CN107335915A - 激光焊接装置及其焊接方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种激光焊接装置及其焊接方法。激光焊接装置焊接工件时，将激光焊接装置设置于工件表面的上方，调节焊接头与工件表面的距离。从光纤传输来的激光束，被焊接头分离成点形激光束及环形激光束。点形激光束熔融工件形成熔池，环形激光束可以加热工件扩大熔池。焊缝外观一致性较好，激光焊接装置的焊接效率较高，焊接质量较高。在焊接头按预设焊接速度沿预设焊接方向移动时，环形激光束可以预热工件，还可以再次加热熔池，降低了熔池的再凝固速率，降低了焊接应力，可以防止焊缝产生裂纹，焊缝的表面光滑均匀。
Description
技术领域
本发明涉及焊接技术领域，特别是涉及一种激光焊接装置及其焊接方法。
背景技术
动力电池是纯电动和油电混合等新能源汽车的核心部件之一。近年来随着新能源汽车行业的爆发式增长，动力电池的需求也急剧增加，随之而来各大厂商对动力电池的生产效率和生产质量的要求也越来越高。
大多厂商一般采用点形激光束来焊接动力电池的封口，焊接时的焊接速度大多在120mm/s以下。因为，当焊接速度较高时，熔池明显拉长，且宽度减小，熔池稳定性变差，如图1所示，焊缝22外观一致性降低。
发明内容
基于此，有必要针对上述问题，提供一种焊接速度较高，且焊缝外观一致性较好的激光焊接装置及其焊接方法。
一种激光焊接装置，包括焊接头，所述焊接头与传输激光束的光纤连通，所述焊接头包括：
壳体，所述壳体开设通孔；
分光镜，设置于所述通孔内，所述分光镜包括聚焦部及透射部，所述透射部设置于所述聚焦部的外周缘；及
聚焦镜，设置于所述通孔内，所述聚焦镜沿其轴向开设有贯穿孔，所述聚焦镜位于所述分光镜远离所述光纤的一侧；
其中，从所述光纤传输来的激光束，部分所述激光束经过所述聚焦部后形成点形激光束，所述点形激光束穿过所述贯穿孔射出所述壳体外，剩余部分所述激光束经过所述透射部后，再经过所述聚焦镜聚焦形成环形激光束射出所述壳体外。
在其中一个实施例中，所述焊接头还包括准直镜，所述准直镜设置于所述通孔内，且所述准直镜位于分光镜远离所述聚焦镜的一侧，从所述光纤传输来的激光束，经过所述准直镜后，形成平行激光束。
在其中一个实施例中，所述焊接头还包括调光镜，所述调光镜设置于所述通孔内，所述调光镜沿其轴向开设有连通孔，且所述调光镜位于所述分光镜与所述聚焦镜之间，所述点形激光束穿过所述连通孔及所述贯穿孔射出所述壳体外，穿过所述透射部出来的激光束经过所述调节镜偏转之后，再经过所述聚焦镜聚焦形成环形激光束射出所述壳体外。
一种如上述任意一项所述激光焊接装置的焊接方法，包括以下步骤：
将所述激光焊接装置设置于工件表面的上方，调节焊接头与所述工件表面的距离；
通过点形激光束熔融所述工件形成熔池，通过环形激光束加热所述熔池之外的所述工件，以扩大所述熔池；
控制所述焊接头按预设焊接速度沿预设焊接方向移动，所述环形激光束预热所述工件以及加热所述熔池。
在其中一个实施例中，所述焊接装置还包括保护结构，所述保护结构设置于所述焊接头上，所述通过点形激光束熔融所述工件形成熔池的步骤之前还包括：
所述保护结构向所述工件喷射保护气体。
在其中一个实施例中，所述聚焦部的焦点位置可调节，所述聚焦镜的焦点位置可调节。
在其中一个实施例中，所述点形激光束的功率为所述环形激光束功率的1～1.5倍。
在其中一个实施例中，所述预设焊接速度为150mm/s-300mm/s。
在其中一个实施例中，所述环形激光束在所述工件上形成的环形光斑的内径，与所述点形激光束在所述工件上形成的圆形光斑的直径的差值为0.1～0.3mm。
在其中一个实施例中，所述点形激光束的焦平面位于所述工件表面的上方，所述环形激光束的焦平面位于所述工件表面的下方。
上述激光焊接装置及其焊接方法至少具有以下优点：
激光焊接装置焊接工件时，将激光焊接装置设置于工件表面的上方，点形激光束熔融工件形成熔池，由于环形激光束可以加热工件扩大熔池，因此当焊接速度较高时，熔池的稳定性也不会变差。焊缝外观一致性较好，激光焊接装置的焊接效率较高，焊接质量较高。同时，由于熔池较宽，能够增加激光束对焊缝位置偏差的包容性。并且，在焊接头按预设焊接速度沿预设焊接方向移动时，环形激光束可以预热工件，还可以再次加热熔池，降低了熔池的再凝固速率，降低了焊接应力，可以防止焊缝产生裂纹，焊缝的表面光滑均匀。
附图说明
图1为传统的激光焊接装置焊接速度较高时，形成的焊缝示意图；
图2为一实施方式中焊接头的结构示意图；
图3为图2所示的焊接头将点形激光束分离成点形激光束与环形激光束的原理图；
图4为圆形光斑与环形光斑的示意图；
图5为一实施方式中焊接方法的流程示意图；
图6为一实施方式中激光焊接装置焊接速度较高时，形成的焊缝示意图。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似改进，因此本发明不受下面公开的具体实施的限制。
需要说明的是，当元件被称为“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
请参阅图图1及图2，一实施方式中的激光焊接装置，用于焊接工件20，特别是用于焊接动力电池的封口，焊接效率较高，焊缝22外观一致性较好。具体到本实施方式中，激光焊接装置包括焊接头100及保护结构(图未示)。
请一并参阅图3，焊接头100可与传输激光束的光纤200连通，激光束通过光纤200从焊接头100的一侧传输至焊接头100内，并从焊接头100的另一侧射出。焊接头100包括壳体110、准直镜120、分光镜130、调光镜140及聚焦镜150。壳体110开设有通孔112，通孔112用于容纳准直镜120、分光镜130、调光镜140及聚焦镜150。
准直镜120设置于通孔112内，准直镜120用于将光纤200射出的激光束折射之后形成平行激光束。具体到本实施方式中，准直镜120为凸透镜，准直镜120的一面为球体，光纤200位于准直镜120的焦点处。
请一并参阅图4，分光镜130设置于通孔112内，且分光镜130位于准直镜120远离光纤200的一侧。分光镜130包括聚焦部132及透射部134。聚焦部132一侧的表面为球面以形成凸透镜，聚焦部132的主光轴位于通孔112的轴心上。聚焦部132能够将部分平行激光束聚焦形成点形激光束，点形激光束可以在工件20的表面形成的圆形光斑300。聚焦部132的焦点位置可以调节，因此可以根据需要调节点形激光束的汇聚位置。透射部134为圆环状，且透射部134的厚度一致，透射部134设置于聚焦部132的外周缘，另一部分的平行激光束经过透射部134后，依旧为平行激光束。
调光镜140设置于通孔112内，且调光镜140位于分光镜130远离准直镜120的一侧，分光镜130位于调光镜140与准直镜120之间。调光镜140沿其轴向开设有连通孔142，点形激光束能够穿过连通孔142。调光镜140用于将穿过透射部134后的平行激光束偏转到聚焦镜150上。具体到本实施方式中，调光镜140为凹透镜，调光镜140沿其轴向开设有圆形的连通孔142。
聚焦镜150设置于通孔112内，且聚焦镜150位于调光镜140远离分光镜130的一侧。聚焦镜150开设有贯穿孔152，点形激光束可以穿过贯穿孔152射出壳体110外。聚焦镜150能够将调光镜140偏转的激光束聚焦形成环形激光束，环形激光束可以在工件20的表面形成的环形光斑400。本实施方式中，聚焦镜150为圆环形，聚焦镜150的一侧为球面。聚焦镜150的焦点位置可以根据需要具体设置，因此环形光斑400的内径的大小可以根据需要设置。
光纤200传输的激光束在焊接头100内的具体光路为：
光纤200传输的激光束被准直镜120折射形成平行激光束。平行激光束的中间部分经过聚焦部132时，被聚焦形成点形激光束，点形激光束穿过连通孔142及贯穿孔152射出壳体110外。另一部分的平行激光束经过透射部134后，再经过调光镜140偏转到聚焦镜150内，经过聚焦镜150聚焦后形成环形激光束射出壳体110外。
可以理解的是，在其他实施方式中，可以不设置准直镜120和调光镜140，光纤200可以直接传输平行激光束。中间部分的平行激光束经过聚焦部132聚焦形成点形激光束，点形激光束穿过贯穿孔152射出壳体110外。另一部分的平行激光束经过透射部134后，再经过聚焦镜150聚焦形成环形激光束射出壳体110外。
保护结构设置于焊接头100上。保护结构可以向工件20喷出保护气体，保护气体可以在工件20的熔池上维持形成一层保护层，从而避免工件20在高温状态下被氧化。
请一并参阅图5，本发明还提供一种焊接方法。为实现该焊接方法，其采用上述激光焊接装置。该焊接方法具体包括如下步骤：
步骤S110：将激光焊接装置设置于工件20表面的上方，调节焊接头100与工件20的表面的距离。
具体地，焊接前需要将工件20水平放置。再将激光焊接装置置于工件20的表面的上方。而且，使焊接头100对准待焊接区域。例如焊接148mm*26mm尺寸的电池的封口时，将焊接头100对准电池封口的一端作为焊接的起始位置。
请一并参阅图6，调节焊接头100与工件20表面的距离，可以使焊接时的熔池的宽度比较合适。并且，通过调节焊接头100与工件20表面的距离，可以调节焊接过程中的离焦量。离焦量就是焦点离作用物质间的距离，离焦量对焊接质量的影响很大，激光焊接通常需要一定的离焦量。具体到本实施方式中，点形激光束的焦平面位于工件20表面的上方，点形激光束为负离焦，可以适当增加熔深。环形激光束的焦平面位于工件20表面的下方，环形激光束为正离焦，可以光滑焊缝22表面。
本实施方式中，在上述步骤S110之前，上述方法还包括：对工件20的表面进行清洁处理。由于工件20表面可能存在灰尘等其他一些杂质，焊接时可能会使焊缝22出现裂纹、气孔等。因此，在焊接前对工件20表面进行清洁可改善焊接效果。
步骤S120：通过点形激光束熔融工件20形成熔池，通过环形激光束加热熔池之外的工件20，以扩大熔池。
具体地，光纤200传输的激光束分离成点形激光束和环形激光束。点形激光束的功率为环形激光束功率的1～1.5倍。本实施方式中，光纤200传输的激光束的总功率为3400w，点形激光束的功率为2260w，环形激光束的功率为1140w。点形激光束形成的圆形光斑300加热工件20，使工件20熔融形成熔池。环形激光束形成的环形光斑400加热熔池之外的工件20，不会熔融工件。但是由于热传导，环形光斑400产生的热量可以加热熔池，从而可以扩大熔池的宽度。
本实施方式中，可以通过调节聚焦部132的焦点位置以及聚焦镜150的焦点位置，来调节环形激光束在工件20表面上形成的环形光斑400的内径，与点形激光束在工件20表面上形成的圆形光斑300的直径的差值L。通过调节环形光斑400的内径与圆形光斑300的直径的差值L，可以控制熔池具体扩大多少。具体地，环形光斑400的内径与圆形光斑300的直径的差值L为0.1～0.3mm。
本实施方式中，在上述步骤S120之前，上述焊接方法还包括：保护结构向工件20喷射保护气体。工件20焊接时，保护气体可以在熔池上维持形成一层保护层，从而避免工件20在高温状态下被氧化。保护气体可以为氩气或者氮气。具体地，可以在焊接前1秒控制保护结构喷出保护气体，保护气体为氩气。
步骤S130：控制焊接头100按预设焊接速度沿预设焊接方向移动，环形激光束预热工件20以及加热熔池。
具体地，预设焊接速度可以为150mm/s-300mm/s。本实施方式中，预设焊接速度具体为180mm/s。焊接头100在移动的过程中，环形激光束可以预热工件20待焊接部分，预热可降低焊接应力，避免焊接裂纹。环形激光束还可以再加热熔池，延长熔池的冷却时间，降低熔池的再凝固速率，可以避免焊缝22产生裂纹。焊接后焊缝22的表面光滑。
上述激光焊接装置及其焊接方法至少具有以下优点：
激光焊接装置焊接工件20时，将激光焊接装置设置于工件20表面的上方，点形激光束熔融工件20形成熔池，当焊接速度较高时，由于环形激光束可以加热工件20扩大熔池，因此焊接速度较高时，熔池的稳定性不会变差。焊缝22外观一致性较好，激光焊接装置的焊接速度较高，焊接质量较高。同时，由于熔池较宽，能够增加激光束对焊缝22位置偏差的包容性。并且，环形激光束可以预热工件20，还可以再次加热熔池，降低了熔池的再凝固速率，降低了焊接应力，可以防止焊缝22产生裂纹，焊缝22表面光滑均匀。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (10)
1.一种激光焊接装置，其特征在于，包括焊接头，所述焊接头与传输激光束的光纤连通，所述焊接头包括：
壳体，所述壳体开设通孔；
分光镜，设置于所述通孔内，所述分光镜包括聚焦部及透射部，所述透射部设置于所述聚焦部的外周缘；及
聚焦镜，设置于所述通孔内，所述聚焦镜沿其轴向开设有贯穿孔，所述聚焦镜位于所述分光镜远离所述光纤的一侧；
其中，从所述光纤传输来的激光束，部分所述激光束经过所述聚焦部后形成点形激光束，所述点形激光束穿过所述贯穿孔射出所述壳体外，剩余部分所述激光束经过所述透射部后，再经过所述聚焦镜聚焦形成环形激光束射出所述壳体外。
2.根据权利要求1所述的激光焊接装置，其特征在于，所述焊接头还包括准直镜，所述准直镜设置于所述通孔内，且所述准直镜位于分光镜远离所述聚焦镜的一侧，从所述光纤传输来的激光束，经过所述准直镜后，形成平行激光束。
3.根据权利要求1所述的激光焊接装置，其特征在于，所述焊接头还包括调光镜，所述调光镜设置于所述通孔内，所述调光镜沿其轴向开设有连通孔，且所述调光镜位于所述分光镜与所述聚焦镜之间，所述点形激光束穿过所述连通孔及所述贯穿孔射出所述壳体外，穿过所述透射部出来的激光束经过所述调节镜偏转之后，再经过所述聚焦镜聚焦形成环形激光束射出所述壳体外。
4.一种如权利要求1～3任意一项所述激光焊接装置的焊接方法，其特征在于，包括以下步骤：
将所述激光焊接装置设置于工件表面的上方，调节焊接头与所述工件表面的距离；
通过点形激光束熔融所述工件形成熔池，通过环形激光束加热所述熔池之外的所述工件，以扩大所述熔池；
控制所述焊接头按预设焊接速度沿预设焊接方向移动，所述环形激光束预热所述工件以及加热所述熔池。
5.根据权利要求4所述的焊接方法，其特征在于，所述焊接装置还包括保护结构，所述保护结构设置于所述焊接头上，所述通过点形激光束熔融所述工件形成熔池的步骤之前还包括：
所述保护结构向所述工件喷射保护气体。
6.根据权利要求4所述的焊接方法，其特征在于，所述聚焦部的焦点位置可调节，所述聚焦镜的焦点位置可调节。
7.根据权利要求4所述的焊接方法，其特征在于，所述点形激光束的功率为所述环形激光束功率的1～1.5倍。
8.根据权利要求4所述的焊接方法，其特征在于，所述预设焊接速度为150mm/s-300mm/s。
9.根据权利要求4所述的焊接方法，其特征在于，所述环形激光束在所述工件上形成的环形光斑的内径，与所述点形激光束在所述工件上形成的圆形光斑的直径的差值为0.1～0.3mm。
10.根据权利要求4所述的焊接方法，其特征在于，所述点形激光束的焦平面位于所述工件表面的上方，所述环形激光束的焦平面位于所述工件表面的下方。
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