双光束激光扫描装置的制作方法

1.本发明涉及激光加工，特别是一种双光束激光扫描装置。


背景技术：

2.随着激光技术的发展，激光加工在生产制造中的应用范围逐渐增加。以汽车行业为例，具有振镜扫描功能与摆动功能的激光焊接头，以其高的焊接效率和较高的焊接质量在汽车覆盖件、车身结构件、动力电池等制造中得到广泛应用。但是，现有具有摆动功能的激光焊接装置属于单光束产品，用于与材料发生相互作用、实现焊接效果的是单束激光。这种单光束摆动激光在某些材料焊接过程中并不能获得令人满意的效果。一个具有挑战的材料是铝合金，比如al-mg合金，由于mg元素的存在，使材料在熔化之后极易发生氧化；同时，由于熔化状态的铝表面张力低，铝材的导热系数高，因此氧化后的铝液快速凝固，产生粗糙并且氧化严重的焊缝表面，这种成形质量对于外观件而言是不可接受的，通常需要后续打磨等处理，增加生产制造成本。另外一种难焊材料是基体含有奥氏体组织的高强度钢，比如第三代高强度钢，在进行激光拼焊或者搭接焊之后，这种材料的焊接接头即时性能通常较差，需要经过后续处理才能满足性能要求，这无疑增加了额外成本，降低了生产效率。
3.需要注意的是，上述难焊接材料——铝合金、第三代高强度钢——均是具有极大应用需求和广阔应用前景的材料，如何实现上述材料以及类似难焊材料的高质量焊接是亟需解决的问题。
4.cn105772939b专利公开了一种激光双光束焊接设备及方法，所述的设备通过分束器实现双光束，其中第一光束静止，第二光束摆动并且作用于待焊区域，第二光束与第一光束的传播方向大致平行；第二光束的摆动通过一个带可伸缩传动杆的装置控制一个反射镜的摆动角度来实现。解决的问题是窄间隙填丝焊稳定性不足。
5.但是，该专利所述的焊接设备存在较大的局限。首先，第一光束静止，即其作用在材料表面必须依靠运动机构带动，作用范围受到限制，而且静止光束的作用方式与传统的单光束激光差别不大，对于焊接工艺而言不能实现特殊效果。其次，完成第二光束摆动的装置设计形式也限制了其摆动形状和作用范围，比如仅在0-15mm范围内做往复运动。最后，第一光束与第二光束通过一台激光器分束实现，表明两束激光同时作用于材料表面，不适于需要焊接之后对焊缝区域进行二次处理的场合。


技术实现要素：

6.本发明能够解决上述难焊材料激光焊所存在的问题，同时满足更大作用范围和应用方式。本发明提供一种双光束激光扫描装置，使用该装置进行焊接时，第二激光束作用于第一激光束产生的熔池或者焊缝，对焊接区域进行表面平整处理或者加热处理，以改变熔池表面的波动状态和焊缝冷却的热历程，经过上述双光束扫描焊接之后的焊接接头在焊缝表面质量、接头力学性能等方面将得到极大改善。
7.本发明的技术解决方案如下：
8.一种双光束激光扫描装置，包括装置外壳、激光输入接口、准直模块、聚焦模块、振镜扫描模块和激光输出端口，其特点在于，所述的振镜扫描模块包括相互独立第一激光束振镜单元和第二激光束振镜单元，所述的第一激光束振镜单元由第一激光束x轴电机马达、第一激光束x轴反射镜、第一激光束y轴电机马达、第一激光束y轴反射镜构成，所述的第二激光束振镜单元由第二激光束x轴电机马达、第二激光束x轴反射镜、第二激光束y轴电机马达、第二激光束y轴反射镜构成，经所述的激光输入接口输入的激光经第一激光束振镜单元和第二激光束振镜单元分别控制第一激光束和第二激光束的摆动参数，包括摆动形状、摆动幅度、摆动频率、扫描速度，经所述的准直模块、聚焦模块、第一激光束振镜单元和第二激光束振镜单元的第一激光束和第二激光束经所述的激光输出端口输出。
9.所述装置激光输入接口为单口，该激光输入接口外连接一台激光器，在所述的激光输入接口后依次是第一准直透镜、第二准直透镜和分束镜，所述的分束镜将入射的激光分为透射的第一激光束和反射的第二激光束，所述的第一激光束所占能量比例大于第二激光束；
10.所述的第一激光束依次经反射镜、聚焦镜后和所述的第一激光束振镜单元摆动扫描后经所述的激光输出端口输出，所述的第二激光束依次经扩束镜、第二激光束准直镜、第二激光束聚焦镜后最终形成较低功率、较大直径光斑的第二激光束，该第二激光束经所述的第二激光束振镜单元摆动扫描后经所述的激光输出端口输出。
11.所述的激光输入端为双激光输入接口，包括第一接口和第二接口，第一接口连接光纤具有较小的光纤芯径，所述的第二接口连接光纤具有较大的光纤芯径，经所述的第一接口输入的第一激光束经第一激光束准直镜、所述的第一激光束振镜单元摆动扫描后经所述的激光输出端口输出，经所述的第二接口输入的第二激光束经第二激光束准直镜形成较大直径光斑的第二激光束，该第二激光束经第二激光束聚焦镜和所述的第二激光束振镜单元摆动扫描后经所述的激光输出端口输出。
12.所述的激光输出端口为双光束输出窗口、或由第一激光束输出窗口和第二激光束输出窗口构成，所述的输出窗口可以是平面透镜或者聚焦功能的复合场镜。
13.所述的双激光输入接口分别连接一台激光器的两路光纤，所述两路光纤中第二光路具有相对较大的光纤芯径，所输出的第一激光束具有相对较高的激光功率；所述的双激光输入接口激光器具有分时或者同时从两路光纤输出激光的功能。
14.所述的双激光输入接口分别连接两台激光器的两路光纤，其中一台具有相对较小的激光功率，形成的最终聚焦光斑具有相对较大的直径，该低功率、大直径光斑激光束是所述的第二激光束。
15.所述的两台激光器是不同类型激光器，其中一台是光纤激光器，另外一台是半导体激光器；所述半导体激光器输出第二激光束，并且形成的最终聚焦光斑具有相对较大的直径。
16.使用所述双光激光扫描装置进行焊接时，第二激光束作用于第一激光束产生的熔池或者焊缝，对焊接区域进行表面平整处理或者加热处理，以改变熔池表面的波动状态和焊缝冷却的热历程，经过上述双光束扫描焊接之后的焊接接头在焊缝表面质量(比如al-mg铝合金)、接头力学性能(比如第三代高强度钢)等方面将得到极大改善。
17.同时，本发明双光扫描激光装置也可以让第一激光束作用于第二激光束扫描后的
材料表面，能够极大地提高涂层材料预处理和焊接的效率和质量。
附图说明
18.图1是本发明双光束激光扫描装置实施例1的结构示意图。
19.图2是本发明双光束激光扫描装置实施例2的结构示意图。
20.图中：1-装置外壳，2-单个激光输入接口，3-从单台激光器输入的单束激光，4-准直透镜，5-准直透镜，6-分束镜，7-扩束镜，8-扩大光束重新准直的透镜，9-第二激光束聚焦镜，10-x轴电机马达，11-第二激光束x轴反光镜，12-第二激光束y轴反光镜，13-y轴电机马达，14-第二激光束，15-反射镜，16-第一激光束聚焦镜，17-x轴电机马达，18-第一激光束x轴反光镜，19-y轴电机马达，20-第一激光束y轴反光镜，21-双光束输出平面镜窗口，22-第一激光束，23-与较大光纤芯径连接的激光输入接口，24-较大光纤芯径光纤输入激光，25-较大光斑准直镜，26-第二激光束输出平面镜窗口，27-较小光纤芯径连接的激光输入接口，28-较小光纤芯径光纤输入激光，29-较小光斑准直镜，30-第一激光束输出聚焦镜窗口。
具体实施方式
21.下面将结合附图1、2对本发明进行详细说明，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。
22.实施例1
23.先请参阅图1，图1是本发明双光束激光扫描装置实施例1的结构示意图，由图可见，本发明双光束激光扫描装置，包括装置外壳1、激光输入接口、准直模块、聚焦模块、振镜扫描模块和激光输出端口，所述的振镜扫描模块包括相互独立第一激光束振镜单元和第二激光束振镜单元，所述的第一激光束振镜单元由第一激光束x轴电机马达17、第一激光束x轴反射镜18、第一激光束y轴电机马达19、第一激光束y轴反射镜20构成，所述的第二激光束振镜单元由第二激光束x轴电机马达10、第二激光束x轴反射镜11、第二激光束y轴电机马达13、第二激光束y轴反射镜12构成，经所述的激光输入接口输入的激光经第一激光束振镜单元和第二激光束振镜单元分别控制第一激光束和第二激光束的摆动参数，包括摆动形状、摆动幅度、摆动频率、扫描速度，经所述的准直模块、聚焦模块、第一激光束振镜单元和第二激光束振镜单元的第一激光束和第二激光束经所述的激光输出端口输出。
24.所述装置激光输入接口为单口2，该激光输入接口2外连接一台激光器，在所述的激光输入接口2后依次是第一准直透镜4、第二准直透镜5和分束镜6，所述的分束镜6将入射的激光分为透射的第一激光束和反射的第二激光束，所述的第一激光束所占能量比例大于第二激光束；
25.所述的第一激光束依次经反射镜15、聚焦镜16后和所述的第一激光束振镜单元摆动扫描后经所述的激光输出端口输出，所述的第二激光束依次经扩束镜7、第二激光束准直镜8、第二激光束聚焦镜9后最终形成低功率、较大直径光斑的的第二激光束，该第二激光束经所述的第二激光束振镜单元摆动扫描后经所述的激光输出端口输出。所述的激光输出端口为双光束输出窗口21
26.该实施例1通过激光输入接口2与一台激光器连接，输入单光束3经过准直透镜4和5到达分束镜6。该分束镜6的透射率与反射率实现不同能量的两束激光输出。
27.所述的分束镜6的透射率为70％，形成的透射激光为第一激光束，具有较高的激光能量。第一激光束经过反射镜15和聚焦镜16到达第一激光束振镜扫描模块，分别通过x轴电机马达17控制的x轴反光镜18和y轴电机马达19控制的y轴反射镜20实现第一激光束在xy平面上的扫描，最后经过平面镜窗口21形成作用于工件的第一激光束22。所述的反射镜15与分束镜处于平行角度。分束镜6的反射率为30％，产生的反射激光为第二激光束，具有较低的激光能量。第二激光束经过扩束镜7放大直径后再经过准直镜8实现准直，经过第二次准直的激光束在聚焦镜9聚焦后到达第二激光束振镜扫描模块，分别通过x轴电机马达10控制的x轴反光镜11和y轴电机马达13控制的y轴反光镜12实现第二激光束在xy平面上的扫描，最后经过平面镜窗口21形成作用于工件的第二激光束14。
28.在一种优选例中，第二激光束14的聚焦光斑直径是第一激光束22的聚焦光斑直径的1.2～1.5倍。
29.在一种优选例中，准直模块4和5通过电机控制上下移动，实现第一激光束22与第二激光束14在z轴方向上的运动。
30.实施例2
31.图2是本发明双光束激光扫描装置实施例2的结构示意图。该实施例与实施例1的区别是在保留相同的两套振镜扫描模块基础上，以不同的激光输入和输出方式实施。该实施例具有两个激光输入接口23与27。其中，接口23与较大芯径的光纤连接，产生的输入激光束24是第二激光束，经过准直镜25和第二激光束聚焦镜9到达第二激光束振镜扫描模块，分别通过x轴电机马达10控制的x轴反光镜11和y轴电机马达13控制的y轴反光镜12实现第二激光束在xy平面上的扫描，最后经过平面镜窗口26形成作用于工件的第二激光束14。接口27与较小芯径的光纤连接，产生的输入激光束28是第一激光束，经过准直镜29到达第一激光束振镜扫描模块，分别通过x轴电机马达17控制的x轴反光镜18和y轴电机马达19控制的y轴反射镜20实现第一激光束在xy平面上的扫描，最后经过聚焦镜窗口30形成作用于工件的第一激光束22。
32.在一种优选例中，所述的双激光输入接口与一台激光器的两路光纤分别连接，并且与接口23连接的光纤具有较大的芯径，激光器能够同时通过两路光纤分别出光，即第一激光束22与第二激光束14同时作用于材料表面。
33.在一种优选例中，输出两路光纤的激光器先通过与接口27连接的光纤出光，出光结束之后，再通过与接口23连接的光纤出光，即第一激光束22首先作用与材料表面，然后第二激光束14作用于材料表面。
34.在一种优选例中，激光器同时出光或者分时出光时，与接口23连接的第二激光束的输出激光功率是与接口27连接的第一激光束的输出激光功率的50％～80％。
35.实施例3
36.与实施例2中相同的装置，区别在于与激光输入接口23和27连接的是两台激光器。
37.在一种优选例中，两台激光器均是光纤激光器，并且与接口23连接的激光器具有较小的激光功率，与较大的光纤芯径，输出第二激光束14。
38.在一种优选例中，两台激光器分别是光纤激光器与半导体激光器，与接口23连接
的是半导体激光器，输出第二激光束14；与接口27连接的是光纤激光器，输出第一激光束22。第二激光束14的聚焦光斑直径是第一激光束22的2-3倍。
39.实验表明，使用本发明双光激光扫描装置进行焊接时，第一激光束作用于第二激光束产生的熔池或者焊缝，对焊接区域进行表面平整处理或者加热处理，以改变熔池表面的波动状态和焊缝冷却的热历程，经过上述双光束扫描焊接之后的焊接接头在焊缝表面质量(比如al-mg铝合金)、接头力学性能(比如第三代高强度钢)等方面将得到极大改善。
40.同时，本发明双光扫描激光装置也可以让第一激光束作用于第二激光束扫描后的材料表面，能够极大地提高涂层材料预处理和焊接的效率和质量。
41.需要说明的是，本发明实施例所描述的光路设计并不限制本发明的实施方式，比如，接口23与半导体激光器连接输出第二激光束14的光路中，可以额外添加光学组件，使输出的第二激光束14具有方形光斑或者环形光斑等非圆点形状。
42.尽管本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限制本发明，任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，做出的种种的等效的变化或替换，均属于本发明保护的范围。因此，本发明的保护范围当视本技术权利要求所界定的范围为准。