CN114204388B - 一种动态环形激光光斑产生方法及装置 - Google Patents

一种动态环形激光光斑产生方法及装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种动态环形激光光斑产生方法及装置，属于中低功率激光焊接领域。沿光路方向依次包括：激光器、光束准直单元、声光调制器、光束聚焦单元和环形光纤；所述激光器，用于产生入射激光束，并经过所述光束准直单元准直后形成准直激光束；所述声光调制器用于使准直激光束产生布拉格衍射，得到0级衍射光与1级衍射光；所述0级衍射光与1级衍射光通过所述光束聚焦单元聚焦后分别耦合进所述环形光纤的内纤芯和外纤芯，并在所述内纤芯和外纤芯内发生全反射，进而产生环形光斑。本发明的方法和装置，能够实现激光束的时间分光效应以及环形光斑能量的动态复合效应，能够应用于中低功率脉冲焊接领域，且成本低。

Description

一种动态环形激光光斑产生方法及装置
技术领域
本发明属于中低功率激光焊接领域，更具体地，涉及一种动态环形激光光斑产生方法及装置。
背景技术
随着以消费类电子为代表的精密加工行业的发展，产品的体积越来越小、精密程度越来越高，对产品的结构设计提出来更多的需求和挑战，于是激光焊接在各个结构件连接上发挥的作用越来越大，重要性也日益增强。
激光脉冲焊接可以实现微小区域的精密点焊，焊点尺寸可以做到0.1mm，这给产品的设计带来了很多的便利，且激光焊接工艺具有非接触、材料适应性好、能量精密可控、便于自动化等诸多的优势，成为3C消费类产品、电子电气、精密加工制造等行业的必须的工艺。
目前激光脉冲焊接一般使用YAG灯泵浦激光器，以及近几年发展起来的QCW光纤激光器和光纤纳秒激光器。YAG灯泵浦激光器由于高能耗、光束质量差、占地面积大、维护成本高等多方面的晕原因，已经逐渐被QCW光纤激光器所取代。对于QCW激光器以及光纤纳秒激光器，虽然应用领域不断拓展，但对于一些有镀层材料的焊接、以及高反射率金属的焊接，较高的峰值功率导致焊接过程中气孔、飞溅等缺陷的产生，虽然可以通过增加镀层去除等工序来减少或改善，但由于增加了工序成本，导致实际生产中比较难以采用。
近年来，高功率激光焊接领域，出现了一些新的工艺方法，采用可调环形光斑技术进行焊接，原理是采用两台激光器(可以是两台光纤激光器，也可以是一台光纤激光器，一台半导体激光器等)分别耦合到一根环形光纤的纤芯和环形光纤区域，解决镀层材料焊接过程中飞溅的问题。但是这种工艺方法目前大都应用在高功率焊接，激光器功率一般都在2000W以上。而低功率脉冲焊接的功率一般较低，平均功率基本在200W以内，因此，高功率的光束可调技术方案在低功率精密脉冲焊接领域基本上不适用。并且现有的技术方案使用两台激光器分别耦合形成环形光斑，导致设备成本和光路复杂程度的增加，影响终端用户的投入产出，所以尚未得到较好的应用。
发明内容
针对现有技术的缺陷和改进需求，本发明提供了一种动态环形激光光斑产生方法及装置，其目的在于通过一台激光器产生环形光斑，降低环形光斑产生的复杂度。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种动态环形激光光斑产生装置，沿光路方向依次包括：激光器、光束准直单元、声光调制器、光束聚焦单元和环形光纤；
所述激光器，用于产生入射激光束，并经过所述光束准直单元准直后形成准直激光束；所述声光调制器用于使准直激光束产生布拉格衍射，得到0级衍射光与1级衍射光；所述0级衍射光与1级衍射光通过所述光束聚焦单元聚焦后分别耦合进所述环形光纤的内纤芯和外纤芯，并在所述内纤芯和外纤芯内发生全反射，进而产生环形光斑。
进一步地，所述声光调制器与光束聚焦单元的距离l满足：
其中，r2为环形光纤内纤芯中心到外纤芯中心的距离，βd为声光调制器0级衍射光和1级衍光之间的衍射角。
进一步地，所述环形光纤的外纤芯直径d满足：
其中，M2为激光器的光束质量因子，λ为入射激光束的波长，l'为光束聚焦单元的焦距，D为准直后的光束的直径。
进一步地，改变所述声光调制器的衍射效率，形成内纤芯和外纤芯能量占比不同的环形光斑。
进一步地，改变所述激光器的重复频率，形成内纤芯和外纤芯能量动态变化的环形光斑。
进一步地，所述激光器的输出功率范围为500～2000W。
按照本发明的另一个方面，提供了一种动态环形激光光斑产生方法，包括如下步骤：
步骤S1，产生入射激光束，并将其准直，形成准直激光束；
步骤S2，使准直激光束产生布拉格衍射，得到0级衍射光和1级衍射光；
步骤S3，将0级衍射光和1级衍射光聚焦后分别耦合进一个环形光纤的内纤芯和外纤芯，并在所述内纤芯和外纤芯内发生全反射，进而产生环形光斑。
进一步地，步骤S2中，改变0级衍射光和1级衍射光的能量占比，形成内纤芯和外纤芯能量占比不同的环形光斑。
进一步地，步骤S1中，改变入射激光束的重复频率，形成内纤芯和外纤芯能量动态变化的环形光斑。
进一步地，步骤S1中，产生的入射激光束功率范围为500～2000W。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案，能够取得以下有益效果：
(1)本发明的方法及装置，仅用一台激光器通过声光调制器就可以将激光耦合到环形光纤的内纤芯和外纤芯，达到了现有技术中近似两台激光器的效果，降低了环形光斑产生的复杂度，可以应用到脉冲焊接的领域，同时一台激光器在成本上也得到了控制，便于终端客户的切换和应用。
(2)作为优选通过调控声光调制器的衍射效率，实现0级衍射光和1级衍射光能量大小的实时调控，可得到内纤芯和外纤芯的能量占比不同的环形光斑。
(3)作为优选，改变激光器的重复频率，可以将激光分时耦合到环形光纤的内纤芯和外纤芯，形成内纤芯和外纤芯能量动态变化的环形光斑，实现环形光斑的时间分光效应以及能量的动态复合效应。
(4)作为优选，激光器的功率为中低功率，可以应用于中低功率脉冲焊接领域。
总而言之，本发明的方法和装置，能够实现激光束的时间分光效应以及环形光斑能量的动态复合效应，能够应用于中低功率脉冲焊接领域，解决脉冲激光器单纤芯光纤焊接过程中常出现的飞溅、气孔的缺陷，且成本低。
附图说明
图1为本发明实施例提供的动态环形激光光斑产生装置示意图。
图2为本发明实施例中的环形光纤结构示意图。
图3为本发明实施例中在一个焊接脉冲的时间内输出到内纤芯和外纤芯的能量变化示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
如图1、图2所示，本实施例，提供了一种动态环形激光光斑产生装置，沿光路方向依次包括：
激光器，用于产生入射激光束；作为优选，产生的入射激光束功率为中低功率，功率范围优选为500～2000W。本实施例中，所用激光器参数为：激光波长为1.08μm，激光功率为1000W，激光束芯径为14μm，输出激光束的数值孔径为65mrad。其中激光器为连续激光器或脉冲激光器。优选为光纤激光器，也可以选择其它类型激光器。
光束准直单元，用于使产生的入射激光束准直，产生平行光束。其中，光束准直单元可以为准直平凸透镜，或者是其它单片透镜或者多片组成的透镜组。本实施例中，所用光束准直单元为准直平凸透镜，该准直平凸透镜的材料为熔石英，焦距为28mm，其距离光纤激光器输出端面位置为28mm。其中，准直后平行光束的半径r1由准直平凸透镜焦距f1和光纤激光器输出激光束的数值孔径θ0决定，r1＝f1*tanθ0。
声光调制器(AOM)，用于使准直后的平行光束产生布拉格衍射，得到0级衍射光与1级衍射光两束光，并将0级衍射光与1级衍射光聚焦后分别耦合进环形光纤的内纤芯(圆心区域)和外纤芯(环形区域)。其中，调控声光调制器的调制效率，可以实现0级衍射光和1级衍射光能量大小的实时调控。本实施例中，所用AOM的材料为熔石英，激光波长1.08为μm，折射率为1.448，声光优值为1.50。
光束聚焦单元，用于将0级衍射光与1级衍射光聚焦。本实施例中，所用光束聚焦单元为聚焦透镜，该聚焦透镜的材料为熔石英，焦距为49mm。
环形光纤，用于将分别耦合进内纤芯(圆心区域)和外纤芯(环形区域)的0级衍射光与1级衍射光发生全反射，实现激光的时间分光和激光的动态复合效应。环形光纤的端面从内层到外层依次为：内纤芯core1，内包层，外纤芯core2，涂覆层。本实施例中，所用环形光纤参数为：内纤芯core1直径为600μm，内包层直径630μm，外纤芯core2直径1045μm，环形宽度为207.5μm。
其中，经过声光调制器后的两束光，聚焦在光束聚焦单元上的光斑半径与环形光纤内纤芯中心到外纤芯环形宽度的中心一致，使得通过光束聚焦单元后的两束光能够完全耦合到内纤芯和外纤芯。即声光调制器、光束聚焦单元以及环形光纤之间需要满足以下关系：
其中，l为声光调制器与光束聚焦单元的距离，r2为环形光纤内纤芯中心到外纤芯中心的距离，βd为声光调制器0级衍射光和﹢1级衍光之间的衍射角。l'为光束聚焦单元的焦距。本实施例中，r2为1/2(φ内包层+φ环形宽度)，φ表示直径，为418.75μm，βd为4.255mrad。
另外，聚焦后的光斑直径不大于环形光纤的内纤芯直径和环形部分的总宽度，即环形光纤的外纤芯直径d满足：
其中，M2为光纤激光器的光束质量因子，λ为入射激光束的波长，l'为光束聚焦单元的焦距，D为准直后的光束的直径(即2r1＝2f1*tanθ0)。
表示聚焦后的光斑直径。本实施例中光纤激光器的光束质量因子为1.1，入射激光束的波为1.08um，光束聚焦单元的焦距为50mm，准直后的光束的直径为3.64mm。
环形光纤内纤芯和外纤芯的折射率影响全反射的效率，按照内纤芯和外纤芯折射率差异越大，全反射效率越高，光束在内纤芯和外纤芯的损耗越小的原则进行。
通过调控声光调制器的衍射效率，实现0级衍射光和1级衍射光能量大小的实时调控，可得到内纤芯和外纤芯的能量占比不同的环形光斑。改变激光器的重复频率，可以将激光分时耦合到环形光纤的内纤芯和外纤芯，形成内纤芯和外纤芯能量动态变化的环形光斑，实现环形光斑的时间分光效应以及能量的动态复合效应。
本实施例中，通过调节声光调制器的驱动电源外控声功率来改变布拉格声光+1级衍射效率，也即改变最终形成的复合环形光斑的内纤芯(圆心区域)的能量和外纤芯(环形区域)的能量分布。本实施例中，使用的声光调制器+1级衍射效率为76％，内纤芯core1能量的调节范围为24％-100％；相应的外纤芯core2能量的调节范围为76％-0；实际应用中，可以选用衍射效率不同的声光调制器，使得能量的调节范围根据实际需求变化。
如图3所示，本次仿真实验中，使得0级衍射光与1级衍射光的能量占比分别为50％，即ηcore1＝50％，ηcore2＝50％，使最终形成的环形光斑的圆心区域的能量和环形区域的光斑能量相同。在一个焊接脉冲的时间T内，激光器输出的电信号调制脉冲序列的占空比其中，ton为高电平脉冲持续时间。可以看出，最终得到的环形光斑，内纤芯core1和外纤芯core2的能量占比为50％。在实际应用中，可以通过调控声光调制器的调制效率，实现0级衍射光和1级衍射光能量大小的实时调控，得到内纤芯和外纤芯的能量占比不同的环形光斑，实现环形光斑能量的动态复合效应。同时还可以控制输出到内纤芯和外纤芯激光的时间顺序，实现激光束的时间分光效应。
通过控制系统控制光纤激光器的输出功率以及声光调制器的调制效率，实现输出到环形光斑内纤芯和外纤芯功率的实时控制。作为优选，可以实现输出到外纤芯的激光先输出，由于外纤芯的聚焦面积大于内纤芯的聚焦面积，功率密度相对较低，达到去除镀层(如镀锌层)和对金属材料预热的作用。然后在极短的时间内(一般是μs级别)控制到内纤芯的激光输出，内纤芯聚焦光斑较小，功率密度相对较高，实现金属的熔化和焊接。由于有外纤芯光斑提前将镀层去除以及对金属加热，在相同的条件下，可以降低内纤芯的能量，即降低了内纤芯的功率密度，获得同样的熔深，并避免功率密度过高或污物导致的飞溅；同时，由于环形光束的预热，去除油污的同时，干燥了待加工材料的表面，可以有效避免气孔的产生，获得表面更加平整的零缺陷的焊接效果。
本实施例中，提供了一种动态环形激光光斑产生方法，具体包括如下步骤：
步骤S1，产生入射激光束，并将其准直，形成准直激光束；
作为优选，产生的入射激光束功率为中低功率，功率范围优选为500～2000W。
步骤S2，使准直激光束产生布拉格衍射，得到0级衍射光和1级衍射光；
具体的，步骤S2中，0级衍射光和1级衍射光的能量大小可以实时调控。
步骤S3，将步骤S2中的两束衍射光聚焦后分别耦合进一个环形光纤的内纤芯和外纤芯，并在所述内纤芯和外纤芯内发生全反射，进而产生环形光斑。其中，0级衍射光耦合进环形光纤的内纤芯，1级衍射光耦合进环形光纤的外纤芯，圆心区域和环形区域的折射率与内包层的折射率不同。环形光纤的端面从内层到外层依次为：内纤芯core1，内包层，外纤芯core2，涂覆层。
改变0级衍射光和1级衍射光的能量大小(占比)，形成内纤芯和外纤芯能量占比不同的环形光斑。
改变入射激光束的重复频率，可以将激光分时耦合到环形光纤的内纤芯和外纤芯，形成内纤芯和外纤芯能量动态变化的环形光斑，实现环形光斑的时间分光效应以及能量的动态复合效应。
即通过上述方法，实现了用一台中低功率的激光器产生环形激光光斑的输出。
针对脉冲焊接领域，本发明提出的方法及装置仅使用一台中低功率的光纤激光器通过声光调制器就可以将激光分时耦合到环形光纤的内纤芯和外纤芯，达到了现有技术中近似两台激光器的效果，可以应用到脉冲焊接的领域，同时一台激光器在成本上也得到了控制，便于终端客户的切换和应用。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种动态环形激光光斑产生装置，其特征在于，沿光路方向依次包括：激光器、光束准直单元、声光调制器、光束聚焦单元和环形光纤；
所述激光器，用于产生入射激光束，并经过所述光束准直单元准直后形成准直激光束；所述声光调制器用于使准直激光束产生布拉格衍射，得到0级衍射光与1级衍射光；所述0级衍射光与1级衍射光通过所述光束聚焦单元聚焦后分别耦合进所述环形光纤的内纤芯和外纤芯，并在所述内纤芯和外纤芯内发生全反射，进而产生环形光斑，其中，所述外纤芯的聚焦面积大于所述内纤芯的聚焦面积；
工作时，控制到所述外纤芯的激光先输出，到所述内纤芯的激光后输出；
所述声光调制器与光束聚焦单元的距离l满足：
其中，r2为环形光纤内纤芯中心到外纤芯中心的距离，βd为声光调制器0级衍射光和1级衍光之间的衍射角；
所述环形光纤的外纤芯直径d满足：
其中，M2为激光器的光束质量因子，λ为入射激光束的波长，l'为光束聚焦单元的焦距，D为准直后的光束的直径。
2.根据权利要求1所述的动态环形激光光斑产生装置，其特征在于，改变所述声光调制器的衍射效率，形成内纤芯和外纤芯能量占比不同的环形光斑。
3.根据权利要求1所述的动态环形激光光斑产生装置，其特征在于，改变所述激光器的重复频率，形成内纤芯和外纤芯能量动态变化的环形光斑。
4.根据权利要求1-3任意一项所述的动态环形激光光斑产生装置，其特征在于，所述激光器的输出功率范围为500～2000W。
5.一种如权利要求1-4任意一项所述的动态环形激光光斑产生装置产生动态环形激光光斑的方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤S1，产生入射激光束，并将其准直，形成准直激光束；
步骤S2，使准直激光束产生布拉格衍射，得到0级衍射光和1级衍射光；
步骤S3，将0级衍射光和1级衍射光聚焦后分别耦合进一个环形光纤的内纤芯和外纤芯，并在所述内纤芯和外纤芯内发生全反射，进而产生环形光斑。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，步骤S2中，改变0级衍射光和1级衍射光的能量占比，形成内纤芯和外纤芯能量占比不同的环形光斑。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，步骤S1中，改变入射激光束的重复频率，形成内纤芯和外纤芯能量动态变化的环形光斑。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，步骤S1中，产生的入射激光束功率范围为500～2000W。
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