双激光光束复合焊接装置及其使用方法.pdf

1、(10)申请公布号 CN 102896419 A(43)申请公布日 2013.01.30CN102896419A*CN102896419A*(21)申请号 201210408559.9(22)申请日 2012.10.23B23K 26/00(2006.01)B23K 26/04(2006.01)(71)申请人华南师范大学地址 510000 广东省广州市广州大学城外环西路378号华南师范大学大学城校区光电学院208室(72)发明人郭健洋 张健 张庆茂 郭亮刘颂豪(74)专利代理机构广州市越秀区海心联合专利代理事务所(普通合伙) 44295代理人马丽丽(54) 发明名称双激光光束复合焊接装置及其使

2、用方法(57) 摘要双激光光束复合焊接装置及使用方法，包括YAG激光发射器、绿激光发射器以及双柔性光纤输入双光束同轴输出的消色差焊接头，焊接头光路包含YAG激光增透准直镜、绿激光增透准直镜、YAG激光全反镜、绿激光全反和YAG激光增透镜及绿激光和YAG激光增透聚焦镜，通过调整YAG激光传输光纤的光纤头与YAG激光增透准直镜前焦点之间距离，改变YAG激光光束在YAG激光增透准直镜与绿激光和YAG激光增透聚焦镜之间的发散角从而改变YAG激光聚焦光斑位置，实现YAG激光光束和绿激光光束的聚焦光斑在待焊接工件焊接头处的重合。本发明先采用绿激光光束对待焊接工件预热，紧接着接着采用YAG激光光束实施焊接，

3、有效地解决铜的表面高反射系数带来的焊接问题。(51)Int.Cl.权利要求书1页 说明书3页 附图1页(19)中华人民共和国国家知识产权局(12)发明专利申请权利要求书 1 页 说明书 3 页 附图 1 页1/1页21.双激光光束复合焊接装置，其特征在于：所述装置包括YAG激光发射器（1）、绿激光发射器（2）以及双柔性光纤输入双光束同轴输出的消色差焊接头（9），所述焊接头（9）的光路包含YAG激光增透准直镜（3）、绿激光增透准直镜（4）、YAG激光全反镜（5）、绿激光全反和YAG激光增透镜（6）及绿激光和YAG激光增透聚焦镜（7），通过调整YAG激光传输光纤的光纤头与YAG激光增透准直镜（3）

4、前焦点之间的距离，改变YAG激光光束在YAG激光增透准直镜（3）与绿激光和YAG激光增透聚焦镜（7）之间的发散角从而改变YAG激光聚焦光斑的位置，实现YAG激光光束和绿激光光束的聚焦光斑在待焊接位置的重合。2.根据权利要求1所述的双激光光束复合焊接装置，其特征在于：所述YAG激光发射器（1）发射的YAG激光光束通过传输光纤传输到YAG激光增透准直镜（3），通过YAG激光增透准直镜（3）的YAG激光光束传输到YAG激光全反镜（5），同时绿激光发射器（2）发射的绿激光光束通过传输光纤传输到绿激光增透准直镜（4），通过绿激光增透准直镜（4）的绿激光光束和经YAG激光全反镜（5）高反的YAG激光光束传

5、输到绿激光全反和YAG激光增透镜（6），通过绿激光全反和YAG激光增透镜（6）的绿激光光束和YAG激光光束传输到绿激光和YAG激光增透聚焦镜（7），通过绿激光和YAG激光增透聚焦镜（7）的绿激光光束和YAG激光光束在焊接平台（8）上的待焊接位置重合。3.根据权利要求1或2所述的双激光光束复合焊接装置，其特征在于：所述YAG激光全反镜（5）和绿激光全反和YAG激光增透镜（6）均配有二维调整镜架。4.如权利要求1或2或3所述的双激光光束复合焊接装置的使用方法，其特征在于：将待焊工件放置于焊接工作台（8）上，打开YAG激光发射器（1）和绿激光发射器（2），YAG激光光束和绿激光光束分别通过传输光纤传

6、输到YAG激光增透准直镜（3）和绿激光增透准直镜（4）；通过绿激光增透准直镜（4）的绿激光光束传输到绿激光全反和YAG激光增透镜（6）后反射到绿激光和YAG激光增透聚焦镜（7）上，绿激光光束聚焦后在工件加工位置进行预热，预热时间为毫秒级，将工件的加工位置加热到500左右；紧接着通过YAG激光增透准直镜（3）的YAG激光光束传输到YAG激光全反镜（5）后，反射到绿激光全反和YAG激光增透镜（6）上，再透射到绿激光和YAG激光增透聚焦镜（7）后聚焦到所述工件的同一个加工位置实施焊接。权 利 要 求 书CN 102896419 A1/3页3双激光光束复合焊接装置及其使用方法技术领域0001 本发明属

7、激光焊接技术领域，具体涉及一种双激光光束复合焊接装置及其使用方法，主要用于表面高反射系数的铜及其合金的连接，尤其适用于铜及其合金的点焊或拼焊。背景技术0002 激光焊接具有高精度、高加工速率、窄热影响区及更方便地实现柔性加工和自动化等优点，因而日益得到广泛应用。目前的激光焊接系统通常采用二氧化碳激光器所产生10.6m的光束，或者采用Nd：YAG激光器所产生1.064m的光束，但上述波长的光束在室温下会被铜及其合金显著地反射。由于高表面反射率的存在，焊接过程就需要极高的峰值能量以克服金属不良吸收性能所带来的初始阻力。然而，一旦一部分激光能量耦合到金属上并引起温度升高，反射率就会下降。当该金属达到

8、其熔点时，吸收会显著提高，最初需要的高功率，在此时已经远远超过焊接的需要，从而导致材料飞溅或者引起不必要的蒸发，在工件上留下较大的孔或洞，影响焊接质量，因此有必要改进。发明内容0003 本发明解决的技术问题：提供一种双激光光束复合焊接装置及其使用方法，该装置包括YAG激光发射器、绿激光发射器以及双柔性光纤输入双光束同轴输出的消色差焊接头，利用绿激光单脉冲能量满足微细焊接中材料的预热，再复合YAG激光器进行联机联焊，有效解决表面高反射系数材料的焊接问题。0004 本发明采用的技术方案：双激光光束复合焊接装置，所述装置包括YAG激光发射器、绿激光发射器以及双柔性光纤输入双光束同轴输出的消色差焊接头

9、，所述焊接头的光路包含YAG激光增透准直镜、绿激光增透准直镜、YAG激光全反镜、绿激光全反和YAG激光增透镜及绿激光和YAG激光增透聚焦镜，调整YAG激光传输光纤的光纤头与YAG激光增透准直镜前焦点之间的距离，改变YAG激光光束在YAG激光增透准直镜与绿激光和YAG激光增透聚焦镜之间的发散角从而改变YAG激光聚焦光斑的位置，实现YAG激光光束和绿激光光束的聚焦光斑在待焊接位置上的重合。0005 其中，所述YAG激光发射器发射的YAG激光光束通过传输光纤传输到YAG激光增透准直镜，通过YAG激光增透准直镜的YAG激光光束传输到YAG激光全反镜，同时绿激光发射器发射的绿激光光束通过传输光纤传输到绿

10、激光增透准直镜，通过绿激光增透准直镜的绿激光光束和经YAG激光全反镜高反的YAG激光光束传输到绿激光全反和YAG激光增透镜，通过绿激光全反和YAG激光增透镜的绿激光光束和YAG激光光束传输到绿激光和YAG激光增透聚焦镜，通过绿激光和YAG激光增透聚焦镜的绿激光光束和YAG激光光束在待焊接位置上的重合。0006 进一步地，所述YAG激光全反镜和绿激光全反和YAG激光增透镜均配有二维调整镜架。0007 还提供一种双激光光束复合焊接装置的使用方法，将待焊工件放置于焊接工作台说 明 书CN 102896419 A2/3页4上，打开YAG激光发射器和绿激光发射器，所述YAG激光光束和绿激光光束分别通过传

11、输光纤传输到YAG激光增透准直镜和绿激光增透准直镜；通过绿激光增透准直镜的绿激光光束传输到绿激光全反和YAG激光增透镜后反射到绿激光和YAG激光增透聚焦镜上，绿激光光束聚焦后在工件加工位置进行预热，预热时间为毫秒级，将工件的加工位置加热到500左右；紧接着通过YAG激光增透准直镜的YAG激光光束传输到YAG激光全反镜后，反射到绿激光全反和YAG激光增透镜上，再透射到绿激光和YAG激光增透聚焦镜后聚焦到所述工件的同一个加工位置实施焊接。 0008 本发明与现有技术相比在进行工件的微细焊接时，先采用绿激光光束对待焊接工件预热至500左右，提高了工件材料对YAG激光的吸收系数，紧接着采用YAG激光光

12、束对工件实施焊接，避免材料飞溅或者蒸发，实现良好的冶金结合，有效地解决铜的表面高反射系数所带来的焊接问题。附图说明0009 图1为本发明结构示意图。具体实施方式0010 下面结合附图1描述本发明的一种实施例。0011 双激光光束复合焊接装置，所述装置包括YAG激光发射器1、绿激光发射器2以及双柔性光纤输入双光束同轴输出的消色差焊接头9，所述焊接头9的光路包含YAG激光增透准直镜3、绿激光增透准直镜4、YAG激光全反镜5、绿激光全反和YAG激光增透镜6及绿激光和YAG激光增透聚焦镜7，调整YAG激光传输光纤的光纤头与YAG激光增透准直镜3前焦点之间的距离，改变YAG激光光束在YAG激光增透准直镜

13、3与绿激光和YAG激光增透聚焦镜7之间的发散角从而改变YAG激光聚焦光斑的位置，实现YAG激光光束和绿激光光束的聚焦光斑在焊接工作平台8上的待焊接位置重合。0012 图1为用于铜的微细焊接的双激光光束复合焊接装置的结构示意图，示出双柔性光纤输入双光束同轴输出的消色差焊接头结构。0013 图1中，YAG激光光束传输光纤可以选用不同纤芯直径的阶跃型折射率传输光纤或者梯度折射率传输光纤。本例采用0.4mm的阶跃型折射率传输光纤，光纤头在YAG激光增透准直镜3的前焦点之前有5-8mm的调整余量。绿激光光束传输光纤可以选用不同纤芯直径的阶跃型折射率传输光纤或者梯度折射率传输光纤。本例采用0.4mm的阶跃

14、型折射率传输光纤。0014 图1中，YAG激光增透准直镜3可以选用光质玻璃如抛光的高纯度SiO2或者其他光学材料如GaAs、CaF2等。本例采用平凸光质玻璃，焦距为120mm，两面均镀有1064nm增透膜。绿激光增透准直镜4可以选用光质玻璃如抛光的高纯度SiO2或者其他光学材料如GaAs、CaF2等。本例采用平凸光质玻璃，焦距为120mm，两面均镀有532nm增透膜。YAG激光全反镜5可以选用光质玻璃如抛光的高纯度SiO2或者其他光学材料如GaAs、CaF2等。本例采用平面光质玻璃，配有二维调整镜架，一面镀有1064nm45高反膜。绿激光全反和YAG激光增透镜6可以选用光质玻璃如抛光的高纯度S

15、iO2或者其他光学材料如GaAs、CaF2等。本例采用平面光质玻璃，配有二维调整镜架，一面镀有1064nm45增透膜，另一面镀有说 明 书CN 102896419 A3/3页5532nm45高反膜和1064nm45增透膜。绿激光和YAG激光增透聚焦镜7可以选用光质玻璃如抛光的高纯度SiO2或者其他光学材料如GaAs、CaF2等。本例采用平凸光质玻璃，焦距为80mm，两面均镀有532nm和1064nm双色增透膜。0015 由于YAG激光和绿激光在绿激光和YAG激光增透聚焦镜7上的折射率不同，聚焦光斑位置不一致。为了联合焊接的顺利进行，确保YAG激光和绿激光的聚焦光斑处于同一束腰范围内，必须通过焊

16、接头9的光路设计实现色差消除。本发明的一个实施例子以绿激光聚焦光斑位置为参考，即绿激光正常准直聚焦，通过调整YAG激光光纤头与YAG激光增透准直镜3前焦点之间的距离，改变YAG激光光束在YAG激光增透准直镜3与绿激光和YAG激光增透聚焦镜7之间的发散角从而改变其聚焦光斑的位置，实现YAG激光和绿激光的聚焦光斑“重合”。同时，YAG激光全反镜5和绿激光全反和YAG激光增透镜6配有二维调整镜架，可补偿由于机加或者装配过程中造成的误差。经过上述光路设计，就可达到双柔性光纤输入和双光束同轴输出的目的，从而提高了焊接加工的自由度，更方便地实现柔性加工和自动化，可焊接常规方式无法焊接的位置和采用单独激光光

17、束无法焊接的高反射系数及高导热系数材料，极大地扩大了激光焊接的应用领域。另外，可分别通过激光器的激光波形设计，实现了YAG激光光束和绿激光光束的毫秒级的延时。0016 使用时，将工件放置在焊接工作台8上，打开YAG激光发射器1、绿激光发射器2，YAG激光光束和绿激光光束分别通过传输光纤传输到YAG激光增透准直镜3和绿激光增透准直镜4；通过绿激光增透准直镜4的绿激光光束传输到绿激光全反和YAG激光增透镜6后反射到绿激光和YAG激光增透聚焦镜7上，聚焦后在工件加工位置进行预热，预热时间为毫秒级，将加工位置加热到500左右；紧接着通过YAG激光增透准直镜3的YAG激光光束传输到YAG激光全反镜5后，

18、反射到绿激光全反和YAG激光增透镜6上，再透射到绿激光和YAG激光增透聚焦镜7后聚焦到所述工件的同一个加工位置实施焊接。0017 由于作为YAG激光的二次谐波的532nm激光能被铜很好的吸收，吸收系数高达50%，是YAG激光的4.5-20倍。虽然由于倍频晶体和倍频效率等的限制，现阶段的绿光激光器单脉冲能量还未能达到单独实施焊接的要求，但是所述的脉冲能量已经足够用于微细焊接中材料的预热，再复合YAG激光器进行联机联焊，从而有效地解决表面高反射系数材料的焊接问题。0018 上述实施例，只是本发明的较佳实施例，并非用来限制本发明实施范围，故凡以本发明权利要求所述内容所做的等效变化，均应包括在本发明权利要求范围之内。说 明 书CN 102896419 A1/1页6图1说 明 书 附 图CN 102896419 A