专利名称：大功率双腔并联焊接系统的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种焊接系统，尤其涉及一种激光焊接系统。
背景技术：
在传统激光焊接系统中，大功率激光器一般通过多腔串接来实现，串接越多对结构设计的要求和器件加工的要求就越高，激光功率的稳定性与设计结构和器件配置密切相关，器件设计的复杂化和光路的高失调灵敏度，给现场实际焊接和调试带来了诸多不便。
发明内容本实用新型公开了一种大功率双腔并联焊接系统，其采用多光束聚焦系统，将两束强脉冲激光聚合到同一焊点，其能量和峰值功率都是原来单光路的两倍以上，并且在焊接过程中，深熔焊接熔池会持续存在，并且焊接熔深更深，其焊接产品效率和外观，产品合格率上都有很大的提高。本实用新型的大功率双腔并联焊接系统包括第一激光器、第一谐振腔、第一输出镜、第一主反射镜、第一水冷系统和聚光镜，还包括第二激光器、第二谐振腔、第二输出镜、 辅助反射镜、第二主反射镜、第二水冷系统；第一激光器发出的光线依次通过第一谐振腔、 第一输出镜和第一主反射镜后作为第一焊接激光；第二激光器发出的光线依次通过第二谐振腔、第二输出镜、辅助反射镜和第二主反射镜后作为第二焊接激光；第一焊接激光和第二焊接激光同步入射至聚焦镜，经过聚焦后成为焊接激光。其中，第一激光器和第二激光器均为YAG固体激光器。第一主反射镜和第二主反射镜均为45度全反镜，且紧邻放置，使得从第一激光器和第二激光器发射出的激光通过第一主反射镜和第二主反射镜反射后，均传导至聚光镜。第一谐振腔和第二谐振腔均为平凹腔。辅助反射镜包括两个45度全反镜。第一水冷系统和第二水冷系统均为外置水冷系统。
图1为本实用新型的大功率双腔并联焊接系统的结构示意图的平面图。图2为本实用新型的大功率双腔并联焊接系统的结构示意图的侧视图。
具体实施方式
为了使本领域技术人员可以更清楚地理解本实用新型的技术方案，下面参考附图描述其具体实施方式
。如图1和2所述，大功率双腔并联焊接系统1包括第一激光器2、第一谐振腔3、第一输出镜4、第一主反射镜5和聚光镜11，其特征在于，还包括第二激光器6、第二谐振腔7、 第二输出镜8、辅助反射镜9和第二主反射镜10 ；第一激光器2发出的光线依次通过第一谐振腔3、第一输出镜4和第一主反射镜5后，通过聚焦镜11后作为第一焊接激光；第二激光器6发出的光线依次通过第二谐振腔7、第二输出镜8、辅助反射镜9和第二主反射镜10后，通过聚焦镜11后作为第二焊接激光；第一焊接激光和第二焊接激光同步入射至聚焦镜 11，经过聚焦后成为焊接激光。大功率双腔并联焊接系统1还包括第一水冷系统和第二水冷系统(未示出)。第一激光器2和第二激光器6均优选为YAG固体激光器。第一主反射镜5和第二主反射镜10均为45度全反镜，且紧邻放置，使得从第一激光器2和第二激光器6发射出的激光通过第一主反射镜5和第二主反射镜10反射后，均传导至聚焦镜11。辅助反射镜9包括两个45度全反镜。第一水冷系统和第二水冷系统均为外置水冷系统。第一谐振腔3和第二谐振腔7均为聚光谐振腔，优选为平凹腔，这种腔有高的光束质量和较的低失调灵敏度，可以大大提高双腔并联焊接的稳定性。在该实施例中，大功率双腔并联焊接系统1采用两个聚光腔并联的方式，两个谐振腔都有着单独的谐振系统，这样可以有效的提高激光工作物质的使用效率，减小单个激光工作物质的损耗。双腔并联时同步泵浦时，从第二激光器6发射出的激光光束经过辅助反射镜9、即两个45度反射镜之后，和第一激光器2输出的激光光束同步入射到聚焦镜11 上面，经过聚焦形成能量密度很高的强激光来完成工件的焊接。并联的第一激光器和第二激光器可以单独工作，也可以同步工作，这样易于光束基模的选择。输出镜采用F55的石英聚焦镜片，可以减小光束的损耗，提高光束的输出质量。激光电源优选300瓦功率脉冲氙灯开关电源(双电源)。本实用新型的并联双腔焊接系统，从第一激光器和第二激光器输出的两束平行激光垂直入射在聚焦镜上，经过聚焦系统聚焦后，两束光在聚焦镜焦点重合，输出能量达到最大，为单腔激光能量的两倍，经过聚焦之后的强激光有着很强的能量密度，其直接入射到工件上面，因其能量密度极高，激光器能维持足够高的输出功率，产生“小孔”效应，熔透整个工件截面，被焊工件经受快速加热和冷却的热循环作用，使得焊缝和热影响区区域极窄，其硬度远远高于母材，达到激光焊接的理想效果。水冷部分也是该焊接系统的一个重要部分，由于大功率焊接的高热量，两个聚光腔体都采用全腔水冷，制冷系统采用外接独立的水冷机组，水温和水压控制使用微电路报警系统，灵敏度更高，减小激光工作物质的损坏。控制各个部件移动的数控部分为二维高精度数控工作台，配合升降系统，形成三维立体工作模式，为精密激光加工提供高的加工精度。采用程序语言控制指令，可以方便的在线编程修改控制模式，减小大大数控部分的复杂化，使整个数控部分更人性化。整个双光路可以同时出光，也可以分离操作实现单独出光。本实用新型中激光器采用双灯单棒400W-500W激光器，且采用2棒并接，每支晶体由双灯泵浦。将谐振腔设计成棒-镜结构平行于棒-镜结构的并联双腔双光路平行平凹腔。 从而获得更大的输出功率，同时提高泵浦效率、降低热效应、提高光束质量。如此，可以提高单个谐振腔的输出效率，减小热效应带来的器件损坏，降低双光路的失调灵敏度。为了激光器整体结构紧凑和简化的要求，利用辅助的45度全反镜将一束光路转折到另一个辅助45度全反镜，形成对称反射结构，然后和另一束光路一起同时反射到主45 度全反，然后通过聚焦镜输出。[0022]双腔并联双光路的腔体由两个相同的椭圆聚光腔并排组成，每个椭圆聚光腔中各放置一支直径相同的晶体棒和两支泵浦氙灯。谐振镜片采用凹面全反和平面半反平行输出结构，这样可以减小失调灵敏度，提高光束质量。激光焊接系统中，除激光功率和光束质量之外，激光功率的稳定性也是一个重要指标。随着注入电功率的增加，激光功率存在一定范围的波动性，本实用新型的800W-1000W 激光器功率的稳定性小于2%。激光器的输出功率受到激光晶体的模体积、谐振腔腔镜的受热变形、灯的功率的衰减的影响，且以上客观因素在激光器的设计中不可避免，为了保证激光功率的稳定输出， 就必须使激光器各个受热器件快速达到热平衡状态。通过对激光器聚光腔的通水管道的设计，采用外置水冷系统，使得通过腔体的水流流速和腔体水温达到设计值。在经过大约10 到15分钟的热平衡时间，功率进入稳定状态。本实用新型的大功率双腔并联焊接系统可以在焊接工件表面形成大的功率密度。 配合数控系统，能实现较高的自动化，并具有较大的灵活性，对于复杂结构的焊接很有优势。激光深穿透焊接的融化区域具有很高的深宽比，这对于焊接厚度较大的材料和气密性要求比较高的材料很有优势。而且加工速度快，热影响区、热变形小。本实用新型的大功率双腔并联焊接系统可以作为很好的铝合金焊接机。铝合金重量轻，韧性好，有一定强度，在工业生产特别是汽车和能源工业一些复杂结构的应用中日益广泛。铝合金的激光焊接可以解决传统焊接方式的热变问题，但同时也存在以下难点铝合金的反射率高，导致热源利用率很低，热导率大，热输入大，热膨胀系数大。焊接接头软化严重，强度系数低，这是阻碍铝合金应用的最大障碍。铝合金表面容易产生难熔的氧化膜，必须使用大功率密度的焊接工艺。铝合金焊接中容易产生气孔；在快速冷却过程中容易产生热裂纹。因此，铝合金的激光焊接需要采用能量密度大、焊接热输入小、焊接速度快的高效焊接方法。本实用新型中采用YAG固体激光器产生的激光，可以很好地满足铝合金焊接的需要。使用激光脉冲电源作为开关电源，主要通过调节电流，脉宽，频率三个参数来设置焊接参数。电流直接影响激光的装换能量，脉宽影响激光焊接的熔深和焊缝的宽度，而频率直接影响焊缝焊点的重叠率，是密封焊接中最重要的参数。这三个参数作为激光电源调节的重要参数，可以直接影响光的转换效率。影响激光焊接的另一个重要参数是离焦量，离焦方式有两种正离焦与负离焦。焦平面位于工件上方为正离焦，反之为负离焦。按几何光学理论，当正负离焦相等时，所对应平面上功率密度近似相同，但实际上所获得的熔池形状不同。负离焦时，可获得更大的熔深，这与熔池的形成过程有关。激光焊接通常需要一定的离焦，因为激光焦点处光斑中心的功率密度过高，容易蒸发成孔。离开激光焦点的各平面上，功率密度分布相对均勻。实验表明，激光加热50 200us，材料开始熔化，形成液相金属并出现汽化，形成蒸汽，并以极高的速度喷射，发出耀眼的白光。与此同时，高浓度汽体使液相金属运动至熔池边缘，在熔池中心形成凹陷。当负离焦时，材料内部功率密度比表面还高，易形成更强的熔化、汽化，使光能向材料更深处传递。所以在实际应用中，当要求熔深较大时，采用负离焦；焊接薄材料时，宜用正1 焦ο双腔并联系统中激光的能量高于其中任何一个单腔的能量，光的能量密度为各单独腔体光束能量密度之和。并联双腔双光束的聚焦也是很重要的一个方面，特别是两束光经历聚焦镜之后的聚焦，两束光在焦点的距离可能影响焊接效果。两束激光的光束重合时，所形成的熔深比较深，能量高，焊缝比较窄。此时焊接效果最理想，光对焊接工件的使用效率最高。随着两束光聚焦光点的距离慢慢拉开，实际焊缝慢慢变宽，熔深减小。本实用新型采用多光束聚焦系统，将两束强脉冲激光聚合到同一焊点，其能量和峰值功率都是原来单光路的两倍以上，并且在焊接过程中，深熔焊接熔池会持续存在，并且焊接熔深更深，其焊接产品效率和外观，产品合格率上都有很大的提高。其300CP焊接设备功率都已经超过400瓦，大功率双腔焊接功率可稳定在800W-1000W左右，这样的能量用于密封焊、穿透焊方面都有很大的实际意义。
权利要求1.一种大功率双腔并联焊接系统，包括第一激光器、第一谐振腔、第一输出镜、第一主反射镜、第一水冷系统和聚光镜，其特征在于，所述大功率双腔并联焊接系统还包括第二激光器、第二谐振腔、第二输出镜、辅助反射镜、第二主反射镜、第二水冷系统；其中所述第一激光器发出的光线依次通过所述第一谐振腔、所述第一输出镜并被所述第一主反射镜反射后作为第一焊接激光；所述第二激光器发出的光线依次通过所述第二谐振腔、所述第二输出镜并被所述辅助反射镜和所述第二主反射镜反射后作为第二焊接激光；所述第一焊接激光和所述第二焊接激光同步入射至所述聚焦镜，经过聚焦后成为焊接激光。
2.如权利要求1所述的大功率双腔并联焊接系统，其特征在于，所述第一激光器和所述第二激光器均为YAG固体激光器。
3.如权利要求1所述的大功率双腔并联焊接系统，其特征在于，所述第一主反射镜和所述第二主反射镜均为45度全反镜，且紧邻放置，使得从第一激光器和第二激光器发射出的激光通过第一主反射镜和第二主反射镜反射后，均传导至聚光镜。
4.如权利要求1所述的大功率双腔并联焊接系统，其特征在于，所述第一谐振腔和所述第二谐振腔均为平凹腔。
5.如权利要求1所述的大功率双腔并联焊接系统，其特征在于，所述辅助反射镜包括两个45度全反镜。
6.如权利要求1所述的大功率双腔并联焊接系统，其特征在于，所述第一水冷系统和所述第二水冷系统均为外置水冷系统。
专利摘要本实用新型公开了一种大功率双腔并联焊接系统，包括第一激光器、第一谐振腔、第一输出镜、第一主反射镜、第一水冷系统和聚光镜，还包括第二激光器、第二谐振腔、第二输出镜、辅助反射镜、第二主反射镜、第二水冷系统，两束激光同步入射至聚焦镜，经过聚焦后成为焊接激光。该大功率双腔并联焊接系统将两束强脉冲激光聚合到同一焊点，其能量和峰值功率都是原来单光路的两倍以上，并且在焊接过程中深熔焊接熔池会持续存在，焊接熔深更深，其焊接产品的效率和外观有很大的提高。
文档编号H01S3/00GK201940748SQ201020632710
公开日2011年8月24日 申请日期2010年11月30日 优先权日2010年11月30日
发明者李辉琪 申请人:武汉市楚源光电有限公司