CN101439441A

CN101439441A - 光纤激光动态聚焦振镜扫描式点焊系统及其焊接方法

Info

Publication number: CN101439441A
Application number: CN 200810220533
Authority: CN
Inventors: 王红卫; 杨永强; 王迪; 包渠平
Original assignee: Guangzhou Ruitong Qianli Laser Equipment Co Ltd
Current assignee: Guangzhou Ruitong Qianli Laser Equipment Co Ltd
Priority date: 2008-12-29
Filing date: 2008-12-29
Publication date: 2009-05-27

Abstract

本发明公开了光纤激光动态聚焦振镜扫描式点焊系统，其包括PC控制系统和依次光路连接的光纤激光器、扩束镜、动态聚焦单元、X轴振镜片、Y轴振镜片，所述X轴振镜片安装在X轴伺服电机的转轴上，所述Y轴振镜片安装在Y轴伺服电机的转轴上，所述动态聚焦单元由移动负透镜和聚焦镜组成，所述移动负透镜安装在Z轴伺服电机的转轴上；通过PC控制或者手动控制步进电机，实现移动负透镜和Z轴伺服电机在光束传输方向的大距离行走，能够获得不同的工作距离(焦距)，对应扫描范围从200mm变化到1450mm，光斑直径在30μm到200μm之间。

Description

光纤激光动态聚焦振镜扫描式点焊系统及其焊接方法

技术领域

本发明涉及激光焊接技术，具体是指光纤激光动态聚焦振镜扫描式点焊系统及其焊接方法。

背景技术

在许多工业激光焊接应用中，需要在一个工件上焊接几十到几百个点。相比于激光束定位和工件装载时间，焊接时间是比较短暂的，典型的焊接时间大约占整个焊接流程的20％到50％。扫描焊接(Scanner welding)也被称之为远距离焊接(Remote Welding)，是一种使用扫描镜组的动态焊接工艺，此工艺以长焦距和高度灵活的激光束偏移为主要优点，激光束在工作面上的定位通过两个镜子的偏转来实现，一个或两个振镜在扫描镜头内将激光光束快速在焊缝之间切换，所需时间几乎为零。工件上的焊点数量越多，这种技术的优势越明显。扫描焊接系统相对于电阻点焊来说通过减少非焊接的时间，使得焊接时间(beam on)占整个流程的90％。一个扫描振镜组工作站可以替代几个传统的焊接工作站。产品主要解决精密五金件的搭接焊、电子封装中的针脚点焊和电路板行业中的片状组件无铅焊接难题，扫描焊接提供了更高的焊接效率、更大的柔性以及更好经济性。

目前市场上应用于扫描焊接的激光器主要包括Nd:YAG固体激光器和CO₂气体激光器，当扫描振镜将激光束向远离工作范围中心的方向引导时，从镜头到工件的距离增加了，畸变导致在远离工件中心的位置，激光光束没有聚焦。目前很多采用f-θ聚焦镜克服振镜扫描中的枕形畸变问题，但采用f-θ镜后，由于受到镜头大小限制以及扫描振镜的光束孔径限制，扫描范围被大大的限制，而且f-θ镜成本比较高。

扫描焊接性能参数主要包括激光器功率稳定性、扫描焊接速度(一秒内能够焊接的点数)、扫描工作范围等。以目前市场上出现的的100W Nd:YAG激光器振镜扫描焊接为例，通过f-θ透镜聚焦，焊接速度最大达到20spot/s，扫描范围110 x 110mm。振镜扫描速度太快，激光器电源充放电速度满足不了要求，焊接点的位置与PC控制软件中设定的不吻合，造成焊接点不受控等缺陷。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点和不足，提供光纤激光动态聚焦振镜扫描式点焊系统，克服了现有技术中的振镜扫描焊接速度慢与焊接工作范围受限的不足。

本发明的目的还在于提供光纤激光动态聚焦振镜扫描式点焊系统的焊接方法。

本发明的目的通过下述技术方案实现：

光纤激光动态聚焦振镜扫描式点焊系统，其包括PC控制系统和依次光路连接的光纤激光器、扩束镜、动态聚焦单元、X轴振镜片、Y轴振镜片，所述X轴振镜片安装在X轴数字伺服电机的转轴上，所述Y轴振镜片安装在Y轴数字伺服电机的转轴上，所述动态聚焦单元由移动负透镜和聚焦镜组成，所述移动负透镜安装在Z轴数字伺服电机的转轴上，所述PC控制系统分别与X轴数字伺服电机、Y轴数字伺服电机、Z轴数字伺服电机信号连接。

所述光纤激光器的功率为100～150W、波长为1060～1090nm。

所述聚焦镜为一片或者两片。

所述X轴振镜片与Y轴振镜片的扫描角度范围为±20度。

所述扩束镜的放大倍数为3～8倍。

所述PC控制系统通过控制卡与光纤激光器信号连接，且所述PC控制系统还通过所述控制卡、D/A接收转换模块分别与X轴、Y轴、Z轴数字伺服电机的驱动模块连接。

所述光纤激光动态聚焦振镜扫描式点焊系统的焊接方法，包括如下步骤：

控制光纤激光器发出一定频率的脉冲激光，光束通过扩束镜后进入动态聚焦单元，动态聚焦后，最小光斑直径30μm、功率密度≥10⁶W/cm²，根据焊点在工件上平面的位置，通过Z轴数字伺服电机微调移动负透镜与聚焦镜之间的距离，光束进入扫描振镜头内，入射到X轴振镜片上，并被反射到Y轴振镜片上，通过X轴振镜片与Y轴振镜片的相互配合，光束在工件的一定范围内焊接任意一点。

所述光束在工件的一定范围内焊接任意一点，其中所述的范围是：100 x 100mm～1200 x 1200mm。

本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：本发明采用功率为100～150W、波长为1060～1090nm的光纤激光器，配合移动负透镜与聚焦镜构成的动态聚焦单元，克服了现有技术中的扫描焊接速度慢，焊接工作区受限等不足，使得焊接速度提高5～10倍，达到焊接速度150～200spot/s；扫描工作范围可以从100 x 100mm到1200 x 1200mm，对应的光斑直径从30μm到200μm，工作距离从200到1450mm；采用本发明的光纤激光动态聚焦振镜扫描式点焊系统可使激光光束倾斜入射到焊接工件表面(除工件中心外)，导致了焊点横截面倾斜，客观上减少了有效焊接深度影响了焊接的强度。

附图说明

图1是本发明光纤激光动态聚焦振镜扫描式点焊系统的结构示意图；

图2是本发明光纤激光动态聚焦振镜扫描式点焊系统的PC控制系统框图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图，对本发明作进一步地详细说明，但本发明的实施方式不限于此。

实施例

如图1、图2所示，本发明的光纤激光动态聚焦振镜扫描式点焊系统，包括PC控制系统和依次光路连接的光纤激光器1、扩束镜2、动态聚焦单元、X轴振镜片5、Y轴振镜片7，所述X轴振镜片5安装在X轴数字伺服电机6的转轴上，所述Y轴振镜片7安装在Y轴数字伺服电机8的转轴上，所述动态聚焦单元由移动负透镜3和聚焦镜4组成，所述移动负透镜3安装在Z轴数字伺服电机的转轴上(图中未示出)，所述PC控制系统分别与X轴数字伺服电机、Y轴数字伺服电机、Z轴数字伺服电机信号连接。

所述光纤激光器1的输出功率为100～150W、波长为1060～1090nm，所述聚焦镜4可采用一片或者两片。

所述X轴振镜片5与Y轴振镜片7的扫描角度范围为±20度。

所述扩束镜2的放大倍数为3～8倍。

所述光纤激光动态聚焦振镜扫描式点焊系统的焊接方法是：

控制光纤激光器发出一定频率的脉冲激光，光束10通过扩束镜2后进入动态聚焦单元，动态聚焦后，最小光斑直径30μm、功率密度≥10⁶W/cm²，根据焊点在工件10上平面的位置，通过Z轴数字伺服电机微调移动负透镜3与聚焦镜4之间的距离，光束10进入由X轴振镜片5和Y轴振镜片7构成的扫描振镜头内，入射到X轴振镜片5上，并被反射到Y轴振镜片7上，通过X轴振镜片5与Y轴振镜片7的相互配合，光束10在工件的一定范围内焊接任意一点。

所述光束10在工件9的一定范围内焊接任意一点，其中所述的范围是：100 x 100mm～1200 x 1200mm。

更具体地说，通过PC控制系统控制光纤激光器1发出一定频率的脉冲激光光束10，光束10首先经过放大倍数约为3～8倍的扩束镜2，近似为平行光，然后进入移动负透镜3，透过移动负透镜3，光速10快速分散，经过放大的光束10再经过聚焦镜4的聚焦，聚焦后的光束10穿过由X轴振镜片5和Y轴振镜片7构成的扫描振镜头组合内，由X轴振镜片5和Y轴振镜片7反射引导，入射到工件9焊接范围内。X轴振镜片5和Y轴振镜片7分别安装在X轴和Y轴数字伺服电机6、8的转轴上，这两个数字伺服电机6、8的转轴上还分别有与控制卡连接的X、Y两个方向的角位移传感器(图中未示出)，X轴和Y轴数字伺服电机6、8分别由两块控制卡控制；移动负透镜3和控制其行走的Z轴伺服电机被安装在步进电机(图中未示出)控制的导轨上，实现Z轴方向的移动控制，Z轴伺服电机由单独的控制卡控制；控制移动负透镜3的位置，改变移动负透镜3与聚焦镜3之间的距离，导致聚焦光斑在二维、三维空间移动。通过控制Z轴伺服电机，伺服电机带动移动负透镜3在Z轴方向行走，改变移动负透镜3和聚焦镜4之间的距离，实现扫描振镜焦距补偿，作用与后聚焦f-θ镜功能一样。而通过控制步进电机，使移动负透镜3与控制其的Z轴伺服电机一起在Z轴方向移动，大范围调整移动负透镜3和聚焦镜4之间的距离达到改变聚焦面的功能，此功能可由附图2中的PC控制实现，也可通过手动调控实现，获得200～1450mm的工作距离。即可以通过相同的扫描振镜，改变工作距离、范围和光斑大小。在扫描焊接实验中，需要评价不同焦距与光斑大小对焊接效果影响。对于小尺寸工件9，要求焊点尺寸小、精度高的情况下，选择较小的工作距离；对于大尺寸工件9，选择较大的工作距离。

光纤激光器具有低发散角，灵活的光束传输，高功率等优点。动态聚焦后，最小光斑直径30μm，功率密度≥10⁶W/cm²。焊接工艺中，需要脉冲能量达到一定值后方能满足焊接需要，Nd:YAG固体激光器光斑直径≥300μm，精密微焊接单脉冲能量一般在0.3-1.0j范围内。但光纤激光器与灯泵浦激光的固体激光器有个很大的不同，Nd:YAG固体激光器在脉冲状态下，能量是瞬间释放，即有一定的峰值功率；而用于焊接的光纤激光器没有峰值功率，只是将连续的激光通过板卡或者机械式调制为脉冲激光。光纤激光器用于精密微焊接的单脉冲能量大约在0.3-1.0j。使用功率100-150W、波长1060～1090nm的光纤激光器，板卡调制脉冲频率0-200HZ，脉冲宽度在0.1ms-15ms，当每秒焊接150-200个点时，理论上单脉冲能量在0.5-1j，满足精密焊接要求。

光纤激光振镜动态扫描焊接技术与目前Nd:YAG扫描焊接技术比较，具有以下的优势：

1、光纤激光器能够聚焦到很小的光斑直径，结合动态聚焦单元能够获得较大的焦长，能够获得较高的功率密度，满足了激光热传导焊和深熔焊接的需要。

2、由X轴振镜片5和Y轴振镜片7构成的扫描振镜头组合，提供了足够的扫描速度，达到20m/s，大大降低了非焊接时间(laser off)。

3、同一个镜片组合可获得可变工作距离、范围和焦点直径的焊接参数，拥有很大的灵活性，可以拓宽到焊接具有三维几何轮廓工件。

4、把光纤激光器、数字控制的高速扫描振镜、动态聚焦单元组合起来，构成光纤激光振镜动态聚焦扫描焊接装置，可实现PC控制的瞬间多点焊接的能量输入。

本发明中所述动态聚焦，是一种前聚焦方式。

如上所述，便可较好地实现本发明。上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1、光纤激光动态聚焦振镜扫描式点焊系统，其特征在于：其包括PC控制系统和依次光路连接的光纤激光器、扩束镜、动态聚焦单元、X轴振镜片、Y轴振镜片，所述X轴振镜片安装在X轴数字伺服电机的转轴上，所述Y轴振镜片安装在Y轴数字伺服电机的转轴上，所述动态聚焦单元由移动负透镜和聚焦镜组成，所述移动负透镜安装在Z轴数字伺服电机的转轴上，所述PC控制系统分别与X轴数字伺服电机、Y轴数字伺服电机、Z轴数字伺服电机信号连接。

2、根据权利要求1所述的光纤激光动态聚焦振镜扫描式点焊系统，其特征在于：所述光纤激光器的功率为100～150W、波长为1060～1090nm。

3、根据权利要求1所述的光纤激光动态聚焦振镜扫描式点焊系统，其特征在于：所述聚焦镜为一片或者两片。

4、根据权利要求1所述的光纤激光动态聚焦振镜扫描式点焊系统，其特征在于：所述X轴振镜片与Y轴振镜片的扫描角度范围为±20度。

5、根据权利要求1所述的光纤激光动态聚焦振镜扫描式点焊系统，其特征在于：所述扩束镜的放大倍数为3～8倍。

6、根据权利要求1所述的光纤激光动态聚焦振镜扫描式点焊系统，其特征在于：所述PC控制系统通过控制卡与光纤激光器信号连接，且所述PC控制系统还通过所述控制卡、D/A接收转换模块分别与X轴、Y轴、Z轴数字伺服电机的驱动模块连接。

7、采用权利要求1～6中任一项所述光纤激光动态聚焦振镜扫描式点焊系统的焊接方法，其特征在于，包括如下步骤：

8、根据权利要求7所述的光纤激光动态聚焦振镜扫描式点焊系统，其特征在于：所述光束在工件的一定范围内焊接任意一点，其中所述的范围是：100 x 100mm～1200 x 1200mm。