CN204196243U - 一种激光塑料焊接装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种激光塑料焊接装置，属于激光器焊接技术领域。该装置包括依光路依次设置的LD芯片阵列、偏振合束镜、扩束系统、聚焦系统和耦合光纤，所述LD芯片阵列由垂直设置的两组单管半导体激光器阵列组成，每组单管半导体激光器阵列由多个单管半导体激光器串联组成且其输出光路上设有快慢轴准直单元，其中一组单管半导体激光器阵列与所述偏振合束镜之间设有1/4波片，所述偏振合束镜采用薄膜干涉型偏振分束镜，所述扩束系统采用伽利略扩束系统。该装置包括依光路依次设置的LD芯片阵列、偏振合束镜、扩束系统、聚焦系统和耦合光纤，分别对激光器输出的光进行合束、扩束和聚焦后从耦合光纤输出，极大地提高了输出光的亮度。

Description

一种激光塑料焊接装置

技术领域

本实用新型属于激光器焊接技术领域，特别涉及一种激光塑料焊接装置。

背景技术

自上世纪60年代问世以来，激光以其相干性好、能量密度高、准直性好等优异特性，在现代工业的各个方面得到了广泛的应用。在材料加工领域，激光用来进行金属材料的切割、焊接、表面相变硬化、合金化、熔覆、打孔、打标、辅助切削、直接制造、快速成形、清洗及微细加工等等。利用激光来焊接金属材料有许多优越性：方便快捷、焊缝小、焊接影响区域小，对原材料性质和形态的改变均很小；易于实现数控控制，可以焊接形状特殊的工件；激光能量集中、作用时间短，可以焊接薄板、金属丝等传统焊接工艺难以加工的材料以及精密、微小、排列密集、受热敏感的材料，等等。激光焊接在金属材料加工中的应用越来越普遍，正逐步从特种加工转变为常规加工工艺。 　　随着石油的大规模开采使用和石油化工工业的高速发展，塑料作为一种工程材料，成本低廉、获取方便（石油炼化工业的产品）、加工成型技术简单快捷、成品重量轻、物理特性优良、能提供各种工程性能，其应用非常广泛。塑料作为钢铁、铝、镁等金属和其他一些非金属材料在工程上的替代品，在工业制造和日常生活中的使用都越来越普遍。 　　当前，激光所能够焊接的材料，除了传统的金属材料之外，其范围正在逐步扩大，在例如陶瓷等非金属材料上的使用也越来越多；而塑料作为有机材料的代表之一，也被用来作为激光焊接的对象，能够用激光实现焊接的塑料必须是热固性的。20世纪70年代，激光开始被应用到塑料焊接上；但直到20世纪90年代,才取得了大规模的工业应用。见于文献报道的最早激光塑料焊接应用是在1972年，使用100瓦的CO2激光光源，以每秒10毫米的速度焊接聚乙烯薄板（最大厚度为1.5毫米）。 　　塑料激光焊接的基本原理与金属材料激光焊接的基本原理相近。激光作为一种焊接用热源，具有准直性优良、光束能量密度高、作用区域小等优点。在焊接过程中，通过反射镜、透镜或光纤组成的光路系统，将激光器产生的光束聚焦于待焊接区域，形成热作用区；在热作用区中的塑料被融化；在随后的凝固过程中，已融化的材料形成接头，待焊接的部件即被连接起来。由于被焊接材料具有本质上的不同，塑料激光焊接的特点和具体工艺与传统金属焊接也有比较大的差别。传统的方式（如用于金属的焊接）不能满足激光塑料焊接要求，容易造成热损伤，影响焊接质量。我们通过光束偏振复用技术和扩束聚焦技术对单管半导体激光器发出的光束进行整形，解决了这一问题。

发明内容

本实用新型提供的激光塑料焊接装置采用单管半导体激光器，单管半导体激光器相对于半导体白条激光器光束质量好，寿命长，且耦合时不需要对光束分割重排。另外，通过偏振复用技术将单管半导体激光器发出的光耦合进入光纤。由于激光塑料焊接对激光器的光束质量有一定的要求，单管半导体激光器快轴方向发散角很大，则需通过快轴准直镜对其压缩，实现单管半导体激光器在快轴方向的叠加；而快轴方向光束的叠加会导致快轴方向光束质量下降不能满足塑料焊接要求，则通过偏振合束棱镜将叠加了单管半导体激光器的准直单元合束；同时，采用伽利略扩束系统将合束后的光束进行扩束，采用消球差聚焦系统将光束聚焦耦合进入光纤，极大地提高了光纤输出亮度。所述方案如下：

本实用新型提供了一种激光塑料焊接装置，该装置包括依光路依次设置的LD芯片阵列、偏振合束镜、扩束系统、聚焦系统和耦合光纤，所述LD芯片阵列由垂直设置的两组单管半导体激光器阵列组成，每组单管半导体激光器阵列由多个单管半导体激光器串联组成且其输出光路上设有快慢轴准直单元，其中一组单管半导体激光器阵列与所述偏振合束镜之间设有1/4波片，所述偏振合束镜采用薄膜干涉型偏振分束镜，所述扩束系统采用伽利略扩束系统。

其中，本实用新型实施例中的每组单管半导体激光器阵列由N个固定在阶梯热沉上且发出P偏振光的单管半导体激光器串联构成。其中，本实用新型实施例中的单管半导体激光器的输出光路上依次设有快轴准直微透镜、阶梯反射镜和慢轴准直透镜，每个单管半导体激光器输出的光束经过快轴微透镜准直，由阶梯反射镜发射，再经过一个慢轴准直镜准直。

其中，本实用新型实施例中的薄膜干涉型偏振分束镜由一对等腰直角棱镜胶合而成，LD芯片阵列的输出光束以布儒斯特角入射到棱镜面。

其中，本实用新型实施例中的聚焦系统为三片式球面镜聚焦结构。

其中，本实用新型实施例中的聚焦系统与耦合光纤之间设有光斑大小调节结构。

本实用新型实施例提供的技术方案带来的有益效果是：本实用新型提供了一种激光塑料焊接装置，该装置包括依光路依次设置的LD芯片阵列、偏振合束镜、扩束系统、聚焦系统和耦合光纤，分别对单管半导体激光器输出的光进行合束、扩束和聚焦后从耦合光纤输出，极大地提高了输出光的亮度。

附图说明

图1是本实用新型实施例提供的激光塑料焊接装置的结构框图。

具体实施方式

为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本实用新型作进一步地详细描述。

参见图1，本实用新型提供了一种激光塑料焊接装置，该装置包括依光路依次设置的LD芯片阵列、偏振合束镜、扩束系统、聚焦系统和耦合光纤等。其中，LD芯片阵列由垂直设置的两组单管半导体激光器阵列组成，每组单管半导体激光器阵列由多个单管半导体激光器串联组成且其输出光路上设有快慢轴准直单元（用于对半导体激光器的出光进行准直），其中一组单管半导体激光器阵列（LD2）与偏振合束镜之间设有1/4波片用于改变偏振类型；其中，偏振合束镜采用薄膜干涉型偏振分束镜用于对上述两组（其中一组经过1/4波片）单管半导体激光器阵列的输出光束进行合束；其中，扩束系统采用伽利略扩束系统用于对合束后的光进行扩束；其中，聚焦系统采用消球差聚焦系统。

具体地，本实用新型实施例中的每组单管半导体激光器阵列由N个固定在阶梯热沉上且发出P偏振光的单管半导体激光器串联构成，每个单管半导体激光器的特性相同。其中，其中一组单管半导体激光器阵列（LD2）由1/4波片将P偏振光转化为S偏振光，偏振合束镜则将前述的一P偏振光和一S偏振光进行合束。其中，快慢轴准直单元用于对光在快轴和慢轴进行准直，使快轴发散角和慢轴接近一致。具体地，本实用新型实施例中的单管半导体激光器的输出光路上依次设有快轴准直微透镜、阶梯反射镜和慢轴准直透镜，每个单管半导体激光器输出的光束经过快轴微透镜准直，由阶梯反射镜发射，再经过一个慢轴准直镜准直。即快慢轴准直单元包括依次设置的快轴准直微透镜、阶梯反射镜和慢轴准直透镜。  

其中，本实用新型实施例中的薄膜干涉型偏振分束镜由一对等腰直角棱镜胶合而成，LD芯片阵列（其中一组经过1/4波片）的输出光束以布儒斯特角入射到棱镜面。

其中，本实用新型实施例中的聚焦系统为三片式球面镜聚焦结构用于对扩束系统输出的光束进行消球差聚焦。

其中，本实用新型实施例中的聚焦系统与耦合光纤之间设有光斑大小调节结构用于对输出到光纤的光斑大小进行调节，该光斑大小调节结构位于聚焦光纤位置。

下面结合图1对本实用新型提供的激光塑料焊接装置的工作过程进行说明：

图1中，LD1和LD2分别指叠加了N个单管半导体激光器的准直单元，N个单管半导体激光器通过快慢轴准直单元准直，压缩快轴发散角。单管半导体激光器串联连接，固定在阶梯热沉上；每个激光器发出的光束径过快轴准直微透镜准直，由阶梯反射镜反射，实现在快轴方向叠加，再经过一个慢轴准直镜准直。其中，快轴准直镜采用非球面柱面镜。单管半导体激光器发出的光均为P偏振光。具体地，LD2中的激光器发出的光通过1/4波片变为S偏振光，LD1和LD2中的单管半导体激光器数目相同。LD1和LD2再通过偏振合束镜合束，偏振合束镜采用薄膜干涉型偏振分束镜（PBS），由等腰直角棱镜胶合形成，两个等腰直角棱镜斜面镀有折射率高低交替的介质膜，激光束以布儒斯特角入射到棱镜面，入射角和所镀的两种薄膜的折射率相关。经偏振合束镜合束的光通过伽利略扩束系统进行扩束，伽利略扩束系统由一个凹柱面镜和一个凸柱面镜组成。经伽利略扩束系统扩束后的光通过三片式球面镜聚焦结构进行聚焦使光斑尺寸满足光纤芯径要求，聚焦后耦合进入对应芯径光纤输出。聚焦光纤位置装有可以调节光斑大小结构，可以调节输出光斑尺寸。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种激光塑料焊接装置，其特征在于，包括依光路依次设置的LD芯片阵列、偏振合束镜、扩束系统、聚焦系统和耦合光纤，所述LD芯片阵列由垂直设置的两组单管半导体激光器阵列组成，每组单管半导体激光器阵列由多个单管半导体激光器串联组成且其输出光路上设有快慢轴准直单元，其中一组单管半导体激光器阵列与所述偏振合束镜之间设有1/4波片，所述偏振合束镜采用薄膜干涉型偏振分束镜，所述扩束系统采用伽利略扩束系统。

2.根据权利要求1所述的激光塑料焊接装置，其特征在于，每组单管半导体激光器阵列由N个固定在阶梯热沉上且发出P偏振光的单管半导体激光器串联构成。

3.根据权利要求1或2所述的激光塑料焊接装置，其特征在于，所述单管半导体激光器的输出光路上依次设有快轴准直微透镜、阶梯反射镜和慢轴准直透镜，每个单管半导体激光器输出的光束经过快轴微透镜准直，由阶梯反射镜发射，再经过一个慢轴准直镜准直。

4.根据权利要求1所述的激光塑料焊接装置，其特征在于，所述薄膜干涉型偏振分束镜由一对等腰直角棱镜胶合而成，所述LD芯片阵列的输出光束以布儒斯特角入射到棱镜面。

5.根据权利要求1所述的激光塑料焊接装置，其特征在于，所述聚焦系统为三片式球面镜聚焦结构。

6.根据权利要求1所述的激光塑料焊接装置，其特征在于，所述聚焦系统与耦合光纤之间设有光斑大小调节结构。