CN115255612A - 一种基于激光焊接的光束整形方法、系统及应用装置 - Google Patents

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Abstract

本发明一种基于激光焊接的光束整形方法、系统及应用装置，包括依次设置的激光器、光束整形单元、聚焦单元，光束整形单元将激光从发散的高斯激光束转换为准直的平顶激光束，激光能量从高斯分布整形为均匀的平顶分布；聚焦单元将激光束聚焦形成轴向多焦点或平面多焦点的多焦点光路，提高焦点的能量均匀化程度，降低单焦点能量密度。采用本方案的基于激光焊接的光束整形方法、系统及应用装置，可克服在焊接过程中的飞溅、杂质和隆起等缺陷，有效提高焊接性能和焊接质量。

Description

一种基于激光焊接的光束整形方法、系统及应用装置
技术领域
本发明涉及激光焊接技术领域，具体涉及一种基于激光焊接的光束整形方法、系统及应用装置。
背景技术
激光焊接技术作为先进制造技术之一, 其原理是利用激光束优异的方向性和高功率密度等特点进行工作。通过光学系统将激光束聚焦在很小的区域内,在极短的时间内使被焊处形成一个能量高度集中的热源区,从而使被焊物熔化并形成牢固的焊点和焊缝。因其可焊材质种类多、无需真空、易于实现自动化、激光束束斑尺寸较小、可降低热量输入与焊接零件的热变形概率等优点被广泛应用于航空航天、汽车、船舶等工业领域,是一种比较成熟的制造技术。
现有激光焊接技术使用激光束尺寸相对较小，直径的典型范围在50至600µm之间，这使得只有在待焊接材料之间的间隙小于激光束的直径时，才可能进行焊接。因此，不添加填充材料的焊接通常需要技术上的零间隙配置。在深熔焊接模式下，通常发生的动态效应会导致熔池移动和喷射，称为飞溅。除材料损失外，这些喷出物还可能导致焊接零件表面出现不必要的飞溅附着，这需要额外处理。
现有激光焊接装置通常包括激光源、聚焦透镜，激光束在传输过程中能量分布呈高斯分布，由于高斯光束中心功率大，边缘功率小。因此导致中心温度比边缘温度高，用于激光传导焊接时受热不均匀，容易产生杂质和隆起等缺陷。在使用高斯光束进行高速激光焊接时，经常会发生一些不好的现象，比如说驼峰，形成驼峰的主要原因是激光焊接通过后熔融金属没办法通过物体较冷的表面，从而导致熔融金属冷却形成一个类似驼峰的接缝表面。激光束经聚焦透镜聚焦后只有一个焦点，激光焦点直径非常小，要有精密的夹紧装置，保持焊缝间隙在很小的范围内，不然可能会出现直接透过焊缝或者激光偏离焊缝的现象，影响焊接质量。另外，热影响区的温度梯度非常大，对工作性能产生不好的影响，容易产生咬边等缺陷。因此，现有的激光焊接方法容易在焊接过程中出现飞溅、焊缝质量低等现象，无法满足工业制造中较高的精度要求。
基于上述不足，如能解决激光焊接技术中焦点能量分布不均匀，单焦点能量密度高等问题，可有效的提升激光焊接质量，控制激光焊接过程中的飞溅，推进激光焊接技术在高精度、高效率加工领域的推广与产业化应用。
发明内容
本发明提出的一种基于激光焊接的光束整形方法、系统及应用装置，可将由激光器出射的高斯光束整形为平顶光束，均匀化焦点能量分布，由单焦点分束为均匀多焦点，削弱焊缝区的温度梯度，有效保证焊接质量、焊接效率。
为实现上述技术目的，达到上述技术效果，本发明通过以下技术方案解决上述问题：
一种基于激光焊接的光束整形系统，包括依次设置的激光器、光束整形单元、聚焦单元，所述光束整形单元将由激光器发出的高斯光束整形为能量分布均匀的平顶光束，经聚焦单元聚焦后转换为轴向多焦点或平面多焦点，降低单焦点能量密度。
上述方案中，激光束经激光器出射进入光束整形单元，光束单元整形对激光束进行调整使激光能量由高斯分布整形为能量分布均匀的平顶光分布。整形后的光束能够克服在焊接过程中的飞溅、杂质和隆起等缺陷。
整形后的光束能量分布更加均匀，由聚焦透镜形成的多焦点光路，能降低单焦点的能量密度，避免激光焦点直接透过或偏离焊缝的现象，削弱热影响区的温度梯度，可有效提高焊接性能、焊接效率。
进一步的，所述光束整形单元采用伽利略非球面透镜组。
进一步的，所述伽利略非球面透镜组包括前后排列的伽利略非球面平凹镜、伽利略非球面平凸镜。
进一步的，所述聚焦单元采用长焦深透镜、球面透镜或对数轴棱锥镜。
一种基于光束整形的激光焊接方法，采用上述基于激光焊接的光束系统，包括如下步骤：
1）激光由激光器出射，进入光束整形单元由发散的高斯激光束转换为平顶激光束，激光能量由高斯分布整形为均匀的平顶分布；
2）能量分布均匀的平顶激光束进入聚焦单元形成轴向多焦点或平面多焦点光路；
3）多焦点光路输出至工件表面，实现工件焊接。
应用基于光束整形的激光焊接装置，包括依次设置的激光器、光束整形单元、聚焦单元；所述光束整形单元将激光能量从高斯分布整形为能量均匀化程度高的平顶分布；所述聚焦单元将均匀化光束转换为轴向多焦点或平面多焦点的多焦点光路。
本发明的优点与效果是：
1、本发明所述的一种基于激光焊接的光束整形方法、系统及应用装置，设置光束整形单元对光路进行整形，使激光能量从高斯分布整形为能量均匀化程度高的平顶光分布。均匀化的激光束能够克服在焊接过程中的飞溅、杂质和隆起等缺陷，提高焊接性能和焊接质量。
2、本发明所述的一种基于激光焊接的光束整形方法、系统及应用装置，设置聚焦单元对整形后的激光束进行光路调整，由能量密度高的单焦点转换为轴向多焦点或平面多焦点的多焦点光路，降低单焦点能量密度，避免激光焦点直接透过或偏离焊缝的现象，削弱热影响区的温度梯度，可有效提高焊接性能、焊接效率。
附图说明
图1为本发明实施例1的光束整形系统示意图；
图2为本发明实施例2的光束整形系统示意图；
图3为本发明实施例3的光束整形系统示意图；
图4为基于光束整形的激光焊接应用装置原理示意图；
图号标识：1、激光器，2、光束整形单元，21、伽利略非球面平凸镜，22、伽利略非球面平凹镜，3、聚焦单元，31、长焦深透镜，32、球面透镜，33、对数轴棱锥镜，4、工作台单元，41、夹具，42、支撑平台，5、工件。
具体实施方式
下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例1
一种基于激光焊接的光束整形方法、系统及应用装置，如附图1所示，包括依次设置的激光器1、光束整形系统2、聚焦单元3。
激光器1选用调Q纳秒高功率密度激光发生器。光束整形单元2包括依次设置的伽利略非球面平凸镜21、伽利略非球面平凹镜22。伽利略非球面平凸镜21将准直后的光束分割匀化，伽利略非球面平凹镜22调整相位使光平行输出至聚焦单元3。
聚焦单元3选用长焦深透镜31，指定透镜中心厚度t=12.5mm、透镜前曲率半径s1=351.7mm、透镜后曲率半径s2=-645.5mm、焦距f=450mm。聚焦单元3可将光束整形单元2输出的均匀光束聚焦为轴向多焦点或平面多焦点的多焦点光束，以焦点点阵形式对工件实现焊接。
实施例2
如附图2所示，本实施例与实施例1的区别在于：聚焦单元3选用球面透镜32，球面透镜32同样可将经均匀化的激光束转换为轴向多焦点或平面多焦点，以焦点点阵形式传输至工件表面。
实施例3
如附图3所示，本实施例与实施例1的区别在于：聚焦单元3选用对数轴棱锥镜33，对数轴棱锥镜33同样可将经均匀化的激光束转换为轴向多焦点或平面多焦点，以焦点点阵形式传输至工件表面。
本发明实施例还提供了一种基于激光焊接的光束整形方法，采用上述实施例中任一项所述一种基于激光焊接的光束整形系统，其具体步骤为：
1）激光经光束整形单元2将激光从发散的高斯激光束转换为准直的平顶激光束，激光能量从高斯分布整形为均匀的平顶分布；
2）平顶激光束进入聚焦单元3聚焦形成轴向多焦点或平面多焦点的多焦点光路；
3）多焦点光路以焦点点阵的形式输出至工件表面，实现高质量焊接。
本发明实施例还提供了应用基于激光焊接的光束整形系统的加工装置，包括上述实施例中任一项所述基于激光焊接的光束整形系统，如附图4所示。激光束由激光器1出射，经激光经光束整形单元2将激光从发散的高斯激光束转换为准直的平顶激光束，激光能量从高斯分布整形为均匀的平顶分布，准直的平顶激光束进入聚焦单元3聚焦形成轴向多焦点或平面多焦点的多焦点光路，多焦点光路以焦点点阵的形式输出至工件表面，实现高质量焊接。
应用该加工装置，具体包括以下步骤：
1）：将工件5装夹于工作台单元4支撑平台42的夹具41工作位上；
2）：启动激光器1，输出稳定高功率密度激光；
3）：激光束经光束整形单元2整形后，将激光从发散的高斯激光束转换为准直的平顶激光束，激光能量从高斯分布整形为均匀的平顶分布；
4）：平顶激光束进入聚焦单元3聚焦形成轴向多焦点或平面多焦点的多焦点光路；
5）：多焦点光路以焦点点阵的形式输出至工件表面，实现高质量焊接；
6）：加工完毕后关掉激光器1，完成加工。
本发明与现有激光焊接方法相比，将光束整形系统应用于激光焊接。经过光束整形单元，将激光从发散的高斯激光束转换为准直的平顶激光束，激光能量从高斯分布整形为均匀的平顶分布，提升了激光能量的均匀化程度，提高工件的焊接质量和焊接性能。经光束整形单元后通过聚焦单元组成的多焦点光路，可实现多焦点点阵，降低单焦点能量密度，避免激光焦点直接透过或偏离焊缝的现象，削弱热影响区的温度梯度，可有效提高焊接性能、焊接效率。
以上结合附图对本发明的实施方式详细说明，但本发明不局限于所描述的实施方式。在不脱离本发明的原理和精神的情况下对这些实施方式进行多种变化、修改、替换和变型仍落入本发明的保护范围内。

Claims (5)

1.一种基于激光焊接的光束整形方法、系统及应用装置，包括依次设置的激光器（1）、光束整形单元（2）、聚焦单元（3），其特征在于：
所述光束整形单元（2）将激光从发散的高斯激光束转换为准直的平顶激光束，激光能量从高斯分布整形为均匀的平顶分布，所述聚焦单元（3）将激光束聚焦形成轴向多焦点或平面多焦点的多焦点光路。
2.根据权利要求1所述的基于激光焊接的光束整形系统，其特征在于：所述光束整形单元（2）采用伽利略非球面平凸镜（21）、伽利略非球面平凹镜（22）。
3.根据权利要求1所述的基于激光焊接的光束整形系统，其特征在于：所述聚焦单元（3）采用长焦深透镜（31）、球面透镜（32）、对数轴棱锥镜（33）。
4.基于激光焊接的光束整形方法，采用权利要求1~3中任何一项所述基于激光焊接的光束整形系统，其特征在于，包括如下步骤：
1）激光由激光器（1）出射，进入光束整形单元（2）将激光从发散的高斯激光束转换为准直的平顶激光束，激光能量从高斯分布整形为均匀的平顶分布；
2）准直的平顶激光束进入聚焦单元（3）聚焦形成轴向多焦点或平面多焦点的多焦点光路
3）多焦点光路以焦点点阵的形式输出至工件表面，实现高质量焊接。
5.基于激光焊接的光束整形应用装置，采用权利要求1~3中任何一项所述基于激光焊接的光束整形系统，其特征在于：
包括依次设置的激光器（1）、光束整形单元（2）、聚焦单元（3）、工作台单元（4），所述光束整形单元（2）将激光从发散的高斯激光束转换为准直的平顶激光束，激光能量从高斯分布整形为均匀的平顶分布；
所述聚焦单元（3）将激光束聚焦形成轴向多焦点或平面多焦点的多焦点光路；所述工作台单元（4）包括支撑平台（42），安装于支撑平台（42）上用于放置工件（5），夹具（41）用于固定工件（5）。
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