CN103182604B - 激光复合焊接方法与系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种复路激光焊接方法，该方法包括以下步骤：发射第一波长的激光，所述第一波长的激光用于增加待焊接工件对第二波长激光的吸收率；发射所述第二波长的激光；将所述第一波长的激光及所述第二波长的激光合成一束激光，同时聚焦于待焊接工件上，对所述待焊接工件进行焊接。利用所述第一波长的激光的连续激光对待焊接工件照射实现预热，同时用所述第二波长的激光的脉冲激光焊接，可以达到高功率激光焊接的效果和速度，而造价可便宜很多，对如散热、功耗等各方面的要求也有所降低。另外，本发明还提供一种采用上述复路激光焊接方法的复路激光焊接装置。

Description

激光复合焊接方法与系统

技术领域

本发明涉及用激光束加工领域，尤其涉及一种激光复合焊接方法与系统。

背景技术

激光焊接是一种非接触式焊接方式，具有免于填料，热变形小，外形美观，精细度高，速度快等优点，适用于多种场合，特别是微小区域的精密焊接，因此被广泛应用于航空航天、军事、汽车制造、电子电气、半导体、家具制造、通讯器件等领域。

目前普通的激光焊接设备主要包括一个激光光源，该激光光源通过一个准直装置将其投射到一个聚焦镜片上，使激光聚焦，并在焦点附近设置焊接头，从而实现激光焊接。

在有些行业应用中，虽然用普通的激光焊接设备可以完成，但是需要极高的功率。如某些电机磁芯焊接需要用到2000W甚至以上的连续激光束，激光光源的造价跟激光功率有很大关系，功率越高，价格就越贵。并且由于功率高，对激光相关器件、加工环境、安全防护等方面也提出了更高的要求，在一定程度上限制了激光焊接技术的广泛应用。

发明内容

本发明实施例所要解决的技术问题在于，提供一种激光复合焊接方法与系统。可利用小功率的激光束来完成大功率的焊接，降低了激光焊接设备的制造和使用成本。

为了解决上述技术问题，本发明实施例提供了一种复路激光焊接方法，该方法包括以下步骤：发射第一波长的激光，所述第一波长的激光用于增加待焊接工件对第二波长激光的吸收率；发射所述第二波长的激光，所述第二波长的激光的波长不等于所述第一波长的激光的波长；将所述第一波长的激光及所述第二波长的激光合成一束激光，同时聚焦于待焊接工件上，对所述待焊接工件进行焊接。

其中，所述第一波长的激光是连续激光，所述第二波长的激光是脉冲激光。

其中，所述第一波长的激光的功率小于或大于所述第二波长的激光的功率。

其中，所述第一波长的激光的焦点大于所述第二波长的激光的焦点。

其中，所述第一波长的激光的波长小于所述第二波长的激光的波长。

另外，本发明还提供了一种复路激光焊接装置，包括第一激光器、第二激光器和焊接头，所述第一激光器发射第一波长的激光，所述第一波长的激光用于增加待焊接工件对第二波长激光的吸收率；所述第二激光器发射所述第二波长的激光；所述焊接头接收所述第一波长的激光及第二波长的激光，将所述第一波长的激光及第二波长的激光同时聚焦于待焊接工件上，对所述待焊接工件进行焊接。

所述复路激光焊接装置还包括第一光纤及第二光纤，所述第一光纤连接于所述第一激光器及所述焊接头之间，用于传输所述第一波长的激光，所述第二光纤连接于所述第二激光器及所述焊接头之间，用于传输所述第二波长的激光。

其中，所述第一光纤由纯石英核心和石英包层组成，所述纯石英核心对所述第一波长的激光的折射率比所述石英包层对所述第一波长的激光的折射率大，所述第二光纤由纯石英核心和石英包层组成，所述纯石英核心对所述第二波长的激光的折射率比所述石英包层对所述第二波长的激光的折射率大。

其中，所述焊接头包括第一准直系统、第二准直系统、反射镜、合束镜、聚焦镜和保护片，所述第一准直系统连接于所述第一光纤及所述合束镜之间，用于将所述第一波长的激光变成平行光，所述第二准直系统连接于所述第二光纤及所述反射镜之间，用于将所述第二波长的激光变成平行光，所述合束镜位于所述反射镜、第一准直系统及聚焦镜之间，所述第一波长的激光经所述第一准直系统出射到所述合束镜上，所述第二波长的激光经所述第二准直系统及所述反射镜出射到所述合束镜上，所述第一波长的激光及所述第二波长的激光经所述合束镜合成一束光，所述合成的一束光经所述聚焦镜聚焦后射出到所述保护片，并从所述保护片射出，聚焦到待焊接零件上，所述保护片镀有增透膜。

其中，所述复路激光焊接装置包括控制系统及工作台，所述控制系统包括依次电连接的计算机、运动控制器、端子板和伺服驱动器，所述计算机控制所述第一激光器及第二激光器以预设的参数在预设的时刻发射激光，所述运动控制器及端子板控制所述伺服驱动器，以驱动工作台按照预设的速度和方向运动。

本发明实施例的复路激光焊接方法利用所述第一波长的激光的连续激光对待焊接工件照射实现预热，同时用所述第二波长的激光的脉冲激光焊接，可以达到高功率激光焊接的效果和速度，而造价可便宜很多，对如散热、功耗等各方面的要求也有所降低。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明提供的复路激光焊接装置的示意图；

图2是图1的复路激光焊接装置的部分组件的示意图；

图3是图1的复路激光焊接装置的部分组件的示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明实施例中，通过第一波长的激光改变待焊接零件的表面特性，增加待焊接零件对第二波长的激光的有效吸收，从而可利用小功率的激光束来完成大功率的焊接，降低了激光焊接设备的制造和使用成本。

本发明提供一种复路激光焊接方法，该方法包括以下步骤：

发射第一波长的激光，所述第一波长的激光用于增加待焊接工件对第二波长激光的吸收率。本实施方式中，所述第一波长的激光是功率为300W的连续激光，所述第二波长的激光是功率为400W的脉冲激光。所述第一波长的激光的功率小于所述第二波长的激光的功率，所述第一波长的激光的波长小于所述第二波长的激光的波长。当然，在其他实施方式中，所述第一波长的激光也可以大于第二波长的激光。所述第一波长的激光可以改变待焊接工件的表面特性，使之对所述第二波长的激光的吸收率大大增加。所述待焊接工件为电机磁芯材料。当然，在其他实施方式中，只要所述第一波长的激光能够增加待焊接工件对第二波长激光的吸收率。所述第一波长的激光及第二波长激光的功率不限于300W及400W。所述待焊接工件也可以是其他材料的工件，如金属等材料。

发射所述第二波长的激光，所述第二波长的激光的波长不等于所述第一波长的激光的波长。

将所述第一波长的激光及所述第二波长的激光合成一束激光，同时聚焦于待焊接工件上，对所述待焊接工件进行焊接。本实施方式中，所述第一波长的激光的焦点大于所述第二波长的激光的焦点，提高预热面积。由于激光的焦点处有较高的功率密度，所以可以使金属熔化，从而实现焊接。

通过实验发现，利用所述第一波长的激光的连续激光对待焊接工件照射实现预热，同时用所述第二波长的激光的脉冲激光焊接，可以达到2000W激光焊接的效果和速度，而造价可便宜很多，对如散热、功耗等各方面的要求也有所降低。

请参阅图1至图3，本发明提供的一种复路激光焊接装置，所述复路激光焊接装置包括第一激光器10、第二激光器20、第一光纤30、第二光纤40、焊接头50、控制系统60及工作台70。所述第一激光器10发射第一波长的激光，所述第一波长的激光用于增加待焊接工件200对第二波长激光的吸收率。本实施方式中，所述第一波长的激光为连续激光，所述第一波长的激光的功率为300W，所述第一波长的激光的波长小于所述第二波长的激光的波长。所述第一激光器10的核心部分是PN结，PN结的两个端面是按晶体的天然晶面剖切开，称为解理面，这两个表面极为光滑，用作平行反射镜面，构成谐振腔。单个这样的激光器称为巴条，把很多个这样的巴条按照一定的排列组合起来，就合并成了非常高的功率。

所述第二激光器20发射所述第二波长的激光。所述第二激光器20发出脉冲激光的所述第二波长的激光。所述第二激光器20由激光电源(未图示)、制冷系统(未图示)和光学系统(未图示)组成。所述激光电源放电总功率为16kw，放电频率最高100Hz，最大放电能量100J，最大脉宽30ms。所述激光电源主要由充电模块(未图示)、放电模块(未图示)、调制模块(未图示)、控制模块(未图示)和保护模块(未图示)组成。所述充电模块用于实现电压的提升，所述放电模块用于实现均匀而稳定的放电。所述调制模块用于调制电流源，将所述第二激光器20的输出调制到音频或者更高频率。所述控制模块用于所述激光电源的程序化控制。所述保护模块用于保护所述第二激光器20。

所述制冷系统包括内循环系统和外制冷机组。由于所述第二激光器20电光转换效率较低，通常只有3％，大量的电能转换成热能，热能使所述内循环系统的水温升高，所述外制冷机组通过热交换器，使所述内循环系统中的水温保持在正常水平。

所述光学系统由泵浦源、晶体棒、谐振腔和光纤耦合系统组成。所述泵浦源为氙灯，由所述激光电源驱动。所述晶体棒俗称掺钕钇铝石榴石晶体，其吸收氙灯发出的光辐射，并通过所述谐振腔振荡放大，发出一定波长的激光。发出的激光经过所述光纤耦合系统出射。

所述第一光纤30连接于所述第一激光器10及所述焊接头50之间，用于传输所述第一波长的激光。本实施方式中，所述第一光纤30由纯石英核心和石英包层组成，所述纯石英核心对所述第一波长的激光的折射率比所述石英包层对所述第一波长的激光的折射率大。所述第一光纤30外面有铠甲保护。所述纯石英核心的直径为0.4mm，对所述第一波长的激光的折射率比石英包层对所述第一波长的激光的折射率大，因而所述第一激光器10发出的激光，通过全反射在光纤4中传导，可以将所述第一波长的激光传输至所述焊接头50。

所述第二光纤40连接于所述第二激光器20及所述焊接头50之间，用于传输所述第二波长的激光。本实施方式中，所述第二光纤40由纯石英核心和石英包层组成，所述纯石英核心对所述第二波长的激光的折射率比所述石英包层对所述第二波长的激光的折射率大。所述第二光纤40由纯石英核心和石英包层组成，外面有铠甲保护。所述第二光纤40的纯石英的直径为0.6mm，对所述第二波长的激光的折射率比石英包层对所述第二波长的激光的折射率大，因而所述第二激光器20发出的激光，通过全反射在所述第二光纤40中传导，可以将所述第二波长的激光传输至所述焊接头50。

所述焊接头50接收所述第一波长的激光及第二波长的激光，将所述第一波长的激光及第二波长的激光同时聚焦于待焊接工件200上，对所述待焊接工件200进行焊接。本实施方式中，所述焊接头50包括第一准直系统51、第二准直系统52、反射镜53、合束镜54、聚焦镜55和保护片56。

所述第一准直系统51连接于所述第一光纤20及所述合束镜54之间。所述第一准直系统51用于将从所述第一光纤30中传导的激光变成平行光。所述第一准直系统51由准直镜片(未图示)组成，准直镜片镀有光学薄膜，可以使相应波长的激光的透过率达99.5％以上。

所述第二准直系统52连接于所述第二光纤40及所述反射镜53之间。用于将从所述第二光纤40中传导的激光变成平行光。所述第二准直系统52由准直镜片(未图示)组成，准直镜片镀有光学薄膜，可以使相应波长的激光的透过率达99.5％以上。

所述反射镜53为45度反射镜，所述反射镜53镀有光学薄膜，当所述第二光纤40传导的所述第二波长的激光经过所述第二准直系统52后的平行光以45度入射角入射时，可以几乎无损失的将光反射出去，根据光学定律，反射角也为45度。

所述合束镜54位于所述反射镜53、第一准直系统51及聚焦镜55之间，所述第一波长的激光经所述第一准直系统51出射到所述合束镜54上，所述第二波长的激光经所述第二准直系统52及所述反射镜53出射到所述合束镜54上，所述第一波长的激光及所述第二波长的激光经所述合束镜54合成一束光。

所述合束镜54的两面都镀有光学薄膜，并且跟水平呈45度放置，所述第一光纤30中传导的所述第一波长的激光变成平行光后，以45度角入射到所述合束镜54上，被所述第一波长的激光照射的这个面镀有特殊的光学薄膜，所述光学薄膜对于所述第一波长的激光，几乎没有损失的被反射，同时对于所述第二波长的激光，几乎无损失的透射。所述合束镜54被所述第二波长的激光照射的那一面，对所述第二波长的激光的入射角也刚好为45度，并且镀有对所述第二波长的激光的减反射膜，可以使所述第二波长的激光几乎几损失的透过。所述第一波长的激光和所述第二波长的激光通过合束镜54后，变成一路复合的光。

所述合成的一束光经所述聚焦镜55聚焦后射出到所述保护片56，并从所述保护片56射出，聚焦到待焊接零件上，所述保护片56镀有增透膜。本实施方式中，所述聚焦镜55由石英玻璃组成，有非常高的熔点，对所述第二波长的激光有一定的焦距。所述保护片56也由石英玻璃组成，但两面都是平面，且都镀有对所述第一波长的激光和所述第二波长的激光的增透膜。

合成的一束光经过所述聚焦镜55和所述保护片56后，会聚成一个较小直径的光点，由于此光点有较高的功率密度，以致于可以使金属熔化，从而实现焊接。

所述控制系统60包括依次电连接的计算机61、运动控制器(未图示)、端子板(未图示)和伺服驱动器(未图示)。所述计算机61控制所述第一激光器10及第二激光器20以预设的参数在预设的时刻发射激光，所述运动控制器及端子板控制所述伺服驱动器，以驱动所述工作台70按照预设的速度和方向运动。

焊接时，所述第一波长的激光的焦点比所述第二波长的激光的焦点大，第一波长的激光比所述第二波长的激光的波长短，可以改变所述待焊接工件200的表面特性，使之对所述第二波长的激光的吸收率大大增加，从而可以用400W的所述第二波长的激光脉冲激光可以轻松完成焊接，达到2000W连续激光才能实现的效果。

以上所揭露的仅为本发明较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明权利要求所作的等同变化，仍属本发明所涵盖的范围。

Claims (10)

1.一种复路激光焊接方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：

发射第一波长的激光，所述第一波长的激光用于增加待焊接工件对第二波长激光的吸收率；

发射所述第二波长的激光，所述第二波长的激光的波长不等于所述第一波长的激光的波长；

将所述第一波长的激光及所述第二波长的激光合成一束激光，所述第一波长的激光及所述第二波长的激光同时聚焦于待焊接工件上，对所述待焊接工件进行焊接。

2.如权利要求1所述的复路激光焊接方法，其特征在于，所述第一波长的激光是连续激光，所述第二波长的激光是脉冲激光。

3.如权利要求2所述的复路激光焊接方法，其特征在于，所述第一波长的激光的功率小于或大于所述第二波长的激光的功率。

4.如权利要求1所述的复路激光焊接方法，其特征在于，所述第一波长的激光的焦点大于所述第二波长的激光的焦点。

5.如权利要求4所述的复路激光焊接方法，其特征在于，所述第一波长的激光的波长小于所述第二波长的激光的波长。

6.一种复路激光焊接装置，其特征在于：包括第一激光器、第二激光器和焊接头，所述第一激光器发射第一波长的激光，所述第一波长的激光用于增加待焊接工件对第二波长激光的吸收率；所述第二激光器发射所述第二波长的激光，所述第二波长的激光的波长不等于所述第一波长的激光的波长；所述焊接头接收所述第一波长的激光及第二波长的激光，将所述第一波长的激光及所述第二波长的激光合成一束激光，将所述第一波长的激光及第二波长的激光同时聚焦于待焊接工件上，对所述待焊接工件进行焊接。

7.如权利要求6所述的复路激光焊接装置，其特征在于，所述复路激光焊接装置还包括第一光纤及第二光纤，所述第一光纤连接于所述第一激光器及所述焊接头之间，用于传输所述第一波长的激光，所述第二光纤连接于所述第二激光器及所述焊接头之间，用于传输所述第二波长的激光。

8.如权利要求7所述的复路激光焊接装置，其特征在于，所述第一光纤由纯石英核心和石英包层组成，所述纯石英核心对所述第一波长的激光的折射率比所述石英包层对所述第一波长的激光的折射率大，所述第二光纤由纯石英核心和石英包层组成，所述纯石英核心对所述第二波长的激光的折射率比所述石英包层对所述第二波长的激光的折射率大。

9.如权利要求7或8所述的复路激光焊接装置，其特征在于，所述焊接头包括第一准直系统、第二准直系统、反射镜、合束镜、聚焦镜和保护片，所述第一准直系统连接于所述第一光纤及所述合束镜之间，用于将所述第一波长的激光变成平行光，所述第二准直系统连接于所述第二光纤及所述反射镜之间，用于将所述第二波长的激光变成平行光，所述合束镜位于所述反射镜、第一准直系统及聚焦镜之间，所述第一波长的激光经所述第一准直系统出射到所述合束镜上，所述第二波长的激光经所述第二准直系统及所述反射镜出射到所述合束镜上，所述第一波长的激光及所述第二波长的激光经所述合束镜合成一束光，所述合成的一束光经所述聚焦镜聚焦后射出到所述保护片，并从所述保护片射出，聚焦到待焊接零件上，所述保护片镀有增透膜。

10.如权利要求9所述的复路激光焊接装置，其特征在于，所述复路激光焊接装置包括控制系统及工作台，所述控制系统包括依次电连接的计算机、运动控制器、端子板和伺服驱动器，所述计算机控制所述第一激光器及第二激光器以预设的参数在预设的时刻发射激光，所述运动控制器及端子板控制所述伺服驱动器，以驱动工作台按照预设的速度和方向运动。