在电动汽车中，动力电池是核心部件之一。动力电池为汽车提供动力，在很大程度上决定了汽车的使用性、可靠性和安全性。无论是电池单元还是电池组，其生产制造的过程中都大量应用激光焊接技术。

在更高功率的激光器应用中，就会出现一系列新问题，从而影响激光加工的稳定性，本文带大家一起学习一下热透镜效应。

什么是热透镜效应

光学元件受激光束连续照射较长时间后（或光学元件质量差、脏污、损坏等原因造成对激光吸收率增大），由于温度升高产生热变形，进而引起透过型光学元件的折射率和反射型光学元件的反射方向发生变化。热透镜效应的产生会对激光的模式和聚焦后的焦点位置产生影响。

热透镜效应会改变激光焦点（束腰）的位置，进而影响应用效果。

由于透过型光学元件对激光吸收率更高，温度上升更大，因此热透镜效应更明显。

补充一点，一个镜片，即使是全新的，激光的透过率也不会是100%，多多少少有一部分光被镜片所吸收，对于新镜片，激光的吸收率大约是0.2%上下。别看这个数值只有千分之二，感觉很低，但是当你使用100瓦的脉冲激光器或者1000瓦的连续激光器的时候，当激光照射的时间很长的时候（深雕、连续切割、飞行标刻、大幅面拼接），这个积累的能量就很多了，会导致镜片发烫，就会产生热透镜效应。

热透镜效应在激光应用中的影响

功率越高、加工高反材料，光学元件受热膨胀越迅速，热透镜越明显；产生热透镜效应时，光学元件受热膨胀，出现聚焦能力变强，聚焦光斑尺寸变小，焦距和焦深变短现象。

这些现象的产生，最终会造成激光加工不稳定，影响激光加工效果。

以振镜激光为例

振镜主要由驱动板、伺服电机和X-Y光学反射镜片组成。当反射镜片的反射率低、介质中有杂质、表面污染时，镜片受激光束照射会产生热变形，平面反射镜会变成凸面反射镜，导致输出光斑变形，影响聚焦后的光斑能量分布。

场镜在光纤激光设备中对输出光斑起到聚焦的作用，其特点是所有的焦点在一个水平面上。场镜主要有凹凸透镜组成，当透镜组的透射率低、介质中有杂质、表面污染时，镜片受激光束照射会产生热变形，透镜的焦距和焦深会发生变化。且焦点不在一个水平面上，中心和边缘加工效果不一致。

1）对打标的影响

（1）氧化铝打黑：发生热透镜效应时，焦距变短，材料表面能量密度降低，氧化铝打不黑，严重时出现中心和边缘效果黑度不一致现象。

（2）金属深雕：金属深雕一般使用焦距（焦深）短的场镜，当高功率深雕时，由于热透镜效应，材料处能量密度迅速下降，造成金属打不深。由于光学元件中心比边缘膨胀大，出现中心浅，四周深现象（深度不一致）。

（3）薄片切割：根据不同的材料，脉冲光纤激光器切割薄片通常采用单次慢速或多次快这两种方法。热膨胀与冷却回缩可以在很短时间（＜1S）内发生，因此切割时出现起始位置可以切穿，其它位置切不穿材料。

2）对焊接的影响

（1）金属薄片点焊：对于高功率光纤激光器点焊金属薄片，热透镜效应会造成焊点大小不一致，焊接不牢固性，拉拔力不够，甚至出现虚焊。

（2）金属连续焊：连续光焊接金属相对于切割，反射率更高。高功率焊接时，热透镜效应会造成焊接前部分正常，后部分焊接深度浅或完全焊不透。焊接铝和铜高反材料，热透镜效应更明显。

3）对切割的影响

（1）不锈钢切割：不锈钢切割时，热透镜效应会造成切割面不一致，挂渣越来越多，甚至出现切割不断问题。

（2）碳钢切割：碳钢切割时，热透镜效应会造成底部熔渣越来越多，切割不断问题。

热透镜效应解决办法

1）振镜头加工设备不同光学元件镜片产生热透镜效应的解决方法：

2）切割头/焊接头加工设备不同光学元件镜片产生热透镜效应的解决方法：

热透镜效应测试方法

用250w激光器测试在斜面上打三条直线，直线足够长，使斜面上激光打出的直线两端因偏焦打不上，中心频率下用90%的功率出光30分钟后，图档向左偏移1mm再打三条直线，测量出光前后两组直线的偏移量，热效应导致的焦距变化量△H= d×sina，激光功率越大热透效应越明显 。

---

【每日分享一点知识，有益点赞收藏关注】