CN105945424A - 一种用于窄间隙焊接的半导体激光光源 - Google Patents

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Abstract

本发明提出了一种窄间隙焊接的方法以及用于窄间隙焊接的半导体激光光源，所述半导体激光光源包括半导体激光器和准直镜组；激光光束经准直镜组整形后，快轴发散角<5度，慢轴发散角在5~60度之间，使得激光光束近似刀片状，在快轴方向上可接近光束质量的极限，非常适合应用于窄间隙焊接。和现有的窄间隙激光焊接方案相比，本发明的方案具有更低的成本，在实际应用中有更高的推广价值。

Description

一种用于窄间隙焊接的半导体激光光源
技术领域
本发明属于激光加工技术领域，涉及一种半导体激光光源，尤其是一种用于窄间隙焊接的半导体激光光源。
背景技术
随着工业科技的飞速发展，厚板焊接在重型机械，船舶，能源，铁路等领域应用越来越广泛。厚板焊接的板厚范围很大，从20mm至250mm都有诸多的应用，目前对厚板焊接的焊接质量和焊接效率的要求越来越高。窄间隙焊接以其坡口窄、焊材消耗量少、焊接效率高、变形和残余应力低、接头具有较高的强度和冲击性能的优势，已经成为现代工业生产中厚板结构焊接的首选技术，其技术和经济优势决定了它是今后厚板焊接技术发展的主要方向之一。
窄间隙激光焊接以其热输入小、焊接变形小等优势，在窄间隙焊接领域逐步受到重视。但是激光焊接的熔宽有限，当间隙宽度较大时，会出现侧壁未融合缺陷，限制的激光焊接的焊接厚度。
针对上述问题，中国专利CN102059452B提出了三光束激光窄间隙焊接方法，美国专利US5155323提出了双光束激光焊接方法，均可降低侧壁的焊接缺陷。然而这些方法均采用界面为圆形和椭圆形的激光光束完成聚焦后应用于窄间隙焊接，光束呈三维锥体形状。一方面，由于窄间隙焊接的深宽比很大，如果焊接很深很窄的焊缝，对应激光的瑞利长度要很大，这样激光光束的出口直径就会很小，出口镜片的功率密度增大，并且出口距离焊缝的距离也相应增大，对应的激光器光束质量要求极高，最终设备的成本较高；另一方面目前普遍使用固体激光器、CO2激光器以及光纤激光器作为激光光源，这些光源的焊接效率有待提高，并且成本较高。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提出了一种窄间隙焊接的方法，以及用于窄间隙焊接的半导体激光光源，可以提供一种近似刀片状的激光光束，在快轴方向上可接近光束质量的极限，非常适合应用于窄间隙焊接。
一种窄间隙焊接的方法为：将准直后的半导体激光光源作为焊接光源进行窄间隙焊接，其中，激光的快轴发散角<5度，且慢轴发散角在5~60度之间，使得激光光束呈片状完整进入待焊接的窄间隙区域中。
一种用于窄间隙焊接的半导体激光光源，包括半导体激光器，准直镜组；所述半导体激光器用于发射激光光束；所述准直镜组，设置于半导体激光器的出光方向，用于压缩出射激光的发散角，使得上述激光的快轴发散角<5度，且慢轴发散角在5~60度之间，使得激光光束呈片状且完整进入待焊接的窄间隙区域中。
所述半导体激光器为单巴半导体激光器，或者多个单巴半导体激光器沿其快轴方向堆叠而成，用于发出多条相互平行的激光光束。
上述方案可以进一步优化：所述用于窄间隙焊接的半导体激光光源还包括合束镜组，为与单巴半导体激光器个数相等的光学装置，设置于半导体激光器的出光方向上，用于将多个单巴半导体激光器准直后的多束激光光束合束为一束激光。
所述光学装置为全反射镜、半透半反透镜以及偏振片中一种或者多种的组合。
所述光学装置与驱动部件连接，使得光学装置在激光的出射方向产生同向或者反向的位移。
所述驱动部件为电机，或者手动驱动装置。
所述准直镜组包括快轴准直镜和/或慢轴准直镜。
所述用于窄间隙焊接的半导体激光光源还包括会聚装置，用于将准直后的激光光束进行二次会聚，使得片状光束会聚为能量密度高的光斑。会聚装置具体为聚焦透镜，比如凸透镜。
本发明具有以下优势：
1）半导体激光器快慢轴的光束质量不等，慢轴发散角大，但是在快轴方向上可接近光束质量的极限，最终的工作光斑近似矩形，在快轴方向上呈现类高斯的分布，在慢轴方向上呈现类平顶的分布，与其他激光器相比，在窄间隙焊接中具有更高的焊接效率和焊接效果，此外，本发明所采用的光学整形方案相比现有方案，具有更低的成本，在实际应用中有更高的推广价值。
2）本发明中的合束镜组的位置可以发生平动，从而改变输出光束的宽度与能量分布，可以实现激光头不动的摆动焊接，同时可以实现侧壁焊接的高能量分布需求，具有更高的可靠性和应用范围。
附图说明
图1-1为本发明半导体激光光源一个实施例的快轴光路原理图。
图1-2 为本发明半导体激光光源一个实施例的慢轴光路原理图。
图2 为多个半导体激光器联合使用的实施例的示意图。
图3为合束镜组中的光学装置的位移实施例一。
图4为合束镜组中的光学装置的位移实施例二。
附图标号说明：1-半导体激光器，2-快轴准直镜，3-慢轴准直镜，4-合束镜组，5-会聚装置，6-能量分布图，7-厚板工件。
具体实施方式
本发明提供了一种用于窄间隙焊接的半导体激光光源，包括半导体激光器和准直镜组。图1-1和图1-2为基于本发明的实施例，其半导体激光器1为多个单巴半导体激光器沿其快轴方向堆叠而成的半导体激光器叠阵，准直镜组包括快轴准直镜2和慢轴准直镜3，准直后的激光光束快轴方向的发散角度<5度，同时慢轴方向的发散角在5~60度之间，并通过合束镜组4合束使得激光光束近似为刀片状。光束可直插入窄间隙底部并聚焦形成类矩形光斑，以较高的效率及焊接质量完成窄间隙焊接。
图1-1为上述半导体激光光源在快轴方向的光路，半导体激光器1发出的多束平行激光光束经快轴准直镜2、慢轴准直镜3准直后，由合束镜组4合束为1束激光光束。合束镜组包括与单巴半导体激光器个数相等的光学装置，设置于半导体激光器的出光方向上，最终得到的激光在快轴上的能量分布为高斯分布。
在实际工程应用中，合束一般采用多波长耦合、偏振耦合的合束方式；对应的光学装置为全反射镜、偏振装置、半透半反透镜等。图1-1中，光学装置分别设置于对应的单巴半导体激光器的出光方向上，且与激光光束呈45度，通过透射、反射结合的方式将多个单巴半导体激光器的激光光束合为1束。一般来说，光学装置a为全反射镜，光学装置b为半透半反透镜或者对波长选择透过的透镜。
图1-2上述半导体激光光源在慢轴方向的光路，慢轴光路中由于准直镜组和合束镜组不易用二维视图表达，故省略了该结构。激光光束在慢轴方向最终得到的光斑能量分布为平顶分布。
为了提高输出功率，本发明可以进一步优化为采用多个半导体激光器的联合使用。图2为3组半导体激光器的联合使用的实施例，3组半导体激光器沿其慢轴方向依次排列，以获得在慢轴方向较大宽度的刀片状光束，该光束可以完整的进入窄间隙焊缝内。此外，本实施例增加会聚装置5，将3组半导体激光器的激光光束最终会聚为高功率密度的点光斑，提高了焊接效率。
为了进一步优化窄间隙焊接侧壁未熔合的缺陷，本发明提出沿激光出光方向平移合束镜组的方法，可以控制窄间隙侧壁的能量分布，从而确保焊接质量。
图3为合束镜组中的光学装置的位移实施例一，沿激光的出光方向，部分平移合束镜组中的光学装置（图3中的双箭头为光学装置可移动的方向），可以增大熔池尺寸。比如将光学装置c沿激光出射方向移动，同时将光学装置d向光学装置c位移方向的反向进行移动。
图4为合束镜组中的光学装置的位移实施例二，沿激光的出光方向，将合束镜组作为一个整体进行平移，可根据焊缝宽度进行调节，图4中标示了三个合束镜组4的平移参考位置，合束镜组4可以按照双箭头标示方向移动至图4的虚线位置，实现激光头不动的摆动焊接，同时可以实现侧壁焊接的高能量分布需求。
上述合束镜组的光学装置与外接驱动装置连接，以实现平移运动，外接驱动装置可以为电机，也可以手动驱动。

Claims (10)

1.一种用于窄间隙焊接的半导体激光光源，其特征在于：包括半导体激光器，准直镜组；
所述半导体激光器用于发射激光光束；
所述准直镜组，设置于半导体激光器的出光方向，用于压缩出射激光的发散角，使得上述激光的快轴发散角<5度，且慢轴发散角在5~60度之间，使得激光光束呈片状且完整进入待焊接的窄间隙区域中。
2.根据权利要求1所述的一种用于窄间隙焊接的半导体激光光源，其特征在于：所述半导体激光器为单巴半导体激光器，或者多个单巴半导体激光器沿其快轴方向堆叠而成。
3.根据权利要求2所述的一种用于窄间隙焊接的半导体激光光源，其特征在于：还包括合束镜组，合束镜组为与单巴半导体激光器个数相等的光学装置，设置于半导体激光器的出光方向上，用于将多个单巴半导体激光器准直后的多束激光光束合束为一束激光。
4.根据权利要求3所述的一种用于窄间隙焊接的半导体激光光源，其特征在于：所述光学装置为全反射镜、半透半反透镜以及偏振片中一种或者多种的组合。
5.根据权利要求3所述的一种用于窄间隙焊接的半导体激光光源，其特征在于：所述光学装置与驱动部件连接，使得光学装置在激光的出射方向产生同向或者反向的位移。
6.根据权利要求5所述的一种用于窄间隙焊接的半导体激光光源，其特征在于：所述驱动部件为电机，或者手动驱动装置。
7.根据权利要求1所述的一种用于窄间隙焊接的半导体激光光源，其特征在于：所述准直镜组包括快轴准直镜和/或慢轴准直镜。
8.根据权利要求1所述的一种用于窄间隙焊接的半导体激光光源，其特征在于：还包括会聚装置，用于将准直后的激光光束进行二次会聚。
9.根据权利要求1所述的一种用于窄间隙焊接的半导体激光光源，其特征在于：所述半导体激光器用于窄间隙焊接的应用。
10.一种窄间隙焊接的方法，其特征在于：将准直后的半导体激光光源作为焊接光源进行窄间隙焊接，其中，激光的快轴发散角<5度，且慢轴发散角在5~60度之间，使得激光光束呈片状完整进入待焊接的窄间隙区域中。
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