一種用于窄間隙焊接的半導(dǎo)體激光光源的制作方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明提出了一種窄間隙焊接的方法以及用于窄間隙焊接的半導(dǎo)體激光光源，所述半導(dǎo)體激光光源包括半導(dǎo)體激光器和準(zhǔn)直鏡組；激光光束經(jīng)準(zhǔn)直鏡組整形后，快軸發(fā)散角<5度，慢軸發(fā)散角在5~60度之間，使得激光光束近似刀片狀，在快軸方向上可接近光束質(zhì)量的極限，非常適合應(yīng)用于窄間隙焊接。和現(xiàn)有的窄間隙激光焊接方案相比，本發(fā)明的方案具有更低的成本，在實(shí)際應(yīng)用中有更高的推廣價(jià)值。
【專(zhuān)利說(shuō)明】
一種用于窄間隙焊接的半導(dǎo)體激光光源
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明屬于激光加工技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種半導(dǎo)體激光光源，尤其是一種用于窄間隙焊接的半導(dǎo)體激光光源。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著工業(yè)科技的飛速發(fā)展，厚板焊接在重型機(jī)械，船舶，能源，鐵路等領(lǐng)域應(yīng)用越來(lái)越廣泛。厚板焊接的板厚范圍很大，從20mm至250mm都有諸多的應(yīng)用，目前對(duì)厚板焊接的焊接質(zhì)量和焊接效率的要求越來(lái)越高。窄間隙焊接以其坡口窄、焊材消耗量少、焊接效率高、變形和殘余應(yīng)力低、接頭具有較高的強(qiáng)度和沖擊性能的優(yōu)勢(shì)，已經(jīng)成為現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中厚板結(jié)構(gòu)焊接的首選技術(shù)，其技術(shù)和經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)決定了它是今后厚板焊接技術(shù)發(fā)展的主要方向之一。
[0003]窄間隙激光焊接以其熱輸入小、焊接變形小等優(yōu)勢(shì)，在窄間隙焊接領(lǐng)域逐步受到重視。但是激光焊接的熔寬有限，當(dāng)間隙寬度較大時(shí)，會(huì)出現(xiàn)側(cè)壁未融合缺陷，限制的激光焊接的焊接厚度。
[0004]針對(duì)上述問(wèn)題，中國(guó)專(zhuān)利CNl02059452B提出了三光束激光窄間隙焊接方法，美國(guó)專(zhuān)利US5155323提出了雙光束激光焊接方法，均可降低側(cè)壁的焊接缺陷。然而這些方法均采用界面為圓形和橢圓形的激光光束完成聚焦后應(yīng)用于窄間隙焊接，光束呈三維錐體形狀。一方面，由于窄間隙焊接的深寬比很大，如果焊接很深很窄的焊縫，對(duì)應(yīng)激光的瑞利長(zhǎng)度要很大，這樣激光光束的出口直徑就會(huì)很小，出口鏡片的功率密度增大，并且出口距離焊縫的距離也相應(yīng)增大，對(duì)應(yīng)的激光器光束質(zhì)量要求極高，最終設(shè)備的成本較高;另一方面目前普遍使用固體激光器、CO2激光器以及光纖激光器作為激光光源，這些光源的焊接效率有待提高，并且成本較高。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]為了解決上述問(wèn)題，本發(fā)明提出了一種窄間隙焊接的方法，以及用于窄間隙焊接的半導(dǎo)體激光光源，可以提供一種近似刀片狀的激光光束，在快軸方向上可接近光束質(zhì)量的極限，非常適合應(yīng)用于窄間隙焊接。
[0006]—種窄間隙焊接的方法為:將準(zhǔn)直后的半導(dǎo)體激光光源作為焊接光源進(jìn)行窄間隙焊接，其中，激光的快軸發(fā)散角〈5度，且慢軸發(fā)散角在5?60度之間，使得激光光束呈片狀完整進(jìn)入待焊接的窄間隙區(qū)域中。
[0007]—種用于窄間隙焊接的半導(dǎo)體激光光源，包括半導(dǎo)體激光器，準(zhǔn)直鏡組;所述半導(dǎo)體激光器用于發(fā)射激光光束;所述準(zhǔn)直鏡組，設(shè)置于半導(dǎo)體激光器的出光方向，用于壓縮出射激光的發(fā)散角，使得上述激光的快軸發(fā)散角〈5度，且慢軸發(fā)散角在5?60度之間，使得激光光束呈片狀且完整進(jìn)入待焊接的窄間隙區(qū)域中。
[0008]所述半導(dǎo)體激光器為單巴半導(dǎo)體激光器，或者多個(gè)單巴半導(dǎo)體激光器沿其快軸方向堆疊而成，用于發(fā)出多條相互平行的激光光束。
[0009]上述方案可以進(jìn)一步優(yōu)化:所述用于窄間隙焊接的半導(dǎo)體激光光源還包括合束鏡組，為與單巴半導(dǎo)體激光器個(gè)數(shù)相等的光學(xué)裝置，設(shè)置于半導(dǎo)體激光器的出光方向上，用于將多個(gè)單巴半導(dǎo)體激光器準(zhǔn)直后的多束激光光束合束為一束激光。
[0010]所述光學(xué)裝置為全反射鏡、半透半反透鏡以及偏振片中一種或者多種的組合。
[0011]所述光學(xué)裝置與驅(qū)動(dòng)部件連接，使得光學(xué)裝置在激光的出射方向產(chǎn)生同向或者反向的位移。
[0012]所述驅(qū)動(dòng)部件為電機(jī)，或者手動(dòng)驅(qū)動(dòng)裝置。
[0013]所述準(zhǔn)直鏡組包括快軸準(zhǔn)直鏡和/或慢軸準(zhǔn)直鏡。
[0014]所述用于窄間隙焊接的半導(dǎo)體激光光源還包括會(huì)聚裝置，用于將準(zhǔn)直后的激光光束進(jìn)行二次會(huì)聚，使得片狀光束會(huì)聚為能量密度高的光斑。會(huì)聚裝置具體為聚焦透鏡，比如凸透鏡。
[0015]本發(fā)明具有以下優(yōu)勢(shì):
I)半導(dǎo)體激光器快慢軸的光束質(zhì)量不等，慢軸發(fā)散角大，但是在快軸方向上可接近光束質(zhì)量的極限，最終的工作光斑近似矩形，在快軸方向上呈現(xiàn)類(lèi)高斯的分布，在慢軸方向上呈現(xiàn)類(lèi)平頂?shù)姆植迹c其他激光器相比，在窄間隙焊接中具有更高的焊接效率和焊接效果，此外，本發(fā)明所采用的光學(xué)整形方案相比現(xiàn)有方案，具有更低的成本，在實(shí)際應(yīng)用中有更高的推廣價(jià)值。
[0016]2)本發(fā)明中的合束鏡組的位置可以發(fā)生平動(dòng)，從而改變輸出光束的寬度與能量分布，可以實(shí)現(xiàn)激光頭不動(dòng)的擺動(dòng)焊接，同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)側(cè)壁焊接的高能量分布需求，具有更高的可靠性和應(yīng)用范圍。
【附圖說(shuō)明】
[0017]圖1-1為本發(fā)明半導(dǎo)體激光光源一個(gè)實(shí)施例的快軸光路原理圖。
[0018]圖1-2為本發(fā)明半導(dǎo)體激光光源一個(gè)實(shí)施例的慢軸光路原理圖。
[0019]圖2為多個(gè)半導(dǎo)體激光器聯(lián)合使用的實(shí)施例的示意圖。
[0020]圖3為合束鏡組中的光學(xué)裝置的位移實(shí)施例一。
[0021]圖4為合束鏡組中的光學(xué)裝置的位移實(shí)施例二。
[0022]附圖標(biāo)號(hào)說(shuō)明:1-半導(dǎo)體激光器，2-快軸準(zhǔn)直鏡，3-慢軸準(zhǔn)直鏡，4-合束鏡組，5-會(huì)聚裝置，6-能量分布圖，7-厚板工件。
【具體實(shí)施方式】
[0023]本發(fā)明提供了一種用于窄間隙焊接的半導(dǎo)體激光光源，包括半導(dǎo)體激光器和準(zhǔn)直鏡組。圖1-1和圖1-2為基于本發(fā)明的實(shí)施例，其半導(dǎo)體激光器I為多個(gè)單巴半導(dǎo)體激光器沿其快軸方向堆疊而成的半導(dǎo)體激光器疊陣，準(zhǔn)直鏡組包括快軸準(zhǔn)直鏡2和慢軸準(zhǔn)直鏡3，準(zhǔn)直后的激光光束快軸方向的發(fā)散角度〈5度，同時(shí)慢軸方向的發(fā)散角在5?60度之間，并通過(guò)合束鏡組4合束使得激光光束近似為刀片狀。光束可直插入窄間隙底部并聚焦形成類(lèi)矩形光斑，以較高的效率及焊接質(zhì)量完成窄間隙焊接。
[0024]圖1-1為上述半導(dǎo)體激光光源在快軸方向的光路，半導(dǎo)體激光器I發(fā)出的多束平行激光光束經(jīng)快軸準(zhǔn)直鏡2、慢軸準(zhǔn)直鏡3準(zhǔn)直后，由合束鏡組4合束為I束激光光束。合束鏡組包括與單巴半導(dǎo)體激光器個(gè)數(shù)相等的光學(xué)裝置，設(shè)置于半導(dǎo)體激光器的出光方向上，最終得到的激光在快軸上的能量分布為高斯分布。
[0025]在實(shí)際工程應(yīng)用中，合束一般采用多波長(zhǎng)耦合、偏振耦合的合束方式;對(duì)應(yīng)的光學(xué)裝置為全反射鏡、偏振裝置、半透半反透鏡等。圖1-1中，光學(xué)裝置分別設(shè)置于對(duì)應(yīng)的單巴半導(dǎo)體激光器的出光方向上，且與激光光束呈45度，通過(guò)透射、反射結(jié)合的方式將多個(gè)單巴半導(dǎo)體激光器的激光光束合為I束。一般來(lái)說(shuō)，光學(xué)裝置a為全反射鏡，光學(xué)裝置b為半透半反透鏡或者對(duì)波長(zhǎng)選擇透過(guò)的透鏡。
[0026]圖1-2上述半導(dǎo)體激光光源在慢軸方向的光路，慢軸光路中由于準(zhǔn)直鏡組和合束鏡組不易用二維視圖表達(dá)，故省略了該結(jié)構(gòu)。激光光束在慢軸方向最終得到的光斑能量分布為平頂分布。
[0027]為了提高輸出功率，本發(fā)明可以進(jìn)一步優(yōu)化為采用多個(gè)半導(dǎo)體激光器的聯(lián)合使用。圖2為3組半導(dǎo)體激光器的聯(lián)合使用的實(shí)施例，3組半導(dǎo)體激光器沿其慢軸方向依次排列，以獲得在慢軸方向較大寬度的刀片狀光束，該光束可以完整的進(jìn)入窄間隙焊縫內(nèi)。此夕卜，本實(shí)施例增加會(huì)聚裝置5，將3組半導(dǎo)體激光器的激光光束最終會(huì)聚為高功率密度的點(diǎn)光斑，提尚了焊接效率。
[0028]為了進(jìn)一步優(yōu)化窄間隙焊接側(cè)壁未熔合的缺陷，本發(fā)明提出沿激光出光方向平移合束鏡組的方法，可以控制窄間隙側(cè)壁的能量分布，從而確保焊接質(zhì)量。
[0029]圖3為合束鏡組中的光學(xué)裝置的位移實(shí)施例一，沿激光的出光方向，部分平移合束鏡組中的光學(xué)裝置(圖3中的雙箭頭為光學(xué)裝置可移動(dòng)的方向)，可以增大熔池尺寸。比如將光學(xué)裝置c沿激光出射方向移動(dòng)，同時(shí)將光學(xué)裝置d向光學(xué)裝置c位移方向的反向進(jìn)行移動(dòng)。
[0030]圖4為合束鏡組中的光學(xué)裝置的位移實(shí)施例二，沿激光的出光方向，將合束鏡組作為一個(gè)整體進(jìn)行平移，可根據(jù)焊縫寬度進(jìn)行調(diào)節(jié)，圖4中標(biāo)示了三個(gè)合束鏡組4的平移參考位置，合束鏡組4可以按照雙箭頭標(biāo)示方向移動(dòng)至圖4的虛線(xiàn)位置，實(shí)現(xiàn)激光頭不動(dòng)的擺動(dòng)焊接，同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)側(cè)壁焊接的高能量分布需求。
[0031]上述合束鏡組的光學(xué)裝置與外接驅(qū)動(dòng)裝置連接，以實(shí)現(xiàn)平移運(yùn)動(dòng)，外接驅(qū)動(dòng)裝置可以為電機(jī)，也可以手動(dòng)驅(qū)動(dòng)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種用于窄間隙焊接的半導(dǎo)體激光光源，其特征在于:包括半導(dǎo)體激光器，準(zhǔn)直鏡組； 所述半導(dǎo)體激光器用于發(fā)射激光光束； 所述準(zhǔn)直鏡組，設(shè)置于半導(dǎo)體激光器的出光方向，用于壓縮出射激光的發(fā)散角，使得上述激光的快軸發(fā)散角〈5度，且慢軸發(fā)散角在5?60度之間，使得激光光束呈片狀且完整進(jìn)入待焊接的窄間隙區(qū)域中。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于窄間隙焊接的半導(dǎo)體激光光源，其特征在于:所述半導(dǎo)體激光器為單巴半導(dǎo)體激光器，或者多個(gè)單巴半導(dǎo)體激光器沿其快軸方向堆疊而成。3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種用于窄間隙焊接的半導(dǎo)體激光光源，其特征在于:還包括合束鏡組，合束鏡組為與單巴半導(dǎo)體激光器個(gè)數(shù)相等的光學(xué)裝置，設(shè)置于半導(dǎo)體激光器的出光方向上，用于將多個(gè)單巴半導(dǎo)體激光器準(zhǔn)直后的多束激光光束合束為一束激光。4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種用于窄間隙焊接的半導(dǎo)體激光光源，其特征在于:所述光學(xué)裝置為全反射鏡、半透半反透鏡以及偏振片中一種或者多種的組合。5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種用于窄間隙焊接的半導(dǎo)體激光光源，其特征在于:所述光學(xué)裝置與驅(qū)動(dòng)部件連接，使得光學(xué)裝置在激光的出射方向產(chǎn)生同向或者反向的位移。6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種用于窄間隙焊接的半導(dǎo)體激光光源，其特征在于:所述驅(qū)動(dòng)部件為電機(jī)，或者手動(dòng)驅(qū)動(dòng)裝置。7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于窄間隙焊接的半導(dǎo)體激光光源，其特征在于:所述準(zhǔn)直鏡組包括快軸準(zhǔn)直鏡和/或慢軸準(zhǔn)直鏡。8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于窄間隙焊接的半導(dǎo)體激光光源，其特征在于:還包括會(huì)聚裝置，用于將準(zhǔn)直后的激光光束進(jìn)行二次會(huì)聚。9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于窄間隙焊接的半導(dǎo)體激光光源，其特征在于:所述半導(dǎo)體激光器用于窄間隙焊接的應(yīng)用。10.—種窄間隙焊接的方法，其特征在于:將準(zhǔn)直后的半導(dǎo)體激光光源作為焊接光源進(jìn)行窄間隙焊接，其中，激光的快軸發(fā)散角〈5度，且慢軸發(fā)散角在5?60度之間，使得激光光束呈片狀完整進(jìn)入待焊接的窄間隙區(qū)域中。
【文檔編號(hào)】B23K26/064GK105945424SQ201610524670
【公開(kāi)日】2016年9月21日
【申請(qǐng)日】2016年7月6日
【發(fā)明人】宋濤, 顧維, 顧維一, 王敏, 程寧, 劉興勝
【申請(qǐng)人】西安炬光科技股份有限公司