一种激光焊接系统及其光斑轨迹控制方法技术方案

本发明专利技术公开了一种激光焊接系统及其光斑轨迹控制方法，属于激光焊接领域，系统包括：半导体激光器，其有多个且并联布置，每个半导体激光器均电性连接有直流供电模块；调光组件，其包括聚焦透镜以及多个准直透镜，各准直透镜分别用于将各半导体激光器发出的激光束准直，聚焦透镜用于将经过准直后的多束激光束进行聚焦后输出，且各半导体激光器发出的聚焦点共同构成预设的光斑图形；上位机，其与各直流供电模块电性连接，上位机用于根据预设的光斑轨迹对各直流通道模块进行调制以使各半导体激光器按次序激发和关断，使各半导体激光器发出的聚焦点在待焊工件上构成光斑轨迹。本发明专利技术不但能够实现半导体激光器的高功率焊接，还便于实现光斑轨迹控制。实现光斑轨迹控制。实现光斑轨迹控制。

【技术实现步骤摘要】
一种激光焊接系统及其光斑轨迹控制方法


[0001]本专利技术涉及激光焊接领域，特别涉及一种激光焊接系统及其光斑轨迹控制方法。

技术介绍

[0002]高功率激光焊接在船舶制造、高压容器、大型机床等领域有重要的应用。在高功率激光焊接过程中，被焊接材料在高功率激光的作用下气化而产生等离子体团，该等离子体团随焊接的进程而激烈演化。当等离子气团由于局部加热过快或者焊接区域的快速移动将产生激烈变化，例如形成湍流而爆裂，最终导致焊接过程的飞溅以及待焊工件中气孔和杂质的出现。因此为了得到更高质量的焊接效果，在高功率激光焊接中，激光的光斑形状和焊接轨迹需要精心设计，以便有效地缓解等离子体团的激烈变化和湍流的形成。
[0003]在激光焊接中，控制激光光斑的方法一般有环形光束[环形光斑激光器，CN202121460046.3]，或者利用振镜来摆动光斑[一种激光输出功率适应于扫描路径的激光扫描振镜焊接工艺，CN202110670404.1]，或者多光束焊接[一种多光束激光焊接纳米改性铝合金的方法及其装置，CN202110988263.8]，或者激光复合焊接[一种激光
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电弧复合焊接头调节装置，CN201320060021.3]等几种技术途径。这些技术的主要核心思路就是既要给金属足够的加热时间使其完成融化、对流和凝固的焊接过程，又不要在某一时刻集中地加热等离子体团的某一个局部，从而避免等离子体团内部因过大的温差而形成湍流。上述的这些方法在CO2激光和光纤激光焊接应用中得到了认可。
[0004]另一方面，对于固体激光器[脉冲氙灯泵浦激光焊接机的调压电源，CN201720803449.0]，通常采用灯泵浦的长脉宽技术或者调Q技术，利用脉冲激光的短暂、高峰值功率的特性来进行激光焊接，从而在等离子体团破裂之前完成整个焊接过程，减轻了等离子体团的负作用。
[0005]不过，上述这些方法都不太适合用于常规的半导体激光器，这主要原因是：1)半导体激光器的光束质量较差，需要经过精心的准直和排列，以便具有较长的工作距离满足振镜的要求，这导致了成本的上升；2)半导体激光器发出的激光的波长通常较短，其在等离子体团中穿透深，这更容易导致等离子体团的翻滚，因此使用半导体激光器进行焊接时需要更快的光斑变换速度；3)不锈钢、铝材和铜等常用金属对半导体激光器发出的激光的吸收系数高、温升快，因此使用半导体激光器进行焊接时需要更稳定的光斑控制技术。
[0006]虽然存在上述不利因素，但是半导体激光器具有更低的成本优势，这对高功率焊接设备的推广普及有重要作用，因此研发新型半导体激光焊接系统及其光斑控制技术则变得十分重要。

技术实现思路

[0007]针对现有技术存在的半导体激光器用于高功率焊接时由于光束质量差导致光斑难以控制的问题，本专利技术的目的在于提供一种激光焊接系统及其光斑轨迹控制方法。
[0008]为实现上述目的，本专利技术的技术方案为：
[0009]第一方面，本专利技术提供一种激光焊接系统，包括：
[0010]半导体激光器，所述半导体激光器有多个且并联布置，每个所述半导体激光器均电性连接有直流供电模块；
[0011]调光组件，所述调光组件包括聚焦透镜以及多个准直透镜，多个所述准直透镜分别布置在多个所述半导体激光器的输出端，所述准直透镜用于将所述半导体激光器发出的激光束准直，所述聚焦透镜设置在各所述准直透镜的出光一侧，所述聚焦透镜用于将经过准直后的多束激光束进行聚焦后输出，其中，各所述半导体激光器发出的激光束经准直和聚焦后所形成的聚焦点在待焊工件上共同构成预设的光斑图形；
[0012]以及上位机，所述上位机与各所述直流供电模块电性连接，所述上位机用于根据预设的光斑轨迹对各所述直流通道模块进行调制，以使各所述半导体激光器按次序激发和关断，从而使各半导体激光器发出的激光束经准直和聚焦后所形成的聚焦点在待焊工件上构成所述光斑轨迹。
[0013]优选的，所述光斑轨迹为所述光斑图形中一个或多个聚焦点点亮后形成的时序轨迹。
[0014]优选的，所述光斑图形由所述半导体激光的位置、所述准直透镜的位置和倾斜角度、以及所述准直透镜与所述半导体激光器之间的距离决定。
[0015]优选的，所述上位机包括微处理器、延时电路、数模转换器和MOSFET；所述半导体激光器与所述直流供电模组之间均连接有所述MOSFET，所述MOSFET用于承载所述直流供电模组流向所述半导体激光器的供电电流；每个所述MOSFET均电性连接有所述数模转换器，所述数模转换器用于控制流经所述MOSFET的电流的数值；所述微处理器用于存储所述光斑轨迹，所述微处理器还用于根据所述光斑轨迹向对应的所述数模转换器发送电压控制指令，以便于所述数模转换器根据所述电压控制指令对流经所述MOSFET的电流的数值进行控制；所述延时电路电性连接在所述微处理器与各所述数模转换器之间，所述延时电路用于控制所述电压控制指令的延时时间。
[0016]优选的，所述准直透镜为双凸透镜，所述聚焦透镜为平凸透镜。
[0017]第二方面，本专利技术还提供一种光斑轨迹控制方法，所述方法基于如上所述的激光焊接系统，所述方法用于在待焊工件上以预设的光斑轨迹进行焊接，所述方法包括以下步骤：
[0018]S1、获取光斑轨迹，并根据所述光斑轨迹确定各半导体激光器的发光次序、发光间隔以及所述光斑轨迹的变换周期；
[0019]S2、获取激光器性能参数，所述激光器性能参数至少包括连续工作功率，所述连续工作功率为持续工作情况下所述半导体激光器能够输出的最大功率；
[0020]S3、在S1中确定的发光次序下，根据超调特性控制各半导体激光器在小于所述发光间隔的发光时长内发出高于所述连续工作功率的发光功率的激光束，其中，各所述半导体激光器的发光时长与发光功率乘积的总和等于所述连续工作功率与所述变换周期的乘积。
[0021]进一步的，S3中，所述发光时长适于使热量在等离子体团中的传播距离大于第一阈值、使热量在待焊工件中的传播距离小于第二阈值。
[0022]优选的，所述发光时长为0.02
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1ms。
[0023]第三方面，本专利技术还提供一种电子设备，包括存储有可执行程序代码的存储器以及与所述存储器耦合的处理器；其中，所述处理器调用所述存储器中存储的可执行程序代码，执行如上所述的方法。
[0024]第四方面，本专利技术还提供一种计算机可读存储介质，存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器运行时执行如上所述的方法。
[0025]采用上述技术方案，本专利技术有益效果在于：通过多个分别通过直流供电模块受上位机控制的半导体激光器以及各半导体激光器的聚焦点按照光斑图形布置的焊接系统的设置，使得在上位机的控制下各半导体激光器能够按次序激发和关断，因此，通过缩短每个半导体激光器的发光时长即可进行高功率的激光焊接，又因为各半导体激光器是按次序工作的，因此在时间轨迹上聚焦点的点亮位置是不断变换，从而使等离子体团各处均匀受热，有效避免因局部过热而导致的飞本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种激光焊接系统，其特征在于：包括：半导体激光器，所述半导体激光器有多个且并联布置，每个所述半导体激光器均电性连接有直流供电模块；调光组件，所述调光组件包括聚焦透镜以及多个准直透镜，多个所述准直透镜分别布置在多个所述半导体激光器的输出端，所述准直透镜用于将所述半导体激光器发出的激光束准直，所述聚焦透镜设置在各所述准直透镜的出光一侧，所述聚焦透镜用于将经过准直后的多束激光束进行聚焦后输出，其中，各所述半导体激光器发出的激光束经准直和聚焦后所形成的聚焦点在待焊工件上共同构成预设的光斑图形；以及上位机，所述上位机与各所述直流供电模块电性连接，所述上位机用于根据预设的光斑轨迹对各所述直流通道模块进行调制，以使各所述半导体激光器按次序激发和关断，从而使各半导体激光器发出的激光束经准直和聚焦后所形成的聚焦点在待焊工件上构成所述光斑轨迹。2.根据权利要求1所述的激光焊接系统，其特征在于：所述光斑轨迹为所述光斑图形中一个或多个聚焦点点亮后形成的时序轨迹。3.根据权利要求2所述的激光焊接系统，其特征在于：所述光斑图形由所述半导体激光的位置、所述准直透镜的位置和倾斜角度、以及所述准直透镜与所述半导体激光器之间的距离决定。4.根据权利要求1所述的激光焊接系统，其特征在于：所述上位机包括微处理器、延时电路、数模转换器和MOSFET；所述半导体激光器与所述直流供电模组之间均连接有所述MOSFET，所述MOSFET用于承载所述直流供电模组流向所述半导体激光器的供电电流；每个所述MOSFET均电性连接有所述数模转换器，所述数模转换器用于控制流经所述MOSFET的电流的数值；所述微处理器用于存储所述光斑轨迹，所述微处理器还用于根据所述光斑轨迹向对应的所述数模转换器发送电压控制指令，以便于所述数模转换器根据所述电压控制指令对流经所述MOSFET的电流的数...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐洁，徐建一，杨志文，张帅一，
申请(专利权)人：江苏星链激光科技有限责任公司，
类型：发明
国别省市：