，有时可以绕一个关节旋转激光头，通过另一个关节倾斜，并在任意方向上移动。由于需要高精度和高速等多重要求，通常使用精密电机技术来实现。

  大多数情况下，激光加工工艺使用的气体通常是惰性气体，如氮气或氩气，可保护表面免受氧化。 在激光切割中，有时会使用空气甚至浓缩氧气，利用吹出熔渣或氧化物。工艺气体（无论是惰性气体还是氧气）的另一个功能是吹除材料，加快切割过程。由于需要一个方向正常且高压的气体喷射流，因而需要近距离施加。然而，也有一些远程切割过程不需要工艺气体。

  在某些情况下，激光头的喷嘴为集成式的，可同时发送激光束和吹工艺气体。比如切割、钻孔或有色金属的焊接过程。 有时工艺气体侧吹，然后沿着工件表面流动，这种方法常用于焊接或表面硬化。 有时工件不需要供应保护气体，而是在加工头内部采用气帘cross-jet来防止保护镜片脏污，常用于激光焊接工艺。

  激光钎焊需要一些固体焊料，以线、球状或粉末的形式提供。因而，在加工头的一侧配备送丝系统（有时带有电阻加热的热丝机构）或粉末输送装置。在使用激光锡焊时，通过毛细管施加小的焊球。 一些激光表面改性工艺还需要在预铺一些粉末。 有时，这些加工材料与激光束同轴，有时材料是从侧面供应的。

  通常集成保护气喷嘴形成气帘来防止激光工艺流程中产生的飞溅、粉尘、油污蒸汽污染镜头，有时也采用带抗反射涂层的光学窗口或者可拆卸的保护镜片来保护内部光学器件，这些作为耗材或备件定期更换，好处是不需要对光束进行。

  许多激光工艺流程需要相当高的功率，因而要求加工头一定要能适配相应的功率水平。除了损坏的风险外，在高功率下有极大几率会出现透镜热效应，随着激光功率增加或在高功率激光束打开后，焦点位置会发生偏移。使用水冷金属镜片可以适配几千瓦的CO2激光，而对于更短的波长，能够正常的使用以高热导率蓝宝石为衬底的高反射率镜片。

  对于脉冲激光，其峰值功率通常比平均功率高出数个数量级，有几率存在峰值功率限制，可由光学元件的光学损伤阈值和光束直径组合设置。

  当高功率光束未校正时，加工头可能会损伤。因此在安装加工头或对激光器做相关操作时，必须小心谨慎。很敏感的部件是扫描振镜，这些镜片一般轻便以实现快速移动，但又要保证其良好的热接触，使处理高功率变得困难，其使用的镜片要求有非常高的反射率，以减少热积聚。

  激光材料加工的某些应用需使用超快激光，其脉冲维持的时间在皮秒甚至飞秒量级。这些激光主要在1μm的波长范围内工作，也有一些倍频绿光和紫外激光。虽然镜片组的光束传递系统通常可以与此类激光一起使用，但普通的高功率多模光纤电缆却不可以使用，主要是因为存在强烈的模式相关的群延迟（Group delay是指激光脉冲中不同频率分量的传播速度差异造成的时间延迟。在频域中，激光脉冲可以被分解为多个频率成分，每个频率成分对应于不同的光波长或频率。由于材料的折射率随频率而变化，不同频率的光波在材料中传播时会经历不同的相速度）：这将导致获得一系列的多个脉冲，每个脉冲具有不一样的时间延迟和空间分布，每个脉冲只携带总光能的一小部分。另一方面，由于高峰值功率，普通的单模光纤也不可以使用，因为这会引起过多的非线性效应或瞬时破坏。因此，需要特殊的中空芯光纤，用于传输具有数百微焦耳峰值功率和脉冲能量的超短脉冲。而色散一定要通过其他办法来进行补偿，聚焦透镜的色差可能是另一个需要仔细考虑的问题；根据脉冲的光学带宽和聚焦细节，在大多数情况下要使用无色差光学元件。

  很多激光头已经基于具体工艺和产品类型进行了专用优化，尤其是用于工业批量生产。

  也有多用途加工头，能够最终靠调整光学元件、更换光学和其他组件，或附加附件（如送丝装置）等方式来进行各种配置调整。有些加工头还可以在合适的配置下，满足多种的工艺，如焊接和钎焊。

  许多基于激光的工艺流程对激光束的强度分布非常敏感，而且强度分布可能会因激光源或传输系统中的技术问题而发生明显的变化，所以一些激光加工头配备了集成的激光束诊断功能。通常情况下，利用分束器，将光束中的一小部分光功率引导到诊断相机上，记录的光束强度分布可以自动处理或在屏幕上显示。

  有时还配有光学滤光片，用于过滤特定光谱区域的光线，从而提供清晰的加工区域图像，可用于监控各种细节，如焊接过程的匙孔，等离子云等。它还能够适用于加工前零件精确定位，还可用于检查加工结果，如焊缝形貌和尺寸。相机收集的信息可以在自动化软件中用于过程监控和质量控制。

  收集激光工艺流程中产生的等离子云、温度场和激光反射信号，实时监控工艺流程，基于大数据分析、机器学习或神经网络等实现对加工结果的判定或预测，或者对加工设施状态的预警。

  某些焊接头会在外部增加一个光电传感器来检测保护镜片上漫反射的光强，由于脏污或异物的存在，会增加漫反射的光强，以此来实现保护镜片擦拭或更换预警。

  在某些情况下对激光诱导的等离子云进行光谱分析，能够给大家提供有价值的信息。比如可以检测到某些化学元素的存在，并在特定条件下自动停止工艺过程。

  （c）获取有关激光工艺流程的详情信息。监控机器系统的健康情况可以包括激光功率和光束质量、光学部件引起的光束畸变、不对齐、温度条件和气体流量等方面。