CN116871680A - 一种焊接异种材料的激光光路系统 - Google Patents
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Abstract
本发明属于激光焊接技术领域，并公开了一种焊接异种材料的激光光路系统，包括：光源，吸收率调节机构，用于对激光的激光能量进行吸收调节；吸收率调节机构包括第一吸收率调节片组和第二吸收率调节片组，分光棱镜，包括第一棱镜和第二棱镜，第一棱镜位于吸收率调节机构远离光源的一侧，第二棱镜位于第一棱镜上方；分光反射后的光路上设置有聚焦系统，聚焦系统下方设置有待焊接异种材料；显示机构，包括相机、光源、面阵CCD和显示装置。本发明技术方案装置简单、调节方便、成本低，能够有效解决异种材料不好焊接的问题。
Description
技术领域
本发明属于激光焊接技术领域，特别是涉及一种焊接异种材料的激光光路系统。
背景技术
激光焊接是非常常见的一种激光加工技术，由于激光焊接的激光束可聚焦在很小的区域，可焊接小型且间隔相近的部件，不受电磁场影响所以能精确对准焊接区域，焊接变形小，无需电极所以没有电极污染的问题，可焊接两种不同物性的材料，以及非常适用于小型零件的精密焊接等优越性所以得到了广泛的应用。在在工业生产和科研活动中经常涉及到不同的金属或其他非金属材料连接在一起的问题。比如：铝合金和钢材之间的激光焊接。铝合金和钢材都具有强度高、成形性能优异等特点，所以在工业生产中得到了广泛的应用，但是无论哪种材料，性能总存在一定的局限性，而铝钢异种金属连接可以发挥各自的优良性能，满足交通工具行业轻量化、高性能化和低成本化发展趋势等各种要求。然而，两种金属对激光的反射率和吸收率差异较大，晶体结构、热物理、熔点及力学性能差异大，熔化焊过程中极易在接头内生成大量硬脆的物质，严重恶化接头的力学性能，甚至造成焊接失败。再比如：不锈钢具有良好的高强度、耐腐蚀性和成形性能，铜含氧量极低，具备良好的导电性能、导热性能、加工性能和低温性能等，在新能源、石油化工、航空航天和海洋装备等诸多领域都涉及不锈钢和无氧铜的焊接，也就是将无氧铜的良好导电性和导热性与不锈钢的高强度和高耐蚀性等性能结合起来，将两种金属的优点更好地发挥出来。但考虑到铜钢异种材料的对激光能量的吸收率和反射率不同、熔点差异大，在焊接过程中进行对焊时很难得到优良的焊接接头，也就是可能一种材料汽化了而另一种材料可能还没熔化。因此，异种材料进行激光焊接时，经常出现因为异种材料的物化性能不同、对激光的吸收率和反射率差异大、熔点差异大等原因导致焊接部位的性能较差，甚至焊接失败。
发明内容
本发明的目的是提供一种焊接异种材料的激光光路系统，以解决上述现有技术存在的问题。
为实现上述目的，本发明提供了一种焊接异种材料的激光光路系统，包括：
光源，用于发射激光；
吸收率调节机构，活动安装于所述激光的光路上，用于对所述激光的激光能量进行吸收调节；所述吸收率调节机构包括第一吸收率调节片组和第二吸收率调节片组，所述第一吸收率调节片组和所述第二吸收率调节片组依次排列于所述激光的光路上；所述第一吸收率调节片组和所述第二吸收率调节片组均由若干平行平板沿光路方向均匀排列组成；
分光棱镜，包括第一棱镜和第二棱镜，所述第一棱镜位于所述吸收率调节机构远离光源的一侧，所述第二棱镜位于所述第一棱镜上方；
所述第一棱镜用于对经过所述吸收率调节机构的激光进行分光反射，所述激光经过分光反射后的光路上设置有聚焦系统，用于对激光进行聚焦，所述聚焦系统下方设置有待焊接异种材料；
显示机构，包括相机、拍摄照明光源、面阵CCD和显示装置；所述相机的镜头端朝向所述第二棱镜，所述第二棱镜一侧设置有所述拍摄照明光源，所述面阵CCD的镜头端朝向所述第一棱镜，所述相机和所述面阵CCD的数据输出端均与所述显示装置电连接。
可选的，所述第一吸收率调节片组和所述第二吸收率调节片组中的若干平行平板均为可旋转式平板；且若干所述平行平板均可沿所述光路的垂直方向进行平移；
每个所述平行平板的一端均镀有激光焊接波长的增透膜，另一端镀有激光焊接波长的吸收膜。
可选的，所述第一吸收率调节片组中的若干所述平行平板中所述吸收膜的吸收率为％、％、％和％中的任意一种。
可选的，所述第二吸收率调节片组中的若干所述平行平板中所述吸收膜的吸收率为1％、2％、4％和5％中的任意一种。
可选的，若干所述平行平板中所述增透膜和所述吸收膜的镀膜长度比例均为2:1。
本发明的技术效果为：
本发明充分利用平行平板在平行光路中不改变光束的出射方向以及平行平板绕着光轴旋转时不同位置的光强分布受平行平板透射率影响的特点解决异种材料焊接时，异种材料的熔点差异大导致熔化不能同步以及异种材料对激光波长反射率不同导致焊接失败的问题，本发明通过在垂直于激光方向移动吸收率调节片组的平行平板以及组合吸收率率调节片组A和B，可使得异种材料焊接位置具有所需要的光强大小，光强之比可在(1-100)：100的范围内，从而确保具有不同反射率、熔点差异大等特征的异种材料在激光焊接时基本上在相同时刻达到熔点等物化性能变化，极大提高异种材料激光焊接的成功率、改善焊接部位的性能，最终达到将异种材料焊接在一起的目的并且具有优秀的焊接性能；另外，激光的光路中设置分光棱镜从而对激光的光斑能量分布进行探测观察，同时引入拍摄和照明光路系统对异种焊接材料的焊接位置进行观察并且和光强分布进行对比，根据对比结果判断吸收率调节片组是否需要旋转一个角度，通过旋转吸收率调节片组达到激光的光强分布与异种焊接材料的相对位置相对应，整个系统的装置简单、调节方便、成本低，能够有效解决异种材料不好焊接的问题，不依赖其他复杂结构即可实现异种材料的激光焊接。
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的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
构成本申请的一部分的附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：
图1为本发明实施例中的结构图；
图2为本发明实施例中的第一吸收率调节片组镀膜区域示意图；
图3为本发明实施例中的垂直于激光吸收率调节片移动的示意图；
图4为本发明实施例中的第二吸收率调节片组镀膜区域示意图；
图5为本发明实施例中的第一和第二吸收率调节片组吸收77％的组合示意图；
图6为本发明实施例中的吸收率调节片组旋转一个角度调整激光能量分布示意图；
图7为本发明实施例中的根据异种材料的相对位置旋转吸收率调节片调整能量分布示意图；
标号说明：1-光源，2-第一吸收率调节片组，3-第二吸收率调节片组，4-分光棱镜，5-相机，6-拍摄照明光源，7-面阵CCD，8-显示装置，9-待焊接异种材料。
具体实施方式
现详细说明本发明的多种示例性实施方式，该详细说明不应认为是对本发明的限制，而应理解为是对本发明的某些方面、特性和实施方案的更详细的描述。
应理解本发明中所述的术语仅仅是为描述特别的实施方式，并非用于限制本发明。另外，对于本发明中的数值范围，应理解为还具体公开了该范围的上限和下限之间的每个中间值。在任何陈述值或陈述范围内的中间值以及任何其他陈述值或在所述范围内的中间值之间的每个较小的范围也包括在本发明内。这些较小范围的上限和下限可独立地包括或排除在范围内。
除非另有说明，否则本文使用的所有技术和科学术语具有本发明所述领域的常规技术人员通常理解的相同含义。虽然本发明仅描述了优选的方法，但是在本发明的实施或测试中也可以使用与本文所述相似或等同的任何方法。本说明书中提到的所有文献通过引用并入，用以公开和描述与所述文献相关的方法。在与任何并入的文献冲突时，以本说明书的内容为准。
在不背离本发明的范围或精神的情况下，可对本发明说明书的具体实施方式做多种改进和变化，这对本领域技术人员而言是显而易见的。由本发明的说明书得到的其他实施方式对技术人员而言是显而易见的。本申请说明书和实施例仅是示例性的。
关于本文中所使用的“包含”、“包括”、“具有”、“含有”等等，均为开放性的用语，即意指包含但不限于。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。
实施例一
如图1-图7所示，本实施例中提供了一种焊接异种材料的激光光路系统，包括：光源1，用于发射激光；
吸收率调节机构，活动安装于所述激光的光路上，用于对所述激光的激光能量进行吸收调节；所述吸收率调节机构包括第一吸收率调节片组2和第二吸收率调节片组3，所述第一吸收率调节片组2和所述第二吸收率调节片组3依次排列于所述激光的光路上；所述第一吸收率调节片组2和所述第二吸收率调节片组3均由若干平行平板沿光路方向均匀排列组成；
分光棱镜4，包括第一棱镜和第二棱镜，所述第一棱镜位于所述吸收率调节机构远离光源1的一侧，所述第二棱镜位于所述第一棱镜上方；
所述第一棱镜用于对经过所述吸收率调节机构的激光进行分光反射，所述激光经过分光反射后的光路上设置有聚焦系统，用于对激光进行聚焦，所述聚焦系统下方设置有待焊接异种材料9；
显示机构，包括相机5、光源6、面阵CCD7和显示装置8；所述相机5的镜头端朝向所述第二棱镜，所述第二棱镜一侧设置有所述拍摄照明光源6，所述面阵CCD7的镜头端朝向所述第一棱镜，所述相机5和所述面阵CCD7的数据输出端均与所述显示装置8电连接。
所述第一吸收率调节片组2和所述第二吸收率调节片组3中的若干平行平板均为可旋转式平板；所述显示装置8用于显示光强分布与待焊接异种材料的相对位置。
如图1所示，光路系统由激光生成的透镜系统、吸收率调节片组、棱镜分光系统、面阵CCD激光光强分布探测与显示系统、焊接激光束的聚焦透镜系统、拍摄和光源照明系统组成。激光的横截面直径为2a，并且以直径为界被分成面积五五开的两部分进行激光器输出能量的吸收率调节，通过吸收率调节片组改变两部分激光的透射率，使其到达焊接工件位置时异种材料能够分别获得所需要的激光能量，确保焊接接头能够成功焊接并且具有优异的性能。激光生成的透镜系统、吸收率调节片组、棱镜分光系统、焊接激光束的聚焦透镜系统置于套管内。吸收率调节片组分两组A和B，A组可以调节激光能量的吸收率在10-100％之间，B组可以调节激光能量的吸收率在0-10％之间；A组和B组结合起来可以使得两部分激光的激光能量之比在1:1到1:100之间，异种金属材料激光焊接时，对激光能量吸收率高的材料使其对应的激光部分透射率低一些，而对激光能量吸收率低的材料使其对应的激光部分透射率相对来说高一些，实现异种材料在激光焊接时的物化特性变化基本同步，以达到优良的焊接效果。
A组由4块薄的平行平板组成，宽度为激光横截面直径的大小2a，长度为3a，一端镀激光焊接波长的增透膜、镀膜长度从端面开始计算为2a、使其透射率近似为100％，另外一端镀激光焊接波长的吸收膜、镀膜长度从端面开始计算为a、使其吸收率为设计的10％、20％、40％、50％，这样通过在垂直于激光的方向移动平行平板距离为a的长度，则可以实现激光两部分的透射率比例为100％：100％、90％：100％、80％：100％、70％：100％、60％：100％、50％：100％、40％：100％、30％：100％、20％：100％和10％：100％。A组平行平板的镀膜区域示意图如图2所示。如图3所示，垂直于激光方向移动A组的其中一块平行平板之后，下半部分与上半部分激光的激光能量之比为80:100，图中的光斑能量分布将显示于面阵CCD探测的显示屏上，其他的激光能量比值以此类推。
B组由4块薄的平行平板组成，宽度为激光横截面直径的大小2a，长度为3a，一端镀激光焊接波长的增透膜、镀膜长度从端面开始计算为2a、使其透射率近似为100％，另外一端镀激光焊接波长的吸收膜、镀膜长度从端面开始计算为a、使其吸收率为设计的1％、2％、4％、5％，这样通过在垂直于激光的方向移动平行平板距离为a的长度，则可以实现激光两部分的透射率比例为10％：100％、9％：100％、8％：100％、7％：100％、6％：100％、5％：100％、4％：100％、3％：100％、2％：100％和1％：100％；这样，取A组平行平板和B组平行平板若干组合以后就可以获得焊接可能所需要的激光能量之比(1-100):100的任意整数比。B组平行平板的镀膜区域示意图如图4所示。A组和B组某一种吸收率组合如图5所示，则激光下半部分和上半部分的激光能量之比为23:100，其他比值以此类推。
且若干所述平行平板均可在所述光路的垂直方向上的平面中进行任意方向的平移；
经过吸收率调节片组之后的激光进入一个棱镜分光系统，分光系统对焊接激光波长的透射率为0.05-1％，透射光束由面阵CCD接收以判断和确认激光的两部分光强比例是否符合待焊接异种材料的激光能量吸收率之比，如果不符合则调节吸收率调节片组对应的平行平板，分光系统的反射率为99.95-99％，反射光束经聚焦系统到达焊接区域，焊接区域光斑可能的能量分布如图5所示，颜色的深浅表示光强能量的大小，白色表示基本上无吸收，能量大。
某些待焊接的空间位置可能是无法移动位置的，通过吸收率调节片组合可得到所需的能量之比，但是无法实现所需位置的光强之比，所以将吸收率调节片组的每一块平行平板都设计为可以绕激光的光轴旋转，紧邻平行平板转动模块的激光套管上标注360°的角度值，相邻两条刻线间隔1°，以标记每一块平行平板在原来的基础上转动了多少度，这样就可以实现任意空间位置上异种材料所需要的焊接激光束的强度分布。比如：在激光生成系统的位置顺着光路方向看，A组和B组中有10％吸收率的平行平板垂直激光方向移动距离为a，使得激光以直径为界一分为二，同时顺时针转动45°角，如图6所示，剩余的平行平板只是转动角但是不移动，则顺着光路看到的能量分布就是图中圆形光斑的样子，颜色较深的区域表示被平行平板吸收了一部分激光能量，深浅颜色对应的激光能量比为90:100。
拍摄和照明系统。为了在焊接之前观察某些不方便查看的焊接区域，由CCD拍摄系统对焊接区域的异种材料位置进行拍摄以调整激光在合适的角度进行设定光强之比，如图1所示，可见光照明系统的光源通过分光棱镜照射到待焊接区域，CCD相机在光源的照明下对待焊接区域的异种材料位置进行拍摄，将拍摄结果和面阵CCD激光光强分布探测结果在显示屏上进行对比，根据异种材料位置的拍摄结果旋转吸收率调节片组的角度，比如：如果拍摄到的异种材料从图1所示的位置翻转了180，即两种材料互换了位置，如图7所示，而且也无法调整两种待焊接材料的位置，则把吸收率调节片组都旋转180°角即可，激光光强分布的分界面依然在原来的分界直径上，同时按照异种材料的特性移动吸收率调节片组对应的平行平板从而设定好两半部分光强的比例。
以上所述，仅为本申请较佳的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。
Claims (5)
1.一种焊接异种材料的激光光路系统，其特征在于，包括：
光源(1)，用于发射激光；
吸收率调节机构，活动安装于所述激光的光路上，用于对所述激光的激光能量进行吸收调节；所述吸收率调节机构包括第一吸收率调节片组(2)和第二吸收率调节片组(3)，所述第一吸收率调节片组(2)和所述第二吸收率调节片组(3)依次排列于所述激光的光路上；所述第一吸收率调节片组(2)和所述第二吸收率调节片组(3)均由若干平行平板沿光路方向均匀排列组成；
分光棱镜(4)，包括第一棱镜和第二棱镜，所述第一棱镜位于所述吸收率调节机构远离光源(1)的一侧，所述第二棱镜位于所述第一棱镜上方；
所述第一棱镜用于对经过所述吸收率调节机构的激光进行分光反射，所述激光经过分光反射后的光路上设置有聚焦系统，用于对激光进行聚焦，所述聚焦系统下方设置有待焊接异种材料(9)；
显示机构，包括相机(5)、拍摄照明光源(6)、面阵CCD(7)和显示装置(8)；所述相机(5)的镜头端朝向所述第二棱镜，所述第二棱镜一侧设置有所述拍摄照明光源(6)，所述面阵CCD(7)的镜头端朝向所述第一棱镜，所述相机(5)和所述面阵CCD(7)的数据输出端均与所述显示装置(8)电连接。
2.根据权利要求1所述的一种焊接异种材料的激光光路系统，其特征在于，
所述第一吸收率调节片组(2)和所述第二吸收率调节片组(3)中的若干平行平板均为可旋转式平板；
每个所述平行平板的一端均镀有激光焊接波长的增透膜，另一端镀有激光焊接波长的吸收膜。
3.根据权利要求2所述的一种焊接异种材料的激光光路系统，其特征在于，
所述第一吸收率调节片组(2)中的若干所述平行平板中所述吸收膜的吸收率为10％、20％、40％和50％中的任意一种。
4.根据权利要求2所述的一种焊接异种材料的激光光路系统，其特征在于，
所述第二吸收率调节片组(3)中的若干所述平行平板中所述吸收膜的吸收率为1％、2％、4％和5％中的任意一种。
5.根据权利要求2所述的一种焊接异种材料的激光光路系统，其特征在于，
若干所述平行平板中所述增透膜和所述吸收膜的镀膜长度比例均为2:1。
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- 2023-08-18 CN CN202311049123.XA patent/CN116871680B/zh active Active
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