一种焊接设备及其应用与焊接方法
阅读说明：本技术 一种焊接设备及其应用与焊接方法 (Welding equipment and application and welding method thereof ) 是由 薛亚飞 罗子艺 韩善果 蔡得涛 郑世达 房卫萍 于 2021-08-13 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种焊接设备及其应用与焊接方法,属于激光焊接技术领域。该焊接设备包括光束整形系统及长焦会聚透镜和短焦会聚透镜；长焦会聚透镜间隔设置于光束整形系统的一侧以对从光束整形系统发出的贝塞尔光束进行第一次聚焦压缩,短焦会聚透镜间隔设置于长焦会聚透镜的背离光束整形系统的一侧以对贝塞尔光束第二次聚焦压缩后对待焊接材料进行焊接。上述焊接设备可用于对待焊接材料进行焊接,与高斯光束相比,上述设备形成的直径小、焦深长、能量密度高的贝塞尔聚焦光束能够使焊接过程中接头界面受热均匀,降低激光焊接对于对焦精度的要求,提高焊接工艺适应性和焊接质量。同时,贝塞尔光束增长的焦深有利于具有较大接触间隙材料的搭接焊。(The invention discloses welding equipment and application and a welding method thereof, and belongs to the technical field of laser welding. The welding equipment comprises a beam shaping system, a long-focus converging lens and a short-focus converging lens; the long-focus converging lenses are arranged on one side of the beam shaping system at intervals to perform primary focusing compression on the Bezier beams emitted from the beam shaping system, and the short-focus converging lenses are arranged on one side of the long-focus converging lenses, which is far away from the beam shaping system, at intervals to perform secondary focusing compression on the Bezier beams and then weld materials to be welded. Compared with a Gaussian beam, the Bessel focused beam formed by the welding equipment and having small diameter, long focal depth and high energy density can enable a joint interface to be heated uniformly in the welding process, reduce the requirement of laser welding on focusing precision and improve the adaptability of the welding process and the welding quality. Meanwhile, the increased focal depth of the bessel beam is beneficial to lap welding of materials with larger contact gaps.)
技术领域
本发明涉及激光焊接
技术领域
，具体而言，涉及一种焊接设备及其应用与焊接方法。背景技术
通常，激光焊接过程中聚焦后的高斯激光束焦深小，激光焦点中心需精准地控制在待焊接材料界面特定位置，严重影响了焊接工艺的适应性。并且，聚焦后高斯光束轴向强度分布梯度较大，容易导致焊接过程中界面受热不均匀，尤其是对于较大接触间隙材料的搭接焊，界面受热不匀更为明显，不仅能容易导致焊缝中易形成气孔的缺陷，而且有的还会导致焊缝不能熔合，影响最终的焊接质量。
鉴于此，特提出本发明。
发明内容
本发明的目的之一在于提供一种焊接设备，该设备结构简单，能够形成的直径小、焦深长、能量密度高的贝塞尔聚焦光束，使焊接过程中接头界面受热均匀，降低激光焊接对于对焦精度的要求，提高焊接工艺适应性和焊接质量。
本发明的目的之二在于提供一种上述焊接设备的应用。
本发明的目的之三在于提供一种采用上述焊接设备进行焊接的焊接方法。
本发明可这样实现：
第一方面，本发明提供一种焊接设备，其包括光束处理装置，光束处理装置包括光束整形系统以及4f成像系统。
4f成像系统包括长焦会聚透镜和短焦会聚透镜。
长焦会聚透镜间隔设置于光束整形系统的一侧以对从光束整形系统发出的贝塞尔光束进行第一次聚焦压缩，短焦会聚透镜间隔设置于长焦会聚透镜的背离光束整形系统的一侧以对从长焦会聚透镜发出的贝塞尔光束进行第二次聚焦压缩并用于对待焊接材料进行焊接。
在可选的实施方式中，光束整形系统包括锥透镜、空间光调制器或衍射光学元件。
在可选的实施方式中，锥透镜为圆锥透镜。
在可选的实施方式中，圆锥透镜的底角为0.5-6°，优选1-5°。
在可选的实施方式中，长焦会聚透镜的焦距为f1，短焦会聚透镜的焦距为f2，长焦会聚透镜与短焦会聚透镜的缩束倍率f1/f2为10-50。
在可选的实施方式中，光束整形系统与长焦会聚透镜之间的距离为20-200mm，长焦会聚透镜与短焦会聚透镜之间的距离为50-450mm，短焦会聚透镜与待焊接材料之间的距离为4-20mm。
在可选的实施方式中，焊接设备还包括光束产生装置，光束产生装置包括激光器，激光器设置于光束整形系统的远离4f成像系统的一侧以使激光器发出的高斯光束经光束整形系统整形为贝塞尔光束。
在可选的实施方式中，激光器包括纳秒激光器、皮秒激光器或飞秒激光器。
在可选的实施方式中，激光器的波长范围为200-2500nm。
在可选的实施方式中，焊接设备还包括移动装置，移动装置用于控制光束处理装置移动以使短焦会聚透镜聚焦压缩后的贝塞尔光束在待焊接材料的表面进行扫描运动。
在可选的实施方式中，移动装置包括移动台或机械臂。
第二方面，本发明提供如前述实施方式任一项的焊接设备的应用，例如用于对待焊接材料进行焊接。
第三方面，本发明提供一种焊接方法，其包括以下步骤：采用如前述实施方式任一项的焊接设备，将经光束整形系统整形后得到的贝塞尔光束依次经长焦会聚透镜第一次聚焦压缩和短焦会聚透镜第二次聚焦压缩，随后将第二次聚焦压缩后的贝塞尔光束对待焊接材料进行焊接。
在可选的实施方式中，将经第二次聚焦压缩后的贝塞尔光束对待焊接材料进行对接焊接或搭接焊接。
在可选的实施方式中，待焊接材料包括金属或非金属材料。
在可选的实施方式中，金属包括钛合金、不锈钢、铝合金、铜合金或碳钢。
在可选的实施方式中，非金属材料包括陶瓷、玻璃或塑料。
在可选的实施方式中，焊接形式包括激光焊接、激光-电弧复合焊接或激光-等离子弧复合焊接。
本申请的有益效果包括：
本申请通过依次设置光束整形系统、长焦会聚透镜和短焦会聚透镜，光束整形系统可将高斯光束整形为贝塞尔光束，整形后的贝塞尔光束依次通过两个不同焦距的长焦会聚透镜和短焦会聚透镜统进行光束的聚焦压缩，形成的直径小、焦深长、能量密度高的贝塞尔光束进而对待焊接材料进行激光焊接，从而能够改善焊接过程接头界面受热不均匀性，降低激光焊接过程中对焦精度要求，提高焊接工艺适应性和焊接质量。同时，利用贝塞尔光束增长的焦深，也有利于具有较大接触间隙材料的拼接焊。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1为本申请提供的焊接设备进行第一种焊接的示意图；
图2为本申请提供的焊接设备进行第二种焊接的示意图；
图3为本申请提供的焊接设备中光束整形系统为锥透镜时的光束整形示意图。
图标：1-高斯光束；2-光束整形系统；3-初始贝塞尔光束；4-长焦会聚透镜；5-短焦会聚透镜；6-聚焦后贝塞尔光束；7-对接焊样品；8-搭接焊样品；9-圆锥透镜。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。
下面对本申请提供的焊接设备及其应用与焊接方法进行具体说明。
本申请提出一种焊接设备，请一并参照图1至图3，其包括光束处理装置，光束处理装置包括光束整形系统2以及4f成像系统。
4f成像系统包括长焦会聚透镜4和短焦会聚透镜5。
上述光束整形系统2具体为高斯光束1整形系统，以将高斯光束1整形成贝塞尔光束。
在可选的实施方式中，光束整形系统2例如可包括锥透镜、空间光调制器或衍射光学元件。
其中，锥透镜可以为圆锥透镜9。圆锥透镜9的底角可以为0.5-6°，如0.5°、1°、1.5°、2°、2.5°、3°、3.5°、4°、4.5°、5°、5.5°或6°等，优选1-5°。上述优选地底角范围有利于使贝塞尔光束的焦深和光斑大小在合适范围。
本申请中，长焦会聚透镜4间隔设置于光束整形系统2的一侧(也即光束整形系统2的出光侧)以对从光束整形系统2发出的初始贝塞尔光束3进行第一次聚焦压缩，短焦会聚透镜5间隔设置于长焦会聚透镜4的背离光束整形系统2的一侧(也即长焦会聚透镜4的出光侧)以对从长焦会聚透镜4发出的贝塞尔光束进行第二次聚焦压缩得到聚焦后贝塞尔光束6并用于对待焊接材料进行焊接。
在可选的实施方式中，长焦会聚透镜4的焦距为f1，短焦会聚透镜5的焦距为f2，长焦会聚透镜4与短焦会聚透镜5的缩束倍率f1/f2为10-50，也即f1为f2的10-50倍(如10倍、15倍、20倍、25倍、30倍、35倍、40倍、45倍或50倍等)。
在可选的实施方式中，光束整形系统2与长焦会聚透镜4之间的距离可以为20-200m(如20m、50m、80m、100m、150m或200m等)。长焦会聚透镜4与短焦会聚透镜5之间的距离可以为50-450mm(如50mm、100mm、150mm、200mm、250mm、300mm、350mm、400mm或450mm等)。短焦会聚透镜5与待焊接材料之间的距离可以为4-20mm(如4mm、5mm、10mm、15mm或20mm等)。
上述长焦会聚透镜4与短焦会聚透镜5的缩束倍率，光束整形系统2、长焦会聚透镜4和短焦会聚透镜5之间的距离，以及锥透镜底角共同配合调控贝塞尔光束的焦深和光斑大小，以形成满足激光焊接要求的聚焦光斑和焦深。
进一步地，焊接设备还包括光束产生装置，光束产生装置包括激光器，激光器设置于光束整形系统2的远离4f成像系统的一侧(也即光束整形系统2的进光侧)以使激光器发出的高斯光束1经光束整形系统2整形为初始贝塞尔光束3。
可参考地，激光器例如可包括纳秒激光器、皮秒激光器或飞秒激光器。
激光器的波长范围可以为200-2500nm。
进一步地，焊接设备还包括移动装置，移动装置用于控制光束处理装置移动以使短焦会聚透镜5聚焦压缩后的聚焦后贝塞尔光束6在待焊接材料的表面进行扫描运动。
可参考地，移动装置可包括移动台或机械臂。
当移动装置为移动台时，光束处理装置可整体位于移动台的表面并与移动台的移动状态保持一致，从而通过移动台的移动实现光束处理装置的移动，进而使短焦会聚透镜5聚焦压缩后的聚焦后贝塞尔光束6进行扫描运动。机械臂的原理可参照移动台，在此不做过多赘述。
此外，本申请还提供了上述焊接设备的应用，例如可用于对待焊接材料进行焊接。
相应地，本申请还提供了一种焊接方法，其包括以下步骤：采用上述焊接设备，将经光束整形系统2整形后得到的初始贝塞尔光束3依次经长焦会聚透镜4第一次聚焦压缩和短焦会聚透镜5第二次聚焦压缩，随后将第二次聚焦压缩后的贝塞尔光束(聚焦后贝塞尔光束6)对待焊接材料进行焊接。
在可选的实施方式中，将经第二次聚焦压缩后的聚焦后贝塞尔光束6对待焊接材料进行对接焊接或搭接焊接。
上述待焊接材料可包括金属或非金属材料，具体的，需要对接或搭接的材料可以是金属材料-金属材料，也可以为金属材料-非金属材料，还可以为非金属材料-非金属材料。
其中，金属例如可包括钛合金、不锈钢、铝合金、铜合金或碳钢等。非金属材料例如可包括陶瓷、玻璃或塑料等。
可参考地，具体采用的焊接形式例如可包括激光焊接、激光-电弧复合焊接或激光-等离子弧复合焊接等。
承上，通过本申请提供的焊接方法能够改善焊接过程接头界面受热不均匀性，降低激光焊接过程中对焦精度要求，提高焊接工艺适应性和焊接质量。同时，利用贝塞尔光束增长的焦深，也有利于具有较大接触间隙材料的拼接焊。
以下结合实施例对本发明的特征和性能作进一步的详细描述。
实施例1
请参照图1和图3，本实施例提供一种焊接设备，其包括光束产生装置、光束处理装置以及移动装置。
光束产生装置包括纳秒激光器，光束处理装置包括光束整形系统2以及4f成像系统。
光束整形系统2为圆锥透镜9，该圆锥透镜9的底角为1°。
4f成像系统包括长焦会聚透镜4和短焦会聚透镜5。
激光器间隔设置于圆锥透镜9的进光侧以使经激光器发出的高斯光束1经圆锥透镜9整形为初始贝塞尔光束3。激光器的波长为1064nm。
长焦会聚透镜4间隔设置于圆锥透镜9的出光侧以对圆锥透镜9发出初始贝塞尔光束3进行第一次聚焦压缩。
短焦会聚透镜5间隔设置于长焦会聚透镜4的背离圆锥透镜9的一侧(也即长焦会聚透镜4的出光侧)以对从长焦会聚透镜4聚发出的贝塞尔光束进行第二次聚焦压缩，得到聚焦后贝塞尔光束6。
其中，光束整形系统2与长焦会聚透镜4之间的距离为40mm。长焦会聚透镜4与短焦会聚透镜5之间的距离为176mm。短焦会聚透镜5与待焊接材料之间的距离为16mm。长焦会聚透镜4与短焦会聚透镜5的缩束倍率f1/f2为10。
移动装置为移动台，激光器、圆锥透镜9、长焦会聚透镜4与短焦会聚透镜5整体设置于移动台的表面并与移动台的移动状态保持一致，从而通过移动台的移动实现光束处理装置的移动，进而使短焦会聚透镜5聚焦压缩后的聚焦后贝塞尔光束6进行扫描运动。
实施例2
请参照图2和图3，本实施例提供一种焊接设备，其包括光束产生装置、光束处理装置以及移动装置。
光束产生装置包括皮秒激光器，光束处理装置包括光束整形系统2以及4f成像系统。
光束整形系统2为圆锥透镜9，该圆锥透镜9的底角为2°。
4f成像系统包括长焦会聚透镜4和短焦会聚透镜5。
激光器间隔设置于圆锥透镜9的进光侧以使经激光器发出的高斯光束1经圆锥透镜9整形为初始贝塞尔光束3。激光器的波长为1035nm。
长焦会聚透镜4间隔设置于圆锥透镜9的出光侧以对圆锥透镜9发出初始贝塞尔光束3进行第一次聚焦压缩。
短焦会聚透镜5间隔设置于长焦会聚透镜4的背离圆锥透镜9的一侧(也即长焦会聚透镜4的出光侧)以对从长焦会聚透镜4聚发出的贝塞尔光束进行第二次聚焦压缩得到聚焦后贝塞尔光束6。
其中，光束整形系统2与长焦会聚透镜4之间的距离为50mm。长焦会聚透镜4与短焦会聚透镜5之间的距离为186mm。短焦会聚透镜5与待焊接材料之间的距离为6mm。长焦会聚透镜4与短焦会聚透镜5的缩束倍率f1/f2为30。
移动装置为移动台，激光器、圆锥透镜9、长焦会聚透镜4与短焦会聚透镜5整体设置于移动台的表面并与移动台的移动状态保持一致，从而通过移动台的移动实现光束处理装置的移动，进而使短焦会聚透镜5聚焦压缩后的聚焦后贝塞尔光束6进行扫描运动。
实施例3
请参照图1和图3，本实施例提供一种焊接设备，其包括光束产生装置、光束处理装置以及移动装置。
光束产生装置包括飞秒激光器，光束处理装置包括光束整形系统2以及4f成像系统。
光束整形系统2为圆锥透镜9，该圆锥透镜9的底角为2.5°。
4f成像系统包括长焦会聚透镜4和短焦会聚透镜5。
激光器间隔设置于圆锥透镜9的进光侧以使经激光器发出的高斯光束1经圆锥透镜9整形为初始贝塞尔光束3。激光器的波长为1030nm。
长焦会聚透镜4间隔设置于圆锥透镜9的出光侧以对圆锥透镜9发出的初始贝塞尔光束3进行第一次聚焦压缩。
短焦会聚透镜5间隔设置于长焦会聚透镜4的背离圆锥透镜9的一侧(也即长焦会聚透镜4的出光侧)以对从长焦会聚透镜4聚发出的贝塞尔光束进行第二次聚焦压缩得到聚焦后贝塞尔光束6。
其中，光束整形系统2与长焦会聚透镜4之间的距离为35mm。长焦会聚透镜4与短焦会聚透镜5之间的距离为168mm。短焦会聚透镜5与待焊接材料之间的距离为8mm。长焦会聚透镜4与短焦会聚透镜5的缩束倍率f1/f2为20。
移动装置为移动台，激光器、圆锥透镜9、长焦会聚透镜4与短焦会聚透镜5整体设置于移动台的表面并与移动台的移动状态保持一致，从而通过移动台的移动实现光束处理装置的移动，进而使短焦会聚透镜5聚焦压缩后的聚焦后贝塞尔光束6进行扫描运动。
实施例4
本实施例与实施例1的区别在于：圆锥透镜9的底角为0.5°。
实施例5
本实施例与实施例1的区别在于：圆锥透镜9的底角为6°。
实施例6
本实施例与实施例1的区别在于：光束整形系统2为空间光调制器。
实施例7
本实施例与实施例1的区别在于：光束整形系统2为衍射光学元件。
实施例8
本实施例与实施例1的区别在于：激光器的波长为200nm。
实施例9
本实施例与实施例1的区别在于：移动装置为机械臂。
实施例10
本实施例提供一种焊接方法，其具体采用实施例1提供的焊接设备对待焊接材料进行焊接。
具体的，激光器发射的准直后的高斯光束1进入圆锥透镜9并被整形成初始贝塞尔光束3，将光束依次经长焦会聚透镜4第一次聚焦压缩和短焦会聚透镜5第二次聚焦压缩，第二次聚焦压缩后的聚焦后贝塞尔光束6即对待焊接材料(也即对接焊样品7)进行对接焊接。
其中，待焊接材料为2mm厚不锈钢-不锈钢，焊接形式为激光焊接。
具体的焊接工艺参数如下：激光功率为2kW，脉宽为500ns，焊接速度为2m/min，离焦量0mm。
实施例11
本实施例提供一种焊接方法，其具体采用实施例2提供的焊接设备对待焊接材料进行焊接。
具体的，激光器发射的准直后的高斯光束1进入圆锥透镜9并被整形成初始贝塞尔光束3，将光束依次经长焦会聚透镜4第一次聚焦压缩和短焦会聚透镜5第二次聚焦压缩，第二次聚焦压缩后的聚焦后贝塞尔光束6即对待焊接材料(也即搭接焊样品8)进行搭接焊接。
其中，待焊接材料为硅酸盐玻璃-硅酸盐玻璃，焊接形式为激光焊接。
具体的焊接工艺参数如下：激光功率为45W，频率为110kHz，脉宽20ps，点间距为0.03mm。
实施例12
本实施例提供一种焊接方法，其具体采用实施例3提供的焊接设备对待焊接材料进行焊接。
具体的，激光器发射的准直后的高斯光束1进入圆锥透镜9并被整形成初始贝塞尔光束3，将光束依次经长焦会聚透镜4第一次聚焦压缩和短焦会聚透镜5第二次聚焦压缩，第二次聚焦压缩后的聚焦后贝塞尔光束6即对待焊接材料(也即搭接焊样品8)进行搭接焊接。
其中，待焊接材料为石英玻璃-石英玻璃，石英玻璃表面粗糙度优于150nm，焊接形式为激光焊接。
具体的焊接工艺参数如下：脉冲宽度300fs，脉冲能量8uJ，频率750kHz，单个焊点辐射脉冲数2500。
综上所述，本申请采用光束整形系统将激光器发射的准直后的高斯光束整形为初始贝塞尔光束，整形后的初始贝塞尔光束依次通过两个不同焦距的聚焦透镜组成的4f系统进行光束的聚焦压缩，采用聚焦压缩后形成的直径小、焦深长、能量密度高的聚焦后贝塞尔光束进行激光焊接，能够改善焊接过程接头界面受热不均匀性，降低激光焊接过程中对焦精度要求，提高焊接工艺适应性和焊接质量。同时，利用聚焦后贝塞尔光束增长的焦深，也有利于具有较大接触间隙材料的拼接焊。
以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
- 上一篇：一种医用注射器针头装配设备
- 下一篇：一种具有高表面结合力的基材及其制备方法