一种环形激光焊接装置及方法与流程

1.本发明涉及激光焊接领域，具体涉及一种环形激光焊接装置及方法。


背景技术：

2.工业领域，激光焊接应用日益广泛，传统激光焊接激光束一般是高斯分布；在激光束是高斯分布的情况下，焊点中心的温度过高，导致焊接过程中易产生飞溅而损坏焊接工件焊点周围的电子元件；同时，由于焊接过程中受热不均匀，在焊接工件较薄的情况下，导致焊接工件变形。
3.公开号为cn 112643199 a的发明专利公开了一种环形光激光焊接装置，所述专利是先用锥透镜将平行光束折射为环形光束，聚焦镜将环形光束聚焦，形成聚焦光束，聚焦光束经反射面反射后，绕开突出部的遮挡在焊缝处形成聚焦圆环；反射体具有反射面，反射面用来改变聚焦光束的方向，使焦平面的位置发生改变；锥透镜及聚焦镜至少有一个能够轴向移动，过程繁琐并且环形光的圆环宽度不可调。


技术实现要素：

4.本发明目的是为了解决传统激光焊接存在的不足，提供一种环形激光焊接装置及方法。
5.为实现以上目的，本发明技术方案为：
6.一种环形激光焊接装置，包括光纤激光器、准直器、扩束镜、环形光透镜、激光振镜、聚焦镜；
7.光纤激光器用于产生激光；
8.光纤激光器的输出光路上设置准直器，准直器用于将光纤激光器发出的发散激光调整为准直平行光；
9.准直器的输出光路上设置扩束镜，扩束镜用于将准直器输出的准直平行激光束扩束放大；
10.扩束镜的输出光路上设置环形光透镜，激光束从环形光透镜的中心经过，环形光透镜用于将光纤激光器产生的高斯分布的激光束转换为环形光束；
11.通过环形光透镜的环形光束传输至激光振镜，激光振镜用于调整激光光斑的位置和运动轨迹；
12.激光振镜输出光路上设置聚焦镜；
13.光纤激光器发出的激光依次通过准直器、扩束镜、环形光透镜、激光振镜、聚焦镜，通过聚焦镜聚焦作用于待焊接的工件上。
14.进一步的是，所述的环形光透镜为多拓扑数的环形光透镜。
15.进一步的是，所述的环形光透镜为一个或多个。
16.进一步的是，所述的焊接装置还包括分光镜，所述的分光镜设置在环形光透镜的输出光路上；通过环形光透镜的环形光束输出至分光镜；从分光镜透射的环形光束输出至
激光振镜。
17.进一步的是，所述的分光镜包括第一分光镜及第二分光镜；通过环形光透镜的环形光束输出至第一分光镜，从第一分光镜透射的环形光束输出至第二分光镜，从第二分光镜透射的环形光束输出至激光振镜。
18.进一步的是，所述的第一分光镜及第二分光镜其中一面均镀有635nm红光半反半透介质膜。
19.进一步的是，所述的焊接装置还包括设置在焊接装置内部的红外温度传感器，所述红外温度传感器的中心与光纤激光器的中心在一个水平面上，红外温度传感器用于测量经第二分光镜反射的焊点位置的温度。
20.进一步的是，所述的焊接装置还包括设置在焊接装置内部的图像采集装置，所述的图像采集装置为ccd摄像机，所述的图像采集装置的中心与光纤激光器的中心在一个水平面上，用于采集经第一分光镜反射的焊点位置的图像。
21.利用所述的环形激光焊接装置进行焊接的方法，包括以下步骤：
22.步骤一：将焊接工件固定在焊接夹具上；
23.步骤二：调节二维平台和升降平台设定激光离焦量及激光光斑直径的参数；
24.步骤三：调整环形光透镜，通过使用不同拓扑数的环形光透镜或增减光路中环形光透镜的数量，调节环形光束的宽度；
25.步骤四：设置连续的焊接图形，调节焊接图形坐标，移动二维平台使激光作用在焊接加工位置；
26.步骤五：设定激光焊接功率为450w、激光脉宽1—5ms、频率1—200hz、每个焊点的振镜扫描次数为一遍、调节振镜使激光速度为1—500mm/s。
27.步骤六：触发激光，通过环形光对焊接区域进行焊接；
28.步骤七：焊接完成，关闭激光,焊接工件冷却,形成焊点。
29.进一步的是，步骤二中离焦量为0-3mm，激光光斑直径为100-500μm；步骤三种环形光束的宽度为100-200μm。
30.本发明的有益效果是：
31.1.本发明通过环形光透镜衍射将高斯分布的激光束转换为环形分布的光束，因高斯分布的激光束易导致焊点中心温度过高，导致焊接过程中产生飞溅及因焊接件受热不均导致焊接件损坏，本发明通过改变光斑的光强分布，由高斯光束变为环形分布，降低了焊点中心温度，防止焊接中产生飞溅及因焊点中心温度过高损坏焊接工件。
32.2.本发明中使用的是多拓扑数的环形光透镜，通过使用不同拓扑数的环形光透镜或增减光路中环形光透镜的数量，可以调节环形光束的宽度，进而调整了激光光斑的直径，因而可以根据焊接工件的材质和厚度调节激光焊接光斑的参数，进一步保证焊接质量。
33.3.本发明在焊接装置中同时设置了红外温度传感器及图像采集装置，可以实时监测焊接位置的温度及焊接情况，有利于保证焊接质量。
附图说明
34.图1本发明设备结构示意图。
35.图2激光光束能量分布方式效果图。
36.图3激光光束能量分布方式示意图。
37.图4实施案例1中环形光和高斯光激光焊接效果对比图。
38.图5实施案例1中环形光焊点的3d显示图
39.图6实施案例2连续焊的缝焊显示图。
40.图中：光纤激光器1、准直器2、扩束镜3、环形光透镜4、第一分光镜5、第二分光镜6、激光振镜7、聚焦镜8、红外温度传感器9、图像采集装置10、聚焦后输出的环形光束示意图11。
具体实施方式
41.为了使发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图对本发明作进一步阐述。
42.一种环形激光焊接装置，包括壳体、光纤激光器1、准直器2、扩束镜3、环形光透镜4、第一分光镜5、第二分光镜6、激光振镜7、聚焦镜8、红外温度传感器9、图像采集装置10。
43.光纤激光器1、准直器2、扩束镜3、环形光透镜4、第一分光镜5、第二分光镜6、激光振镜7、聚焦镜8、红外温度传感器9、图像采集装置10均设置在壳体内，壳体等其它附件为常规结构，在此不再累述。
44.因红光照金属的效果最好，本发明中，在焊接工件所处位置附近设置一个环形光源作为机械视觉中的照明使用，所述照明用的环形光源输出的是635nm的红光。
45.光纤激光器1用于产生光源，所述的光纤激光器1是红外激光器，激光参数为波长800nm-1200nm、平均功率450w、峰值功率为50～4500w，最高单脉冲能量45j、光束质量m2因子小于等于1.3、最小脉冲宽度1ms，发射的激光脉冲宽度为1～30ms、出光频率为1hz～500hz。
46.如图1所示，光纤激光器1发出的激光依次通过准直器2、扩束镜3、环形光透镜4、第一分光镜5、第二分光镜6、激光振镜7、聚焦镜8。
47.光纤激光器1的输出光路上设置准直器2，准直器2用于将光纤激光器1发出的发散激光调整为准直平行光；
48.准直器2的输出光路上设置扩束镜3，扩束镜3用于将准直器输出的准直平行激光束扩束放大；
49.扩束镜3的输出光路上设置环形光透镜4；
50.红外激光从扩束镜3输出至环形光透镜4并从环形光透镜4的中心经过，光束通过环形光透镜4后，光束分布由高斯分布转换为环形光束分布，环形光束的宽度为100-200μm，所述的环形光束为漩涡光束。
51.环形光透镜4为多拓扑数的环形光透镜，每个环形光透镜的拓扑数可以是2、3、4、5、6、7、8中的任意一个数值；本发明中光路上可以设置一个或多个环形光透镜，多个环形光透镜形成环形光透镜组，环形光透镜组的拓扑数可以在2-31之间增减；通过使用不同拓扑数的环形光透镜或者增减环形光透镜组中环形光透镜的数量，可以实现环形光束拓扑数的增减，进而实现环形光束圆环宽度的增减。
52.本发明将高斯分布的激光束转换为环形分布，通过改变光斑的光强分布，降低了焊点中心温度，通过降低焊点中心匙孔温度来控制匙孔的蒸汽压，减少飞溅产生；通过提高
匙孔周围的液态金属温度，减少蒸汽排除的阻力，减少飞溅。
53.本发明中，环形激光光束能量分布方式效果图如图2所示，环形激光光束能量分布方式示意图如图3所示，通过环形光和高斯光激光焊接效果对比图如图4所示，图5为环形光点焊的3d显示图，图6为环形光连续焊的缝焊显示图。
54.如图1所示，第一分光镜5与第二分光镜6与激光光路呈45度夹角，分光镜为半反半透镜片，可透射800-1200nm的红外激光，第一分光镜5与第二分光镜6右边的一面镀有635nm红光半反半透介质膜，可在45度方向反射635nm可见光。
55.通过环形光透镜4的环形光束输出至第一分光镜5，从第一分光镜5透射的环形光束输出第二分光镜6，从第二分光镜6透射的环形光束输出至激光振镜7，激光振镜7用于调整第二分光镜6透射的环形激光光斑的位置和运动轨迹；激光振镜7输出光路上设置聚焦镜8，激光振镜7输出的环形光束经聚焦镜8聚焦作用于待焊接的工件上；聚焦后输出的环形光束示意图如11，通过聚焦镜8聚焦后的激光光斑直径为100-500μm。
56.本发明中，通过机加件在壳体内设置红外温度传感器9及图像采集装置10；图像采集装置10为ccd摄像机；具体实施中，将光纤激光器1、准直器2、扩束镜3、环形光透镜4、第一分光镜5、第二分光镜6、激光振镜7、聚焦镜8设置在第一壳体内部；红外温度传感器9、图像采集装置10设置在第一壳体外部；第一壳体整体及红外温度传感器9、图像采集装置10共同设置在第二壳体内部；
57.红外温度传感器9、图像采集装置10与光纤激光器1三者的中心在一个水平面上，温度传感器9、图像采集装置10与光纤激光器1三者同轴设置；温度传感器9、图像采集装置10连接有外部计算机，通过计算机实时获得温度传感器9、图像采集装置10采集的数据；
58.本发明中，通过635nm的红光照明，焊点位置的图像经聚焦镜8透射，聚焦镜8透射焊点位置的图像并输出至激光振镜7，再通过激光振镜自带的两个反射镜反射至第二分光镜6，图1中第二分光镜6的右面镀有635nm红光半反半透介质膜，焊点位置的图像反射光束经第二分光镜6分为两个光束，其中一个光束传播至第一分光镜5；另一个光束经第二分光镜6反射传向红外温度传感器9，红外温度传感器9测量焊点位置经过第二分光镜6反射后输出的焊点位置的温度，考虑到光束在传播中的能量损失，红外温度传感器9测出的经过第二分光镜6反射后输出的焊点位置的温度与焊点位置的实际温度会有差异，通过软件按照一定的比例系数进行调整，则可通过红外温度传感器9实时获取焊点位置的温度，如焊点位置温度异常则可通过软件报错，防止焊接过程中的温度异常导致待焊接工件损坏。
59.第二分光镜6的一个光束传输至第一分光镜5后，图1中第一分光镜5右面亦镀有635nm红光半反半透介质膜，焊点位置的图像反射光束经第一分光镜5反射后，焊点位置图像的部分反射光束传向图像采集装置10，图像采集装置10采集经第一分光镜5反射后输出的焊点位置图像，通过图像采集装置10连接的外部计算机，可以实时监控焊点位置的焊接情况。
60.本发明中，第一壳体包括第一开口及第二开口，第一分光镜5对应第一开口，图像采集装置10通过第一开口采集经第一分光镜5反射后输出的焊点位置图像；第二分光镜6对应第二开口，红外温度传感器9通过第二开口采集经第二分光镜6反射后输出的焊点位置的图像温度；
61.通过机加件在第一开口与图像采集装置10之间、及第二开口及红外温度传感器9
之间设置滤光片，滤光片滤除红外激光，防止因红外激光导致红外温度传感器9及图像采集装置10采集数据过程中出现误差。
62.本发明中，焊接工件为铜、金等金属。
63.通过所述环形激光焊接装置进行焊接的方法包括以下步骤：
64.步骤一：将焊接工件固定在焊接夹具上；
65.步骤二：调节二维平台和升降平台设定激光离焦量及激光光斑直径的参数；
66.采用计算机控制板卡和激光焊接软件，调节二维平台和升降平台测试出激光最强时，光斑最小的位置作为焦点，再调节升降平台使激光离焦量为0-3mm，激光光斑为100-500um；
67.步骤三：调整环形光透镜4，调整环形光透镜4，通过使用不同拓扑数的环形光透镜或增减光路中环形光透镜的数量，调节环形光束的宽度为100-200μm；
68.通过使用不同拓扑数的环形光透镜或增减光路中环形光透镜的数量，可以调节环形光束的宽度，进而调整了激光光斑的直径，因而可以根据焊接工件的材质和厚度调节激光焊接光斑的参数，进一步保证焊接质量。
69.步骤四：设置焊接图形，调节焊接图形坐标，移动二维平台使激光作用在焊接加工位置；
70.步骤五：设定激光焊接功率为450w、激光脉宽1—5ms、频率1—200hz、每个焊点的振镜扫描次数为一遍、调节振镜使激光速度为1—500mm/s。
71.步骤六：触发激光，通过环形光对焊接区域进行焊接；
72.步骤七：焊接完成，关闭激光,焊接工件冷却,形成焊点。
73.最后应说明的是：本说明书未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术，以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
74.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“左”、“右”、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。