CN116079229B - 一种点环激光加工系统及其加工方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种点环激光加工系统及其加工方法，涉及激光焊接领域。该系统包括激光器、扩束器、1/4波片、第一平板锥透镜、第二平板锥透镜、第三平顶锥透镜、振镜以及场镜；激光器发出的激光束经过扩束器进行扩束，扩束后的光斑经过所述1/4波片、第一平板锥透镜和第二平板锥透镜组成的环形扩束装置形成环形光束；通过调整第一平板锥透镜以及第二平板锥透镜的路径，使得环形光束经过第三平顶锥透镜后形成不同类型的光束；光束包括点光束、环光束和点环光束；不同类型的光束经过振镜和场镜聚焦后到达加工面，得到不同尺寸的点光束、环光束和点环光束。本发明仅用简单的结构就能够提高焊接速度以及降低系统成本。

Description

一种点环激光加工系统及其加工方法

技术领域

本发明涉及激光焊接领域，特别是涉及一种点环激光加工系统及其加工方法。

背景技术

激光焊接是将激光束通过光学镜片聚焦到工件表面，让材料快速熔化形成熔池，然后快速冷却形成焊接接头，具有深宽比大、焊接速度快、与工件非接触等特点，很容易实现自动化生产。

高反材料在激光焊接过程中由于激光热源与材料相互作用复杂，以及铝合金、铜合金本身特殊的物理性能，焊接时存在对激光反射率高、焊接过程不稳定、易产生气孔缺陷等问题。采用普通激光焊接铝、铜这些高反材料时，用同一种类型的激光束焊接，钥孔塌陷会产生小孔、飞溅，由于飞溅会导致焊缝金属减少，致使表面坑洼、不平整；这些材料对激光反射率高、吸收率低，大部分能量都被反射掉了，导致填充物融合不好；同时在冷却过程中，由于冷却速度过快，使得氢气等气体在熔池内的溶解度急剧降低且来不及逸出，导致气孔产生。

常见的解决办法是：使用摆动焊接头，由于受到摇摆的情况，在单位时间的中心点的能量密度会变低，降低焊接速度；双波长复合焊接头，将光纤激光器和半导体激光器复合在一起，再通过特种光纤进行传输，获得点环光束，这种方式需要用到两台激光器，且特殊光纤的成本较高，整个系统的复杂度较高。

发明内容

本发明的目的是提供一种点环激光加工系统及其加工方法，以解决焊接速度慢且结构复杂，系统成本高的问题。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种点环激光加工系统，包括：激光器、扩束器、1/4波片、第一平板锥透镜、第二平板锥透镜、第三平顶锥透镜、振镜以及场镜；

所述激光器发出的激光束经过扩束器进行扩束，扩束后的光斑经过所述1/4波片、所述第一平板锥透镜和第二平板锥透镜组成的环形扩束装置形成环形光束；

通过调整所述第一平板锥透镜以及所述第二平板锥透镜的路径，使得所述环形光束经过所述第三平顶锥透镜后形成不同类型的光束；所述光束包括点光束、环光束和点环光束；

所述不同类型的光束经过所述振镜和所述场镜聚焦后到达加工面，得到不同尺寸的点光束、环光束和点环光束。

一种点环激光加工系统的加工方法，所述加工方法应用于上述点环激光加工系统，所述加工方法包括：

利用激光器发出激光束，并获取激光波长；

令所述激光束经过扩束器后得到高斯光束，并经过1/4波片后形成左旋圆偏振光；所述高斯光束为扩束后的光斑；

获取第一平板锥透镜或第二平板锥透镜的径向周期；所述第一平板锥透镜与所述第二平板锥透镜的径向周期相同；

根据所述激光波长以及所述径向周期确定衍射角度；

获取第三平顶锥透镜的平顶区域半径以及所述高斯光束的光斑半径；

基于所述衍射角度、所述平顶区域半径以及所述光斑半径，调整第一平板锥透镜以及第二平板锥透镜之间的距离，形成不同类型的光束；所述光束包括点光束、环光束和点环光束；

令所述不同类型的光束经过所述振镜和所述场镜聚焦后到达加工面，得到不同尺寸的点光束、环光束和点环光束。

可选的，根据所述激光波长以及所述径向周期确定衍射角度，具体包括：

利用公式确定衍射角度；其中，/>为衍射角度，/>为激光波长，d为径向周期。

可选的，当时，所述加工面上只会出现环形光束；

其中，L为所述第一平板锥透镜以及所述第二平板锥透镜之间的距离，m为平顶区域半径，w为光斑半径。

可选的，当时，所述加工面上只会出现点光束；

其中，L为所述第一平板锥透镜以及所述第二平板锥透镜之间的距离，m为平顶区域半径，w为光斑半径。

可选的，当时，所述加工面上出现点环光束；

其中，L为所述第一平板锥透镜以及所述第二平板锥透镜之间的距离，m为平顶区域半径，w为光斑半径。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：本发明提供了一种点环激光加工系统及其加工方法，通过调整第一平板锥透镜以及第二平板锥透镜之间的距离，形成不同类型的光束，经过所述振镜和所述场镜聚焦后到达加工面，得到不同尺寸的点光束、环光束和点环光束，从而避免了激光金属焊接中飞溅、气孔等不良的产生，无需摆动焊接头，也不用增设新的激光器，仅用简单的结构，就能够得到不同尺寸的点光束、环光束和点环光束，提高了焊接速度，大大降低了系统成本。

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性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明是所提供的点环激光加工系统结构图；

图2为本发明所提供的点环激光加工系统的加工方法流程图；

图3为本发明所提供的环形光束示意图；

图4为本发明所提供的点光束示意图；

图5为本发明所提供的点环光束示意图。

符号说明：

激光器1、扩束器2、1/4波片3、第一平板锥透镜4、第二平板锥透镜5、第三平顶锥透镜6、振镜7、场镜8、加工面9。

实施方式

下面将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，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种点环激光加工系统及其加工方法，仅用简单的结构就能够提高焊接速度以及降低系统成本。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1为本发明是所提供的点环激光加工系统结构图，如图1所示，一种点环激光加工系统，包括：激光器1、扩束器2、1/4波片3、第一平板锥透镜4、第二平板锥透镜5、第三平顶锥透镜6、振镜7以及场镜8；所述激光器1发出的激光束经过扩束器2进行扩束，扩束后的光斑经过所述1/4波片3、所述第一平板锥透镜4和第二平板锥透镜5组成的环形扩束装置形成环形光束；通过调整所述第一平板锥透镜4以及所述第二平板锥透镜5的路径，使得所述环形光束经过所述第三平顶锥透镜6后形成不同类型的光束；所述光束包括点光束、环光束和点环光束；所述不同类型的光束经过所述振镜7和所述场镜8聚焦后到达加工面9，得到不同尺寸的点光束、环光束和点环光束。

本发明无需摆动焊接头，也不用增设新的激光器，仅用简单的结构，就能够得到不同尺寸的点光束、环光束和点环光束，对于高反材料焊接，需要高强度、高能量密度的中心光束，提供了轻松熔化材料所需的能量，尽管它的吸收系数相对较低，一旦高反材料被加热它就会很好地吸收红外线，在环形光束加热材料直到它融化，接下来，一个大功率的中心光束来空洞，在焊接过程中，环形光束保持了一些功率，这稳定了空洞使其不那么湍流和混乱，大量减少了飞溅。

红外较低的吸收率实际上成为一个优势，一旦建立了，它就会变得更容易穿透，从而更容易焊接较厚的底材。因此，无论工件的表面变化如何或上下材料的厚度差异多少，都可以从激光起始点开始始终如一地维持焊接质量，创造一个干净、均匀的焊接质量，减少大量的喷溅，从而克服传统光纤激光的局限性。

图2为本发明所提供的点环激光加工系统的加工方法流程图，如图2所示，一种点环激光加工系统的加工方法，所述加工方法应用于上述点环激光加工系统，所述加工方法包括：

步骤201：利用激光器1发出激光束，并获取激光波长。

步骤202：令所述激光束经过扩束器2后得到高斯光束，并经过1/4波片3后形成左旋圆偏振光；所述高斯光束为扩充后的光斑。

步骤203：获取第一平板锥透镜4或第二平板锥透镜5的径向周期；所述第一平板锥透镜4与所述第二平板锥透镜5的径向周期相同。

步骤204：根据所述激光波长以及所述径向周期确定衍射角度。

在实际应用中，所述步骤204具体包括：利用公式确定衍射角度；其中，/>为衍射角度，/>为激光波长，d为径向周期。

步骤205：获取第三平顶锥透镜6的平顶区域半径以及所述高斯光束的光斑半径。

步骤206：基于所述衍射角度、所述平顶区域半径以及所述光斑半径，调整第一平板锥透镜4以及第二平板锥透镜5之间的距离，形成不同类型的光束；所述光束包括点光束、环光束和点环光束。

步骤207：令所述不同类型的光束经过所述振镜7和所述场镜8聚焦后到达加工面9，得到不同尺寸的点光束、环光束和点环光束。

在实际应用中，当时，所述加工面9上只会出现环形光束；其中，L为所述第一平板锥透镜4以及所述第二平板锥透镜5之间的距离，m为平顶区域半径，w为光斑半径，图3为本发明所提供的环形光束示意图。

当时，所述加工面9上只会出现点光束，图4为本发明所提供的点光束示意图。

当时，所述加工面9上出现点环光束，图5为本发明所提供的点环光束示意图。

本发明从激光器1出来的光经过扩束器2进行扩束，扩束后的光斑经过1/4波片3后，经过第一平板锥透镜4和第二平板锥透镜5组成的环形扩束装置形成环形光束；环形光束经过第三平顶锥透镜6后形成点光束、环光束或点环光束；透射光束经过振镜7系统和场镜8聚焦后到达加工面9，即可得到小尺寸的点光束、环光束和点环光束。通过调节第一平板锥透镜4和第二平板锥透镜5之间的距离得到小尺寸的点光束、环光束和点环光束。

在实际应用中，激光器1波长为λ，经过扩束器2后得到光斑半径为w的高斯光束，经过1/4波片3后形成左旋圆偏振光。

第一平板锥透镜4和第二平板锥透镜5的参数相同，即径向周期为d，则衍射角度为 。

当第一平板锥透镜4和第二平板锥透镜5之间的距离为L时，产生的环形光束高度为 。

当第三平顶锥透镜6的平顶区域半径为m时，锥透镜区域的周期为D时，通过调节L，即可实现小尺寸的点光束、环光束和点环光束。

经振镜7及场镜8形成聚焦的点环光束。

本发明避免了激光金属焊接中飞溅、气孔等不良的产生。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (2)

1.一种点环激光加工系统，其特征在于，包括：激光器、扩束器、1/4波片、第一平板锥透镜、第二平板锥透镜、第三平顶锥透镜、振镜以及场镜；

所述激光器发出的激光束经过扩束器进行扩束，扩束后的光斑经过所述1/4波片、所述第一平板锥透镜和第二平板锥透镜组成的环形扩束装置形成环形光束；

通过调整所述第一平板锥透镜以及所述第二平板锥透镜的路径，使得所述环形光束经过所述第三平顶锥透镜后形成不同类型的光束；所述光束包括点光束、环光束和点环光束；

所述不同类型的光束经过所述振镜和所述场镜聚焦后到达加工面，得到不同尺寸的点光束、环光束和点环光束；当时，所述加工面上只会出现环形光束；其中，/>为所述第一平板锥透镜以及所述第二平板锥透镜之间的距离，m为平顶区域半径，w为光斑半径；当/>时，所述加工面上只会出现点光束；当时，所述加工面上出现点环光束，/>为衍射角度。

2.一种点环激光加工系统的加工方法，其特征在于，所述加工方法应用于权利要求1所述的点环激光加工系统，所述加工方法包括：

利用激光器发出激光束，并获取激光波长；

令所述激光束经过扩束器后得到高斯光束，并经过1/4波片后形成左旋圆偏振光；所述高斯光束为扩束后的光斑；

获取第一平板锥透镜或第二平板锥透镜的径向周期；所述第一平板锥透镜与所述第二平板锥透镜的径向周期相同；

根据所述激光波长以及所述径向周期确定衍射角度，具体包括：利用公式确定衍射角度；其中，/>为衍射角度，/>为激光波长，d为径向周期；

获取第三平顶锥透镜的平顶区域半径以及所述高斯光束的光斑半径；

基于所述衍射角度、所述平顶区域半径以及所述光斑半径，调整第一平板锥透镜以及第二平板锥透镜之间的距离，形成不同类型的光束；所述光束包括点光束、环光束和点环光束；

令所述不同类型的光束经过所述振镜和所述场镜聚焦后到达加工面，得到不同尺寸的点光束、环光束和点环光束。