CN116900471A - 一种基于光束整形技术的长焦深超短脉冲激光焊接系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于光束整形技术的长焦深超短脉冲激光焊接系统，从左到右、从上到下依次包括激光器1，扩束准直模块2，反射镜3，光束整形模块4，CCD相机5与镜头6，分光片7，聚焦模块8，待焊接玻璃片9，焊接夹具与垫片10，能量吸收板11，工件加工平台12。本发明的核心是通过对光束整形技术在超短脉冲激光焊接技术领域的应用，在延长焦深范围的同时匀化光束形态，通过采用长焦深的激光束减小对待焊接玻璃表面的间隙距离要求，实现非光学接触，另一方面对激光束进行匀化整形，使得加工区域的激光更加的均匀，提高焊缝处的熔池均匀性，从而有效的提高透明玻璃材料间焊接质量。

Description

一种基于光束整形技术的长焦深超短脉冲激光焊接系统

技术领域

本发明涉及透明材料激光焊接技术领域，具体涉及一种基于光束整形技术的长焦深的超短脉冲激光焊接透明材料的方法及系统装置。

背景技术

近年来，各种光学玻璃、蓝宝石、单晶硅等透明脆性材料以其优异的光学、化学稳定性和耐高温特性等，被广泛应用于光电子、生物医疗、航空航天等领域。在一些特殊的应用场合中，通常需要将多个材料或零部件进行组装或连接在一起使用。

超短脉冲激光技术脉冲时间短、峰值功率密度高等特点不仅能进行表面微细加工，并且由于超短脉冲激光在透明材料中传播时会产生非线性吸收现象，因此超短脉冲激光技术可实现对于完全透明材料间与部分透明材料间的焊接，热影响区更小，加工精度与可控性更高。

然而超短脉冲激光在透明材料中的非线性吸收现象是在焦点处产生的，因此保持玻璃间的光学接触是非常有必要的，微米量级表面间隙要求待焊接的玻璃表面质量较高，而达到这种质量精度时间与经济成本较大。另一方面现有超短脉冲激光焊接技术中选用的激光器输出的激光多为高斯光束，高斯分布的激光束在焊接处的能量均匀程度低，易导致工件加工质量低、焊缝熔池不均匀、以及焊缝处应力集中、次品率高等问题出现。这些问题都限制了超短脉冲激光焊接技术实际的工业应用。

已申请公开的专利—202110536028.7-“基于光束整形的双光路超快激光焊接装置及加工方法”中利用整形透镜形成贝塞尔光束，从而进行玻璃材料的激光焊接，较为有效的提高了焊接质量和降低生产成本。

已申请公开的专利—202210028350.3-“一种玻璃与玻璃之间的绿光超快激光焊接方法和系统”与202210027559.8-“一种玻璃与玻璃之间的红外超快激光焊接方法和系统”，都是通过对激光光路进行设计达到增大激光焦深来得减弱传统超快激光焊接技术对待焊接两表面间距离的严格的光学接触要求，从而减小加工成本。

已申请公开的专利—202010783718.8-“一种玻璃材料超快激光精密焊接系统及方法”是通过光束调制单元对激光束进行精密调控，实现双层或多层玻璃板焊接强度及层间应力分布一体化控制。

上述专利都从光源、光路、工艺等方面对玻璃材料激光焊接技术进行了一定的探索，但是仍然存在激光能量利用率不高、焊接处熔池分布不均匀、应力集中等问题。

针对上述研究中存在的不足，如能达到较高的能量利用率、较长的激光焦深，较为均匀分布的焊缝熔池，那可预见的会具有较好的焊接接头质量，也能够减弱对待焊接玻璃表面的质量要求，降低超短脉冲激光焊接技术成本，推动超短脉冲激光技术在透明材料焊接领域的工业应用。

发明内容

本发明提供了一种基于光束整形技术的长焦深超短脉冲激光焊接系统，通过对光束整形技术在超短脉冲激光焊接技术领域的应用，在延长焦深范围的同时匀化光束形态，通过采用长焦深的激光束减小对待焊接玻璃两表面的间隙距离要求，实现非光学接触，另一方面对激光束进行匀化整形，使得加工区域的激光更加的均匀，提高焊缝处的熔池均匀性，从而有效的提高透明玻璃材料间焊接质量。

为达到上述研究目的，本发明的技术方案是：

这种基于光束整形的具有长焦深的超短脉冲激光焊接系统依次包括激光器、扩束准直模块、光束整形模块、长焦深聚焦模块。

上述方案中激光器发出的激光束经过扩束准直模块进行扩束准直后，入射光束整形模块，光束整形模块对激光能量进行调整后使激光能量从高斯分布整形为均匀性较好的平顶分布，整形后得到的平顶激光束经过长焦深聚焦模块后作用于待焊接工件处。

进一步的，所述激光器为脉宽较小的超短脉冲激光器(<1ns，如皮秒/飞秒激光器)。利用超短脉冲激光器具有脉宽超短、峰值功率高、平均功率低等优点，可以有效的控制透明材料焊接时的热输入，减小热影响区。

进一步的，所述扩束准直模块是一组扩束准直透镜组，包含扩束透镜与扩束透镜，扩束准直透镜组主要用于将激光器发出的激光进行一定的扩束准直，对激光束的空间发散角进行压缩，使扩束后的激光束尺寸满足后续模块中光束输入参数要求。

进一步的，所述光束整形模块是将扩束准直后的高斯光束整形成平顶光束，包括非球面透镜组、微透镜组或衍射元件等光束整形器件。

进一步的，所述长焦深聚焦模块是一块具有长焦深的聚焦透镜，通过控制聚焦透镜组的Z轴轴向位置来改变激光聚焦时的焦点位置，结合待焊接材料下方的工件运动平台，从而应对不同厚度及多层材料焊接工况。

应用这种具有光束整形技术的长焦深超短脉冲激光焊接技术的装置，包括超短脉冲激光器、光路传输结构、工件加工平台。所述超短脉冲激光器发出的高斯激光经过光路传输系统进行扩束、准直、整形、聚焦等光束传输变换后作用于待焊接工件上，而待焊接工件固定在具有XYZ三轴运动的操作平台上，通过CCD与镜头实时监测，对所述光路传输系统中的长焦深聚焦系统进行操作，结合工件加工平台，可以实现对单层或多层材料高质量的焊接效果。

所述光路传输结构是包括扩束准直模块、光束整形模块、长焦深聚焦模块。

所述工件加工平台主要是由工件夹持装置与具有XYZ三轴运动的操作平台，通过将待焊接的玻璃材料放置在工件夹持装置上，利用CCD检测系统观测工件具体位置与间隙厚度，通过调整聚焦Z轴与操作平台的XYZ轴，使得两块待焊接玻璃间隙位于激光焦深范围内。

一种基于光束整形技术的长焦深超短脉冲激光焊接系统焊接透明材料的方法主要步骤包括：

(1)将超短脉冲激光器发射的激光束通过扩束准直透镜组后得到符合要求的具有较小发散角及合适束腰直径的平行光束。

(2)相应的，将扩束后满足需求的激光束经过光束整形透镜组，从而将激光能量高斯分布的光束经整形透镜组整形成平顶分布的激光束。

(3)将整形后得到的平顶激光束经过聚焦系统，得到具有较长焦深的平顶激光束。

(4)通过工件加工平台中的XYZ轴使得待焊接玻璃片位于激光正下方，并结合调整聚焦系统的Z轴位置使得待焊接玻璃间隙位于激光焦深范围内，通过设定加工区域或加工路线，可对双层或多层透明材料进行焊接加工。

本发明具备以下有益效果：

(1)本发明焊接方法通过采用光束整形模块，对激光器出射的高斯光束进行整形，将高斯分布的激光束整形为平顶光束，提高焊接处的激光能量利用率，提高焊缝处熔池分布的均匀性，从而有效的减小焊缝处的应力集中，提高材料加工的良品率。

(2)本发明焊接方法通过采用长焦深的激光光路结构，焦深大于焊接间隙，可以实现对非光学接触的透明材料的焊接，降低对两待焊接材料间距离的要求，从而降低对透明材料焊接的环境、设备等要求，降低加工成本。

(3)本发明焊接方法通过采用长焦深聚焦系统轴向焦点可调，可以快速有效的实现对待焊接区域确定，缩短加工前准备时间，并结合工件运动平台，可实现对多层透明材料的焊接，也可适用于不同厚度透明材料的焊接。

附图说明

图1为本发明一种基于光束整形技术的长焦深超短脉冲激光焊接系统装置结构示意图

图2为本发明一种基于光束整形技术的长焦深超短脉冲激光焊接系统中扩束准直模块示意图

图3为本发明一种基于光束整形技术的长焦深超短脉冲激光焊接系统中光束整形模块示意图

图4为本发明一种基于光束整形技术的长焦深超短脉冲激光焊接系统中透明材料区域焊接示意图

图5为传统超短脉冲激光(高斯分布)焊接系统中焊缝示意图

图6为本发明一种基于光束整形技术的长焦深超短脉冲激光焊接系统中焊缝示意图

图7为本发明一种基于光束整形技术的长焦深超短脉冲激光焊接系统对多层玻璃材料焊接时焊缝示意图附图标记说明：1—激光器、2—扩束准直模块、3—反射镜、4—光束整形模块、5—CCD相机、6—镜头、7—分光片、8—聚焦模块、9—待焊接玻璃片、10—焊接夹具与垫片、11—能量吸收板、12—工件加工平台、13—扩束镜、14—准直镜、15—非球面透镜1、16—非球面透镜2、17—焊缝。

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。

一种基于光束整形技术的长焦深超短脉冲激光焊接系统，如附图1所示，从左到右、从上到下依次包括激光器1，扩束准直模块2，反射镜3，光束整形模块4，CCD相机5与镜头6，分光片7，聚焦模块8，待焊接玻璃片9，焊接夹具与垫片10，能量吸收板11，工件加工平台12。

激光器1选用脉宽较小的超短脉冲激光器，如皮秒或飞秒激光器。扩束准直模块2包括依次设置的扩束透镜13、准直透镜14，如图2所示，扩束镜13将激光器1发射的激光束的光束直径扩大，准直镜14把扩束后的发散光准直成平行光束，经扩束准直模块2后输出的发散角较小的光束平行射入光束整形模块4。

具体的，在一些实施方法中，如果激光器1输出的激光束腰直径满足整形前的光束尺寸要求时，可去除扩束准直模块。或者当激光器输出的激光束腰直径较大时，也可以采用缩束准直系统，即将激光器1发射的激光束的光束直径缩小，使其满足整形系统所要求的入射光束参数。

光束整形模块4包括依次设置的非球面透镜15、非球面透镜16，如图3所示，非球面透镜15主要将入射的高斯光束进行整形，非球面透镜16对整形后的光束进行准直，输出平行的平顶光束。经光束整形模块4整形后输出的平顶光束经分光镜反射后射入聚焦模块8。

聚焦模块8所采用的是长焦深透镜，长焦深透镜可以将整形后得到的平顶光束进行聚焦，获得具有长焦深与平顶特性的聚焦激光束。

通过工件加工平台12中的可调XYZ轴与聚焦系统8的可调Z轴，借助CCD 5与镜头6确定激光焦点的X、Y、Z轴位置及Z轴焦深范围。调整工件加工平台上的XYZ轴，使得擦拭干净后的待焊接玻璃片组9位于激光正下方，且使得待焊接玻璃间隙位于激光焦深范围内，待焊接玻璃间隙d<DOF，通过设定加工区域或加工路线，可对玻璃材料进行焊接加工。

如图5为传统超短脉冲激光(高斯分布)焊接系统中焊缝示意图，图中d1为焊接时的玻璃间隙距离。图6为本发明一种基于光束整形技术的长焦深超短脉冲激光焊接系统中焊缝示意图，图中d2为焊接时的玻璃间隙距离。对比图5与图6中的焊缝形貌，可以看出经光束整形模块4整形后又经聚焦模块8聚焦的长焦深平顶激光束，聚焦光斑直径较大，在对玻璃材料进行焊接时形成的焊缝面积也更大，其长焦深特性也可以有效的降低对待焊接玻璃的间隙要求，无需光学接触，并可实现焊缝处的熔池均匀分布，提高焊接质量。

具体的，在一些实施例中，该发明也可以用于多层材料的焊接，通过确定每层间隙距离及Z轴位置，再设定合适的加工路线，可实现三维层面的激光焊接，如图7所示。

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、替换和变型等任何公知变形仍属于本发明所要保护的技术范畴。

Claims (6)

1.一种基于光束整形技术的长焦深超短脉冲激光焊接系统，其特征在于：依次包括激光器、扩束准直模块、光束整形模块、长焦深聚焦模块，激光器发出的激光束经过扩束准直模块进行扩束准直后，入射光束整形模块，光束整形模块对激光能量进行调整后使激光能量从高斯分布整形为均匀性较好的平顶分布，整形后得到的平顶激光束经过长焦深聚焦模块后作用于待焊接工件处。

2.根据权利1所述一种基于光束整形技术的长焦深超短脉冲激光焊接系统其特征在于：主要步骤包括：

S1将激光器发射的激光束通过扩束准直透镜组后得到符合要求的具有较小发散角及合适束腰直径的平行光束；

S2相应的，将扩束后满足需求的激光束经过光束整形透镜组，从而将激光能量高斯分布的光束经整形透镜组整形成平顶分布的激光束；

S3将整形后得到的平顶激光束经过聚焦系统，得到具有较长焦深的平顶激光束；

S4通过工件加工平台中的XYZ轴使得待焊接玻璃片位于激光正下方，并结合调整聚焦系统的Z轴位置使得待焊接玻璃间隙位于激光焦深范围内，通过设定加工区域或加工路线，可对双层或多层透明材料进行焊接加工。

3.根据权利1所述一种基于光束整形技术的长焦深超短脉冲激光焊接系统中激光器为脉宽较小的超短脉冲激光器(<1ns，如皮秒、飞秒激光器)。

4.根据权利1所述一种基于光束整形技术的长焦深超短脉冲激光焊接系统中的扩束准直模块其特征在于：将激光器发出的激光进行一定的扩束准直，对激光束的空间发散角进行压缩，使扩束后的激光束尺寸满足后续模块中光束输入参数要求。

5.根据权利1所述一种基于光束整形技术的长焦深超短脉冲激光焊接系统中光束整形模块其特征在于：将扩束准直后的高斯分布的激光束整形成具有平顶分布的激光束。

6.根据权利1所述一种基于光束整形技术的长焦深超短脉冲激光焊接系统中长焦深聚焦模块其特征在于：激光束经过聚焦模块后可以获得具有长焦深的激光束，且通过控制聚焦透镜组的Z轴轴向位置可以改变激光聚焦时的焦点位置，结合待焊接透明材料下方的工件运动平台，可应对不同厚度及多层透明材料焊接工况。