一种车载式三光束激光焊接机的制作方法

1.本发明涉及激光焊接机领域，尤其涉及一种车载式三光束激光焊接机。


背景技术：

2.现阶段移动互联网、大数据、云计算、vr/ar快速兴起，流量激增给信息通信网络带来了巨大挑战。随着科技发展流量激增速度一定会超过了光网络传输容量增速，光网络扩容增速将是新一代网络建设的目标之一。以空分复用技术为基础的多芯光纤被认为是解决目前系统容量限制，构建下一代光通信网络的关键。和传统的单芯光纤不同的是，多芯光纤在同一根光纤的包层中分布有n个纤芯。很显然，同样一根光纤，多芯光纤的传输容量扩大了n倍。目前已经开发的实用的七芯光纤是传统光纤传输速率的7倍，作为新一代光网络架构的载体，是近几年光通信的热点。七芯光纤的应用必须解决光纤的熔接或耦合，才能进入工程实用。目前七芯光纤熔接只有在超净空间内配合价格高昂的光纤熔接机才能实现熔接，这给光纤网络铺设造成了很大难题。光网络的铺设，特别是干线光网络的铺设，大多数都在不具备实验室环境条件的野外，工作点移动性大，环境温度湿度无法保证，而且常常尘埃多，就是可以采用局部环境洁净稳定的工程车，而由于价格昂贵的光纤熔接机需要保证一根光纤内七芯的耦合熔接，结构复杂的设备也不适于在颠簸的移动环境中长期稳定的使用。而且根据多芯光纤的结构特性，若采用空间直接对准的方法来实现光耦合，会在耦合过程中产生很大的耦合损耗。因此，多芯光纤多采用损耗小且经济实惠的光纤扇入扇出(fan-in and fan-out)器件耦合焊接方案，实现多芯光纤较高效率的光耦合。与空间直接对准的方法相比，利用扇入扇出器件对多芯光纤进行光耦合，可获得更高的耦合效率和更低的耦合损耗。而且，将一纤七芯的同时耦合熔接，转换成7根单纤单芯的光纤扇入器和扇出器独立耦合，便于在条件复杂的野外操作，实现多芯光纤光缆在通信干线的工程应用。要实现七芯光纤通过扇入扇出器耦合的技术方案达到七芯光纤连接的低插损高效率耦合效果，最实用的方法就是类似于光电子to封装管壳的耦合激光焊接技术。扇入扇出器耦合端的单根单模光纤(smf)封装在直径小于3mm的不锈钢圆柱体中心，耦合对准后采用三光束激光将耦合好的不锈钢圆柱体同步焊接在一起。直径只有不到200um的七芯光纤同时耦合和焊接7根纤芯的难度就转换成相对难度容易的单芯光纤的耦合和焊接，三光束激光同步焊接机就是耦合焊接工艺中的关键设备。由于七芯光纤需要在工程现场操作，而工程现场的移动性大。现在市面上虽有灯泵的yag激光器可以空分成三光束激光用于同步焊接，但灯泵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，导致采用yag点焊机增加了生产和维护成本。而且特别由于yag激光器，对震动比较敏感，体积也比较大，不适用于野外现场移动操作。


技术实现要素：

3.为了能在工程现场操作使得多芯光纤耦合和焊接，特别是目前普遍应用的七芯光纤的耦合和焊接，本发明采用以下技术方案：
4.一种车载式三光束激光焊接机，包括激光模块、降温模块、供电模块、中央控制模块；
5.激光模块包括激光同步控制单元以及与激光同步控制单元电性连接的多个激光输出单元；激光同步控制单元用于控制每个激光输出单元的出光以及数据采集；激光输出单元用于产生并输出激光；
6.供电模块用于为激光模块供电、降温模块、中央控制模块中的用电设备供电；
7.降温模块用于对激光模块以及供电模块进行降温；
8.中央控制模块分别与激光模块、降温模块、供电模块电性连接，中央控制模块用于系统信息采集、信息交互、激光模块出光控制、温控功能，中央控制模块外接人机交互接口，通过人机交互接口将信息与外部设备进行数据交互。
9.具体的，激光输出单元包括与激光同步控制单元连接恒流源驱动器、导引红色半导体激光器以及输出光功率传感器；恒流源驱动器与半导体泵浦激光器连接，导引红色半导体激光器与半导体大功率泵浦激光输出的激光通过光纤合束器合并后通过配置有传输接头的传能光缆与低损耗激光点焊头连接，
10.待焊接工件被放置于旋转加工台上，多个激光焊接头围绕待焊接工件均匀分布，激光同步控制单元控制激光焊接头。
11.具体的，激光控制单元包括激光器驱动电路；激光器驱动电路用于同时控制多个激光输出单元中的半导体泵浦激光器按照时分脉冲输出激光；
12.时分脉冲输出激光的过程为：设置多个激光控制单元的时分脉冲的出光时间，输出出光时间一致，多个激光输出单元同时输出一个初步固定脉冲，接下来就是时分脉冲出光过程，设置时分脉冲的出光时间以及输出出光时间一致；第一个半导体泵浦激光器工作，输出第一脉冲，其余半导体泵浦激光器不工作；第一脉冲结束后，第二个半导体泵浦激光器工作，输出第二脉冲，其余半导体泵浦激光器不工作，重复上述操作，直至所有半导体泵浦激光器完成输出脉冲。
13.具体的，激光器驱动电路包括控制芯片mcu、d/a转换器、模拟开关；控制芯片mcu与d/a转换器的输入端连接且产生mod信号传输至模拟开关，控制芯片与模拟开关连接且产生d/a信号，模拟开关将mod信号以及d/a信号组合后输出至恒流源驱动器，恒流源驱动器驱动半导体泵浦激光器出光。
14.d/a转换器包括芯片u2；模拟开关为芯片u3，芯片u1；恒流源驱动器包括运算放大器u4,三极管q1、三极管q2、mos管q3以及电阻r1至r7、电容c1、电容c2；
15.u1的1、2号管脚与mcu连接且信号由mcu提供，3号管脚接地，输出4号脚与u3的6号脚连接；u2的1、2、3号脚与mcu连接且信号由mcu提供，5号管脚接地，输出6号脚与u3的1号脚连接，u3的输出4号脚与运放u4的3号脚连接；u4的1号脚与2号脚短接，同时1号脚与电阻r1一端连接，r1的另外一端与r2、c1以及u4的5号脚相连；r2、c1的另外一端与gnd相连；u4的6号脚与c2、r3、r6的一端连接，7号管脚与c2、r3的另外一端相连，同时7号脚与q1、q2的基极连接；q1的发射极与q2的集电极以及r4、d1连接；mos管q3的栅极与d1、r4、r5的一端连接，r5的另外一端与gnd连接；q3的源极与r6、r7的一端连接，r7的另外一端与gnd连接；q3的漏极与泵浦的负连接。
16.具体的，低损耗激光点焊接头上开设有光输入接口，低损耗激光焊接头内按照激
光传输方向依次设置有准直镜、反射镜、聚焦镜以及保护镜，激光从光输入接口传输至准直镜后变为平行光，再经过反射镜反射到聚焦镜片上，从聚焦镜片出来后经过保护镜最后聚焦到待焊接工件表面；准直镜的焦距为40～80mm；反射镜上方设置有与激光同步控制单元点连接的ccd，ccd将焊接件的焊接区域放大成像，用于寻找焊接点位以及查看焊接效果。该低损耗激光点焊接头根据现有半导体激光器输出光发散角大的特点优化了准直镜的焦距部分，使得光通过效率达到90％以上，相比传统焊接头对半导体激光器通光效率低缺点，本发明设计的焊接头大大减少了在焊接头处能量损耗。
17.具体的，供电模块包括车载电源u1,电容c1、电容c2、储能电感l1、mosfet管q1，二极管d1,负载电阻r1；车载电源u1两端并联电容c1且车载电源u1正极串联储能电感l1,电感l1另外一端与车载电源u1负极之间并联mosfet管q1，同时电感l1一端串联二极管d1,二极管d1另外一端与车载电源u1负极之前并联电容c2，电容c2两端与负载电阻r1并联，mosfet管q1的输入端输入pwm波控制mosfet管q1的通断。充电过程：输入电压流过电感l1、q1、电容c1，随着不断充电，电感上的电流线性增加，到达一定时候电感储存了一定能量；在这过程当中，二极管d1反偏截止，由电容c2给负载提供能量，维持负载工作；放电过程：当开关管不导通时候，此时q1相当于断开，由于电感有反向电动势作用，电感的电流不能瞬时突变，而是会缓慢的逐渐放电。由于原来的电回路已经断开，电感只能通过d1、负载、c1回路放电，也就是说电感开始给电容c2充电，加上给c2充电之前已经有c2提供电压，因此电容两端电压升高。
18.具体的，降温模块包含水箱，水冷负载，水泵，蒸发器，控制模块，其中水流方向按箭头所示，虚线是控制电路线路。水箱中水由于水泵吸力流动，经过水冷负载32后由于负载发热水温升高，热水流过蒸发器后散热，水温降低，然后流到水箱中。此过程中，中央控制模块实时监控负载温度，通过调整蒸发器散热风扇转速达到恒温效果。由于车载多光束焊接机出光频率不高，负载发热量不大，而且激光器设定温度在25摄氏度左右，自循环水冷模块效果很好，能满足车载多光束焊接设备水冷要求。
19.该种车载式三光束激光同步焊接机，可以广泛应用于多芯光纤，特别是目前普遍应用的七芯光纤的耦合和焊接。特别在采用七芯光纤扇入扇出器实现耦合连接的室内或野外工程应用时，还可以为七芯光纤的耦合连接提供先进的车载式实用工具。本发明提供的三光束激光同步焊接机是半导体光纤激光器，采用独立激光器模块设计，不但体积小，可以方便地安装在空间有限的车辆移动野外操作，而且三光束激光可以独立分别调节输出光功率或能量，保证三光束激光同步焊接质量；由于激光内部光路全部采用光纤连接，没有任何空间光耦合的连接，抗振动且性能稳定；三光束激光同时具有转换效率高(30％-50％)、维护成本低，集成度高等优点。
附图说明
20.图1是一种车载式三光束激光焊接机的内部控制结构示意图；
21.图2是一种车载式三光束激光焊接机的激光模块的示意图；
22.图3是一种车载式三光束激光焊接机中冷热交换自循环制冷模块的结构图；
23.图4是一种车载式三光束激光焊接机中三个低损耗激光点焊接头分布的俯视图；
24.图5是双脉冲序列和三光束激光时分脉冲时序图；
25.图6是车载电源24vdc-48vdc转换电源模块；
26.图7是三光束同步控制电路图；
27.图8是单路恒流源驱动原理图；
28.图9是一种车载式三光束激光焊接机中低损耗激光点焊接头的内部结构图；
29.附图标记：20激光同步控制单元；21恒流源驱动器；22半导体泵浦激光器；23导引红色半导体激光器；24光纤合束器；25输出光功率传感器；26传能光缆；
30.31水箱；32水冷负载；33水泵；34蒸发器；35控制模块；
31.41光输入接口；42准直镜；43ccd；44反射镜；45聚焦镜；46保护镜；47旋转加工台；
32.51初步固定脉冲；52光束1输出脉冲；53光束2输出脉冲；54光束3输出脉冲。
具体实施方式
33.下面结合图1至图9对本发明做进一步说明。
34.一种车载式三光束激光焊接机，包括激光模块、降温模块、供电模块、中央控制模块；
35.激光模块包括激光同步控制单元20以及与激光同步控制单元20电性连接的3个激光输出单元；激光同步控制单元20用于控制每个激光输出单元的出光以及数据采集；激光输出单元用于产生并输出激光。
36.激光输出单元包括与激光同步控制单元20连接恒流源驱动器21、导引红色半导体激光器23以及输出光功率传感器25，导引红色半导体激光器23是650nm波长窗口的红色导引激光，焊接时指引焊点和聚焦，且输出光功率为5～30mw，输出光纤为50um或62.5um芯径的多模光纤。恒流源驱动器21与915nm波长或976nm波长的半导体泵浦激光器22连接，由于车载激光需要体积小、损耗小和效率高，因此将半导体泵浦激光器22为单个的半导体泵浦激光二极管结构，且输出光功率为300w～700w，输出光纤是芯径200um的多模光纤。导引红色半导体激光器23与半导体大功率泵浦激光输出的激光通过光纤合束器24合并后通过配置有d80传输接头的传能光缆26与低损耗激光点焊头连接，输出光功率传感器25检测传能光缆26的输出光的光功率，待焊接工件被放置于旋转加工台上，多个激光焊接头围绕待焊接工件均匀分布，激光同步控制单元20控制低损耗激光点焊头进行焊接。焊接过程为：低损耗激光点焊头先焊接3个点，旋转加工台旋转30度后再焊接3个点。合束器的主光纤的芯径和大功率半导体泵浦激光二极管的输出光纤一样，为200um芯径，这样可以保证光纤熔接在一起的损耗最小。而侧面引入的50um或62.5um的光纤可以低损耗地和红色半导体激光熔接。光缆中光纤为200～300um芯径，根据需要可以采用阶跃型si光纤和渐变型gi光纤，如si300，或gi300等。d80光接头上的光纤输出头表面根据半导体泵浦激光二极管的波长镀增透膜，即ar镀膜，以防止较大的光功率在d80上反射回泵浦激光二极管，使泵浦激光二极管等光学元器件损坏或劣化。如果使用915nm半导体泵浦激光二极管，d80的ar增透膜就在915nm透射大于99.8％；如果使用976nm半导体泵浦激光二极管，d80的ar增透膜就在976nm透射大于99.8％，保证在d80处的反射光小于0.2％。
37.低损耗激光点焊接头的结构为：低损耗激光点焊接头上开设有光输入接口41，低损耗激光焊接头内按照激光传输方向依次设置有准直镜42、反射镜44、聚焦镜45以及保护镜46，激光从光输入接口41传输至准直镜42后变为平行光，再经过反射镜44反射到聚焦镜
45片上，从聚焦镜45片出来后经过保护镜46最后聚焦到待焊接工件表面；准直镜42的焦距为40～80mm；反射镜44上方设置有与激光同步控制单元20点连接的ccd43，ccd43将焊接件的焊接区域放大成像，用于寻找焊接点位以及查看焊接效果。该低损耗激光点焊接头根据现有半导体激光器输出光发散角大的特点优化了准直镜42的焦距部分，使得光通过效率达到90％以上，相比传统焊接头对半导体激光器通光效率低缺点，本发明设计的焊接头大大减少了在焊接头处能量损耗。
38.激光同步控制单元20中包括激光器驱动电路，激光器驱动电路用于同时控制多个激光输出单元中的半导体泵浦激光器22按照时分脉冲输出激光。光束输出能量大小由峰值功率以及出光时间2个因素决定，为了兼顾焊接效果以及电源使用效率问题，所以按照时分脉冲输出激光。时分脉冲输出激光的过程为：如图5所示焊接开始时三光束同时输出一个能量小的初步固定脉冲51，目的是给被焊接工件一个很小的拉力，防止在后续分时焊接过程中出现拉力不均匀导致的位移，影响整体耦合效果，这个初步固定脉冲51时间跟出光峰值功率都可以由用户设置。接下来就是时分脉冲出光过程，设置3个激光控制单元的时分脉冲的出光时间，输出出光时间一致，峰值功率可以不同。在第一个脉冲时间内，光束1输出脉冲51，此时光束2、3不出光；第二个脉冲时间内，光束2输出脉冲52，此时光束1、3不出光；第三个脉冲时间内，光束3输出脉冲53，此时光束1、2不出光。在很短时间内完成焊接，客户感受不到分别出光。
39.激光器驱动电路的硬件部分包括：
40.1.控制芯片mcu；
41.2.d/a转换器包括芯片u2；
42.3.模拟开关为芯片u3，芯片u1；
43.4.恒流源驱动器21包括运算放大器u4,三极管q1、三极管q2、mos管q3以及电阻r1至r7、电容c1、电容c2；
44.各个器件之间的连接关系为：
45.u1的1、2号管脚与mcu连接且信号由mcu提供，3号管脚接地，输出4号脚与u3的6号脚连接；u2的1、2、3号脚与mcu连接且信号由mcu提供，5号管脚接地，输出6号脚与u3的1号脚连接，u3的输出4号脚与运放u4的3号脚连接；u4的1号脚与2号脚短接，同时1号脚与电阻r1一端连接，r1的另外一端与r2、c1以及u4的5号脚相连；r2、c1的另外一端与gnd相连；u4的6号脚与c2、r3、r6的一端连接，7号管脚与c2、r3的另外一端相连，同时7号脚与q1、q2的基极连接；q1的发射极与q2的集电极以及r4、d1连接；mos管q3的栅极与d1、r4、r5的一端连接，r5的另外一端与gnd连接；q3的源极与r6、r7的一端连接，r7的另外一端与gnd连接；q3的漏极与泵浦的负连接。
46.时分脉冲的工作原理为：
47.mcu提供三路mod信号以及3路d/a信号到模拟开关，模拟开关分别将这两组信号组合后提供给恒流源驱动，恒流源驱动电路再驱动泵浦出光。
48.mod信号控制出光时间、d/a信号控制脉冲高度；这两个值是有用户设置的。三光束分时输出是依靠3路不同的mod信号来完成的。运行在mcu的嵌入式程序控制mod信号开关。3个mod信号的时序图跟图5一致。最开始焊接时3路da下发一个较小的电压，同时3路mod同时输出，这样子3束激光同时输出一个较小的脉冲，使的焊接件初步固定。然后mcu控制3路da
输出大的电压，关闭mod2、mod3信号，使能mod1信号，光束1出光；光束1出光结束后，mod1关闭，使能mod2,此时光束2出光。光束2出光结束后关闭mod2，使能mod3,光束3出光，光束3出光完成后，分时脉冲出光结束。
49.供电模块用于为激光模块供电、降温模块、中央控制模块中的用电设备供电，供电模块包括车载电源u1,电容c1、电容c2、储能电感l1、mosfet管q1，二极管d1,负载电阻r1；车载电源u1两端并联电容c1且车载电源u1正极串联储能电感l1,电感l1另外一端与车载电源u1负极之间并联mosfet管q1，同时电感l1一端串联二极管d1,二极管d1另外一端与车载电源u1负极之前并联电容c2，电容c2两端与负载电阻r1并联，mosfet管q1的输入端输入pwm波控制mosfet管q1的通断。充电过程：输入电压流过电感l1、q1、电容c1，随着不断充电，电感上的电流线性增加，到达一定时候电感储存了一定能量；在这过程当中，二极管d1反偏截止，由电容c2给负载提供能量，维持负载工作；放电过程：当开关管不导通时候，此时q1相当于断开，由于电感有反向电动势作用，电感的电流不能瞬时突变，而是会缓慢的逐渐放电。由于原来的电回路已经断开，电感只能通过d1、负载、c1回路放电，也就是说电感开始给电容c2充电，加上给c2充电之前已经有c2提供电压，因此电容两端电压升高。
50.降温模块用于对激光模块以及供电模块进行降温，降温模块包含水箱31，水冷负载32，水泵33，蒸发器34，控制模块35，其中水流方向按箭头所示，虚线是控制电路线路。水箱31中水由于水泵33吸力流动，经过水冷负载3232后由于负载发热水温升高，热水流过蒸发器34后散热，水温降低，然后流到水箱31中。此过程中，中央控制模块实时监控负载温度，通过调整蒸发器34散热风扇转速达到恒温效果。由于车载多光束焊接机出光频率不高，负载发热量不大，而且激光器设定温度在25摄氏度左右，自循环水冷模块效果很好，能满足车载多光束焊接设备水冷要求。
51.中央控制模块分别与激光模块、降温模块、供电模块电性连接，中央控制模块用于系统信息采集、信息交互、激光模块出光控制、温控功能，中央控制模块外接人机交互接口，通过人机交互接口将信息与外部设备进行数据交互。其中人机交互接口包括触摸屏14，通信接口网口、串口15，外部控制接口16。
52.该种车载式三光束激光同步焊接机，可以广泛应用于多芯光纤，特别是目前普遍应用的七芯光纤的耦合和焊接。特别在采用七芯光纤扇入扇出器实现耦合连接的室内或野外工程应用时，还可以为七芯光纤的耦合连接提供先进的车载式实用工具。本发明提供的三光束激光同步焊接机是半导体光纤激光器，采用独立激光器模块设计，不但体积小，可以方便地安装在空间有限的车辆移动野外操作，而且三光束激光可以独立分别调节输出光功率或能量，保证三光束激光同步焊接质量；由于激光内部光路全部采用光纤连接，没有任何空间光耦合的连接，抗振动且性能稳定；三光束激光同时具有转换效率高(30％-50％)、维护成本低，集成度高等优点。
53.可以理解的是，以上关于本发明的具体描述，仅用于说明本发明而并非受限于本发明实施例所描述的技术方案。本领域的普通技术人员应当理解，仍然可以对本发明进行修改或等同替换，以达到相同的技术效果；只要满足使用需要，都在本发明的保护范围之内。