一种适用于激光点焊的QCW准连续半导体激光控制系统的制作方法

本发明涉及一种激光控制系统的技术领域，尤其是一种适用于激光点焊的qcw准连续半导体激光控制系统。

背景技术

激光点焊机因其焊接精度高，无噪音污染及空气污染，构件不会变型，受热区域可控制等优点，被广泛应用于贵金属，金银材料等精细产品高精度的焊接或缝焊。

现在市面上激光点焊用的设备大多为灯泵yag激光器，用yag进行激光点焊的优点是焊接点大小合适，焊接点熔池形状优良，熔池底部呈现圆形，并且深度适宜，可以实现较好的点焊质量。但是灯泵yag激光器的电——光转换效率低，只有3％，且灯泵为消耗品，需要频繁更换，导致yag点焊机提高了生产成本和维护成本。

另外，还有采用光纤激光器进行激光点焊用，其虽然光束质量优、维护成本低、电光转换效率高，但是基于这些优点所付出的代价就是产品制作成本高，价格相比于半导体激光器高很多倍，对于小微加工企业来说性价比极低，同时还会因为外界环境温度而受到点焊效果的影响，实际激光点焊机应用场合环境复杂(比如夏天和冬天，高温地区和低温地区使用等等)，温度过高或者过低都会导致泵浦激光器的波长漂移，从而影响光纤激光器的电——光转换效率，最终导致激光出光能量降低或者不稳定。

针对以上缺陷，本发明人研发并制作了一种适用于激光点焊系统的准连续(qcw)半导体激光模块。

技术实现要素：

本发明的目的是为了解决上述技术的不足而设计的一种降低企业对产品生产时的成本和点焊设备的维护成本，提升激光器转换效率以提升焊接效果的一种适用于激光点焊的qcw准连续半导体激光控制系统。

本发明所设计的一种适用于激光点焊的qcw准连续半导体激光控制系统，包括：

一光学模块，用于形成激光并输出；

一驱动模块，用于驱动光学模块的半导体激光器出光；

一主控模块，用于信号处理；

一a/d转换模块，用于将模拟信号转换为数字信号；

一传感控制模块，根据光学模块侧部位置上的温度传感元件和光功率检测元件所检测得到的数据参数进行设置和控制驱动光学模块的半导体激光器出光方式，并调制频率和占空比，以调节出光功率；驱动模块和a/d转换模块分别与主控模块相连；传感控制模块与a/d转换模块相连；光学模块的信号输入端与驱动模块的信号输出端相连。

进一步优选，光学模块包括多个相互串联的半导体激光器、合束器、激光传能光缆和导引发光二极管d，各半导体激光器和导引发光二极管d分别与驱动模块电连接；各半导体激光器分别通过输出光纤与对应合束器的输入光纤相连；合束器的输出光纤与激光传能光缆相互熔接；导引发光二极管d接入合束器中的一输入光纤；半导体激光器和导引发光二极管d之间、以及合束器的旁侧均具有温度传感元件，合束器与激光传能光缆之间的输入光纤的熔接点旁侧具有光功率检测元件。

进一步优选，驱动模块包括半导体激光驱动电路和导引光发射电路，半导体激光驱动电路的一端与主控模块相连，其另一端与各半导体激光器相连；导引光发射电路的控制端连接5v的vcc电源，其另一端与导引发光二极管d相连。

进一步优选，半导体激光驱动电路包括限流电阻r1、模拟信号开关tg1、模拟信号开关tg2、对输入的qcw准连续信号进行前置放大的电压跟随放大电路和驱动各半导体激光器启动工作的驱动电路；模拟信号开关tg1上和模拟信号开关tg2上开关所引出的连接线与主控模块的输出连接线相连，模拟信号开关tg1上的常闭端与模拟信号开关tg2的开关端相连，模拟信号开关tg1上的常开端和模拟信号开关tg2的常开端均接地连接，模拟信号开关tg1的开关端与电压跟随放大电路相连，模拟信号开关tg2的常闭端通过限流电阻r1与电压跟随放大电路的前置放大电源端相连；其模拟信号开关tg1上开关所引出的连接线为输入开关提供qcw准连续模式进行选择，模拟信号开关tg2上开关所引出的连接线输入qcw准连续调制信号；驱动电路与半导体激光器相互相连。

进一步优选，导引光发射电路包括电阻r2、电阻r3、电阻r4、电阻r6、电阻r7、三极管q2、三极管q3、电容c1、用于调节导引发光二极管d发光的光亮强度的可调节电阻r5和驱动导引发光二极管d正常发光的恒流源电路，电阻r2的控制端连接5v的vcc电源、以及连接电阻r3后接地连接，三极管q2的基极与电阻r3的另一端相连，其发射极接5v激励源、电阻r4、可调节电阻r5相互串联后接地，其集电极为电源vdd输入端；电阻r4与电阻r5串联连接，可调节电阻r5阻值调节端与电阻r6串联后再与一滤波电容c1并联，电阻r6的输出端与后级恒流源电路串联；三极管q3的集电极与导引发光二极管d相连，基极与电阻r14相连，运算放大器u3的反向输入端接电阻r15后再与q3的发射极相连组成反馈电路。

进一步优选，电压跟随放大电路由运算放大器u1、运算放大器u2、电阻r11、电阻r12、电阻r13构成；驱动电路由电阻r8、电阻r9、电阻r10和作为各半导体激光器的驱动管的场效应三极管q1构成；恒流源电路由串联电阻r14、反馈电阻r15、运算放大器u3构成，运算放大器u3的同向输入端分别与电阻r6和电容c1相连，u3的输出端和电阻r14串联，电阻r14再与三极管q3的基极相连；电阻r15接在三极管q3的发射极组成反馈网路，三极管的发射极连接电阻r7后接地连接。

进一步优选，传感控制模块包括温度传感电路若干和光功率检测电路若干，温度传感电路的检测端与温度传感元件相连，光功率检测电路的检测端与光功率检测元件相连；温度传感电路和光功率检测电路的信号输出端与a/d转换模块相连。

进一步优选，温度传感电路包括电阻r16、电阻r17、滤波电容c2和运算放大器u4，电阻r16的正极为电源vdd输入端，电阻r16、温度传感元件相互串联后接地连接；电阻r17的一端连接在电阻r16、温度传感元件之间，其另一端接滤波电容c2再与运算放大器u4的正向输入端连接，滤波电容c2接地连接；运算放大器u4的反向输入端与输出端直接相连，组成射随电路，其输出端与a/d转换模块相连。

进一步优选，光功率检测电路包括最前端的i/v转换电路、电阻r18、滤波电容c3、运算放大器u5，i/v转换电路的输入端与光功率检测元件串联后接地，其输出端与电阻r18串联；电阻r18分别与运算放大器u5的输入端和滤波电容c4相连，滤波电容c3接地连接；运算放大器u5的反向输入端与其输出端相连构成射随器，其输出端与a/d转换模块相连。

进一步优选，i/v转换电路包括电阻r19、电阻r20、运算放大器u6、滤波电容c4，电阻r19与光功率检测元件相互串联后接地连接，滤波电容c4、电阻r20、运算放大器u6三者相互并联构成并联电路，电阻r19与并联电路运算放大器u6的反向输入端相连，并联电路的输出端与电阻r18相连。

进一步优选，温度传感元件采用热敏电阻；热敏电阻为负温度系数热敏电阻(ntc热敏电阻)，其ntc热敏电阻具有受周围温度的升高阻值反而变小的特点。

进一步优选，光功率检测元件采用光敏二极管或to探头；其可随着激光强度的变化其流过的电流大小也将随之变化。

进一步优选，主控模块采用mpu或dsp处理器；当选用dsp处理器的方式时，将脉冲程序通过计算机写入处理器中，然后对驱动模块发出脉冲命令。

本发明设计的一种适用于激光点焊的qcw准连续半导体激光控制系统，其系统具有如下有益效果：

1)转换效率高(30％-50％)，降低设备的维护成本以及产品生产的成本，提升了产品焊接成型的效果，较yag固体激光器和光纤激光器更具性价比；

2)内部光学模块、驱动模块、控制模块高度集成，大大减小了激光器系统的体积，尤其是电路系统中的控制板和传感板独创性的整合至一块电路板上，实现了半导体激光点焊系统的模块化；

3)空气冷却代替传统的水冷机冷却，减免了大型的水冷设备，实现了半导体激光点焊系统的小型化。

4)将3块准连续(qcw)半导体激光模块组合叠加，最终形成多点同步焊接，激光脉冲能量一致，各光束能量可单独调制的多光束精细焊接激光加工系统。

5)合束的单个半导体激光器功率以及半导体激光器个数可以随意变化，来适配不同功率的激光加工要求，功率可以从几瓦到几百瓦，甚至到几千上万瓦都可以订制；

附图说明

图1是实施例1的整体结构示意图(一)；

图2是实施例1的整体结构示意图(二)；

图3是实施例1的整体结构示意图(三)

图4是实施例1的半导体激光驱动电路的结构示意图；

图5是实施例1的导引光驱动电路的结构示意图；

图6是实施例1的温度传感电路的结构示意图；

图7是实施例1的光功率检测电路的结构示意图；。

具体实施方式

下面将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，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。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1：

如图1-图7所示，本实施例所描述的一种适用于激光点焊的qcw准连续半导体激光控制系统，包括：

一光学模块1，用于形成激光并输出；

一驱动模块2，用于驱动光学模块1的半导体激光器11出光；

一主控模块4，用于信号处理；主控模块4采用mpu或dsp处理器；当选用dsp处理器的方式时，将脉冲程序通过计算机写入处理器中，然后对驱动模块发出脉冲命令；

一a/d转换模块，用于将模拟信号转换为数字信号；

一传感控制模块3，根据光学模块1侧部位置上的温度传感元件和光功率检测元件所检测得到的数据参数进行设置和控制驱动光学模块1的半导体激光器出光方式，并调制频率和占空比，以调节出光功率。温度传感元件采用热敏电阻；热敏电阻r21为负温度系数热敏电阻(ntc热敏电阻)，其ntc热敏电阻r21具有受周围温度的升高阻值反而变小的特点。光功率检测元件采用光敏二极管d1或to探头；其可随着激光强度的变化其流过的电流大小也将随之变化；

驱动模块2和a/d转换模块分别与主控模块4相连；传感控制模块3与a/d转换模块相连；光学模块1的信号输入端与驱动模块2的信号输出端相连。

上述结构的设计原理：驱动模块2从传感控制模块3输入准连续(qcw)信号，驱动半导体激光器11的二极管发光；传感控制模块3(包括传感和探测)设置和控制激光器出光方式，即准连续(qcw)调制频率和占空比，同时调节出光功率；紧贴合束器的温度传感元件，紧贴半导体激光器11的温度传感元件，紧贴合束器12输出光纤与高功率激光传能光缆13输入光纤的熔接点的光功率探测元件等，分别用来监控合束器12和半导体激光器11阵列的工作温度，并反馈给模块驱动模块2和传感控制模块3中；光功率探测元件采用特殊的光收集方式，通过监控光纤熔接点处的泄露光，检测激光器输出光功率；从而实现高效率的电光转换，达到高效的点焊产品，还避免了水冷。

本实施例中，光学模块1包括多个相互串联的半导体激光器11、合束器12、激光传能光缆13和导引发光二极管d，各半导体激光器11和导引发光二极管d分别与驱动模块2电连接；各半导体激光器11分别通过输出光纤与对应合束器12的输入光纤相连；合束器12的输出光纤与激光传能光缆13相互熔接；导引发光二极管d接入合束器12中的一输入光纤；半导体激光器11和导引发光二极管d之间、以及合束器12的旁侧均具有温度传感元件，合束器与激光传能光缆之间的输入光纤的熔接点旁侧具有光功率检测元件；多个半导体激光器11相互串联连接，使得供电后多个半导体激光器则同时出光。

上述结构中，激光器阵列中的半导体激光器数量可以定制，并不一定是附图中的起个，通过输出光纤与对应合束器12的输入光纤一一连接，合束器输出光纤与高功率激光传能光缆13熔接在一起来实现柔性出光。通过合束器将半导体激光器发出的激光合到一根光纤中，得到叠加的激光能量。其中，半导体激光器的激光通过光纤耦合输出，半导体激光器的输出光纤个数与合束器输入光纤个数相同。半导体激光器的数目不少于1只，半导体激光器的数目不大于合束器输入光纤数目。合束器输出光纤与激光输出头光纤规格相同。

另外，导引光为红光，接入合束器中的一条输入光纤，由于半导体激光输出波长为近红外，为不可见光，导引光(红光)作为指示光方便了后期的光束调节，从而提升了使用效果。

本实施例中，驱动模块2包括半导体激光驱动电路21和导引光发射电路22，半导体激光驱动电路21的一端与主控模块4相连，其另一端与各半导体激光器11相连；导引光发射电路22的控制端连接5v的vcc电源，其另一端与导引发光二极管d相连。其结构中的半导体激光驱动电路21用于驱动各半导体激光器11出光；导引光发射电路22驱动导引发光二极管出光，以作为指示光便于后期的光束调节。

本实施例中，半导体激光驱动电路包括限流电阻r1、模拟信号开关tg1、模拟信号开关tg2、对输入的qcw准连续信号进行前置放大的电压跟随放大电路和驱动各半导体激光器启动工作的驱动电路；模拟信号开关tg1上和模拟信号开关tg2上开关所引出的连接线与主控模块的输出连接线相连，模拟信号开关tg1上的常闭端与模拟信号开关tg2的开关端相连，模拟信号开关tg1上的常开端和模拟信号开关tg2的常开端均接地连接，模拟信号开关tg1的开关端与电压跟随放大电路相连，模拟信号开关tg2的常闭端通过限流电阻r1与电压跟随放大电路的前置放大电源端相连；其模拟信号开关tg1上开关所引出的连接线为输入开关提供qcw准连续模式进行选择，模拟信号开关tg2上开关所引出的连接线输入qcw准连续调制信号；驱动电路与半导体激光器相互相连。电压跟随放大电路由运算放大器u1、运算放大器u2、电阻r11、电阻r12、电阻r13构成；驱动电路由电阻r8、电阻r9、电阻r10和作为各半导体激光器的驱动管的场效应三极管q1构成。

上述结构中，半导体激光器为半导体激光二极管，其中电压跟随放大电路上的运算放大器u2正极为前置放大电源，半导体激光二极管的一端为驱动电源端，以对半导体激光二极管供电，驱动电源端为高电压(≧40v)和大电流(≧10a)电压源，前置放大电源为低压电源；在模式选择时：不工作在qcw模式时，输入为零电平；模拟信号开关tg2上开关所引出的连接线输入qcw准连续调制信号，即为脉冲宽度调制(pwm)信号，由控制电路设置调制频率和占空比后输入；从而提升了电光转换的转换效率。

本实施例中，导引光发射电路包括电阻r2、电阻r3、电阻r4、电阻r6、电阻r7、三极管q2、三极管q3、电容c1、用于调节导引发光二极管d发光的光亮强度的可调节电阻r5和驱动导引发光二极管d正常发光的恒流源电路，电阻r2的控制端连接5v的vcc电源、以及连接电阻r3后接地连接，三极管q2的基极与电阻r3的另一端相连，其发射极接5v激励源、电阻r4、可调节电阻的电位器电阻r5相互串联后接地，其集电极为电源vdd输出端；电阻r4与电阻r5串联连接，可调节电阻r5的阻值调节端与电阻r6串联后再与一滤波电容c1并联，电阻r6的输出端与后级恒流源电路串联；三极管q3的集电极与导引发光二极管d相连，基极与电阻r14相连，运算放大器u3的反相输入端接电阻r15再与三极管q3的发射极相连组成基本的反馈电路。该三极管q3驱动电路和电阻r14组成恒流源电路从而保证导引光二极管能正常发光的电路；恒流源电路由串联电阻r14、反馈电阻r15、运算放大器u3构成，并且运算放大器u3的同相输入端分别与电阻r6和电容c1相连，u3的输出端和串联电阻r14串联，再与三极管q3的基极相连。反馈电阻r15接在三极管q3的发射极组成反馈网路，三极管q3的发射极接电阻r7接地。

上述结构中，导引光(红光)，以下简称红光，在电阻r2的控制端送入高电平信号(0v到5v电压信号)，经电阻r3电压保护后连接三极管q1的基极，保证了三极管的正常开启电压，三极管q1的集电极为电源vdd输入端，电阻r5为一可调节的电阻。通过调节可调节电阻电阻r5能改变红光的光亮强度，从而便于人眼观察，校准定位等一系列操作，便于对激光进行电光转换，提升使用性能。

本实施例中，传感控制模块3包括温度传感电路32若干和光功率检测电路31若干，温度传感电路32的检测端与温度传感元件相连，光功率检测电路31的检测端与光功率检测元件相连；温度传感电路32和光功率检测电路31的信号输出端与a/d转换模块相连。温度传感电路和光功率检测电路可设置为三路、四路或超过四路，并且电路原理基本相同；其温度传感电路对热敏电阻的电流大小进行检测，从而通过检测到的模拟量经a/d转换模块转换后得到准确的温度数字信号数据；光功率检测电路对光敏二极管的电流大小进行检测，将检测到的模拟量经a/d转换模块转换后得到准确的光功率数字信号数据；该温度数字数据和光功率数字信号数据经mpu或dsp处理器输送至上位机控制和读取，其mpu或dsp处理器上的plc控制器接口36还与上位机的plc控制器和触摸屏33相连，plc控制器控制点焊机的行走轨迹；mpu或dsp处理器还具有rj45串行数据口34和模拟量输入/输出接口35，模拟量输入/输出接口将得到数字信号经mpu或dsp处理器处理得到的模拟量控制指令传输至驱动模块中，以驱动半导体激光器和红光。

本实施例中，温度传感电路32包括电阻r16、电阻r17、滤波电容c2和运算放大器u4，电阻r16的正极为电源vdd输入端，电阻r16、温度传感元件相互串联后接地连接；电阻r17的一端连接在电阻r16、温度传感元件之间，其另一端分别滤波电容c2和运算放大器u4的同相输入端连接，滤波电容c2接地连接；运算放大器u4的反向输入端与输出端直接相连，组成射随电路，其输出端与a/d转换模块相连。

上述结构中，其中电阻r17的一端为电源vdd输入端，热敏电阻r21为负温度系数热敏电阻，可受周围温度的升高阻值反而变小的特点，从而可引起运放运算放大器u4的正向输入端的电压发生变化，经过运算放大器u4组成的射随电路将变化的电压信号经运算放大器u4的输出端输出，然后该变化的电压信号送入给模拟通道。利用模拟通道选通的特点，有选择性的选通三路或四路或超过四路温度检测电路的其中一路或者多路来读取模拟电压信号，再经过a/d转化模块将模拟信号转化为数字信号送入到dsp以便于上位机控制和读数；使得选择控制可靠。

本实施例中，光功率检测电路31包括最前端的i/v转换电路、电阻r18、滤波电容c3、运算放大器u5，i/v转换电路的输入端与光功率检测元件串联后接地，其输出端与电阻r18串联；电阻r18分别与运算放大器u5的输入端和滤波电容c4相连，滤波电容c3接地连接；运算放大器u5的反相输入端与其输出端相连构成射随器，其输出端与a/d转换模块相连。其输出端与a/d转换模块相连。其结构为了在检测变化较快、幅值很小、存在干扰的电流信号重进行快速变换信号，以将信号进行放大、滤波，便于a/d转换模块接收。

上述结构中，作为光功率检测元件的to探头或光敏二极管d1随着激光强度的变化其流过的电流大小也将随之变化。to探头或光敏二极管d1探测到激光能量的不同从而引起流过to探头的电流发生相应的变化，这些变化的电流再经过电阻r19变换，使流入运算放大器u5反向输入端的电压信号发生变化，运算放大器u5将这些变化的电压信号反向放大输出，再经过电阻运算放大器u5流入运算放大器u6的正向输入端，这些变化的电压信号经射随电路的输出端输出，后续送入给模拟选通通道，再经a/d转化数据送入dsp以便于上位机控制和读取。

本发明的实施例中在进行点焊操作时可免去泵浦、增益光纤、cps(包层功率剥除器)、光纤光栅等器件，大大减少了生产时间和成本，且电光转换效率达到了50％以上，后期使用及维护成本很低。另外，解决了现有点焊机为单脉冲能量输出，且脉冲间隔时间长，需要水冷冷却而导致设备体积庞大，水资源消耗较大的技术问题；从而根据本发明的设计只需要空冷就能达到点焊设备小型化，节约能源效果。

本发明不局限于上述最佳实施方式，任何人在本发明的启示下都可得出其他各种形式的产品，但不论在其形状或结构上作任何变化，凡是具有与本申请相同或相近似的技术方案，均落在本发明的保护范围之内。