CN111129927A

CN111129927A - 光纤激光器以及激光发射装置

Info

Publication number: CN111129927A
Application number: CN201911400750.7A
Authority: CN
Inventors: 谭亚新; 夏丰滨; 李剑锋; 王瑾; 高云峰
Original assignee: Han s Laser Technology Industry Group Co Ltd
Current assignee: Han s Laser Technology Industry Group Co Ltd
Priority date: 2019-12-30
Filing date: 2019-12-30
Publication date: 2020-05-08

Abstract

本发明公开了光纤激光器以及激光发射装置。光纤激光器包括光纤本体和光源，光纤本体包括光纤内芯和光纤外芯，光纤外芯同轴地套设于光纤内芯外，光源的光通过光纤本体的传导形成内外能量分布不同的激光。激光发射装置包括光纤激光器，激光焊接方法采用光纤激光器或激光发射装置进行焊接。通过调节光纤内芯和光纤外芯所输出的能量来获得具有不同能量分布的激光，满足不同的焊接需求，能够根据实际焊接需求，通过调节激光光斑的能量获得更好的焊接效果或更大的焊接间隙。

Description

光纤激光器以及激光发射装置

技术领域

本发明涉及激光发射技术领域，具体涉及光纤激光器以及激光发射装置。

背景技术

激光焊接技术是利用高能量密度的激光束作为热源的一种高效精密焊接方法。具有热输入量小、热输入集中、热影响区小、焊缝强度高、焊接定位精确、易于实现自动化等优点。

由于激光的光斑尺寸一般在20～1000μm，其对于焊接间隙较为敏感。在使用激光进行焊接时，激光焊接材料的对接间隙往往不能超过对接材料板厚的十分之一，否者容易造成虚焊、焊漏等焊接缺陷产生，焊接过程将极不稳定，降低了实际工程应用产品的生产良率。现有激光器所发出的激光在焊接时，无法实现焊接效果与焊接大间隙的平衡。

发明内容

本发明的目的在于提供一种光纤激光器以及激光发射装置，以解决现有技术中存在的焊接效果与焊接大间隙无法平衡的问题。

为此，本发明的实施例提供如下技术方案：

光纤激光器，包括：

光纤本体，所述光纤本体包括光纤内芯和光纤外芯，所述光纤外芯同轴地套设于所述光纤内芯外；

以及光源，所述光源的光通过所述光纤本体的传导形成内外能量分布不同的激光。

作为对上述技术方案的进一步延伸，本发明的实施例还提供一种激光发射装置，包括：

上述的光纤激光器；

聚焦器，用于对所述光纤激光器射出的激光进行聚焦；

以及偏光器，用于调节所述聚焦器射出的激光在目标表面上光斑的位置。

实施本发明实施例，将至少具有如下有益效果：

光纤激光器及激光发射装置的包括内外嵌套设置的光纤内芯和光纤外芯，在将光源所发出的光转换成激光时能够使得激光光斑的内外层的能量不同。通过调节光纤内芯和光纤外芯所输出的能量来获得具有不同能量分布的激光，满足不同的焊接需求。采用光纤激光器以及激光发射装置进行焊接时，能够在焊接效果和焊接缝隙兼容性之间达到良好的平衡。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

其中：

图1示出了本发明的实施例提供的一种光纤激光器的结构示意图；

图2为图1的A-A面的剖面结构示意图；

图3示出了本发明的实施例提供的光纤激光器所发出的一种激光的沿光纤本体直径方向的能量分布示意图；

图4示出了采用图3所示激光进行焊接的示意图；

图5示出了本发明的实施例提供的光纤激光器所发出的另一种激光的沿光纤本体直径方向的能量分布示意图；

图6示出了采用图5所示激光进行焊接的示意图；

图7示出了本发明的实施例提供的另一种光纤激光器的剖面结构示意图；

图8示出了本发明实施例提供的激光发射装置的结构示意图。

图中：100、100a-光纤激光器；110、110a-光纤本体；111、111a-光纤内芯；112、112a-光纤外芯；120、120a-光源；121-内光源；122-外光源；130-光纤护套；200-聚焦器；210-准直组件；211-准直镜筒；212-准直透镜；220-聚焦组件；221-聚焦镜筒；222-聚焦透镜；300-偏光器；310-第一调光机构；311-第一调向电机；312-第一反射镜片；320-第二调光机构；321-第二调向电机；322-第二反射镜片；1000-激光发射装置。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的较佳的实施例。但是，本发明可以容许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容的理解更加透彻全面。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

如图1所示，本实施例提供一种光纤激光器100，可以但不限于应用于焊接加工，通过高密度的激光能量熔化对接工件，从而使得工件融化，熔融的材料向中间流动，实现将对接工件的间隙填充，完成焊接。光纤激光器100的内外层能量分布能够调节，从而能够根据实际焊接需求获得更好的焊接效果或焊接更大间隙。光纤激光器100包括光纤本体110和光源120。

光源120，利用激发态粒子在受辐射作用在发光的电光源120，可以选用固体激光源120(晶体和钕玻璃)、气体激光源120(包括原子、离子、分子、准分子)、液体激光源120(包括有机染料、无机液体、螯合物)和半导体激光源120，本实施例不对光源120的类型进行限定。

光源120也可以称作泵浦源，发出的光为泵浦光。光纤本体110掺加了稀土元素。泵浦光通过一面反射镜耦合进入至光纤本体110中，通过光纤本体110的增益，泵浦光被吸收，吸收了光子能量的稀土离子发生能级跃迁并实现粒子数反转，当适当加入正反馈回路(构成谐振腔)便可形成激光振荡输出。

请一并参阅图2，光纤本体110包括光纤内芯111和光纤外芯112，光纤外芯112同轴地套设于光纤内芯111外。光纤内芯111呈线状，光纤外芯112呈管状，二者之间通过紧密接合形成了双层套管。光纤内芯111为泵浦光提供横截面为圆形的导光通道，光纤外芯112为泵浦光提供横截面为环形的导光通道。

光纤本体110可以在成型时直接成型出光纤内芯111和光纤外芯112，二者同轴挤出，熔融的光纤外芯112在凝固后直接紧密地贴合在光纤内芯111上。光纤内芯111输出的激光与光纤外芯112输出的激光能量不同，可以通过调节光纤内芯111和光纤外芯112所输出的能量调节激光的能量，从而满足不同的焊接需求。

光纤激光器100还包括光纤护套130，光纤护套130同轴地套设于光纤本体110外，即光纤外芯112外。光纤护套130具有较好的耐磨性、保温性、阻燃性以及延展性，从而能够对其内的光纤本体110形成较好的保护。示例性地，光纤护套130以高蓬松的玻璃纤维管作为内层，并覆以氧化铁红硅胶作为外层。

示例性地，光纤内芯111与光纤外芯112对泵浦光形成不同的增益，从而使得泵浦光经过光纤本体110后形成内外能量分布不同的激光，具有不同的能量分布方式的激光能够满足不同的焊接需求。

如图3所示，在一个实施例中，光纤内芯111对泵浦光的增益弱于光纤外芯112对泵浦光的增益。由此，当光纤内芯111与光纤外芯112上输入的泵浦光的能量相同，光纤内芯111对泵浦光的增益弱于光纤外芯112对泵浦光的增益时，泵浦光通过光纤本体110所形成的激光的内层能量低于外层的能量。

如图4所示，当光纤激光器100所发出的激光内部的能量低于外部时，激光在对接的两个工件上所形成的光斑的内部区域的能量低于外部区域的能量。光斑两侧的能量能有效被间隙处两侧对接工件的材料所吸收，材料吸收激光发生升温熔化流动，不断填充工件中部间隙，从而实现大间隙且高质量的焊接，间隙的填料成中间高两侧低的形态。

如图5所示，在另一实施例中，光纤内芯111对泵浦光的增益强于光纤外芯112对泵浦光的增益。由此，当光纤内芯111与光纤外芯112上输入的泵浦光的能量相同，光纤内芯111对泵浦光的增益强于光纤外芯112对泵浦光的增益时，泵浦光通过光纤本体110所形成的激光的内层能量高于外层的能量。

如图6所示，当光纤激光器100所发出的激光内部的能量高于外部时，激光在对接的两个工件上所形成的光斑的内部区域的能量高于外部区域的能量，在以工件的熔化材料作为焊缝填料时，焊缝填料中部受到的能量较大，熔融的材料不断地向两侧流动，两侧与工件更好地接合，增强焊缝与工件的连接强度，同时焊缝中部熔深，能够降低工件表面焊接余高以及降低焊接飞溅。

进一步地，由光纤外芯112所形成的光斑的能量分布可以设置成高斯分布或平顶分布，由光纤内芯111所形成的光斑的能量分布可以设置成高斯分布或平顶分布。

上述，光纤内芯111和光纤外芯112对于泵浦光的不同的增益效果，可以通过调节其光纤中稀土元素成分、含量等进行调节，以使得光纤内芯111和光纤外芯112具有不同的传输特性和光学特性。

在一个实施例中，泵浦光的能量可调。通过调节光源120所发出的泵浦光的能量能够将激光的能量进行整体调节，能够依据工件材料、工件厚度以及工件间隙对光源120所发出的泵浦光进行调节，从而调节激光的能量。泵浦光的能量越高，通过光纤本体110所形成的激光的能量越高。泵浦光的能量可以通过输入不同的电能或通过设置光纤放大器进行调节。

上述，光源120的数量为一个，一个光源120通过同轴设置光纤内芯111和光纤外芯112从而形成具有不同能量分布的激光。激光的不同能量分布由光纤内芯111和光纤外芯112对于泵浦光的不同增益形成。

如图7所示，在一个实施例中，光源120a包括内光源121和外光源122。内光源121发出的泵浦光通过光纤内芯111a传导而出，外光源122发出的泵浦光通过光纤外芯112a传导而出。由此，激光的不同能量分布由内光源121和外光源122形成。在此，光纤内芯111a和光纤外芯112a对泵浦光的增益可以相同也可以不同。内光源121与光纤内芯111a可以成为一体，成型于成为一体的外光源122和光纤外芯112a中，即本光纤激光器100a相当于包括两个同轴设置的且能够发出不同能量的激光器，形成同轴光斑。或者光纤内芯111a和光纤外芯112a成为一体，内光源121和外光源122设置在光纤本体110a的端面上，从而形成同条光纤本体110a，不同光源120a。外光源122发出的泵浦光环设于内光源121所发出的泵浦光。

示例性地，内光源121和外光源122所发出的泵浦光的能量能够分别独立调节，通过独立调节内光源121和外光源122的泵浦光能够获得能量分布更为灵活多样的激光。当然，在其他的实施例中内光源121和外光源122所发出的泵浦光也可以同步调节，或者同步地以对应关系进行调节。

如图8所示，本实施例还提供一种激光发射装置1000，它包括聚焦器200、偏光器300以及上述的光纤激光器100。聚焦器200和偏光器300组成了激光输出的外光路，聚焦器200用于对光纤激光器100射出的激光进行聚焦，偏光器300用于调整聚焦器200射出的激光的光斑位置。

光纤激光器100所发出的光在成发散状，为了保证激光所产生的光斑的能量密度，应将激光聚焦后进行传输。本实施例中，聚焦器200包括准直组件210和聚焦组件220，准直组件210用于将光纤激光发射器所发出的激光转换成平行光后，传递至聚焦组件220，聚焦组件220将平行激光聚焦后传出。

准直组件210包括准直镜筒211和设置在准直镜筒211中的准直透镜212，将光纤激光器100的发散的光转换成平行光。具体实施时，准直透镜212可以为凸透镜，数量可以为1个或多个。示例性地，准直组件210包括两个准直透镜212，准直透镜212为平凸透镜，且平面为激光入射面，由准直组件210射出的激光射入聚焦组件220中。

聚焦组件220包括聚焦镜筒221和设置在聚焦镜筒221中的聚焦透镜222，将准直组件210的平行激光聚焦。具体实施时，聚焦透镜222可以为凸透镜，数量可以为1个或多个。示例性地，聚焦组件220包括一个聚焦透镜222，聚焦透镜222为平凸透镜，且平面为激光的射出面，由聚焦组件220射出的激光射入至偏光器300中。

本实施例中，偏光器300包括第一调光机构310和第二调光机构320，第一调光机构310和第二调光机构320分别用于调节光斑在目标表面的两个相互垂直方向的位置。通过偏光器300调节光斑在两个垂直方向上的位置，通过位置合成能够调节光斑在目标表面上的位置。

示例性地，第一调光机构310包括第一调向电机311和第一反射镜片312，第一调向电机311能够驱动第一反射镜片312以X轴为转轴进行转动。激光照射在第一反射镜片312表面形成光的反射，通过调节第一反射镜片312的角度能够调节光斑在垂直于X轴的Y轴上的位置。第二调光机构320包括第二调向电机321和第二反射镜片322，第二调向电机321能够驱动第二发射镜片以Y轴为转轴进行转动。激光照射在第二反射镜片322表面形成光的反射，通过调节第二反射镜片322的角度能够调节光斑在垂直于X轴上的位置。XY轴所形成的平面与光斑所在的面平行。自聚光器射出的激光先射向第一反射镜片312后再射向第二反射镜片322，通过第二反射镜片322反射后的激光射向工件表面。

在其他的实施例中，偏光器300也可以只包括一组调光机构，对光斑在一个方向上的位置进行调节。

在其他的实施例中，激光发射装置1000，它包括聚焦器200、偏光器300以及上述的光纤激光器100a。

本实施例还提供一种激光焊接方法，本焊接方法能够应用于对金属、塑料等可热熔成型的材料进行焊接，具体可以对铁或其合金进行焊接，采用上述的光纤激光器100所发射的激光对工件进行焊接，或采用上述的激光发射装置1000所发射的激光对工件进行焊接，从而实现焊接效果和大间隙焊接的良好平衡，即在小间隙时优化焊接效果，或者在保证焊接效果的同时尽量提升对焊接间隙的兼容性。

示例性地，在焊接时，激光的光斑的内部能量低于外部能量，从而使得焊接间隙两侧的工件材料吸收更高的能量，两侧的材料不断地向中间流动填充中间的间隙，从而实现了大间隙焊接，即采用内部能量高于外部能量的激光能够实现大间隙焊接，激光焊接方法成为一种大间隙焊接方法。

示例性地，在焊接时，激光的光斑内侧能量高于外部能量，从而使得焊接间隙中间的材料向两侧流动，与两侧工件形成更为紧密的接合，提升焊接强度，同时焊缝的中部熔深，能够降低表面余高和缓解焊接飞溅。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对申请专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims

1.光纤激光器，其特征在于，包括：

光纤内芯，用于提供导光面为圆形的导光通道；

光纤外芯，套设于所述光纤内芯外，用于提供导光面为环形的导光通道；

以及光源，用于提供泵浦光，所述泵浦光通过所述光纤内芯和所述光纤外芯的传导形成内外能量分布不同的激光。

2.根据权利要求1所述的光纤激光器，其特征在于，所述光纤内芯与所述光纤外芯对所述泵浦光具有不同的增益。

3.根据权利要求2所述的光纤激光器，其特征在于，所述光纤内芯与所述光纤外芯的材料不同。

4.根据权利要求3所述的光纤激光器，其特征在于，所述光纤内芯和所述光纤外芯所含的稀土成分不同。

5.根据权利要求2所述的光纤激光器，其特征在于，所述光纤外芯对所述泵浦光的增益强于所述光纤内芯对所述泵浦光的增益。

6.根据权利要求1所述的光纤激光器，其特征在于，所述泵浦光的能量可调。

7.根据权利要求1所述的光纤激光器，其特征在于，所述光源包括内光源和外光源，所述内光源发出的泵浦光通过所述光纤内芯传导而出，所述外光源发出的泵浦光通过所述光纤外芯传导而出。

8.根据权利要求7所述的光纤激光器，其特征在于，所述内光源和所述外光源所发出的泵浦光的能量能够独立调节。

9.激光发射装置，其特征在于，包括：

如权利要求1-8中任一项所述的光纤激光器；

聚焦器，用于对所述光纤激光器射出的激光进行聚焦；

10.根据权利要求9所述的激光发射装置，其特征在于，所述偏光器包括第一调光机构和第二调光机构，所述第一调光机构和所述第二调光机构分别用于调节光斑在目标表面上的两个相互垂直方向的位置。