CN210817963U - 激光焊接设备 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种激光焊接设备，包括：固定框架；激光发生系统，设置在固定框架中，该激光发生系统包括用于发射能量呈高斯分布的激光的激光器、用于将激光整形并会聚成能够用于焊接的光束的光路系统以及用于将激光传递至光路系统的光纤；升降托架，激光发生系统的光路系统通过升降托架以能够上下移动的方式设置在固定框架中；工作台组件，该工作台组件包括工作台面和夹具，工作台面设置在固定框架上，夹具设置在工作台面上，用于夹紧焊接件；控制系统，该控制系统与激光发生系统、工作台组件相联接，用于控制激光焊接设备的焊接过程。该激光焊接设备能够将激光用于塑料或金属的焊接，具有结构紧凑、焊接效果好、安全性高的优点。

Description

激光焊接设备

技术领域

本实用新型涉及激光焊接领域，更具体地，涉及一种激光焊接设备。

背景技术

本部分提供了与本实用新型相关的背景信息，这些信息并不必然构成现有技术。

激光可以作为热源应用在金属和塑料的焊接中。现有的激光焊接设备通常包括激光发生系统、固定框架、工作台等，其中，工作台上设置有夹具，夹具夹紧焊接件，通过激光发生系统与焊接件之间的相对运动，使激光发生系统发出的激光沿焊接件的焊接部位运动，从而完成焊接。在这种情况下，为了在X-Y-Z轴上改变激光发生系统与焊接件之间的相对位置，需要在激光发生系统或工作台或夹具上设置多组电机、导轨等移位装置，不但增加了设备质量和设备成本，而且结构复杂、体型较大。并且，由于对焊接精度要求较高，所使用的电机也必须具有较高的精度，以保证焊接精度，因此，整机的成本也较高。

此外，大多数激光器发射的激光光束为高斯光束，即其横截面的能量分布遵守高斯函数，因此，光斑中心的能量密度远高于光斑边缘的能量密度，导致光斑中心温度远高于光斑边缘的温度，进一步造成接收激光光束的焊接部位上形成的熔池的温度不均匀，最终导致光斑中心由于温度过高而使焊接部位的材料的性状发生变化，并发生下述情况：

针对热塑性塑料的焊接，会产生材料的变性、分解、汽化现象，外观表现为发黄、发焦、气泡夹杂、鼓包、翘曲、焊缝断裂，从而导致焊接结构的强度不均匀、残存焊接应力或焊接强度的急剧下降。

针对金属板材的焊接，会产生材料的晶粒粗大、分解(脱碳)、汽化现象，外观表现为夹杂、翘曲、焊缝间断裂，从而导致焊接结构的强度不均匀、残存焊接应力或焊接强度的急剧下降。

已知一种激光发生系统，包括光纤激光器、准直器、可移动反射镜和聚焦透镜，其中，在准直器与可移动反射镜之间可以设置整形衍射光学元件，以将高斯型轮廓的光束整形成均匀的光束。虽然整形衍射光学元件可以将激光光束的能量进行再分布，但是激光经过整形衍射光学元件时会发生折射、反射和透射，从而产生光束能量的损失，并升高整形衍射光学元件的温度；同时，由于衍射现象是属于空间分布的，所以空间位置的不同，将形成均匀性不同的衍射光斑。

此外，由于聚焦透镜位于反射镜后，因此聚焦光斑大小将在中心和边缘产生变化，因此仅适用于小幅面的焊接；同时，由于焦距无法变化，此布置仅适用于在相对近似平面的焊接部位上进行焊接操作，无法在立体构型的焊接部位上实施焊接操作。

因此，需要提供一种结构紧凑、成本较低的激光焊接设备，在焊接过程中无需改变激光发生系统与焊接件之间的相对位置即可完成焊接。此外，还需使激光光束能够形成均匀的光斑以减少焊接件因受热不均引起的焊接不良现象，并且尽量减少激光光束整形时的能量损失。此外，越来越多的应用需要激光焊接设备能够在立体构型的焊接部位上进行焊接操作。

实用新型内容

在本部分中提供本实用新型的总体概要，而不是本实用新型完全范围或本实用新型所有特征的全面公开。

本实用新型的目的是提供一种结构紧凑的激光焊接设备，该激光焊接设备能够在不改变激光发生系统与焊接件之间的相对位置的情况下进行焊接。

本实用新型的另一目的是提供一种能够提供能量呈均匀分布的激光的激光焊接设备。

根据本实用新型的一个方面，提供一种激光焊接设备，包括：

固定框架；

激光发生系统，设置在所述固定框架中，所述激光发生系统包括：激光器，所述激光器用于发射激光；光路系统，所述光路系统用于将所述激光整形并会聚成能够用于焊接的光束；以及光纤，所述光纤用于将所述激光传递至所述光路系统；

升降托架，所述激光发生系统的光路系统通过所述升降托架以能够上下移动的方式设置在所述固定框架中；

工作台组件，所述工作台组件包括工作台面和夹具，所述工作台面设置在所述固定框架上，所述夹具设置在所述工作台面上，用于夹紧焊接件；

控制系统，所述控制系统与所述激光发生系统、工作台组件相联接，用于控制所述激光焊接设备的焊接过程。

进一步地，所述光路系统包括沿所述激光的光轴依次设置的：

准直镜，所述准直镜用于将光纤传递过来的所述激光通过透镜光学变换形成平行光束，所述平行光束的能量呈高斯分布；

整形镜，所述整形镜包括至少一个用于将所述能量呈高斯分布的平行光束发散的非球面凹透镜和至少一个用于将被发散的光束进行会聚的非球面凸透镜，所述能量呈高斯分布的平行光束经所述非球面凹透镜和所述非球面凸透镜被整形成能量呈均匀分布的平行光束；以及

聚焦系统，所述聚焦系统包括至少一个聚焦镜，所述聚焦镜用于将所述能量呈均匀分布的平行光束聚焦至焊接件的焊接部位。

进一步地，所述光路系统还包括设置在所述整形镜与所述聚焦镜之间的Z轴动态镜以及沿光路设置在所述聚焦镜后方的X轴反射镜和Y轴反射镜，所述Z轴动态镜能够沿所述平行光束的光轴移动，所述X轴反射镜和Y轴反射镜能够沿着各自的转动轴线转动，所述X轴反射镜和所述Y轴反射镜的转动轴线在立体空间中正交。

进一步地，所述控制系统能够根据所述焊接件的焊接路径、焊接宽度或焊接深度控制所述Z轴动态镜沿所述光轴移动，并且控制所述X轴反射镜和所述Y轴反射镜绕各自的所述转动轴线转动，使得在不移动所述焊接件的情况下，所述平行光束能够聚焦在所述焊接件的焊接部位并沿所述焊接路径进行焊接，或者实现多次重复或循环扫描的焊接方式，以便适应不同的焊接宽度和焊接深度。

进一步地，所述准直镜是由凹透镜和凸透镜组成的无实焦点的伽利略准直镜，以避免有实焦点的开普勒准直镜在焦点附近引起微尘和水汽的气化作用而造成镜面的污染、影响使用。

进一步地，所述非球面凹透镜和所述非球面凸透镜中的至少一者可以沿所述光轴移动，使得在焊接件上的光斑从圆形光斑变为环形光斑。

进一步地，所述整形镜与所述聚焦系统之间设置有柱面镜，使得在焊接件上的光斑从圆形光斑变为矩形或线形光斑。进一步地，所述柱面镜能够绕所述光轴旋转，使得可以改变矩形或线形光斑的朝向。

进一步地，所述升降托架包括：第一支架，所述第一支架固定在所述固定框架上；升降托，所述升降托固定在所述第一支架上；第二支架，所述第二支架设置在所述升降托上并且能够沿竖向轴线的方向相对于所述升降托移动，所述光路系统固定在所述第二支架上；丝杆，所述丝杆竖直地安装在所述升降托上并且能够绕所述丝杆的竖向轴线转动；丝杆螺母，所述丝杆螺母与所述第二支架固定连接并且所述丝杆螺母与所述丝杆螺纹连接；以及转动件，所述转动件与所述丝杆在所述丝杆的转动方向上固定连接。

进一步地，所述激光焊接设备还包括前门组件，所述前门组件包括：前门框，所述前门框与所述固定框架铰接，所述前门框的大致中央处设置有中央开口；上防护门和下防护门，所述上防护门设置在所述中央开口的上方，所述下防护门设置在所述中央开口的下方，所述上防护门和下防护门可以相对彼此运动以开启或关闭所述中央开口；门驱动机构，所述门驱动机构驱动所述上防护门和所述下防护门进行开合。

进一步地，所述门驱动机构包括门电机和驱动带，所述门电机驱动所述驱动带运动，所述驱动带驱动所述上防护门和所述下防护门进行开合。

进一步地，所述前门组件还包括安全光栅、安全触边和开合识别装置中的一种或多种，所述安全光栅设置在所述中央开口的左侧和右侧，所述安全光栅能够至少在整个所述中央开口的范围内检测是否有物体探入并且在检测到物体探入时停止所述门电机；所述安全触边设置在所述上防护门的下侧边缘和所述下防护门的上侧边缘，所述安全触边能够在物体接触到所述安全触边时停止所述门电机；所述开合识别装置设置在所述前门框和/或所述固定框架上，所述开合识别装置用于识别所述前门框与所述固定框架之间的开合状态。

进一步地，所述固定框架包括机架和罩板，所述罩板安装在所述机架上，所述罩板、所述固定框架、所述前门框以及闭合的所述上防护门和所述下防护门一同封围所述激光焊接设备的焊接区域。进一步地，所述激光焊接设备还包括吸尘口，所述吸尘口设置在所述固定框架的顶部的所述罩板上。

进一步地，所述激光焊接设备还包括摄像头，所述摄像头获取焊接过程的图像；以及观察屏，所述观察屏向操作人员显示所述摄像头获取的所述图像。这样，既可以避免激光辐射伤害操作人员，又可以使操作人员获悉焊接过程的焊接状况。

进一步地，所述激光焊接设备还包括指示灯，所述指示灯用于报告所述激光焊接设备的异常情况，以引起操作人员注意。

进一步地，所述驱动系统包括所述工作台组件包括气源、气动控制阀以及气动接口，所述气源连接至气动控制阀，所述气动控制阀连接至所述所述气动接口，所述夹具通过气体管道连接至所述气动接口，所述气源通过所述气动控制阀的开合来驱动所述夹具的夹紧和松开。

进一步地，所述工作台面固定在所述固定框架上。

进一步地，所述工作台面在伺服驱动系统的驱动下能够相对所述固定框架运动，其中，所述伺服驱动系统包括：

伺服电机；

减速箱，所述伺服电机联接到所述减速箱，所述减速箱上设有输出轴；

传动轴，所述输出轴与所述传动轴联接；以及

链轮和链条，所述链轮设置在所述传动轴的两端，所述传动轴通过所述链轮和链条连接至所述工作台面，并驱动所述工作台面相对所述固定框架运动。

进一步地，所述工作台面相对于所述固定框架的运动包括水平运动、竖直运动及旋转运动。

根据本实用新型的激光焊接设备，可以在不改变激光发生系统与焊接件之间的相对位置的情况下进行焊接，从而省略了相应的用于移位的装置、节约了成本、简化了焊接机器的结构并实现焊接机器的小型化。

此外，光路系统将能量呈高斯分布的激光光束整形成了能量均匀分布的激光光束，避免了由于局部能量集中引起的焊接不良。

此外，由于整形镜仅由非球面凹透镜和非球面凸透镜组成，不会产生衍射现象，因此激光光束的能量损失非常小。

此外，在本实用新型的一些实施方式中，还可以在X-Y-Z轴的方向上调节激光光束的焦点，以便根据焊接件的立体构型进行准确地聚焦焊接，并且通过多次重复或循环扫描的方法，实现不同焊接宽度和焊接深度。

此外，在本实用新型的一些实施方式中，还可以对光斑的形状进行控制，形成例如圆形、线形、矩形、环形的光斑，以满足不同的焊接需要。

此外，通过调节升降托架，可以实现焊接高度的调节，有效地扩大焊接工件的允许焊接高度。

此外，通过封围激光焊接设备的焊接区域，可以阻止对周围环境的辐射，保证操作人员的人身健康。

此外，由于设置了安全光栅和安全触边，保护了操作安全，极大地降低了工作事故的发生几率。

此外，由于设置了如摄像头和观察屏等监控反馈系统，使得操作人员可以更好地监控焊接状况，并在需要时通过控制系统介入。

附图说明

根据以下参照附图的详细描述，本实用新型的前述及另外的特征和特点将变得更加清楚，这些附图仅作为示例并且不一定是按比例绘制。在附图中采用相同的参考标记指示相同的部件，在附图中：

图1示出了根据本实用新型的激光焊接设备的立体图；

图2示出了根据本实用新型的激光焊接设备的内部结构图；

图3示出了根据本实用新型的升降托架的立体图，其中，光路系统安装在升降托架上；

图4示出了根据本实用新型的激光焊接设备的前门组件的后视立体图；

图5示出了根据本实用新型的工作台面的另一实施方式。

图6示出了根据本实用新型的激光发生系统的第一实施方式的光路示意图；

图7示出了根据本实用新型的整形镜的光路示意图，其中，能量呈高斯分布的入射光线被整形成能量呈均匀分布的折射光线；以及

图8示出了根据本实用新型的激光发生系统的第二实施方式的光路示意图。

具体实施方式

现在将结合附图对本实用新型的优选实施方式进行详细描述。以下的描述在本质上只是示例性的而非意在限制本实用新型及其应用或用途。在各视图中，相对应的构件或部分采用相同的参考标记。

在本实用新型中，为了更好地描述激光光束的特征，用不同的光斑形状来表示激光光束的一些特征，其中，光斑形状呈立体构型，立体构型的底面形状表示激光光束的截面形状，立体构型的底面形状中的每一点的高度表示激光光束的截面形状中对应的每一点的光束强度或能量值。

在本文中，术语“光路”是指激光在传播过程中经过的路径，该路径可以是直线，也可以是折线；术语“光轴”是指激光的“光路”的中轴线，相应地，“光轴”可以是直线，也可以是折线。

参照图1，该激光焊接设备1具有固定框架200，固定框架200用于支撑激光焊接设备1的各组成部分。固定框架200包括机架210和罩板220。机架210由型材构成，其主要负责承载激光焊接设备1中的各种装置和构件；而罩板220由板状材料构成，包括侧部罩板221、顶部罩板222、底部罩板(未示出)以及后部罩板(未示出)，分别用于封围机架210的侧部、顶部、底部以及后部。

参照图2和图3，焊接设备1包括设置在固定框架200内部的激光发生系统100，其包括：固定在机架210上的激光器110，该激光器110用于发射激光，该激光的能量呈高斯分布；光路系统130，该光路系统130用于将能量呈高斯分布的激光整形为能量呈均匀分布的激光，并会聚至焊接件800上；以及光纤120，该光纤120用于将激光引导至光路系统130。激光发生系统100的具体工作原理将在之后接合图6至图8进行介绍。

仍旧参照图2和图3，光路系统130通过升降托架300设置在固定框架200上，实现沿竖向方向上下移动。具体地，光路系统130固定安装在升降托架300的第二支架330上，第二支架330以可以相对于升降托320上下移动的方式安装在升降托320上，升降托320固定安装在第一支架310上，而第一支架310固定安装在固定框架200上。

为了实现升降作用，第二支架330可以沿竖向方向在升降托320上移动。具体地，升降托320上设置有丝杆(未示出)，丝杆可以绕竖向方向旋转，丝杆上设置有丝杆螺母(未示出)，丝杆螺母固定在第二支架330上并且与丝杆螺纹连接。转动件340与丝杆在丝杆的旋转方向上固定，转动件340可以手动驱动，也可以电动驱动。当转动件340带动丝杆旋转时，丝杆螺母会在丝杆上竖向移动，同时带动第二支架330和安装在第二支架330上的光路系统130移动，从而实现与工作台组件之间的距离调节，进一步实现焊接高度的调节。

参照图1及图2，工作台组件设置在激光焊接设备1的内部，并位于激光发生系统100的下方，其包括设置在固定框架200上的工作台面410和安装在工作台面410上的夹具420，其中，工作台面410固定在固定框架200上，夹具420用于夹紧或松开焊接件800。

但是，应当理解的是，为了安装更大的焊接件或者使安装焊接件的操作变得更加方便、快捷，也可以将工作台面410设置成在安装焊接件时能够相对固定框架200移动，例如上下竖直运动、前后左右水平运动或绕轴的旋转运动。

比如，图5示出了用于本实用新型激光焊接机的伺服驱动系统，其用于精确地移动工作台面410。该伺服驱动系统具有伺服电机411，伺服电机411联接至减速箱412，减速箱412上设有与传动轴413连接的输出轴，传动轴413的两端分别设有链轮，传动轴通过链轮和链条连接工作台面410。在安装焊接件时，伺服电机411通过减速箱412驱动传动轴413运动，传动轴413通过链轮和链条驱动工作台面410相对于固定框架200运动。

此外，在对工作台面的移动精度的需求较低的情况下，可以相应降低工作台面410的电机的精确度以允许选择更便宜的电机；或者，也可以选择采用例如液压或气动的其他方式进行移动；或者，也可以仅执行其中的一种运动方式以便放置焊接件，例如仅提供垂直方向的移位装置，而无需设置多个方向上的移位装置。

另外，工作台组件还包括用于供应气体的气源422、连接至气源422的气动控制阀424以及连接至气动控制阀424的气动接口426，而夹具420连接至气动接口426。通过气动控制阀424的开合可以连接或切断对夹具420的气体供应，以驱动夹具420夹紧或松开。

参照图1和图2，激光焊接设备1还具有控制系统，控制系统包括例如PLC控制器的电气控制板510、控制屏520、控制箱530以及控制按钮540。在本实施方式中，操作人员可以通过比如是触摸屏的控制屏520、控制箱530以及控制按钮540输入控制指令，电气控制板510接收来自控制屏520、控制箱530以及控制按钮540等装置的控制指令，这些控制指令经过电气控制板510的处理后形成控制信号，对焊接过程进行控制。具体地，比如控制激光发生系统100中激光的发生与关闭，控制激光发生系统中光路系统中的电机以实现焦点沿XYZ三个方向的变化等(下文详述)。并且，将控制结果及加工进程实时地显示在控制屏520上。

另外，控制系统还控制气动控制阀424的开合，从而控制夹具420的夹紧或松开。

在激光焊接中，激光发生系统100会发出能量非常高的激光光束至焊接件800的焊接部位，这些激光在焊接部位发生直射、反射和折射，并在焊接件800周围形成一个激光辐射区域，此区域必须与周围人员进行有效的安全隔离。

因此，参照图1和图4，为了进一步地封围激光焊接设备1，在机架210的前部设有前门组件600，前门组件600包括通过铰链612与机架210铰接的前门框610，当激光焊接设备1的内部装置需要检修时，可以打开前门框610，以提供较大的进入面积，方便检修。前门框的大致中央处设置有中央开口614，该中央开口614用于允许操作人员将焊接件放入激光焊接设备1，而无需将整个前门框打开，提高工作效率。

为了检测前门框610与机架210是否已经闭合，可以在前门框610与机架210上设置有开合识别装置680，开合识别装置680可以是光电传感器、接触传感器或霍尔传感器。如果开合识别装置680识别出前门框610未闭合到机架210上，则无法启动激光发生系统100，从而防止操作人员受到激光辐射的照射并保护操作人员的人身安全。

为了更进一步地封围激光焊接设备1的焊接区域并且方便操作人员的操作，在中央开口614的上方和下方分别设置有能够相对前门框610滑动的上防护门620和下防护门630，上防护门620和下防护门630通过由门电机640驱动的驱动带650而进行相对远离的运动以打开中央开口614或进行相对靠近的运动以闭合中央开口614。

为了在上防护门620和下防护门630关闭的过程中不致于夹伤操作人员或焊接件800，可以在前门框610上的中央开口614的左侧和右侧设置安全光栅660，安全光栅660能够至少在整个中央开口614范围内检测是否有物体探入并且在检测到物体探入时停止门电机640；或者，在上防护门620的下侧边缘和下防护门630的上侧边缘设置安全触边670，安全触边670能够在检测到物体接触安全触边670时停止门电机640。

为此，控制系统还可以通过安全光栅660、安全触边670和开合识别装置680等传感器的信号对门电机640和激光器110进行控制。具体地，电气控制板510接收来自安全光栅660、安全触边670和开合识别装置680等传感器的信号，并根据这些信号停止门电机640或抑制激光器110的启动。

此外，为了能够让操作人员了解焊接的状况，激光焊接设备1还设置有包括例如是摄像头710和观察屏720的监控反馈系统。参照图1和图2，摄像头710固定在固定框架200的内部，用以观察焊接件800的焊接状况，并将该图像在朝向激光焊接设备1外部设置的观察屏720上显示出来，方便操作人员查看。

此外，为了提供声音报警信号，监控反馈系统还包括指示灯730，用于报告激光焊接设备1的异常情况，以引起操作人员的注意。指示灯730可以安装在前门框610或固定框架200上。

此外，为了能够在焊接区域获得较好的光线条件，在激光焊接设备1内还可以设置有照明灯900，该照明灯900可以固定在机架210上。

此外，顶部罩板222上还可以设置有吸尘口225，通过该吸尘口225可以在焊接时将激光焊接设备1内产生的烟尘抽走。

图6示出了根据本实用新型的激光发生系统100的第一实施方式的光路示意图，其中，该激光发生系统100包括之前描述的激光器110、光纤120以及光路系统130。

具体地，光路系统130在激光光束的光轴190上依次布置有：准直镜131、整形镜132以及包括至少一个聚焦镜136的聚焦系统133，其中，准直镜131、整形镜132以及聚焦系统133在激光光束的光轴190上依次布置，并且准直镜131与整形镜132之间可以设置有适配器134，适配器134用于增强准直镜131与整形镜132之间的同轴联接的联接强度。显然地，在联接强度足够的情况下，适配器134可以省略。

此外，聚焦系统133还可以包括设置在整形镜132与聚焦镜136之间的Z轴动态镜135以及沿光路设置在聚焦镜136后方的X轴反射镜137和Y轴反射镜138，Z轴动态镜135能够沿光轴190移动，X轴反射镜137和Y轴反射镜138能够沿着各自的转动轴线转动，X轴反射镜137和Y轴反射镜138的转动轴线在立体空间中正交。

下面将介绍这样设置光路系统130的优势。

由于激光器110产生的激光光束的能量呈高斯分布，例如图6中由光纤120输出的激光光束的第一光斑形状BP₁的光斑半径(又称为束腰半径)较小，根据高斯光束的特性，光斑半径越小的高斯光束越容易发散，因此由光纤120输出的激光光束比较容易发散。

准直镜131可以增加由光纤120传递过来的激光光束的光斑半径并将激光光束进行光学变换后作为平行光束射向整形镜132，例如图6中由准直镜131输出的激光光束的第二光斑形状BP₂的光斑半径较第一光斑形状BP₁的光斑半径更大，因此由准直镜131输出的激光光束较不容易发散。通常，准直镜131是由凹透镜和凸透镜组成的无实焦点的伽利略准直镜，因为由凸透镜组成的具有实焦点的开普勒准直镜会在实焦点处引起微尘和水汽的气化作用，从而造成镜面的污染，影响透镜的使用。

整形镜132包括至少一个用于将能量呈高斯分布的平行光束发散的非球面凹透镜132a和至少一个用于将被发散的光束进行会聚的非球面凸透镜132b，所述呈高斯分布的平行光束经非球面凹透镜132a和非球面凸透镜132b被整形成具有第三光斑形状BP₃的呈均匀分布的平行光束。

具体地，参照图7，非球面凹透镜132a具有第一非球面表面132a’和第一平面表面132a”，非球面凸透镜132b具有第二非球面表面132b’和第二平面表面132b”，其中，第一非球面表面132a’和第二非球面表面132b’彼此相对设置。

平行光束采用平行于光轴190的入射光线表示，其中，由于平行光束的能量呈高斯分布，因此，靠近光轴190的入射光线较密集，远离光轴190的入射光线较稀疏。入射光线笔直通过第一平面表面132a”进入非球面凹透镜132a；之后，入射光线在射出第一非球面表面132a’时在第一非球面表面132a’上发生折射偏转，其中，越靠近光轴190的入射光线的偏转角度越大；接着，入射光线在经过第二非球面表面132b’时在第二非球面表面132b’上再次发生折射偏转，形成平行于光轴190的射出光线；最后，射出光线笔直通过第二平面表面132b”射出，从整体上看，即形成能量呈均匀分布的平行光束。

因此，只要针对入射光线的密度，采用不同的曲率使入射光线偏转合适的角度，就可以改变光线的密度，即，改变平行光束的能量分布。第一非球面表面132a’和第二非球面表面132b’的函数在专利US 3,476,463中已经公开，其内容通过引用并入本文。

回到图6，所述至少一个聚焦镜136用于将由整形镜132输出的平行光束会聚成会聚光束，该会聚光束在焊接件800的焊接部位上具有第四光斑形状BP₄，第四光斑形状BP₄相比第三光斑形状BP₃具有较小的底面半径以及较大的高度，因此，会聚光束在焊接部位的单位面积上具有较大的能量，以便提供足够的焊接能量来熔化焊接部位。

因此，总的来说，通过由准直镜131、整形镜132和聚焦镜136组成的光路系统130可以将能量呈高斯分布的较发散的激光整形成能量呈均匀分布的会聚的激光，以用于焊接。

此外，根据本实用新型的另一目的，为了实现激光的焦点在X-Y-Z轴的方向上可调节，设置在整形镜132与聚焦镜136之间的Z轴动态镜135通过在光轴190上的移动，可以在Z轴的方向上调节激光的焦点；同时，由聚焦镜136输出的会聚光束通过X轴反射镜137和Y轴反射镜138的反射，在X轴反射镜137或Y轴反射镜138绕其转动轴线转动的情况下，可以在X轴或Y轴的方向上调节激光的焦点。

因此，通过Z轴动态镜135、X轴反射镜137和Y轴反射镜138的调节，平行光束可以在一定的空间范围内聚焦，这一空间范围取决于Z轴动态镜135的移动范围以及X轴反射镜137与Y轴反射镜138的转动范围。因此，在焦点的空间范围足够大的情况下，可以在不改变激光发生系统与焊接件的相对位置的情况下，通过控制系统根据焊接路径来控制Z轴动态镜135的移动以及X轴反射镜137与Y轴反射镜138的转动，即可将光束聚焦在焊接件的焊接部位并沿焊接路径进行焊接；或者，控制系统根据焊接宽度和焊接深度来控制Z轴动态镜135的移动以及X轴反射镜137与Y轴反射镜138的转动，即通过多次重复或循环扫描的方法，实现不同的焊接宽度和焊接深度。这能够极大地降低对工作台面410的移动精度的需求，因为不再需要激光焊接系统100或工作台面410的移动来完成焊接，也就是说，激光焊接系统100和工作台面410可以在焊接过程中保持固定，从而最终可以实现激光焊接设备1的小型化。

此外，根据本实用新型的另一目的，为了将在焊接件800上形成的光斑从圆形改变为环形，非球面凹透镜132a和非球面凸透镜132b中的至少一者可以沿光轴190移动。在非球面凹透镜132a和非球面凸透镜132b的远离的过程中，由于越靠近光轴190的入射光线的偏转角度越大，使得光线往外周聚集，形成环形光斑。

图8示出了根据本实用新型的激光发生系统100的第二实施方式的光路示意图。相比第一实施方式，第二实施方式在整形镜132与聚焦系统133之间设置了柱面镜139，使平行光束通过柱面镜139之后，形成第五光斑形状BP₅。根据柱面镜139的曲率不同，第五光斑形状BP₅的底面可以是矩形或线形。相应地，在焊接部位上形成的第六光斑形状BP₆的底面形状也是矩形或线形，并且第六光斑形状BP₆具有较小的底面面积和较大的高度。

此外，柱面镜139还可以绕光轴190旋转，以改变矩形或线形光斑的朝向。

上文结合具体实施方式描述了根据本实用新型的各个方面的优选实施方式。可以理解，以上描述仅为示例性的而非限制性的，在不背离本实用新型的范围的情况下，本领域技术人员参照上述描述可以想到多种变型和修改。这些变型和修改同样包含在本实用新型的保护范围内。此外，在一个实施方式中使用的特征，在技术允许的情况下，也可以用于其它实施方式中。

Claims (20)

1.一种激光焊接设备，其特征在于，所述激光焊接设备包括：

固定框架；

激光发生系统，设置在所述固定框架中，所述激光发生系统包括：激光器，所述激光器用于发射激光；光路系统，所述光路系统用于将所述激光整形并会聚成能够用于焊接的光束；以及光纤，所述光纤用于将所述激光传递至所述光路系统；

升降托架，所述激光发生系统的光路系统通过所述升降托架以能够上下移动的方式设置在所述固定框架中；

工作台组件，所述工作台组件包括工作台面和夹具，所述工作台面设置在所述固定框架上，所述夹具设置在所述工作台面上，用于夹紧焊接件；以及

控制系统，所述控制系统与所述激光发生系统、工作台组件相联接，用于控制所述激光焊接设备的焊接过程。

2.根据权利要求1所述的激光焊接设备，其特征在于，所述光路系统包括沿所述激光的光轴依次设置的：

准直镜，所述准直镜用于将光纤传递过来的所述激光通过透镜光学变换形成平行光束，所述平行光束的能量呈高斯分布；

整形镜，所述整形镜包括至少一个用于将所述能量呈高斯分布的平行光束发散的非球面凹透镜和至少一个用于将被发散的光束进行会聚的非球面凸透镜，所述能量呈高斯分布的平行光束经所述非球面凹透镜和所述非球面凸透镜被整形成能量呈均匀分布的平行光束；以及

聚焦系统，所述聚焦系统包括至少一个聚焦镜，所述聚焦镜用于将所述能量呈均匀分布的平行光束聚焦至所述焊接件的焊接部位。

3.根据权利要求2所述的激光焊接设备，其特征在于，所述光路系统的所述聚焦系统还包括设置在所述整形镜与所述聚焦镜之间的Z轴动态镜以及沿光路设置在所述聚焦镜后方的X轴反射镜和Y轴反射镜，所述Z轴动态镜能够沿所述光轴移动，所述X轴反射镜和Y轴反射镜能够沿着各自的转动轴线转动，所述X轴反射镜和所述Y轴反射镜的转动轴线在立体空间中正交。

4.根据权利要求3所述的激光焊接设备，其特征在于，所述控制系统根据所述焊接件的焊接路径、焊接宽度或焊接深度控制所述Z轴动态镜沿所述光轴移动，并且控制所述X轴反射镜和所述Y轴反射镜绕各自的所述转动轴线转动。

5.根据权利要求2所述的激光焊接设备，其特征在于，所述准直镜是由凹透镜和凸透镜组成的无实焦点的伽利略准直镜。

6.根据权利要求2所述的激光焊接设备，其特征在于，所述非球面凹透镜和所述非球面凸透镜中的至少一者可以沿所述光轴移动。

7.根据权利要求2所述的激光焊接设备，其特征在于，所述整形镜与所述聚焦系统之间设置有柱面镜。

8.根据权利要求7所述的激光焊接设备，其特征在于，所述柱面镜能够绕所述光轴旋转。

9.根据权利要求1所述的激光焊接设备，其特征在于，所述升降托架包括：

第一支架，所述第一支架固定在所述固定框架上；

升降托，所述升降托固定在所述第一支架上；

第二支架，所述第二支架设置在所述升降托上并且能够沿竖向轴线的方向相对于所述升降托移动，所述光路系统固定在所述第二支架上；

丝杆，所述丝杆竖直地安装在所述升降托上并且能够绕所述丝杆的竖向轴线转动；

丝杆螺母，所述丝杆螺母与所述第二支架固定连接并且所述丝杆螺母与所述丝杆螺纹连接；以及

转动件，所述转动件与所述丝杆在所述丝杆的转动方向上固定连接。

10.根据权利要求1所述的激光焊接设备，其特征在于，所述激光焊接设备还包括前门组件，所述前门组件包括：

前门框，所述前门框与所述固定框架铰接，所述前门框的大致中央处设置有中央开口；

上防护门和下防护门，所述上防护门设置在所述中央开口的上方，所述下防护门设置在所述中央开口的下方，所述上防护门和下防护门可以相对彼此运动以开启或关闭所述中央开口；

门驱动机构，所述门驱动机构驱动所述上防护门和所述下防护门进行开合。

11.根据权利要求10所述的激光焊接设备，其特征在于，所述门驱动机构包括门电机和驱动带，所述门电机驱动所述驱动带运动，所述驱动带驱动所述上防护门和所述下防护门进行开合。

12.根据权利要求11所述的激光焊接设备，其特征在于，所述前门组件还包括安全光栅、安全触边和开合识别装置中的一种或多种，所述安全光栅设置在所述中央开口的左侧和右侧，所述安全光栅能够至少在整个所述中央开口的范围内检测是否有物体探入并且在检测到物体探入时停止所述门电机；所述安全触边设置在所述上防护门的下侧边缘和所述下防护门的上侧边缘，所述安全触边能够在物体接触到所述安全触边时停止所述门电机；所述开合识别装置设置在所述前门框和/或所述固定框架上，所述开合识别装置用于识别所述前门框与所述固定框架之间的开合状态。

13.根据权利要求10至12中的任一项所述的激光焊接设备，其特征在于，所述固定框架包括机架和罩板，所述罩板安装在所述机架上，所述罩板、所述固定框架、所述前门框以及闭合的所述上防护门和所述下防护门一同封围所述激光焊接设备的焊接区域。

14.根据权利要求13所述的激光焊接设备，其特征在于，所述激光焊接设备还包括吸尘口，所述吸尘口设置在所述固定框架的顶部的所述罩板上。

15.根据权利要求1所述的激光焊接设备，其特征在于，所述激光焊接设备还包括摄像头，所述摄像头获取焊接过程的图像；以及观察屏，所述观察屏向操作人员显示所述摄像头获取的所述图像。

16.根据权利要求1所述的激光焊接设备，其特征在于，所述激光焊接设备还包括指示灯，所述指示灯用于报告所述激光焊接设备的异常情况，以引起操作人员注意。

17.根据权利要求1所述的激光焊接设备，其特征在于，所述工作台组件还包括气源、气动控制阀以及气动接口，所述气源连接至所述气动控制阀，所述气动控制阀连接至所述气动接口，所述夹具通过气体管道连接至所述气动接口，所述气源通过所述气动控制阀的开合来驱动所述夹具的夹紧和松开。

18.根据权利要求1所述的激光焊接设备，其特征在于，所述工作台面固定至所述固定框架。

19.根据权利要求1所述的激光焊接设备，其特征在于，所述工作台面在伺服驱动系统的驱动下能够相对所述固定框架运动，其中，所述伺服驱动系统包括：

伺服电机；

减速箱，所述伺服电机联接到所述减速箱，所述减速箱上设有输出轴；

传动轴，所述输出轴与所述传动轴联接；以及

链轮和链条，所述链轮设置在所述传动轴的两端，所述传动轴通过所述链轮和链条连接至所述工作台面，并驱动所述工作台面相对所述固定框架运动。

20.根据权利要求19所述的激光焊接设备，其特征在于，所述工作台面相对于所述固定框架的运动包括水平运动、竖直运动及旋转运动。

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