一种可控制光斑能量分布的复合激光焊接系统及其方法与流程

本发明属于激光焊接领域，更具体地，涉及一种可控制光斑能量分布的复合激光焊接系统及其方法。

背景技术：

1、激光深熔焊接，或称作深度穿透焊接。常见于以高激光功率焊接较厚的材料。深熔焊激光需要较高的激光光斑功率密度，激光束聚焦的部位会使金属气化，令金属熔池中出现一个盲孔(即深熔孔)，金属蒸气压力会挡住周围熔化的金属，使盲孔在焊接过程中始终处于开口状态，激光功率主要在蒸气与熔体边界和深熔孔壁处被熔体吸收，聚焦的激光束和深熔孔沿焊接轨迹持续移动，焊接材料在深熔孔前方熔化，并在后面重新凝固形成焊缝。

2、金属材料对激光器的吸收率和金属的温度有关，一旦出现小孔，材料对激光的吸收率将发生突变，其吸收率几乎不再与激光波长、金属特性和材料表面状态有关。因此一般激光深熔焊接，需要将激光功率密度达到小孔形成的能量要求，才能充分发挥激光焊接的优势。

3、但是，高能激光在金属上形成的小孔直径较小，能量密度高，一方面小孔会产生周期性不稳定，焊接过程会伴随产生熔融金属飞溅物；另一方面，焊缝受热、冷却过程过快，内部容易产生细小气泡等缺陷。现有技术中，常将激光和半导体双光束同时作用在金属材料上进行焊接，利用半导体光斑能量密度较低，光斑面积较大，可作用在金属材料上起到预热和退火的作用，从而减少激光焊接过程中产生的飞溅及焊缝缺陷等问题。

4、然而，在焊接过程中，不同的材料对光斑能量分布的要求不同，只有能量密度最高点位于工件表面内合适的位置，所得焊缝才能形成平行断面,并获得最大熔深，目前多是通过调节激光器输出功率来改变光斑的能量分布，能量分布改变有限，不能完全满足实际加工过程中的需要，因此需要设计能够灵活控制光斑能量分布的激光焊接系统。

技术实现思路

1、本发明鉴于上述情况而提出，其目的在于，提供一种可控制光斑能量分布的激光复合焊接系统，通过灵活改变激光器输出光的位置，生成具有不同能量分布的光斑类型，以适应不同的焊接应用需求。

2、本发明的技术方案是：为解决上述技术问题，本发明提供一种可控制光斑能量分布的复合激光焊接系统，包括：至少一第一激光器、与所述第一激光器对应连接的第一输出光纤、至少一第二激光器、与所述第二激光器对应连接的第二输出光纤、玻璃体和准直聚焦系统；其中，所述第一激光器用于产生至少一第一激光，并通过所述第一输出光纤将所述第一激光射入所述玻璃体；所述第二激光器用于产生至少一第二激光，并通过第二输出光纤将所述第二激光射入所述玻璃体；所述玻璃体用于将入射的所述第一激光和第二激光拓束后输出一复合光斑；所述准直聚焦系统，用于将所述复合光斑准直聚焦到待焊接区；所述复合光斑的能量分布可通过改变所述第一激光和第二激光入射所述玻璃体的位置进行调整。

3、在一些实施例中，所述玻璃体包括至少一输入端面，所述第一激光和第二激光分别从特定的位置以特定角度射入所述玻璃体的输入端面后，形成一具特定形状的复合光斑输出。

4、在一些实施例中，所述第一输出光纤和第二输出光纤排成特定形状的光纤阵列，并熔接固定于所述玻璃体的输入端面。

5、在一些实施例中，所述第一输入光纤、第二输出光纤和所述玻璃体之间还设置有一光纤连接器，所述光纤连接器包括多个输入端口和输出端口，所述第一输出光纤和第二输出光纤接入所述光纤连接器对应的输入端口，所述玻璃体上适配有尾纤，所述尾纤接入所述光纤连接器对应的输出端口，形成所述第一输出光纤、第二输出光纤和所述玻璃体尾纤之间的通路连接。

6、在一些实施例中，所述第一输出光纤和第二输出光纤与所述玻璃体之间为空间耦合，通过调节所述玻璃体输入端面与中心光轴之间的相对位置，以改变所述第一激光和第二激光入射所述玻璃体的位置。

7、本发明还提供了一种可控制光斑能量分布的复合激光焊接方法，包括步骤：生成至少一第一激光；

8、生成至少一第二激光；

9、提供一玻璃体，所述第一激光和所述第二激光在所述玻璃体中拓束形成一复合光斑；

10、改变所述第一激光和第二激光入射所述玻璃体的位置，对所述复合光斑的能量分布进行调整；

11、所述复合光斑经准直聚焦后照射到待焊接区。

12、在一些实施例中，所述提供一玻璃体，所述第一激光和所述第二激光在所述玻璃体中拓束形成一复合光斑的步骤包括：所述第一激光和第二激光分别从特定的位置以特定角度射入所述玻璃体的至少一输入端面后，所述第一激光和所述第二激光在所述玻璃体中经拓束形成一具特定形状的复合光斑从所述玻璃体的输出端面射出。

13、在一些实施例中，所述改变所述第一激光和第二激光入射所述玻璃体的位置，对所述复合光斑的能量分布进行调整的步骤包括：提供一由传输所述第一激光或第二激光的输出光纤排成的具有特定形状的光纤阵列，将所述光纤阵列熔接固定于所述玻璃体的输入端面。

14、在一些实施例中，所述改变所述第一激光和第二激光入射所述玻璃体的位置，对所述复合光斑的能量分布进行调整的步骤包括：

15、提供一光纤连接器，用于实现传输所述第一激光和第二激光的输出光纤与所述玻璃体尾纤的通路连接；

16、通过更换适配的玻璃体或更换适配玻璃体的连接尾纤，实现对所述第一激光和所述第二激光入射所述玻璃体位置的调整。

17、在一些实施例中，所述改变所述第一激光和第二激光入射所述玻璃体的位置，对所述复合光斑的能量分布进行调整的步骤包括：

18、将所述第一输出光纤和第二输出光纤对准所述玻璃体的输入端面以实现空间耦合；

19、调节所述玻璃体输入端面与中心光轴之间的相对位置，以改变所述第一激光和第二激光入射所述玻璃体的位置。

20、本发明的有益效果是：提出了一种可控制光斑能量分布的激光焊接系统，采用全光纤结构，将多种不同波长、不同能量密度的激光复合输出，同时通过灵活改变激光在玻璃体上入射位置，来控制输出光斑的能量分布，从而严格控制焊接材料的预热和退火时间，做到精密焊接，以适应不同的焊接应用需求。

技术特征：

1.一种可控制光斑能量分布的复合激光焊接系统，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的复合激光焊接系统，其特征在于，所述玻璃体包括至少一输入端面，所述第一激光和第二激光分别从特定的位置射入所述玻璃体的输入端面后，形成一具特定形状的复合光斑输出。

3.根据权利要求2所述的复合激光焊接系统，其特征在于，所述第一输出光纤和第二输出光纤排成特定形状的光纤阵列，熔接固定于所述玻璃体的输入端面。

4.根据权利要求2所述的复合激光焊接系统，其特征在于，所述第一输入光纤、第二输出光纤和所述玻璃体之间还设置有一光纤连接器，所述光纤连接器包括多个输入端口和输出端口，所述第一输出光纤和第二输出光纤接入所述光纤连接器对应的输入端口，所述玻璃体的输入端面上设有连接尾纤，所述连接尾纤接入所述光纤连接器对应的输出端口，形成所述第一输出光纤、第二输出光纤和所述连接尾纤之间的光路连接。

5.根据权利要求2所述的复合激光焊接系统，其特征在于，所述第一输出光纤、第二输出光纤和所述玻璃体输入端面之间形成空间耦合，所述玻璃体输入端面与中心光轴之间的相对位置可进行调节，以改变所述第一激光和第二激光入射所述玻璃体的位置。

6.一种可控制光斑能量分布的复合激光焊接方法，其特征在于，包括步骤：

7.根据权利要求6所述的复合激光焊接方法，其特征在于，所述提供一玻璃体，所述玻璃体将所述第一激光和所述第二激光拓束后输出一复合光斑的步骤包括：所述第一激光和第二激光分别从特定的位置射入所述玻璃体的至少一输入端面后，所述第一激光和所述第二激光在所述玻璃体中经拓束形成一具特定形状的复合光斑从所述玻璃体的输出端面射出。

8.根据权利要求7所述的复合激光焊接方法，其特征在于，所述改变所述第一激光和第二激光入射所述玻璃体的位置，对所述复合光斑能量分布进行调整控制的步骤包括：提供一由传输所述第一激光或第二激光的输出光纤组成的具有特定形状的光纤阵列，将所述光纤阵列熔接固定于所述玻璃体的输入端面。

9.根据权利要求7所述的复合激光焊接方法，其特征在于，所述改变所述第一激光和第二激光入射所述玻璃体的位置，对所述复合光斑能量分布进行调整控制的步骤包括：

10.根据权利要求7所述的复合激光焊接方法，其特征在于，所述改变所述第一激光和第二激光入射所述玻璃体的位置，对所述复合光斑能量分布进行调整控制的步骤包括：

技术总结
本发明公开了一种可控制光斑能量分布的复合激光焊接系统及方法，该激光焊接系统包括：至少一第一激光器、与所述第一激光器对应连接的第一输出光纤、至少一第二激光器、与所述第二激光器对应连接的第二输出光纤、玻璃体和准直聚焦系统，第一激光器用于产生至少一第一激光，并通过第一输出光纤将第一激光射入玻璃体，第二激光器用于产生至少一第二激光，并通过第二输出光纤将第二激光射入玻璃体，第一激光和第二激光入射玻璃体后输出一复合光斑，准直聚焦系统将复合光斑准直聚焦到待焊接区，其中复合光斑的能量分布可通过改变第一激光和第二激光入射玻璃体的位置进行调整控制。

技术研发人员：蒋峰,张心贲,杨笛,吕张勇
受保护的技术使用者：武汉创鑫激光科技有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13