CN107052580B - 一种激光复合焊接出射装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种激光复合焊接出射装置包括激光焊接头，及分别与激光焊接头连接发射半导体激光的半导体激光器和发射光纤激光的光纤激光器；激光焊接头的光路包括：半导体光路、光纤光路及同轴监视光路，半导体光路的激光光束和光纤光路的激光光束在激光焊接头的焦点处重合为一个光束进行焊接，并通过外部的光源照亮焊接位置，焊接位置所反射的光经过同轴监视光路成像后由监视器显示。本发明解决了传统焊接气孔较多，热裂纹倾向较重、焊接飞溅较多、焊缝较大等技术问题，具有提高能量利用率、匙孔稳定，适用于高速焊接、凝固速度降低，减少气孔，降低热裂纹倾向、减少焊接飞溅、改善焊缝成型使焊接表面平滑等特点。

Description

一种激光复合焊接出射装置
【技术领域】
本发明涉及激光焊接技术领域，特别涉及一种激光复合焊接出射装置。
【背景技术】
目前，激光已被广泛应用到工业生产中，尤其是用于金属的焊接、切割、打孔、标记以及表面处理等方面。激光焊接技术正变得越来越重要，这主要得益于在生产中激光焊接具有焊接速度快、易于被光学系统引导、精度高、变形小、对工件产生较低热应力等特点。激光焊接技术正逐步取代传统的焊接技术，激光焊接技术主要应用于相同金属或不同种金属之间的焊接，由于激光属于一种特殊的光，所以焊接过程中与金属材料表面特性密切相关。如铜、铝等常见的反射率较高的材料焊接中，半导体激光焊接过程具有稳定的熔池，焊接飞溅小，能获得平缓、均匀、光滑的外观，但穿透力不足。光纤激光焊接具有较深的熔深、较窄的焊道，但焊接过程匙孔波动大，焊接过程飞溅大，焊缝均匀性一般，尤其在焊接5系铝、6系铝等含较多低熔点元素材料时，焊接外观不理想。
【发明内容】
综上所述，本发明主要的目的是使半导体激光器与光纤激光器发出的激光光束作用于同一焊接面，从而解决了传统焊接气孔较多，热裂纹倾向较重、焊接飞溅较多、焊缝较大等技术问题，而提供一种激光复合焊接出射装置。
为了解决上述技术问题，本发明提供一种激光复合焊接出射装置，所述装置包括激光焊接头，以及分别与所述激光焊接头连接用于发射半导体激光的半导体激光器和用于发射光纤激光的光纤激光器；所述激光焊接头的光路包括：用于将所述半导体激光器发射的半导体激光传输至激光焊接头焦点处聚焦的半导体光路、用于将所述光纤激光器发射的光纤激光传输至激光焊接头焦点处聚焦的光纤光路、以及实时检测焊接位置并通过监视器上的位置自定义焊接点的同轴监视光路，所述半导体光路的激光光束和光纤光路的激光光束在激光焊接头的焦点处重合为一个光束进行焊接，通过外部的光源照亮焊接位置，焊接位置所反射的光经过同轴监视光路成像后由监视器显示。
所述半导体光路包括：半导体光纤、半导体准直镜、半导体反射镜第一光纤反射镜及第一聚焦镜，所述半导体光纤连接在所述激光焊接头与半导体激光器之间，所述所述半导体准直镜安装在激光焊接头内且位于半导体反射镜和半导体光纤之间，所述半导体激光由半导体激光器发出，经半导体光纤传输至半导体准直镜整形成平行光，并分别通过所述半导体反射镜和第一光纤反射镜反射后，在所述第一聚焦镜处聚焦。
所述光纤光路包括：光纤激光器光纤、光纤准直镜、第二光纤反射镜及第二聚焦镜，所述光纤激光器光纤连接在激光焊接头与光纤激光器之间，所述光纤准直镜安装在激光焊接头内且位于光纤激光器光纤和第二光纤反射镜之间，所述光纤激光由光纤激光器发出，通过光纤激光器光纤传输至光纤准直镜整形成平行光，并由第二光纤反射镜反射后，在所述第二聚焦镜处聚焦。
所述同轴监视光路包括：外部光源、第三聚焦镜、第三光纤反射镜、第二半导体反射镜，胶合成像镜及CCD图像传感器，所述外部光源设于焊接位置的上方，其用于照亮焊接位置，光源在焊接位置处反射并分别经过第三聚焦镜、第三光纤反射镜、第二半导体反射镜及胶合成像镜后传输至CCD图像传感器，CCD图像传感器将采集到的光学信号转化为图形。
所述激光焊接头上且位于半导体光纤和半导体反射镜之间还设有用于调节半导体激光的出射位置的半导体调节机构。
所述半导体调节机构包括：用于安装半导体准直镜的准直器、用于调节半导体光纤的出射位置以改变半导体激光焦点的相对位置的第一调节机构、以及用于调节半导体激光焦点与光纤激光焦点在同一水平面上的第二调节机构，所述半导体准直镜安装在准直器内，所述准直器的一端与半导体光纤固接，准直器的另一端与第一调节机构配合转动连接，所述第二调节机构则与第一调节机构配合转动连接，当调节所述第二调节机构时，所述半导体光纤沿其轴向相对于所述半导体准直镜移动。
所述半导体激光为辅助激光，所述光纤激光为焊接激光，所述半导体激光可以通过所述调节机构调节半导体激光的出射位置，从而改变半导体激光焦点相对于光纤激光焦点的位置，从而实现复合焊接的焊前处理、焊后处理及耦合焊接。
所述焊前处理通过调节第一调节机构使半导体激光位于光纤激光之前，此时，半导体激光可对被焊接物体或焊丝进行预热。
所述焊后处理通过调节第一调节机构使光纤激光位于半导体激光之前，此时，光纤激光用于对被焊接物体进行深熔焊接，半导体激光则可对被焊接物体进行预热。
所述耦合焊接通过调节第一调节机构使半导体激光与光纤激光聚焦在同一点，此时半导体激光与光纤激光复合而成复合激光，可对被焊接物体预热的同时进行焊接。
采用上述技术方案，与现有技术相比，本发明所产生的有益效果在于：结合传统半导体激光器及光纤激光器焊接时的工艺特性，并充分利用两者在焊接时的优点，使两者通过一个聚焦头聚焦到同一点进行焊接。在焊接过程中，半导体激光主要用于预热，稳定熔池，获得平滑焊接外观；光纤激光用于获得工艺要求的焊接深度。本发明还具有提高能量利用率、匙孔稳定，适用于高速焊接、凝固速度降低，减少气孔，降低热裂纹倾向、减少焊接飞溅、改善焊缝成型使焊接表面平滑等特点。
【附图说明】
图1是本发明的实施例1的结构剖视图；
图2是本发明的实施例1的光路示意图；
图3是本发明的实施例2的结构剖视图；
图4是本发明的实施例2的光路示意图；
图5是本发明的调节机构的结构示意图；
图6是本发明的调节机构的结构剖视图；
图7是本发明的焊前处理的应用示意图；
图8是本发明的焊后处理的应用示意图；
图9是本发明的耦合焊接的应用示意图。
【具体实施方式】
下列实施例是对本发明的进一步解释和补充，对本发明不会构成任何限制。
实施例1：
如图1～9所示，本发明的激光复合焊接出射装置包括激光焊接头1，半导体激光器（图中未示），光纤激光器（图中未示）。所述半导体激光器和光纤激光器分别与激光焊接头1连接，所述半导体激光器用于发射半导体激光至激光焊接头中，所述光纤激光器用于发射光纤激光至激光焊接头中。如图1，图2所示在本实施例中，所述激光焊接头1的光路包括：半导体光路2，光纤光路3及同轴监视光路4。所述半导体光路2的激光光束和光纤光路3的激光光束在激光焊接头的焦点处聚焦，并复合为一个光束进行焊接，并通过外部的光源照亮焊接位置，焊接位置所反射的光经过同轴监视光路4成像后由监视器显示。
如图1，图2所示，所述半导体光路2用于将所述半导体激光器发射的半导体激光传输至激光焊接头焦点处聚焦，具体地，所述半导体光路2包括：半导体光纤21、半导体准直镜22、半导体反射镜23第一光纤反射镜24及第一聚焦镜25，所述半导体光纤21连接在所述激光焊接头1与半导体激光器之间，所述所述半导体准直镜22安装在激光焊接头1内且位于半导体反射镜23和半导体光纤21之间，所述半导体准直镜用于将半导体激光准直，使准直后的激光束形成一束平行光。所述第一光纤反射镜24 用于反射和改变半导体激光的传输方向。所述第一聚焦镜25用于将半导体激光聚焦在第一聚焦镜25的焦点处。所述半导体激光由半导体激光器发出，经半导体光纤21传输至半导体准直镜22整形成平行光，并分别通过所述半导体反射镜23和第一光纤反射镜24反射后，在所述第一聚焦镜25处聚焦。
如图1，图2所示，所述光纤光路3用于将所述光纤激光器发射的光纤激光传输至激光焊接头焦点处聚焦，具体地，所述光纤光路3包括：光纤激光器光纤31、光纤准直镜32、第二光纤反射镜33及第二聚焦镜34，所述光纤激光器光纤31连接在激光焊接头1与光纤激光器之间，所述光纤准直镜32安装在激光焊接头1内且位于光纤激光器光纤31和第二光纤反射镜33之间，所述光纤准直镜32用于将光纤激光准直，使准直后的激光束形成一束平行光。第二光纤反射镜33用于通过光纤激光激光反射以及改变光纤激光的传输方向，所述光纤激光由光纤激光器发出，通过光纤激光器光纤31传输至光纤准直镜32整形成平行光，并由第二光纤反射镜33反射后，在所述第二聚焦镜34处聚焦。
如图1，图2所示，所述同轴监视光路4用于实时检测焊接位置并通过监视器上的位置自定义焊接点，具体地，所述同轴监视光路4包括：外部光源、第三聚焦镜41、第三光纤反射镜42、第二半导体反射镜43，胶合成像镜44及CCD图像传感器45，所述外部光源设于焊接位置的上方，其用于照亮焊接位置，光源在焊接位置处反射并分别经过第三聚焦镜41、第三光纤反射镜42、第二半导体反射镜43及胶合成像镜44后传输至CCD图像传感器45，CCD图像传感器45将采集到的光学信号转化为图形显示。同轴监视光路的优势在于：在配合自动化设备焊接时，可以实时检测焊接位置。由于同轴监视具有随动的特性，可以利用监视器上固定位置来定义焊接点。此外，同轴监视可以最小化出射头体积，相较旁轴监视而言，结构简单，安装方便。
如图5，图6所示，进一步地，所述激光焊接头1上且位于半导体光纤21和半导体反射镜24之间还设有用于调节半导体激光的出射位置的半导体调节机构5。
如图5，图6所示，所述半导体调节机构5包括：用于安装半导体准直镜的准直器51、用于调节半导体光纤的出射位置以改变半导体激光焦点的相对位置的第一调节机构52、以及用于调节半导体激光焦点与光纤激光焦点使其在同一水平面上的第二调节机构53，所述半导体准直镜22安装在准直器51内，用于使准直后的激光束形成一束平行光。所述准直器51的一端与半导体光纤21固接，准直器51的另一端与第一调节机构52配合转动连接，所述第二调节机构53则与第一调节机构52配合转动连接，当调节所述第二调节机构52时，所述半导体光纤21沿其轴向相对于所述半导体准直镜22处移动。
如图7～9所示，所述半导体激光为辅助激光，所述光纤激光为焊接激光，通过调节所述调节机构半导体激光的出射位置，从而改变半导体激光焦点相对于光纤激光焦点的位置，从而实现复合焊接的焊前处理、焊后处理及耦合焊接。
如图7所示，进一步地，所述焊前处理通过调节第一调节机构52使半导体激光位于光纤激光之前，此时，半导体激光可对被焊接物体或焊丝进行预热。光斑大小，能量密度及光斑距离可调。通过此焊前处理方式可以提高能量利用率，并可以用于带图层金属的表面处理或涂层蒸发。
如图8所示，进一步地，所述焊后处理通过调节第一调节机构52使光纤激光位于半导体激光之前，此时，光纤激光用于对被焊接物体进行深熔焊接，半导体激光则可对被焊接物体进行预热。通过此焊后处理方式可改善焊缝成型，焊接裂纹敏感性材料，如高碳钢，合金钢等，可提高焊缝韧性，降低焊缝硬度，抑制凝固裂纹。
如图9所示，进一步地，所述耦合焊接通过调节第一调节机构52使半导体激光与光纤激光聚焦在同一点，此时半导体激光与光纤激光复合成为复合激光，可对被焊接物体预热的同时进行焊接。通过此耦合焊接方式，复合光束在熔池中产生一个共同的匙孔，匙孔开口变大，不易闭合，焊接过程中更加稳定，使气体更易排出。复合光束在一定程度上在焊前焊后均进行了处理，能有效提高能量利用率以及改善焊缝成形，提高焊接过程的可靠性及稳定性提高对错边、间隙的影响，提高能量利用率，降低气孔率，减少焊接飞溅。
实施例2
如图3，图4所示，本实施例的基本结构、功能及光路组成同实施例1，不同点仅在于激光头上各元件的摆放位置不同，在此不再具体阐述实施例2的基本结构。
尽管通过以上实施例对本发明进行了揭示，但是本发明的范围并不局限于此，在不偏离本发明构思的条件下，以上各构件可用所属技术领域人员了解的相似或等同元件来替换。

Claims (4)

1.一种激光复合焊接出射装置，其特征在于，所述装置包括激光焊接头（1），以及分别与所述激光焊接头（1）连接用于发射半导体激光的半导体激光器和用于发射光纤激光的光纤激光器；所述激光焊接头（1）的光路包括：用于将所述半导体激光器发射的半导体激光传输至激光焊接头焦点处聚焦的半导体光路（2）、用于将所述光纤激光器发射的光纤激光传输至激光焊接头焦点处聚焦的光纤光路（3）、以及实时检测焊接位置并通过监视器上的位置自定义焊接点的同轴监视光路（4），所述半导体光路（2）的激光光束和光纤光路（3）的激光光束在激光焊接头的焦点处能够重合为一个光束对补焊物体进行焊接，并通过外部的光源照亮焊接位置，该焊接位置所反射的光经过同轴监视光路（4）成像后由监视器显示，所述激光焊接头（1）上且位于半导体光纤（21）和半导体反射镜（23）之间还设有用于调节半导体激光的出射位置的半导体调节机构（5），所述半导体激光为辅助激光，所述光纤激光为焊接激光，所述半导体调节机构（5）用于调节半导体激光的出射位置，以改变半导体激光焦点相对于光纤激光焦点的位置，从而实现复合焊接的焊前处理、焊后处理及耦合焊接，所述半导体调节机构（5）包括：准直器（51）、第一调节机构（52）及第二调节机构（53），所述准直器（51）的一端与半导体光纤（21）固接，所述准直器（51）的另一端与所述第一调节机构（52）配合转动连接，所述第二调节机构（53）则与所述第一调节机构（52）配合转动连接；
所述准直器（51）用于安装半导体准直镜、所述第一调节机构（52）用于调节半导体激光出射位置以改变半导体激光焦点的相对位置、所述第二调节机构（53）用于调节半导体激光焦点使其与光纤激光焦点在同一水平面上，所述半导体准直镜（22）安装在准直器（51）内，当调节所述第二调节机构（53）时，所述半导体光纤（21）沿其轴向相对于所述半导体准直镜（22）处移动；
所述焊前处理通过调节第一调节机构（52）使半导体激光位于光纤激光之前，此时，半导体激光可对被焊接物体或焊丝进行预热；
所述焊后处理通过调节第一调节机构（52）使光纤激光位于半导体激光之前；
所述耦合焊接通过调节第一调节机构（52）使半导体激光与光纤激光聚焦在同一点。
2.根据权利要求1所述的激光复合焊接出射装置，其特征在于，所述半导体光路（2）包括：半导体光纤（21）、半导体准直镜（22）、半导体反射镜、光纤反射镜及聚焦镜，所述半导体光纤（21）连接在所述激光焊接头（1）与半导体激光器之间，所述半导体准直镜（22）安装在激光焊接头（1）内且位于半导体反射镜和半导体光纤（21）之间，所述半导体激光由半导体激光器发出，经半导体光纤（21）传输至半导体准直镜（22）整形成平行光，并分别通过所述半导体反射镜（23）和光纤反射镜后，在所述聚焦镜处聚焦。
3.根据权利要求1所述的激光复合焊接出射装置，其特征在于，所述光纤光路（3）包括：光纤激光器光纤（31）、光纤准直镜（32）、光纤反射镜及聚焦镜，所述光纤激光器光纤（31）连接在激光焊接头（1）与光纤激光器之间，所述光纤准直镜（32）安装在激光焊接头（1）内且位于光纤激光器光纤（31）和光纤反射镜之间，所述光纤激光由光纤激光器发出，通过光纤激光器光纤（31）传输至光纤准直镜（32）整形成平行光，并由光纤反射镜反射后，在所述聚焦镜处聚焦。
4.根据权利要求1所述的激光复合焊接出射装置，其特征在于，所述同轴监视光路（4）包括：外部光源、聚焦镜、光纤反射镜、半导体反射镜，胶合成像镜（44）及CCD图像传感器（45），所述外部光源设于焊接位置的上方，其用于照亮焊接位置，光源在焊接位置处反射并分别经过聚焦镜、光纤反射镜、半导体反射镜及胶合成像镜（44）后传输至CCD图像传感器（45），CCD图像传感器（45）将采集到的光学信号转化为图形显示。
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