CN107971631A - 一种短波长高效稳定的高反金属的激光焊接系统 - Google Patents
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Abstract
本发明属于一套激光焊接系统，尤其涉及一种短波长高效稳定的高反金属的激光焊接系统，依次设有激光器、多棱镜、光衰减装置、激光传输镜组、光束整形镜组与激光聚焦透镜组，还包括激光收集器，光衰减装置包括二分之一波片与偏振分束立方，多棱镜通过高速马达旋转，激光器发出的激光照射在多棱镜上形成扫描激光束。相对于现有的激光焊接设备(主要用到红外波段，少数用到绿光)，一方面，本发明在短波长范围(100nm‑400nm)时，激光吸收率高，激光能量利用率高，焊接效率高，能耗低；另外一方面，多棱镜与各组分光路中的光衰减装置的结合使用，各组分光路均可用于(不同)焊件的焊接，提高设备使用效率和焊接质量。
Description
技术领域
本发明属于一套激光焊接系统，尤其涉及一种短波长高效稳定的高反金属的激光焊接系统。
背景技术
激光是20世纪以来，人类的又一重大发明，它是由美国科学家C.H.Townes 和T.H.Maiman等在1960年发明出来的。激光是辐射的受激发射光放大的简称，是一种电磁波，是通过人工增幅产生的其产生的基本条件包括泵浦源激光介质和谐振腔等，激光具有高的单色性方向性相干性和亮度性，激光是一种新型热源。
激光焊接是激光加工技术应用的重要方面之一，更是21世纪最受瞩目最有发展前景的焊接技术与传统焊接方法对比，激光焊接具有很多优势，实践证明，激光焊接应用范围越来越广泛，基本上传统焊接工艺可以使用的领域，激光焊接都能胜任，且焊接质量更高，效率更快随着新的激光焊接技术和设备的研发，激光焊接正在逐渐取代传统的焊接技术。自20世纪70年代以来，已广泛应用于工业的各个领域。
激光焊接属于熔融焊，以激光束作为焊接热源，其焊接原理是：通过特定的方法激励活性介质，使其在谐振腔中往返振荡，进而转化成受激辐射光束，当光束与工件相互接触时，其能量则被工件吸收，当温度高达材料的熔点时即可进行焊接。按焊接熔池形成的机理划分，激光焊接有两种基本的焊接。
焊接机理：热传导焊接和深熔(小孔)焊接，热传导焊接时产生的热量通过热传递扩散至工件内部，使焊缝表面熔化，基本不产生汽化现象，常用于低速薄壁构件的焊接深熔焊使材料汽化，形成大量等离子体，由于热量较大，熔池前端会出现小孔现象深熔焊能彻底焊透工件，且输入能量大焊接速度快，是目前使用最广泛的激光焊接模式。
焊接技术在我国的传统制造业及精密微加工业中起到了重要作用，但随着科技进步，传统焊接已不能满足越来越高的技术要求和条件限制。激光焊接是一种新兴的焊接工艺，它相对各种传统焊接最大的优势就是热影响范围小、变形小、焊缝外观质量好。随着激光的发展，激光焊接技术日益趋于成熟。激光焊接生产效率高，加工质量稳定可靠，经济效益和社会效益良好。然而，在实际焊接生产过程中，也会遇到各样的问题。
一方面，当焊接件数量巨大，需要单件依次焊接，激光的焊接效率低；另一方面，在传统激光焊接高反射率的金属时，当在红外波段高强度的激光束射入高反金属的表面时，会反射大于50％的激光能量，降低了能量利用率，提高了的焊接难度，同时需要额外的辅助设施用于防护反射的光束。传统激光焊接主要使用1064nm波长的激光器，在焊接时大部分激光被反射，对激光的吸收率低，具体地，高反金属(如铜)在红外波段(例如1064nm和10.6μm)时，激光吸收率极低(如铜在1064nm的吸收率低于10％)，导致激光能量的浪费，造成激光焊接效率低，激光焊接质量不理想。
因此，设计一种在短波段时，高反金属的激光焊接系统来提高激光的焊接效率是一个迫在眉睫的任务。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术在红外波段(例如1064nm和10.6μm)时，高反金属对激光焊接效率低的缺陷，提供一种短波长高效稳定的高反金属的激光焊接系统。
一种短波长高效稳定的高反金属的激光焊接系统，依次设有激光器、多棱镜与若干组分光路；
所述分光路依次包括光衰减装置、激光传输镜组、光束整形镜组、激光聚焦透镜组，与激光收集器，所述光衰减装置包括依次设置的二分之一波片与偏振分束立方，扫描激光束通过偏振分束立方分成两束激光，其中一束激光反射进入激光收集器，另外一束激光透射进入激光传输镜组；
所述多棱镜通过高速马达旋转，所述多棱镜的边数大于3；
所述激光器发出的激光照射在所述多棱镜上形成扫描激光束，扫描激光束分别进入若干组分光路。
所述多棱镜具有若干平面，可以高效、高精度分光。与反射镜相比，采用多棱镜进行分光，只需要多棱镜按照顺时针或逆时针旋转，不需要改变旋转方向。由于多棱镜的单方向高速旋转，能够有效避免在改变旋转方向或速度造成的分光速度下降，使得这种分光方式分光精度更高，分光速度更快，分光效率更高。
光衰减装置可以改变各组分光路的激光功率，可以不需要通过激光器的内部控制(如控制电流或电压)改变激光功率。内部控制还会影响激光的性能参数。另外，在激光器通过内部控制改变激光功率时，当激光输出功率低于满功率的百分之五时，激光输出能量不稳定。但是使用本发明的光衰减装置后可以得到稳定的低输出功率，由此激光输出能量较稳定，焊接质量好；有效提高了整体系统的工作稳定性，降低激光器损耗，且使激光器能够同时服务于多个要求不同的焊接件，实现高速加工。
零级半波片可以改变激光的偏振态，经过偏振分束立方的激光束会被分成两个方向激光束，其中一个方向的激光束会透射，而另一个方向的激光束会反射。
零级半波片与偏振分束立方的配合使用，可以调节对各组分光路的激光器输出能量，对激光器输出的能量使反射光与透射光的分光比从1:99到99:1连续变化。
激光传输镜组，不仅可以传递激光束也改变光束的传播方向的作用，但是对激光束性能无影响。激光传输镜组的主要构件为全反射镜。
光束整形镜组起到对激光束扩束、准直、调节形状和能量分布的作用。
激光收集器用于消耗吸收偏振分束立方反射出来的激光束。
优选地，所述激光器产生的激光波长为100nm～400nm。
优选地，所述激光器产生的激光波长为100nm～200nm时，激光器、多棱镜与若干组分光路放置在惰性气体中。
优选地，所述在焊接激光时工艺参数为：脉宽范围是10ns-30ms，脉冲重复频率1Hz-1000kHz。
优选地，所述激光焊接对象包括焊件一与焊件二，焊件一是高反金属。
优选地，所述高反金属是铜、金、银、锡、铁、铂或钯。
优选地，所述二分之一波片为零级半波片。零级半波片是由两个多级波片胶合在一起，实现λ/2的光程变化。通过将其中一片波片的快轴与另一片的慢轴对准，构成一个组合延迟片，延迟效果为两个波片延迟之差。这种组合式的零级波片与多级波片相比，对温度和波长的依赖性更低。
优选地，所述偏振分束立方上镀有介质分束膜。
优选地，所述激光聚焦透镜组为焦距大于100mm的激光聚焦透镜组。长焦距的聚焦透镜得到的聚焦光斑更小。在激光能量一定时，较小的光斑可得到较大的功率密度。功率密度直接影响表面材料的温升时间，功率密度越大，温度升得越快。
本发明的有益效果：(1)当焊接件数量巨大，不需要单件依次焊接，在本发明中，各组分光路均可用于(不同)焊件的焊接，大大提高焊接效率，提高设备使用效率和焊接质量；具体地，激光器发出的激光照射在旋转的多棱镜上形成多条扫描激光束，激光束进入光衰减装置，通过旋转二分之一波片改变偏振立方分束的比列，最终得到所需的输出功率，根据不同的焊件设置各组分光路输出功率，可不需要激光器的内部调节，可依次对各组分光路进行焊接，焊接快速，大大提高焊接效率，最终激光输出能量较稳定，激光吸收率高，焊接质量好；(2)本发明在短波长(100nm～400nm)时，利用本发明的激光焊接系统，高反金属对激光反射率低，激光吸收率好，在焊接部位可以得到预期的熔深，满足焊接要求，有效提高激光的能量利用率和焊接效率的同时降低能耗；(3)本发明可以解决目前红外激光对于高反金属焊接时，在低功率时熔深无法满足要求，而在高功率时会导致激光击穿高反金属的问题；(4)本发明的整个系统运行良好，功能稳定，使用方便。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图2是本发明的激光焊接系统对铝、铜、铁与铂的吸收率曲线图；
图3是本发明的激光焊接系统对高反金属的反射率曲线图。
1、激光器；2、多棱镜；3、高速马达；4、二分之一波片；5、激光收集器； 6、偏振分束立方；7、激光传输镜组；8、光束整形镜组；9、激光聚焦透镜组； 10、焊件一；11、焊件二。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步的说明。
实施例1
本发明激光焊接系统的结构示意图如图1所示，一种高反金属的激光焊接系统，依次设有激光器1、多棱镜2和若干组分光路；分光路依次包括光衰减装置、激光传输镜组7、光束整形镜组8与激光聚焦透镜组9，还包括激光收集器5，光衰减装置包括依次设置的二分之一波片4与偏振分束立方6，多棱镜2通过高速马达3旋转；激光器1发出的激光照射在转动的多棱镜2上形成扫描激光束，扫描激光束可以进入若干组分光路，最终实现对焊件一10与焊件二11的焊接。
在本实施例中，选用40W的激光器1，波长为355nm，该40W的激光器功率输出功率是2W-36W，共有3组分光路即从上到下依次为第一组分光路、第二组分光路与第三组分光路。第一组分光路、第二组分光路与第三组分光路均对焊件一10和焊件二11进行焊接，第一组分光路中焊件一厚度是800μm的铜板，第二组分光路中焊件一厚度是500μm的铜板，第三组分光路中焊件一厚度是 100um的铜板，第一组分光路、第二组分光路与第三组分光路中焊件二厚度均是 300um的不锈钢薄板。
焊接激光工艺参数为：脉宽范围是10ns，脉冲重复频率100Hz。第一组分光路输出功率是20W，第二组分光路输出功率是10W，第三组分光路输出功率是 1.5W。先调节激光器至30W功率，然后通过旋转零级半波片件改变偏振立方分束的比列，调节上述三组分光路的激光器输出能量，使三组分光路输出功率分别是20W、10W、1.5W。
多棱镜2将激光器1发出的激光分光成多条扫描激光束，多条扫描激光束可以进入三组分光路。
以扫描激光束进入第一组分光路为例，扫描激光束首先进入零级半波片，然后通过偏振分束立方6分成两束激光，其中一束激光反射进入激光收集器5被消耗吸收掉，另外一束激光透射进入激光传输镜组7。透射的激光经激光传输镜组 7传递到光束整形镜组8，光束整形镜组8对激光束的扩束与准直后经过焦距是 110mm的激光聚焦透镜组9，得到质量较好的、直径是70μm的聚焦光斑。间隔 0.1s扫描激光束进入第二组分光路(焊接过程与第一组分光路相同)，最终得到直径是70μm的聚焦光斑。间隔0.1s扫描激光束进入第三组分光路(焊接过程与第二组分光路相同)，得到直径是70μm的聚焦光斑，最终实现焊件一与焊件二的焊接。此时激光的光斑较小，激光有较大的功率密度，功率密度越大，温度升得越快，焊件对激光吸收率越高，焊接质量较好。焊接结果表明：该三组光路的能量输出稳定，且使用本发明的激光焊接系统，铜在波长355nm激光吸收率较高(>60％)，焊接质量较好。
在本实施例中，第一组分光路、第二组分光路与第三组分光路均对焊件一10和焊件二11进行焊接，通过旋转零级半波片件改变偏振立方分束的比列，调节对每一分光路的激光器输出能量，得三组分光路所需的输出功率。在实际应用时，根据实际需要进行操作，各组分光路均可用于(不同)焊件的焊接，有效提高焊接效率，最后激光输出能量较稳定，激光吸收率高，焊接质量好。
实施例2
本实施例与实施例1基本相同，不同之处在于：在激光波长为400nm时，在焊接激光时工艺参数为：脉宽范围是10ms，脉冲重复频率10Hz，最终各组分光路得到直径是120μm的聚焦光斑，最终实现焊件一与焊件二的焊接。
实施例3
本实施例与实施例1基本相同，不同之处在于：在激光波长为100nm时，激光器1、多棱镜2与若干组分光路放置在惰性气体(如Ar气)中，在焊接激光时工艺参数为：脉宽范围是30ns，脉冲重复频率200kHz，得到直径是100μm 的聚焦光斑，最终实现焊件一与焊件二的焊接。
实施例4
本实施例与实施例1基本相同，不同之处在于：在激光波长为200nm时，激光器1、多棱镜2与若干组分光路放置在惰性气体(如Ar气)中，在焊接激光时工艺参数为：脉宽范围是2ns，脉冲重复频率1000kHz，得到直径是90μm 的聚焦光斑，最终实现焊件一与焊件二的焊接。
图2是采用本发明的激光焊接系统对铝、铜、铁与铂吸收率曲线图。从图2 可以看出，在波长为100nm～400nm时，铝、铜、铁与铂的吸收率较高，对激光反射率低，焊接质量较好，焊接效率高。但是，随着波长的增加，铝、铜、铁与铂吸收率越来越小，呈现出明显递减趋势。
图3是本发明的激光焊接系统对高反金属的反射率曲线图。在图3中高反金属是铝、银、金、铜、铑、铂、镍。从图3可以看出，在0.2μm～0.4μm时，银、铜、镍的反射率整体呈下降趋势；相应地，在0.2μm～0.4μm时，银、铜、镍的激光吸收率整体呈上升趋势，激光焊接效率高。在0.2～5μm时，金、铑、铂虽然整体呈上升趋势，但是在0.2μm～0.4μm时的金、铑、铂反射率比在0.4μm ～5μm时的金、铑、铂反射率低，相应地，在0.2μm～0.4μm时金、铑、铂的激光吸收率比在0.4μm～5μm时的金、铑、铂激光吸收率高。因此，在短波长(0.2μm ～0.4μm)时，利用本发明的激光焊接系统，高反金属(银、铜、镍、金、铑、铂) 对激光反射率低，激光吸收率好，在焊接部位可以得到预期的熔深，满足焊接要求，有效提高激光的能量利用率和焊接效率的同时降低能耗。
以上仅是本发明的部分实施例而已，并非对本发明做任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对上述实施例作的任何简单的修改，等同变化与修饰，均属于本发明技术方案范围内。
Claims (9)
1.一种短波长高效稳定的高反金属的激光焊接系统，其特征在于：依次设有激光器(1)、多棱镜(2)与若干组分光路；
所述分光路依次包括光衰减装置、激光传输镜组(7)、光束整形镜组(8)、激光聚焦透镜组(9)，与激光收集器(5)，所述光衰减装置包括依次设置的二分之一波片(4)与偏振分束立方(6)，扫描激光束通过偏振分束立方(6)分成两束激光，其中一束激光反射进入激光收集器(5)，另外一束激光透射进入激光传输镜组(7)；
所述多棱镜(2)通过高速马达(3)旋转，所述多棱镜的边数大于3；
所述激光器(1)发出的激光照射在所述多棱镜(2)上形成扫描激光束，扫描激光束分别进入若干组分光路。
2.根据权利要求1所述的短波长高效稳定的高反金属的激光焊接系统，其特征在于：所述激光器(1)产生的激光波长为100nm～400nm。
3.根据权利要求2所述的短波长高效稳定的高反金属的激光焊接系统，其特征在于：所述激光器(1)产生的激光波长为100nm～200nm时，激光器(1)、多棱镜(2)与若干组分光路放置在惰性气体中。
4.根据权利要求1所述的短波长高效稳定的高反金属的激光焊接系统，其特征在于：所述在焊接激光时工艺参数为：脉宽范围是10ns-30ms，脉冲重复频率1Hz-1000kHz。
5.根据权利要求1所述的短波长高效稳定的高反金属的激光焊接系统，其特征在于：所述激光焊接对象包括焊件一(10)与焊件二(11)，焊件一(10)是高反金属。
6.根据权利要求5所述的短波长高效稳定的高反金属的激光焊接系统，其特征在于：所述高反金属是铜、金、银、锡、铁、铂或钯。
7.根据权利要求1所述的短波长高效稳定的高反金属的激光焊接系统，其特征在于：所述二分之一波片(4)为零级半波片。
8.根据权利要求1所述的短波长高效稳定的高反金属的激光焊接系统，其特征在于：所述偏振分束立方(6)上镀有介质分束膜。
9.根据权利要求1-8任一项所述短波长高效稳定的高反金属的激光焊接系统，其特征在于：所述激光聚焦透镜组(9)为焦距大于100mm激光聚焦透镜组。
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