CN113399825B - 一种激光装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种激光装置，其特征在于，所述装置包括单纤芯光纤和用于对来自单纤芯光纤的出射光进行聚光以实现匙孔型和/或热传导型的混合焊接的镜筒，所述镜筒内部与单纤芯光纤在同一光轴上依次设置有柱面镜、准直透镜及聚光透镜，所述柱面镜设置在所述镜筒内且位于光纤出口与准直透镜之间，所述柱面镜比聚光透镜的焦点距离长，并且所述柱面镜的中空直径设置在所述光纤射出的光束内。本发明还具有能够灵活地应对各公司光纤激光器，也能够进行单模传送，并在高耐力下利用简单的单纤芯光纤实现匙孔型和热传导型的混合焊接方式等特点。

Description

一种激光装置
【技术领域】
本发明涉及激光加工领域，特别涉及用于进行激光焊接等加工的激光装置及加工方法。
【背景技术】
在高硅钢板的制造、或变压器、电动机等铁芯的制造中，焊接的部分在低温下容易产生裂纹等不良现象。含有硅的钢板具有优异的软磁特性，因此常常被用作电力转换器或电动机的铁心。在这种软磁材料中，随着硅含量的增加，铁损特性良好，并且磁致伸缩接近于零，因此磁导率也进一步得到提高，是非常好的新磁性材料。近年来，软磁材料作为一种以节能为目的、铁损值低、且能满足电器各种磁特性需求的新型磁性材料。但是，当硅浓度超过4.3wt％时，室温下如果采用现有的焊接技术，则会导致在焊接时发生变形，焊接部在低温下容易产生裂纹。
另一方面，焊接时常常实施预热、后热的方法防止裂纹的产生，为了在高温下进行后热，需要专用的后热装置，后热会导致热失真，如果在产品加工的焊接中应用这种方法的话，尺寸精度会变差，产品特性也会劣化。
【发明内容】
综上所述，本发明为了解决上述问题，其目的在于提供一种能够灵活地应用于各类激光器，并可在高耐力下使用的一种激光装置。
为了解决所述技术问题，本发明提供对于利用准直透镜和聚光透镜对从光纤射出的激光进行成像的激光焊接头，在准直透镜之前(或者之后或者聚焦镜之后)插入焦距较长的中空的凸柱面镜或凹柱面镜，中空部分通过光纤中心附近的光束，经过焊接头准直聚焦后得到高功率密度光斑。另一方面，偏离光纤中心较远的光束，透过焦距很长的凸柱面镜/凹柱面镜，焦点位置发生了变化，与中空部分通过的光束的焦点发生了偏离，在焊接平面上得到相互重叠的，一个圆形的高功率密度光斑，一个长条状的低功率密度光斑。高功率密度光斑小，可以实现匙孔焊接。
在上述技术方案中，光纤中心附近的光束无损地通过了在准直透镜前面或者后面或者聚焦镜后面的柱面镜的空间部分，不受影响地聚焦于工件表面，其他通过柱面镜曲面部分的光束，因为柱面镜的曲面，单个方向改变了其沿光轴传输的光束的角度，光束聚焦后，其单个方向的焦点位置相对于中心光束的焦点位置发生了偏移，或者前移或者后移，所以在工件表面得到了两个光斑，一个高功率密度光斑，另一个低功率密度光斑。新方法能够防止焊接裂纹的发生，因此可以提高品质和成品率。
另外，通过改变光纤出射端与柱面镜的距离、柱面镜与聚焦镜之间的距离，还能够调整高功率密度光斑和低功率密度光斑的功率比率。
另外，因为能够简单地更换不同空洞尺寸的柱面镜，所以能够大幅改变过程条件幅度，能够简单且高质量地进行各种形状、材质的焊接。
另外，通过改变柱面镜的位置，使得柱面镜的光轴与原光轴偏离，所以能够调整高功率密度光斑和低功率密度光斑相对位置，能够细微地改变过程条件，进一步提高焊接质量。
再者，通过采用柱面中间部分是平面的平顶柱面镜代替柱面镜，能够进一步提高激光耐力。
【附图说明】
图1本实施方式的激光装置的整体结构图；1(a)为侧视图，1(b)为上视图；
图2是第1实施方式的激光光源的基本结构图。2(a)是凸型柱面镜的镜筒图侧视图，2(b)是凸型柱面镜的镜筒图俯视图，2(c)是凹型柱面镜的镜筒图侧视图；
图3是有关第2实施方式的激光光源的基本结构图；3(a)是凸型柱面镜的镜筒图侧视图，3(b)是凸型柱面镜的镜筒图俯视图，3(c)是凹型柱面镜的镜筒图侧视图；
图4是有关第3实施方式的激光光源的基本结构图；4(a)是凸型柱面镜的镜筒图侧视图，4(b)是凸型柱面镜的镜筒图俯视图；4(c)是凹型柱面镜的镜筒图侧视图；
图5是有关第1、第2、第3实施方式的激光光源的调节方法示意图；5(a)是柱面镜移动图；5(b)是原光斑形貌图；5(c)是调整后光斑形貌图；
图6是有关第5实施方式的激光光源的基本结构图。6(a)是柱面镜的镜筒图侧视图，6(b)是柱面镜的镜筒图俯视图；
图7表示本实施例与现有技术的成果。
【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。下面结合附图对本发明的技术方案进行详细地描述：
【实施例1】
图1是本实施方式的激光器装置的整体结构图，其中1(a)是侧视图，1(b)是俯视图。从光纤激光器1经由单纤芯光纤2，进一步通过镜筒产生的混合光4对被焊接对象5进行焊接。在本实施例中，所述镜筒为混合出射镜筒3，其可以用于对来自单纤芯光纤的出射光进行光束整形及聚光，以实现高功率密度光斑和/或低功率密度光斑的混合焊接。
图2(a)是根据第一实施例的激光器装置的基本结构图的侧视图。
该激光器装置在光纤2和准直透镜12之间增加了凸型柱面镜10。在混合出射镜筒3内部，与单纤芯光纤2在同一光轴11上，依次排列有柱面镜10、准直透镜12及聚光透镜13。
从单纤芯光纤2射出的激光14中，通过凸型柱面镜10的中空部15的激光16被准直透镜12准直后由聚光透镜13聚光，在聚光点17上可以得到满足匙孔焊接的高亮度焦点20。
另一方面，通过凸型柱面镜10的非中空部的凸的柱面的部分18的激光16在通过准直透镜12之后，经过准直透镜12后，相对于聚光透镜13，被平凸柱面镜微弱地改变了入射角度，光束聚焦在比集光点17稍靠前一点的位置19，聚光后再次扩散。因此，离焦以后，能够相对于聚光点17在工作平面5上得到低功率密度光斑21。该低功率密度光斑21具有在匙孔焊接前使加工物的温度上升、预热，焊接后使加工件冷却速度减慢的作用，起到放置焊接后产生裂纹的作用。
另外，该强度分布能够通过使柱面镜10前后移动而变化，因此能够优化焊接条件。
另外，通过改变中空部15的尺寸，也能够进行高功率密度光斑20和低功率密度光斑19的强度比调整，也能够大幅地改变焊接条件。
图2(b)是根据第一实施例的激光器装置的基本结构图的俯视图。从俯视图的方向，柱面镜10没有曲率的变化，不管是经过中空部分15，还是经过非中空部分18的激光，激光入射角度没有发生变化，所以这个方向没有产生位置19的聚光点，全部聚焦于聚光点17相同的焦平面。所以利用柱面镜得到的是高功率密度光斑和低功率密度光斑的混合型光斑21.
图2(c)是增加了凹型柱面镜30的第1实施方式的激光装置的基本结构图的侧视图。与图2(a)的不同点仅在于透镜是凸还是凹的差异，因此省略了共同点。在凹型柱面镜30的情况下，通过不是凹型柱面镜30的中空部的曲面的部分31的激光32，通过准直透镜12后，相对于聚光镜13微弱地扩大了入射角后入射，所以聚焦点相对于聚光点17的位置发生了变化。在聚光点17的焦平面上，可得到长：100～10000μm，宽：10-200um的低功率密度光斑33。凹型柱面镜30的第1实施方式的激光装置的基本结构图的俯视图，与图2(b)一样，在此不再阐述。
【实施例2】
图3(a)是在准直透镜12与聚光透镜13之间增加了凸柱面镜40的第二实施方式的激光装置的基本结构图的侧视图。在混合出射镜筒3的内部，与单纤芯光纤2在同一光轴11上，依次排列有准直透镜12、凸柱面镜40和聚光透镜13。
从单纤芯光纤2出射的激光14由准直透镜12准直后，通过凸柱面镜40的中空部41的激光42被聚光透镜13聚光，在聚光点17上得到能够进行匙孔焊接的高亮度焦点20。
另一方面，通过凸柱面镜40的非中空部的曲面的部分43的激光44相对于聚光透镜13，被微弱地改变了入射光的角度，因此在比集光点稍靠前一点的位置19集光后再次被扩散，通过离焦，能够相对于聚光点17在工作平面5上得到低功率密度光斑45。
另外，与图2(a)相同，通过改变中空部41的尺寸，可以调整高功率密度光斑20和低功率密度光斑45的强度比，也能够很大地改变焊接条件。
图3(b)是根据第二实施例的激光器装置的基本结构图的俯视图。从俯视图的方向，凸柱面镜40没有曲率的变化，不管是经过中空部分41，还是经过非中空部分43的激光，激光入射角度没有发生变化，所以这个方向没有产生位置19的聚光点，全部聚焦于聚光点17相同的焦平面。所以利用柱面镜得到的是高功率密度光斑和低功率密度光斑的混合型光斑46.
图3(c)是增加了凹型柱面镜50的第2实施方式的激光装置的基本结构图的侧视图。与图3(a)的不同点仅在于透镜是凸还是凹的差异，因此省略了共同点。经过准直透镜12准直后的激光，通过不是凹型柱面镜50的中空部的曲面的部分51的激光52，相对于聚光镜13微弱地扩大了入射角后入射，所以聚焦点相对于聚光点17的位置发生了变化。在聚光点17的焦平面上，可得到长：100～10000μm，宽：10-200um的低功率密度光斑53。增加了凹型柱面镜50的第2实施方式的激光装置的基本结构图的俯视图，与图3(b)一样，在此不再阐述。
【实施例3】
图4(a)是在聚光透镜13之后增加了凸柱面镜60的第三实施方式的激光装置的基本结构图的侧视图。在混合出射镜筒3的内部，与单纤芯光纤2在同一光轴11上，依次排列有准直透镜12、聚光透镜13和凸柱面镜60。
从单纤芯光纤2出射的激光14由准直透镜12准直后，再通过聚焦透镜13聚焦，部分聚焦光束通过凸柱面镜60的中空部61的激光62，在聚光点17上得到能够进行匙孔焊接的高亮度焦点20。
另一方面，通过凸柱面镜60的非中空部的曲面的部分63的激光64，被微弱地改变了出射光的角度，因此在比集光点稍靠前一点的位置19集光后再次被扩散，通过离焦，能够相对于聚光点17在工作平面5上得到低功率密度光斑65。
另外，该强度分布能够通过使柱面镜60前后移动而变化，因此能够优化焊接条件。
另外，与图2(a)相同，通过改变中空部61的尺寸，高功率密度光斑20和低功率密度光斑65的强度比调整，也能够很大地改变焊接条件。
图4(b)是根据第三实施例的激光器装置的基本结构图的俯视图。从俯视图的方向，凸柱面镜60没有曲率的变化，不管是经过中空部分61，还是经过非中空部分63的激光，激光出射角度没有发生变化，所以这个方向没有产生位置19的聚光点，全部聚焦于聚光点17相同的焦平面。所以利用柱面镜得到的是高功率密度光斑和低功率密度光斑的混合型光斑66.
图4(c)是增加了凹型柱面镜70的第3实施方式的激光装置的基本结构图的侧视图。与图4(a)的不同点仅在于柱面镜镜是凸还是凹的差异，因此省略了共同点。经过准直透镜12准直后的激光，通过聚焦透镜13聚焦后，通过不是凹型柱面镜70的中空部的曲面的部分71的激光72，微弱地改变了出射角，所以聚焦点相对于聚光点17的位置发生了变化。在聚光点17的焦平面上，可得到长：100～10000μm，宽：10-200um的低功率密度光斑73。增加了凹型柱面镜70的第3实施方式的激光装置的基本结构图的俯视图，与图4(b)一样，在此不再阐述。
【实施例4】
图5(a)是调整了柱面镜80的位置的激光装置的基本结构图的侧视图。在混合出射镜筒3的内部，柱面镜80的光轴81与单纤芯光纤2的光轴11偏离，准直透镜12、聚光透镜13与单纤芯光纤2的光纤重合。
从单纤芯光纤2出射的激光14，部分通过柱面镜80的中空部分82的激光83，由准直透镜12准直后，再通过聚焦透镜13聚焦，在聚光点17上得到能够进行匙孔焊接的高亮度焦点20。
另一方面，通过柱面镜80的非中空部的曲面的部分84的激光85，被微弱地改变了出射光的角度，而且因为柱面镜的光轴81与主光轴11偏离，因此集光点87的聚光点位置不只是在光轴上前移或者后移，同时也在上下方向上偏离了光轴。通过离焦，能够相对于聚光点17在工作平面5上得到低功率密度光斑86。
另外，第4实施案例是通用方法，可以同时适用于第1、第2、第3的情况，也同样适用于平顶柱面镜、部分平顶柱面镜、多曲率柱面镜、非球面柱面镜等，通过改变柱面镜80的上下位置，高功率密度光斑20和低功率密度光斑86的相对位置发生了偏离，能够很大地改变焊接条件。
图5(b)是柱面镜的光轴与主光轴重合的情况下，高功率密度光斑和低功率密度光斑的混合型光斑图示，高功率密度光斑100位于低功率密度光斑101的中间部分。5(c)、5(d)是柱面镜的光轴与主光轴偏离的情况下，高功率密度光斑100的位置不改变，低功率密度光斑101上下移动。
在上述的第4实施案例，其中的柱面镜，可以是凸或者凹的柱面镜，也可以是平顶或者部分平顶的柱面镜，也可以是多曲率或者非球面的柱面镜。
【实施例5】
图6(a)是在单纤芯光纤2与准直镜片12之间增加了柱面镜90的第五实施方式的激光装置的基本结构图的侧视图。在混合出射镜筒3的内部，与单纤芯光纤2在同一光轴11上，依次排列有柱面镜90、准直透镜12和聚光透镜13。
从单纤芯光纤2出射的激光14，部分激光91通过柱面镜90的曲面部分，被微弱地改变了入射光的角度，通过准直透镜12后，不平行地通过聚焦透镜13聚焦，因此在比集光点稍靠前一点的位置19集光后再次被扩散，通过离焦，能够相对于聚光点17在工作平面5上得到低功率密度光斑92。
另一方面，没有通过柱面镜90的激光93，被准直镜片12准直后，再通过聚焦透镜13聚焦，在聚光点17上得到能够进行匙孔焊接的高亮度焦点20。
另外，可以通过移动柱面镜90的位置，调整其切入光束的量，可以调整高功率密度光斑20和低功率密度光斑45的强度比。
另外，实施案例5所述的柱面镜，可以是凸或者凹的柱面镜，也可以是平顶或者部分平顶的柱面镜，也可以是多曲率或者非球面的柱面镜。
另外，实施案例5所述的柱面镜，可以是与实施案例1一样，放置于光纤2与准直镜片12之间，也可以是与实施案例2一样，放置于准直镜片12与聚焦镜片13之间，也可以是与实施案例3一样，放置于聚焦镜片之后。
另外，实施案例5所述的柱面镜，可以与实施案例4所述一样，通过调整柱面镜的光轴与主光轴的位置，实现高功率密度光斑20和低功率密度光斑92的相对位置调整的效果。
在上述的实施例中，单纤芯光纤2在单模或多模光纤中能够得到同样的高功率密度光斑和低功率密度光斑的混合型光斑。
另外，在振镜焊接头、手持式焊接头、YAG激光器、LD激光器等其他激光器中，通过在准直镜片前放置柱面镜，也能够实现高功率密度光斑和低功率密度光斑的混合型光斑。
图7表示本实施例与现有技术的成果。如图7所示，根据本发明，可以提供比以往的激光装置无裂纹，高稳定性，高速度,高质量的激光焊接。
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 (7)

1.一种激光装置，其特征在于，从光纤激光器经由单纤芯光纤，进一步通过镜筒产生的混合光对被焊接物进行焊接，所述镜筒为混合出射镜筒，所述混合出射镜筒用于对来自单纤芯光纤的出射光进行光束整形及聚光，以实现高功率密度光斑和低功率密度光斑对软磁材料的混合焊接，所述镜筒内部与单纤芯光纤在同一光轴上依次设置有柱面镜、准直透镜及聚光透镜，所述柱面镜设置在所述镜筒内且位于所述单纤芯光纤出口与所述准直透镜之间，所述柱面镜比所述聚光透镜的焦点距离长，并且所述柱面镜的中空直径设置在所述单纤芯光纤射出的光束内，所述高功率密度光斑和所述低功率密度光斑的功率比率可调节，通过改变所述单纤芯光纤出射端与所述柱面镜的距离、所述柱面镜与所述聚光透镜之间的距离，来调整所述高功率密度光斑和所述低功率密度光斑的功率比率，所述高功率密度光斑的焦点位于聚焦点处，所述低功率密度光斑的焦点位于聚焦点之前，所述柱面镜为凸型。
2.一种激光装置，其特征在于，从光纤激光器经由单纤芯光纤，进一步通过镜筒产生的混合光对被焊接物进行焊接，所述被焊接物为软磁材料，所述镜筒为混合出射镜筒，所述混合出射镜筒用于对来自所述单纤芯光纤的出射光进行光束整形及聚光，以实现高功率密度光斑和低功率密度光斑对所述软磁材料的混合焊接，在所述混合出射镜筒的内部，所述单纤芯光纤的同一光轴上依次排列有准直透镜、凸柱面镜和聚光透镜；
所述高功率密度光斑和所述低功率密度光斑的功率比率可调节，所述高功率密度光斑的焦点位于聚焦点处，所述低功率密度光斑的焦点位聚焦点之前，所述柱面镜为凸型，通过改变中空部的尺寸，调整高功率密度光斑和低功率密度光斑的强度比；
或，从光纤激光器经由单纤芯光纤，进一步通过镜筒产生的混合光对被焊接物进行焊接，所述镜筒为混合出射镜筒，所述混合出射镜筒用于对来自所述单纤芯光纤的出射光进行光束整形及聚光，以实现高功率密度光斑和低功率密度光斑对软磁材料的混合焊接，在混合出射镜筒的内部，所述单纤芯光纤的同一光轴上依次排列有准直透镜、柱面镜和聚光透镜；所述低功率密度光斑和所述高功率密度光斑的焦点位于聚焦点处，所述柱面镜无曲率；
或，装置包括单纤芯光纤和用于对来自单纤芯光纤的出射光进行光束整形及聚光，以实现高功率密度光斑和低功率密度光斑的混合焊接的镜筒，在混合出射镜筒的内部，所述单纤芯光纤的同一光轴上依次排列有准直透镜、柱面镜和聚光透镜；所述高功率密度光斑和所述低功率密度光斑的功率比率可调节，所述高功率密度光斑的焦点位于聚焦点处，所述低功率密度光斑的焦点位聚焦点之后所述柱面镜为凹型，通过改变所述柱面镜的中空部的尺寸，可调整所述高功率密度光斑和所述低功率密度光斑的强度比。
3.一种激光装置，其特征在于，装置包括单纤芯光纤和用于对来自单纤芯光纤的出射光进行光束整形及聚光，以实现高功率密度光斑和低功率密度光斑的混合焊接的镜筒，在混合焊接的镜筒内部，柱面镜的光轴与所述单纤芯光纤的光轴偏离，准直透镜、聚光透镜与所述单纤芯光纤的光纤重合，所述柱面镜设置在所述镜筒内且位于所述聚光透镜之后，所述柱面镜比所述聚光透镜的焦点距离长，并且所述柱面镜的中空直径在聚焦光束内，所述高功率密度光斑的位置不改变，所述低功率密度光斑上下移动；
通过移动所述柱面镜的位置，调整其切入光束的量，可以调整所述高功率密度光斑和所述低功率密度光斑的强度比；
所述柱面镜为非球面的柱面镜；
被焊接物为软磁材料。
4.根据权利要求1或2所述的激光装置，其特征在于，在聚光点的焦平面上，可得到长：100～10000um，宽：10-200um的低功率密度光斑。
5.根据权利要求2所述的激光装置，其特征在于，通过改变柱面镜的中空部的尺寸，能够对高功率密度光斑和低功率密度光斑的强度值进行调整。
6.根据权利要求2所述的激光装置，其特征在于，通过前后移动所述柱面镜，可以改变高功率密度光斑和低功率密度光斑的强度值。
7.根据权利要求3所述的激光装置，其特征在于，通过上下移动柱面镜，以改变高功率密度光斑和低功率密度光斑的相对位置。
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