[发明专利]光纤激光动态聚焦振镜扫描式点焊系统及其焊接方法

说明书

技术领域

本发明涉及激光焊接技术，具体是指光纤激光动态聚焦振镜扫描式点焊系统及其焊接方法。

背景技术

在许多工业激光焊接应用中，需要在一个工件上焊接几十到几百个点。相比于激光束定位和工件装载时间，焊接时间是比较短暂的，典型的焊接时间大约占整个焊接流程的20％到50％。扫描焊接(Scanner welding)也被称之为远距离焊接(Remote Welding)，是一种使用扫描镜组的动态焊接工艺，此工艺以长焦距和高度灵活的激光束偏移为主要优点，激光束在工作面上的定位通过两个镜子的偏转来实现，一个或两个振镜在扫描镜头内将激光光束快速在焊缝之间切换，所需时间几乎为零。工件上的焊点数量越多，这种技术的优势越明显。扫描焊接系统相对于电阻点焊来说通过减少非焊接的时间，使得焊接时间(beam on)占整个流程的90％。一个扫描振镜组工作站可以替代几个传统的焊接工作站。产品主要解决精密五金件的搭接焊、电子封装中的针脚点焊和电路板行业中的片状组件无铅焊接难题，扫描焊接提供了更高的焊接效率、更大的柔性以及更好经济性。

目前市场上应用于扫描焊接的激光器主要包括Nd:YAG固体激光器和CO₂气体激光器，当扫描振镜将激光束向远离工作范围中心的方向引导时，从镜头到工件的距离增加了，畸变导致在远离工件中心的位置，激光光束没有聚焦。目前很多采用f-θ聚焦镜克服振镜扫描中的枕形畸变问题，但采用f-θ镜后，由于受到镜头大小限制以及扫描振镜的光束孔径限制，扫描范围被大大的限制，而且f-θ镜成本比较高。

扫描焊接性能参数主要包括激光器功率稳定性、扫描焊接速度(一秒内能够焊接的点数)、扫描工作范围等。以目前市场上出现的的100W Nd:YAG激光器振镜扫描焊接为例，通过f-θ透镜聚焦，焊接速度最大达到20spot/s，扫描范围110 x 110mm。振镜扫描速度太快，激光器电源充放电速度满足不了要求，焊接点的位置与PC控制软件中设定的不吻合，造成焊接点不受控等缺陷。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点和不足，提供光纤激光动态聚焦振镜扫描式点焊系统，克服了现有技术中的振镜扫描焊接速度慢与焊接工作范围受限的不足。

本发明的目的还在于提供光纤激光动态聚焦振镜扫描式点焊系统的焊接方法。

本发明的目的通过下述技术方案实现：

光纤激光动态聚焦振镜扫描式点焊系统，其包括PC控制系统和依次光路连接的光纤激光器、扩束镜、动态聚焦单元、X轴振镜片、Y轴振镜片，所述X轴振镜片安装在X轴数字伺服电机的转轴上，所述Y轴振镜片安装在Y轴数字伺服电机的转轴上，所述动态聚焦单元由移动负透镜和聚焦镜组成，所述移动负透镜安装在Z轴数字伺服电机的转轴上，所述PC控制系统分别与X轴数字伺服电机、Y轴数字伺服电机、Z轴数字伺服电机信号连接。

所述光纤激光器的功率为100～150W、波长为1060～1090nm。

所述聚焦镜为一片或者两片。

所述X轴振镜片与Y轴振镜片的扫描角度范围为±20度。

所述扩束镜的放大倍数为3～8倍。

所述PC控制系统通过控制卡与光纤激光器信号连接，且所述PC控制系统还通过所述控制卡、D/A接收转换模块分别与X轴、Y轴、Z轴数字伺服电机的驱动模块连接。

所述光纤激光动态聚焦振镜扫描式点焊系统的焊接方法，包括如下步骤：

控制光纤激光器发出一定频率的脉冲激光，光束通过扩束镜后进入动态聚焦单元，动态聚焦后，最小光斑直径30μm、功率密度≥10⁶W/cm²，根据焊点在工件上平面的位置，通过Z轴数字伺服电机微调移动负透镜与聚焦镜之间的距离，光束进入扫描振镜头内，入射到X轴振镜片上，并被反射到Y轴振镜片上，通过X轴振镜片与Y轴振镜片的相互配合，光束在工件的一定范围内焊接任意一点。

所述光束在工件的一定范围内焊接任意一点，其中所述的范围是：100 x 100mm～1200 x 1200mm。