一种变焦点激光焊接方法及装置

1.本发明涉及激光深熔焊领域，具体涉及一种变焦点激光焊接方法及装置。


背景技术：

2.随着大功率激光器的国产化，激光焊接进入了越来越多的领域，有各种各样的焊接需求，其中，激光深熔焊最为广泛的焊接形式之一，应用在变速器齿轮，船甲板、密封罐体等的焊接上。但激光焊接受到光学系统的焦深的限制，在轴线方向当激光焊接头固定时，在激光束传输方向上，只在有限的瑞丽长度内激光具有较高功率密度，使得激光焊接深度受到限制。目前有文献报道采用环芯可调式激光器，将双束激光耦合，用环芯光束打开匙孔，用中心光束加大熔深，该技术在一定程度上可以加大熔深，但需要采购专用的激光器，成本较高，而且增加深度效果有限。


技术实现要素：

3.本发明提出一种可变焦点的激光焊接方法及装置，利用改变焦点的位置增加焊接熔深，解决了激光焊接中深度受到限制，焊接效果有限的问题。
4.在本发明的第一个方面，提供一种变焦点激光焊接方法，包括如下步骤：
5.激光束由光纤传输到激光焊接头中，以对所述激光束进行扩束并对所述激光束中的激光波长光高反，反射传输至激光聚焦模块内；
6.调整聚焦镜的位置相对于工件材料上下运动以使所述聚焦镜的焦点的位置周期性移动增大焊接熔深，经过所述聚焦镜聚焦后的激光束对工件材料进行激光焊接。
7.在一个优选的实施例中，在所述激光聚焦模块内，利用交变电流改变聚焦镜所处位置的磁场以产生交变磁场，使得聚焦镜在所述激光聚焦模块内上下往复运动。
8.在一个优选的实施例中，调整所述交变电流的大小和频率，以控制激光焊接的速度及焊接所需的熔深。
9.在一个优选的实施例中，在所述激光聚焦模块内，电控调整聚焦镜所处位置使得所述聚焦镜在所述激光聚焦模块内上下往复运动。
10.在一个优选的实施例中，调整所述激光焊接头的位置相对于工件材料上下运动，以使聚焦镜的位置相对于工件材料上下运动，进而所述聚焦镜的焦点的位置周期性移动增大焊接熔深。
11.在本发明的第二个方面，提供一种应用于上述方法的变焦点激光焊接装置，包括：
12.激光入射与传输模块：连接有光纤，由所述光纤将激光束传输至所述激光入射与传输模块中，以对所述激光束进行扩束并对所述激光束中的激光波长光高反，反射传输至激光聚焦模块内；
13.激光聚焦模块：连通所述激光入射与传输模块并位于其下方，调整聚焦镜的位置相对于工件材料上下运动以改变所述聚焦镜的焦点的位置增大焊接熔深，经过所述聚焦镜聚焦后的激光束对工件材料进行焊接；
14.同轴监测模块：位于所述激光聚焦模块的上方，所述同轴监测模块的中心轴和所述聚焦后的激光束同轴，用以观测所述工件材料的焊接过程。
15.在一个优选的实施例中，在所述激光聚焦模块内，所述聚焦镜固定安装在磁性聚焦镜安装座内，所述磁性聚焦镜安装座的外部设置线圈，给所述线圈通以交变电流产生交变磁场，所述磁性聚焦镜安装座带动所述聚焦镜在所述交变磁场内往复运动。
16.在一个优选的实施例中，改变所述线圈的长度以调整所述聚焦镜的运动行程，设置所述交变电流的频率以调整所述聚焦镜的运动速度。
17.在一个优选的实施例中，所述同轴监测模块的顶部设有同轴ccd，所述同轴ccd的中心轴与所述聚焦后的激光束同轴。
18.在一个优选的实施例中，所述激光入射与传输模块内，设有相互平行的1号反射镜和2号反射镜，激光束到达1号反射镜，反射至2号反射镜上以改变入射方向传输到所述激光聚焦模块内。
19.本发明和现有技术相比具有如下有益效果：
20.1.本发明提供的变焦点激光焊接方法在增加熔深及提高材料可焊性上，相比于改变激光器的方式，效果更好，而且在焊接过程中，间接对熔池产生了搅拌作用，有益于熔池中气体的溢出，减少焊接气孔缺陷。
21.2.本发明中通过改变激光焊接头的结构实现增大熔深，相比于改变激光器形式，其成本更低；操作简单，易于集成，除前期工艺调试外，后续使用过程中，不需人工干预。
附图说明
22.为了更清楚地说明本发明的实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是示例性的，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图引伸获得其它的实施附图。
23.图1为本发明中变焦点激光焊接方法的流程示意图；
24.图2为本发明中激光焊接头的结构示意图；
25.图3为本发明中深熔焊的示意图；
26.图中标号：001为激光入射与传输模块，002为可变焦点激光聚焦模块，003为同轴监测模块；
27.4为光纤接口，5为准直镜保护镜，6为准直镜，7为1号反射镜安装座，8为1号反射镜，9为2号反射镜，10为2号反射镜安装座，11为聚焦镜，12为线圈，13为磁性聚焦镜安装座，14为聚焦镜保护镜，15为同轴ccd。
具体实施方式
28.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。
29.一种变焦点激光焊接方法，如图1所示，包括如下步骤：
30.激光束由光纤传输到激光焊接头中，以对所述激光束进行扩束并对所述激光束中的激光波长光高反，反射传输至激光聚焦模块002内；
31.调整聚焦镜11的位置相对于工件材料上下运动以使所述聚焦镜11的焦点的位置周期性移动增大焊接熔深，经过所述聚焦镜聚11焦后的激光束对工件材料进行激光焊接。
32.本发明提供的变焦点激光焊接方法，通过采取措施调整聚焦镜11相对于工件材料上下运动，从而改变焦点的位置增加焊接熔深，解决了激光焊接中深度受到限制，影响焊接效果的问题。
33.在一个可能的实施方式中，在所述激光聚焦模块002内，利用交变电流改变聚焦镜11所处位置的磁场以产生交变磁场，使得聚焦镜11在所述激光聚焦模块内002上下往复运动。可以采用线圈通以交变电流的方式，利用交变电流引起的磁场变化，带动聚焦镜的位置发生变化，从而改变其焦点位置，进而增加焊接熔深。
34.在焊接过程中，在所述激光聚焦模块002内，通以交变电流，其焦点位置随着内部的聚焦镜11的移动不断发生变化。在深熔焊中，激光为负离焦，即光斑在材料表面之下一定距离，当启动激光焊接头的焦点振荡功能后，焦点会以一定频率上下移动，焦点位置的能量密度较高，当向下移动时，熔化更多的底层金属，使得焊接熔深得以加大，其示意图如图2所示，同时，激光束的上下移动同样也会对焊接熔池形成一个搅拌作用，促进两侧金属的熔合，促进金属蒸汽的溢出。
35.在采用变焦点位置焊接方法时，调整交变电流的大小和频率，可以控制激光焊接的速度、及焊接所需的熔深有关，交变电流的大小和频率根据工艺实验确定。
36.在一个可能的实施方式中，在所述激光聚焦模块002内，电控调整聚焦镜11所处位置在所述激光聚焦模块002内上下往复运动。采用如直线电机、转动变平动的传送机构等可实现电控聚焦镜11相对于工件材料发生移动，进而改变焦点位置，实现增加焊接熔深的目的。
37.在一个可能的实施方式中，调整所述激光焊接头的位置相对于工件材料上下运动，比如设置一个运动轨道或其他运动机构，激光焊接头在运动轨道内上下运动，以使聚焦镜11的位置相对于工件材料上下运动，进而所述聚焦镜11的焦点的位置周期性移动增大焊接熔深，直接控制整个激光头上下移动也能够实现焦点位置变化。
38.在本发明中，结合变焦点激光焊接方法，进一步提供一种变焦点激光焊接装置，用以支撑所述方法实施，整个激光焊接装置由激光入射与传输模块001、激光聚焦模块002、同轴监测模块003组成，激光束由光纤传输至激光焊接头中，激光焊接头对其进行扩束和聚焦后，将激光束汇聚成一点，利用其极高的功率密度对工件材料进行加工焊接。
39.装置中：激光入射与传输模块001：连接有光纤，由所述光纤将激光束传输至所述激光入射与传输模块001中，以对所述激光束进行扩束并对所述激光束中的激光波长光高反，反射传输至激光聚焦模块002内；
40.激光聚焦模块002：连通所述激光入射与传输模块001并位于其下方，调整聚焦镜11的位置相对于工件材料上下运动以改变所述聚焦镜11的焦点的位置增大焊接熔深，经过所述聚焦镜11聚焦后的激光束对工件材料进行焊接；
41.同轴监测模块003：位于所述激光聚焦模块002的上方，所述同轴监测模块003的中心轴和所述聚焦后的激光束同轴，用以观测所述工件材料的焊接过程。
42.如图3所示，光纤与激光焊接头的光纤接口4对接，激光束便可传输至激光焊接头中，入射的激光束依次通过准直镜保护镜5和准直镜6到达1号反射镜8，激光束由1号反射镜8反射到2号反射镜9上改变激光方向，依次通过聚焦镜11和聚焦镜保护镜14，形成聚焦后的激光束作用在工件材料上。
43.其中1号反射镜8、2号反射镜9分别固定在1号反射镜安装座7和2号反射镜安装座10上，同轴ccd15安装在同轴监测模块003的顶部，其中心与聚焦后的激光束重合，工件的图形依次透过聚焦镜保护镜14、聚焦镜11、2号反射镜9后进入同轴ccd15中，对工件材料的焊接过程进行观测。2号反射镜为一合束镜，对入射激光波长光高反，对其他波长光高透。
44.在一个具体实施例中，在所述激光聚焦模块(002)内，所述聚焦镜(11)固定安装在磁性聚焦镜安装座(13)内，所述磁性聚焦镜安装座(13)的外部设置线圈，所述线圈通以交变电流产生交变磁场，进而所述磁性聚焦镜安装座(13)在所述交变磁场内往复运动。
45.具体为：在激光聚焦模块002中，聚焦镜11固定在磁性聚焦镜安装座13上，在激光聚焦模块002的内壁磁性聚焦镜安装座13的外部固定有线圈12，在线圈12中接通交变电流，产生交变磁场，使得磁性聚焦镜安装座13在交变磁场内往复运动，进而带动聚焦镜11上下运动，实现焦点位置的改变。可以通过调整线圈的长度控制聚焦镜11上下运动的行程，通过控制交变电流的频率改变运动的速度。在激光聚焦模块002的底部设置有聚焦镜保护镜14，防止焊接时的烟尘和飞溅损坏聚焦镜11。
46.另外，激光的光学特征使得其有效作用范围较短、并且激光加工速度较快，在变焦点时，实现焊接操作精度更高。
47.以上实施例仅为本技术的示例性实施例，不用于限制本技术，本技术的保护范围由权利要求书限定。本领域技术人员可以在本技术的实质和保护范围内，对本技术做出各种修改或等同替换，这种修改或等同替换也应视为落在本技术的保护范围内。