CN106312314B - 双激光束焊接系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种双激光束焊接系统，其包括产生第一激光束的第一激光器和产生第二激光束的第二激光器，所述第一激光束作用于待焊接材料的焊接区域周围产生等离子体以及对其进行表面粗化处理；所述第二激光束作用于所述焊接区域，所述等离子体吸收所述第二激光束进而将表面粗化处理后的所述待焊接材料的焊接区域熔化形成熔池。双激光束焊接系统采用第一、第二激光器共同作用于高反材料上，第一激光束扫描产生的等离子体促进了第二激光束吸收，进而融化材料实现焊接过程；第一、第二激光器同时进行，省去了材料前处理等繁琐步骤；另外提供一种双激光束焊接方法，步骤简单、易实现，更适用大规模工业生产。
Description
技术领域
本发明涉及激光焊接技术领域，尤其涉及一种高反射率材料的等离子体诱导的双激光束焊接系统及方法。
背景技术
激光焊接具有非接触、高效、热变形量小等优点，已广泛应用于汽车、模具、电子等行业。待加工材料吸收激光能量后发生熔化来实现焊接过程，材料对激光的反射率直接影响焊接质量和焊接效率，高反射材料(如铜、铝、金、银)对激光反射率极高，大部分能量被反射而浪费，甚至不能形成熔池。因此，传统激光焊接方法不适合于高反射材料的焊接。
为解决高反射材料对激光吸收差的问题，通常在焊接材料前对高反材料进行前处理，例如通过机械或激光等方法对高反射材料表面进行粗糙化处理，或在高反射率材料表面涂覆一层高吸收率材料，但是，这些方法处理材料步骤繁琐，且不能实现自动化生产。
发明内容
有鉴于此，为了克服现有技术的缺陷和问题，本发明提供一种高反射率材料的等离子体诱导的双激光束焊接系统及方法。
一种双激光束焊接系统，其包括产生第一激光束的第一激光器和产生第二激光束的第二激光器，所述第一激光束作用于待焊接材料的焊接区域周围产生等离子体以及对其进行表面粗化处理；所述第二激光束作用于所述焊接区域，所述等离子体吸收所述第二激光束进而将表面粗化处理后的所述待焊接材料的焊接区域熔化形成熔池。
本发明一较佳实施方式中，还包括沿所述第一激光束的光路方向依次设置的扫描振镜和场镜，所述第一激光束依次经过所述扫描振镜和所述场镜后聚焦于所述焊接区域。
本发明一较佳实施方式中，还包括设置于所述第二激光束的光路中的聚焦镜，所述第二激光束经过所述聚焦镜后聚焦于所述焊接区域。
本发明一较佳实施方式中，所述第一激光器为短脉冲激光器或多倍频固体激光器。
本发明一较佳实施方式中，所述第二激光器为连续或准连续的光纤激光器、半导体激光器或灯泵浦激光器。
本发明一较佳实施方式中，所述第二激光束作用于所述焊接区域的聚焦点位于所述第一激光束的扫描端之后。
一种双激光束焊接方法，其包括如下步骤：
S101、利用第一激光器产生的第一激光束作用于待焊接材料的焊接区域周围产生等离子体以及对其进行表面粗化处理；
S103、控制第二激光器产生的第二激光束作用于所述焊接区域，使表面粗化处理后的所述待焊接材料的焊接区域熔化形成熔池；
S105、控制所述第二激光束的聚焦点相对于所述待焊接材料沿焊接方向移动。
本发明一较佳实施方式中，所述第一激光束依次经过扫描振镜和场镜后聚焦于所述焊接区域。
本发明一较佳实施方式中，所述第二激光束经过聚焦镜后聚焦于所述焊接区域。
本发明一较佳实施方式中，步骤105中，控制所述第二激光束的聚焦点位于所述第一激光束的扫描端之后。
相较于现有技术，本发明提出的双激光束焊接系统采用第一激光器和第二激光器共同作用于高反材料上，第一激光器产生的等离子体促进了第二激光器吸收，进而融化材料实现焊接过程；第一激光器与第二激光器同时进行，省去了材料前处理等繁琐步骤；此外，本发明提供的双激光束焊接系统所采用的第一激光器与第二激光器均为成熟稳定的激光器，易于集成，成本合理。本发明提供的双激光束焊接方法步骤简单、易实现，更适用了大规模工业生产。
附图说明
图1为本发明第一实施例提供的双激光束焊接系统的结构示意图；
图2为利用图1所示双激光束焊接系统进行焊接时双激光束和焊缝的位置关系的示意图；
图3为本发明第二实施例提供的双激光束焊接方法的流程图；
图4为另一种扫描轨迹的示意图。
具体实施方式
为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的较佳实施方式。以上仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
请参阅图1，本发明提供一种双激光束焊接系统，其包括产生第一激光束的第一激光器1和产生第二激光束的第二激光器5，所述第一激光束作用于待焊接材料2的焊接区域周围产生等离子体以及对其进行表面粗化处理，所述第二激光束作用于所述焊接区域，所述等离子体吸收所述第二激光束进而将表面粗化处理后的所述待焊接材料2的焊接区域熔化形成熔池。
本实施例中，焊接方向为第二激光束和待焊接材料2相对移动的方向，具体地，焊接方向平行于焊缝的延伸方向。本实施例中，所述双激光束焊接系统还包括扫描振镜3、场镜4和聚焦镜6，所述扫描振镜3和所述场镜4沿所述第一激光束的光路方向依次设置，所述第一激光束依次经过所述扫描振镜3和所述场镜4后聚焦于所述焊接区域。所述聚焦镜6设置于所述第二激光束的光路中，所述第二激光束经过所述聚焦镜6后聚焦于所述焊接区域。
优选地，所述第一激光器1为短脉冲激光器或多倍频固体激光器，可根据实际情况进行选择或设置，如平均功率为50W，脉冲宽度为1.5ns。所述第二激光器5为连续或准连续的光纤光纤激光器、半导体激光器或灯泵浦激光器，可根据实际情况进行选择或设置，如功率为1000W。
具体地，本实施例中，所述第一激光器1采用脉冲激光器，其具有极高的峰值功率，足以将高反射率材料瞬间气化并产生等离子体，可以理解的是，根据具体情况的不同，脉冲激光器可以由纳秒光纤激光器(脉宽为1-100ns、波长为1030-1080nm)、包括皮秒、飞秒(脉宽为10fs-50ps、波长为1030-1080nm)在内的超短脉冲激光器、二倍频(波长为532nm)或三倍频(波长为355nm)的固体激光器产生。优选的，所述第一激光器1通过扫描振镜3和场镜4作用于所述焊接区域，并在所述焊接区域进行扫描以产生足够的等离子体。所述第一激光器1的平均功率较低，通常在几十瓦到数百瓦，单纯的所述第一激光器1在气化材料并产生等离子体的过程中并不能有效地熔化待焊接材料2来实现焊接。
本实施例中，所述第二激光器5采用连续或准连续激光器，为焊接过程提供持续能量以熔化高反材料实现焊接。第一激光束扫描焊接位置及焊接位置周围区域所产生的等离子体可以有效增加第二激光束的吸收率，同时第一激光束在高反材料表面产生的粗糙表面同样增加了对第二激光束的吸收，在第二激光束持续的作用下，待焊接材料发生熔化形成熔池而最终实现焊接过程。根据具体情况的不同，所述第二激光器5可以为光纤激光器(波长在1030nm-1080nm)、半导体激光器(800nm-1100nm)、灯泵浦激光器(波长为1064nm)以及其它连续或准连续激光器。可以理解的是，所述准连续激光器是指激光脉宽在微秒到毫秒级别的激光器。
本实施例中，引入第二激光束并聚焦于焊接区域，通过移动第二激光束及其聚焦点或移动待焊接材料来完成整个焊接过程。
请参阅图2，本发明以具有高反射率的待焊接的铜板21和铜板22为例，结合本发明第二实施例提供的双激光束焊接方法进行说明，铜板21和铜板22之间的缝隙即为需要焊接的焊缝23，铜板21和铜板22邻近焊缝23两侧的部位即为焊接区域，第一激光束的扫描轨迹24如图2所示，即本实施例中的预设扫描轨迹，其中实线部分为已经完成的扫描，虚线为待扫描部分，所述第二激光束聚焦于所述焊接区域的聚焦点位于所述第一激光束的扫描端之后，即第一激光束先按照扫描轨迹24对所述焊接区域进行扫描，然后第二激光束才聚焦于所述焊接区域。可以理解的是，所述第二激光束可以在所述第一激光束扫描的同时，作用于所述焊接区域，使表面粗化处理后的所述焊接区域熔化形成熔池；当然，并不局限于此，也可以在所述焊接区域完全被所述第一激光束粗化处理后，所述第二激光束才作用于所述焊接区域，使表面粗化处理后的所述焊接区域熔化形成熔池。
可以理解的是，第一激光束聚焦于待焊接材料2的焊接区域，对所述焊接区域进行扫描是为了使第一激光束的能量覆盖焊缝23两侧的待焊接材料2的边缘部分(即铜板21和铜板22邻近焊缝23两侧的部位)，使所述焊接区域表面粗化。扫描开始前，第一激光束先聚焦于焊缝23，以避免第一激光束的能量对待焊接材料2造成过大的加热，然后沿扫描轨迹24对所述焊接区域进行扫描。
可以理解的是，焊接前首先需要对待焊接的铜板21和铜板22进行必要的清洁，以保证焊接效果。
请一并参阅图3，本发明第二实施例提供的双激光束焊接方法包括如下步骤：
S101、利用第一激光器1产生的第一激光束作用于待焊接材料2的焊接区域周围产生等离子体以及对其进行表面粗化处理。
如图2可知，本实施例中，所述第一激光束依次经过扫描振镜3和场镜4后聚焦于所述焊接区域。具体地，第一激光束的扫描轨迹24以焊缝23为轴呈矩形锯齿状，由此，第一激光束可以有效地扫描焊接区域(即铜板21和铜板22的焊接位置及焊接位置周围区域)，进而产生的等离子体可以有效地增加第二激光束的吸收率，同时，第一激光束可以使焊接区域的表面充分粗化，进而提高第二激光束的吸收率。
可以理解的是，第一激光束的扫描轨迹24并不局限于本实施例，也可以以焊缝23为轴呈三角形锯齿状(如图4所示)、正弦波或余弦波状，只要能有效地扫描铜板21和铜板22的焊接位置及焊接位置周围区域(即铜板21和铜板22邻近焊缝23两侧的部位)，使铜板21和铜板22的表面粗化即可。
S103、控制第二激光器5产生的第二激光束作用于所述焊接区域，所述等离子体吸收所述第二激光束进而将表面粗化处理后的所述待焊接材料2的焊接区域熔化形成熔池。
本实施例中，所述第二激光束经过聚焦镜6后聚焦于所述焊接区域。在所述第二激光束持续的作用下，待铜板21和铜板22焊接位置发生熔化形成熔池而最终实现焊接过程。
S105、控制所述第二激光束的聚焦点相对于所述待焊接材料2沿焊接方向移动。
具体地，控制所述第二激光束的聚焦点位于所述第一激光束的扫描端之后，即第一激光束先按照扫描轨迹24对焊接区域进行扫描，然后第二激光束才作用于所述焊接区域。
第一激光束在扫描轨迹24的扫描端产生足量的等离子体并粗糙化铜板21和铜板22的表面，增加了对第二激光束的吸收率，第二激光束为焊接过程提供持续的能量，在两者的共同作用下，铜板21和铜板22相邻部位熔化形成熔池。第一激光束的扫描端和第二激光束的聚焦点25相对于铜板21和铜板22沿焊接方向移动完成焊接过程。
相较于现有技术，本发明提出的双激光束焊接系统采用第一激光器和第二激光器共同作用于高反材料上，第一激光器产生的等离子体促进了第二激光器吸收，进而融化材料实现焊接过程；第一激光器与第二激光器同时进行，省去了材料前处理等繁琐步骤；此外，本发明提供的双激光束焊接系统所采用的第一激光器与第二激光器均为成熟稳定的激光器，易于集成，成本合理。本发明提供的双激光束焊接方法步骤简单、易实现，更适用了大规模工业生产。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (10)
1.一种双激光束焊接系统，其特征在于，包括产生第一激光束的第一激光器和产生第二激光束的第二激光器，所述第一激光束沿扫描轨迹作用于待焊接材料的焊接区域周围对焊接区域进行扫描以使所述第一激光束的能量覆盖焊缝两侧的待焊接材料的边缘部分进而产生等离子体以及对其进行表面粗化处理；所述第二激光束作用于所述焊接区域，所述等离子体吸收所述第二激光束进而将表面粗化处理后的所述待焊接材料的焊接区域熔化形成熔池，所述第二激光束的聚焦点相对于所述焊接材料沿焊接方向移动；所述扫描轨迹以焊缝为轴呈三角形锯齿状、正弦波状或余弦波状，所述焊接方向为所述焊缝的延伸方向。
2.如权利要求1所述的双激光束焊接系统，其特征在于，还包括沿所述第一激光束的光路方向依次设置的扫描振镜和场镜，所述第一激光束依次经过所述扫描振镜和所述场镜后聚焦于所述焊接区域。
3.如权利要求1所述的双激光束焊接系统，其特征在于，还包括设置于所述第二激光束的光路中的聚焦镜，所述第二激光束经过所述聚焦镜后聚焦于所述焊接区域。
4.如权利要求1所述的双激光束焊接系统，其特征在于，所述第一激光器为短脉冲激光器或多倍频固体激光器。
5.如权利要求1所述的双激光束焊接系统，其特征在于，所述第二激光器为连续或准连续的光纤激光器、半导体激光器或灯泵浦激光器。
6.如权利要求1所述的双激光束焊接系统，其特征在于，所述第二激光束作用于所述焊接区域的聚焦点位于所述第一激光束的扫描端之后。
7.一种双激光束焊接方法，其特征在于，包括如下步骤：
S101、利用第一激光器产生的第一激光束沿扫描轨迹作用于待焊接材料的焊接区域周围对焊接区域进行扫描以使所述第一激光束的能量覆盖焊缝两侧的待焊接材料的边缘部分进而产生等离子体以及对其进行表面粗化处理，所述扫描轨迹以焊缝为轴呈三角形锯齿状、正弦波状或余弦波状；
S103、控制第二激光器产生的第二激光束作用于所述焊接区域，所述等离子体吸收所述第二激光束进而将表面粗化处理后的所述待焊接材料的焊接区域熔化形成熔池；
S105、控制所述第二激光束的聚焦点相对于所述待焊接材料沿焊接方向移动，所述焊接方向为所述焊缝的延伸方向。
8.如权利要求7所述的双激光束焊接方法，其特征在于，所述第一激光束依次经过扫描振镜和场镜后聚焦于所述焊接区域。
9.如权利要求7所述的双激光束焊接方法，其特征在于，所述第二激光束经过聚焦镜后聚焦于所述焊接区域。
10.如权利要求7所述的双激光束焊接方法，其特征在于，步骤105中，控制所述第二激光束的聚焦点位于所述第一激光束的扫描端之后。
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