CN116117317A - 一种多点同时焊接的小型激光焊接头 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种多点同时焊接的小型激光焊接头，包括镜筒及在所述镜筒内沿激光传输方向依次设置的准直镜、DOE镜片、聚焦镜；所述DOE镜片将单一输入光分成多束光输出，且通过改变DOE镜片在单个相位周期内相位断点的个数和相对位置，输出不同的分束激光点阵。本发明应用于模内焊接，能够同时焊接多个焊点，大大提升工作效率，且焊点的位置及分别可以根据需求进行调整，满足客户的多样化需求定制。

Description

一种多点同时焊接的小型激光焊接头

技术领域

本发明涉及激光焊接技术领域，尤其涉及模内安装使用的激光焊接头，具体为一种多点同时焊接的小型激光焊接头。

背景技术

目前准直焊接头都是一个焊点焊完再焊另外一个焊点，且需要运动机构配合，生产效率低，成本高。另外，振镜头焊接也是需要一个一个的去焊接，焊接CT满足不了客户需求，且振镜头体积太大，不适用于安装空间受限的模内焊接。

一般冲压模具内空间狭窄，不便于安装现有焊接头，而狭窄的空间也不便于焊接头的维修或易损件的更换。并且，冲压模具内工作环境恶劣，油污多，振动频率大，对焊接头在防油污、防震动方面的需求也更高。

发明内容

为克服上述现有技术的不足，本发明提供一种多点同时焊接的小型激光焊接头，用以解决上述至少一个技术问题。

本发明是通过以下技术方案予以实现的：

一种多点同时焊接的小型激光焊接头，包括镜筒及在所述镜筒内沿激光传输方向依次设置的准直镜、DOE镜片、聚焦镜；所述DOE镜片将单一输入光分成多束光输出，且通过改变DOE镜片在单个相位周期内相位断点的个数和相对位置，输出不同的分束激光点阵。

上述技术方案应用于模内焊接，能够同时焊接多个焊点，大大提升工作效率，且焊点的位置及分别可以根据需求进行调整，满足客户的多样化需求定制。

作为进一步的技术方案，所述DOE镜片360°旋转可调。通过DOE镜片的任意360°旋转来调整焊点整体的角度。

作为进一步的技术方案，所述准直镜沿镜筒轴向可移动。由于模内空间有限，无法提供额外的空间供Z轴运动来调整焦点，因此通过准直镜的轴向移动实现调焦功能。

作为进一步的技术方案，所述镜筒上设有调焦环，所述调焦环上的刻度显示与准直镜的轴向位置相对应。

进一步地，所述调焦环上刻有一圈刻度，可通过看刻度来准确调节焦点位置，负值焦点收缩，正值焦点拉长，实现在有限空间内的调焦功能。

作为进一步的技术方案，所述DOE镜片采用分区偏振光栅方式，将整个通光孔径内分为两个半区，其中一个半区为偏振光栅，另一个半区为相位相反的偏振光栅。

作为进一步的技术方案，所述分束激光点阵根据所需的焊点个数、间距及焊点排布来确定。

进一步地，在确定所需的点间距后，根据光栅方程结合准直镜焦距确定角间隔。

进一步地，根据角间隔及激光波长，计算得到光栅周期。

进一步地，根据光栅周期，采用全局算法及相应的优化算法，得出DOE镜片在周期内的断点和提供的调制相位，即，得到DOE镜片在单个相位周期内相位断点的个数和相对位置。

进一步地，焊点排布包括一维分布和二维分布。

作为进一步的技术方案，所有镜片均采用弹性压圈压紧并在压圈外螺纹上涂螺纹胶水。通过该结构可避免镜片因长时间的高频振动而导致焊点偏移，以满足模内焊接的环境要求。

作为进一步的技术方案，所述镜筒上对应DOE镜片的位置还设有两个L型抱紧块，用于DOE镜片的二层防松紧固。该方案可满足既能对DOE镜片进行角度调整，又能在角度调整之后满足镜片防震固定需求。

作为进一步的技术方案，所述镜筒上对应准直镜的位置还设有两圈顶丝，用于准直镜的二层防松紧固。该方案可在焦点调节完后，通过两圈顶丝来固定准直镜，实现准直镜的调后防震固定。

作为进一步的技术方案，所述焊接头设计为L型焊接头或I型焊接头。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

(1)本发明应用于模内焊接，能够同时焊接多个焊点，大大提升工作效率，且焊点的位置及分别可以根据需求进行调整，满足客户的多样化需求定制。

(2)本发明采用整体小型化设计，焊接头宽度尺寸最小可缩到29mm，可避免因模具空间不够，导致一系列安装时干涉的问题。

(3)本发明采用防震设计，可以避免在长时间高频率振动下焊点偏移的问题，可以长期保证焊点位置精度，免去生产维护人力成本以及宕机导致产量下降问题。

(4)本发明采用防油污密封设计，外部油污不会污染里面的光路，能够适应油污较多的模内工作环境。

附图说明

图1为根据本发明实施例的L型焊接头示意图。

图2为根据本发明实施例的焊接头原理示意图。

图3为根据本发明实施例的I型焊接头示意图。

图4为根据本发明实施例的DOE镜片分束示意图。

图5为根据本发明实施例的L型抱紧块示意图。

图6为根据本发明实施例的L型抱紧块局部示意图。

图7为根据本发明实施例的DOE镜片优化后的相位示意图。

图中：1、准直镜；2、DOE镜片；3、聚焦镜；4、全反镜；5、抽屉式保护镜片组件；6、同轴气嘴；7、光束。

具体实施方式

以下将结合附图对本发明各实施例的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的所有其它实施例，都属于本发明所保护的范围。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个所述特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接或可以相互通讯；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

本发明针对模内空间狭窄，现有焊接头难以适用的现状，提供一种多点同时焊接的小型激光焊接头，采用整体小型化设计，能够安装于模内空间，且利用DOE镜片将单一输入光分成多束光输出，满足一个焊接头可以同时焊接多个焊点，降低了焊接头数量需求，提升了焊接效率，每分钟可以焊接1000Pcs。同时，该焊接头可根据客户焊点位置及分布来设计DOE镜片，满足客户的多样化定制需求。

具体地，同时焊接的多个焊点，包括奇数点和偶数点，多个焊点可以分布成一条线、长方形、正方形、圆形、三角形等，可以满足客户的多样化需求定制。

如图1所示为一种L型焊接头，用以满足客户从上往下焊接或从下往上焊接。该焊接头包括镜筒及在所述镜筒内沿激光传输方向依次设置的准直镜、DOE镜片、聚焦镜和全反镜。激光器发出的光，依次经准直镜、DOE镜片、聚焦镜、全反镜后输出并入射至工件表面。

如图2所示为焊接头的光路原理。激光器发出的激光，经由准直镜形成平行光束，所述平行光束经由DOE镜片分束，形成具有所需的分束激光点阵并入射到聚焦镜上，再经由聚焦镜再聚焦入射至工件表面。

所述DOE镜片的分光效率均可高达95％以上，每个焊点之间能量均匀性在3％以内。

如图3所示为一种I型焊接头，用以满足客户水平方向焊接。

如图4所示，这里的DOE镜片采用达曼光栅，其分光原理包括：

在获取客户需要的点间距L后，依据光栅方程，结合准直镜焦距F计算角间隔θ，如下所示：

L＝2F·tg(θ/2)；

再依据激光波长λ计算得到光栅周期：Λ*sinθ＝λ；

得出光栅周期后，再采用全局算法和相应的优化算法，得出DOE镜片在周期内的断点和提供的调制相位，其中调制相位

和刻蚀深度s的对应关系为(n为元件折射率)：

上述采用全局算法和相应的优化算法，得出DOE镜片在周期内的断点和提供的调制相位的方式为现有成熟技术，在此不做赘述。

基于上述分光原理，可以实现将单一输入光分成多束光输出，其输出光的数量(图4中的q)、阵列、角间隔、能量分布均可以实现定制。并且，通过改变DOE镜片在单个相位周期内的断点的个数及相对位置(相对位置与调制相位对应)，可以形成不同的分束激光点阵。

DOE镜片分束不改变光束固有特性，包括光束的光束质量，光斑能量分布等参数。

进一步地，DOE镜片需要入射光正入射。

DOE镜片微结构为周期性重复结构，一般入射光入射到光栅任何刻蚀面积不影响最终分束结果。

DOE镜片的分束点数和分束角间隔取决于当下激光加工的线宽，一般点阵数量越多，角间隔越大，加工难度越大。

入射光斑大小最好覆盖DOE镜片周期的5倍以上，在可以牺牲一定均匀性的前提下，3倍为最低限度，否则分束效果受限。

二维DOE镜片，为对一维DOE镜片进行正交变换，因此其分束效率为一维DOE镜片的平方，通常只有60多的百分比。

考虑到模内焊接应用时，需要调节焊点整体的角度，而模内有限的空间又不允许增设额外的角度调整机构，因此，这里将DOE镜片设计为360°旋转可调，通过DOE镜片的任意360°旋转来调整焊点整体的角度。

由于模内工作环境下振动频率大，DOE镜片又需要旋转调节，因此要求DOE镜片既要固定不动，又要其能够调整且在调整后还能够在振动环境下长时间稳定不动。这里设置两层防松结构，其中一层为采用弹性压圈压紧并在压圈外螺纹上涂螺纹胶水，另一层为两个L型抱紧块。

进一步地，弹性压圈有一大一小两个，其中小的压圈用来压DOE镜片，大的压圈用来压整个DOE组件(包含DOE镜片和结构件，这里的结构件用于固定支撑DOE镜片)。旋转调节时，整个DOE组件一起旋转，带动小的压圈跟着一起旋转。

如图5-6所示，两个L型抱紧块设置在镜筒上对应DOE镜片的位置。在需要旋转调节时，打开L型抱紧块，调节DOE组件，再调节完成后，再盖上L型抱紧块，完成调节后的抱紧锁死。

由于模内空间有限，不能像常规应用将焊接头固定在Z轴上，提供Z轴运动来调焦点。因此将准直镜设计为在焊接头镜筒内轴向位置可调，进而实现调焦功能。

所述镜筒上设有调焦环，所述调焦环上刻有一圈刻度，可通过看刻度来准确调节焦点位置，负值焦点收缩，正值焦点拉长，实现在有限空间内的调焦功能。

进一步地，所述准直镜除采用弹性压圈压紧并在压圈外螺纹上涂螺纹胶水外，还设有两圈顶丝，用于准直镜的二层防松紧固。这两圈顶丝可在焦点调节完后固定准直镜，实现准直镜的调后防震固定。所述镜筒上设有两圈螺纹孔，用于供顶丝穿过以提供顶丝锁紧准直镜组件作用。

可选地，所述DOE镜片可采用分区偏振光栅方式进行优化，将整个通光孔径内分为两个半区，其中一个半区为偏振光栅，另一个半区为相位相反的偏振光栅，以解决分光后几个焊点能量均匀性的问题，优化后几个焊点的能量一致性可以在3％以内。具体相位图如图7所示，在分束应用中，分区偏振光栅对入射光斑的偏振态无要求，尽可能的让光斑中心与分区偏振光栅进行对准。

本发明可以大大提升激光焊接的效率，较传统的焊接头可提升600％，减少客户成本，原本需要采购6台设备满足加工需求，现在只需1台即可满足生产任务量；原本需要开发6套模具，现在只需开1套模具，1套模具开发制作费用昂贵，真正做到为客户节约成本。

本发明采用抽屉式保护镜片组件，可以快速更换易损件，维护方便快捷，简单易上手。

本发明首先能够根据客户给的空间进行焊接头设计，如进行器件小型化、通过准直镜调焦、通过DOE镜片调整焊点整体角度等，使设计的焊接头能够满足模内狭窄的安装空间，同时还便于狭小空间内的镜片调试；其次能够通过多点同时焊接满足客户的效率要求，达到每分钟1000pcs；再者能够通过双层防松结构保证DOE镜片、准直镜等镜片的稳定性，使各光学镜片能够在冲床高频率振动环境下保证稳定不动；最后能够通过密封设计防止冲压油污对光路的影响。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案。

Claims (10)

1.一种多点同时焊接的小型激光焊接头，其特征在于，包括镜筒及在所述镜筒内沿激光传输方向依次设置的准直镜、DOE镜片、聚焦镜；所述DOE镜片将单一输入光分成多束光输出，且通过改变DOE镜片在单个相位周期内相位断点的个数和相对位置，输出不同的分束激光点阵。

2.根据权利要求1所述一种多点同时焊接的小型激光焊接头，其特征在于，所述DOE镜片360°旋转可调。

3.根据权利要求1所述一种多点同时焊接的小型激光焊接头，其特征在于，所述准直镜沿镜筒轴向可移动。

4.根据权利要求3所述一种多点同时焊接的小型激光焊接头，其特征在于，所述镜筒上设有调焦环，所述调焦环上的刻度显示与准直镜的轴向位置相对应。

5.根据权利要求1所述一种多点同时焊接的小型激光焊接头，其特征在于，所述DOE镜片采用分区偏振光栅方式，将整个通光孔径内分为两个半区，其中一个半区为偏振光栅，另一个半区为相位相反的偏振光栅。

6.根据权利要求1所述一种多点同时焊接的小型激光焊接头，其特征在于，所述分束激光点阵根据所需的焊点个数、间距及焊点排布来确定。

7.根据权利要求1所述一种多点同时焊接的小型激光焊接头，其特征在于，所有镜片均采用弹性压圈压紧并在压圈外螺纹上涂螺纹胶水。

8.根据权利要求7所述一种多点同时焊接的小型激光焊接头，其特征在于，所述镜筒上对应DOE镜片的位置还设有两个L型抱紧块，用于DOE镜片的二层防松紧固。

9.根据权利要求7所述一种多点同时焊接的小型激光焊接头，其特征在于，所述镜筒上对应准直镜的位置还设有两圈顶丝，用于准直镜的二层防松紧固。

10.根据权利要求1所述一种多点同时焊接的小型激光焊接头，其特征在于，所述焊接头设计为L型焊接头或I型焊接头。

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