一種激光塑料焊接裝置制造方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種激光塑料焊接裝置，屬于激光器焊接【技術領域】。該裝置包括依光路依次設置的LD芯片陣列、偏振合束鏡、擴束系統(tǒng)、聚焦系統(tǒng)和耦合光纖，所述LD芯片陣列由垂直設置的兩組單管半導體激光器陣列組成，每組單管半導體激光器陣列由多個單管半導體激光器串聯(lián)組成且其輸出光路上設有快慢軸準直單元，其中一組單管半導體激光器陣列與所述偏振合束鏡之間設有1/4波片，所述偏振合束鏡采用薄膜干涉型偏振分束鏡，所述擴束系統(tǒng)采用伽利略擴束系統(tǒng)。該裝置包括依光路依次設置的LD芯片陣列、偏振合束鏡、擴束系統(tǒng)、聚焦系統(tǒng)和耦合光纖，分別對激光器輸出的光進行合束、擴束和聚焦后從耦合光纖輸出，極大地提高了輸出光的亮度。
【專利說明】一種激光塑料焊接裝置

【技術領域】
[0001]本實用新型屬于激光器焊接【技術領域】，特別涉及一種激光塑料焊接裝置。

【背景技術】
[0002]自上世紀60年代問世以來，激光以其相干性好、能量密度高、準直性好等優(yōu)異特性，在現代工業(yè)的各個方面得到了廣泛的應用。在材料加工領域，激光用來進行金屬材料的切割、焊接、表面相變硬化、合金化、熔覆、打孔、打標、輔助切削、直接制造、快速成形、清洗及微細加工等等。利用激光來焊接金屬材料有許多優(yōu)越性:方便快捷、焊縫小、焊接影響區(qū)域小，對原材料性質和形態(tài)的改變均很??；易于實現數控控制，可以焊接形狀特殊的工件；激光能量集中、作用時間短，可以焊接薄板、金屬絲等傳統(tǒng)焊接工藝難以加工的材料以及精密、微小、排列密集、受熱敏感的材料，等等。激光焊接在金屬材料加工中的應用越來越普遍，正逐步從特種加工轉變?yōu)槌Ｒ?guī)加工工藝。隨著石油的大規(guī)模開采使用和石油化工工業(yè)的高速發(fā)展，塑料作為一種工程材料，成本低廉、獲取方便(石油煉化工業(yè)的產品)、加工成型技術簡單快捷、成品重量輕、物理特性優(yōu)良、能提供各種工程性能，其應用非常廣泛。塑料作為鋼鐵、鋁、鎂等金屬和其他一些非金屬材料在工程上的替代品，在工業(yè)制造和日常生活中的使用都越來越普遍。當前，激光所能夠焊接的材料，除了傳統(tǒng)的金屬材料之外，其范圍正在逐步擴大，在例如陶瓷等非金屬材料上的使用也越來越多；而塑料作為有機材料的代表之一，也被用來作為激光焊接的對象，能夠用激光實現焊接的塑料必須是熱固性的。20世紀70年代，激光開始被應用到塑料焊接上；但直到20世紀90年代，才取得了大規(guī)模的工業(yè)應用。見于文獻報道的最早激光塑料焊接應用是在1972年，使用100瓦的C02激光光源，以每秒10毫米的速度焊接聚乙烯薄板(最大厚度為1.5毫米)。塑料激光焊接的基本原理與金屬材料激光焊接的基本原理相近。激光作為一種焊接用熱源，具有準直性優(yōu)良、光束能量密度高、作用區(qū)域小等優(yōu)點。在焊接過程中，通過反射鏡、透鏡或光纖組成的光路系統(tǒng)，將激光器產生的光束聚焦于待焊接區(qū)域，形成熱作用區(qū)；在熱作用區(qū)中的塑料被融化；在隨后的凝固過程中，已融化的材料形成接頭，待焊接的部件即被連接起來。由于被焊接材料具有本質上的不同，塑料激光焊接的特點和具體工藝與傳統(tǒng)金屬焊接也有比較大的差別。傳統(tǒng)的方式(如用于金屬的焊接)不能滿足激光塑料焊接要求，容易造成熱損傷，影響焊接質量。我們通過光束偏振復用技術和擴束聚焦技術對單管半導體激光器發(fā)出的光束進行整形，解決了這一問題。


【發(fā)明內容】

[0003]本實用新型提供的激光塑料焊接裝置采用單管半導體激光器，單管半導體激光器相對于半導體白條激光器光束質量好，壽命長，且耦合時不需要對光束分割重排。另外，通過偏振復用技術將單管半導體激光器發(fā)出的光耦合進入光纖。由于激光塑料焊接對激光器的光束質量有一定的要求，單管半導體激光器快軸方向發(fā)散角很大，則需通過快軸準直鏡對其壓縮，實現單管半導體激光器在快軸方向的疊加；而快軸方向光束的疊加會導致快軸方向光束質量下降不能滿足塑料焊接要求，則通過偏振合束棱鏡將疊加了單管半導體激光器的準直單元合束；同時，采用伽利略擴束系統(tǒng)將合束后的光束進行擴束，采用消球差聚焦系統(tǒng)將光束聚焦耦合進入光纖，極大地提高了光纖輸出亮度。所述方案如下:
[0004]本實用新型提供了一種激光塑料焊接裝置，該裝置包括依光路依次設置的LD芯片陣列、偏振合束鏡、擴束系統(tǒng)、聚焦系統(tǒng)和耦合光纖，所述LD芯片陣列由垂直設置的兩組單管半導體激光器陣列組成，每組單管半導體激光器陣列由多個單管半導體激光器串聯(lián)組成且其輸出光路上設有快慢軸準直單元，其中一組單管半導體激光器陣列與所述偏振合束鏡之間設有1/4波片，所述偏振合束鏡采用薄膜干涉型偏振分束鏡，所述擴束系統(tǒng)采用伽利略擴束系統(tǒng)。
[0005]其中，本實用新型實施例中的每組單管半導體激光器陣列由N個固定在階梯熱沉上且發(fā)出P偏振光的單管半導體激光器串聯(lián)構成。其中，本實用新型實施例中的單管半導體激光器的輸出光路上依次設有快軸準直微透鏡、階梯反射鏡和慢軸準直透鏡，每個單管半導體激光器輸出的光束經過快軸微透鏡準直，由階梯反射鏡發(fā)射，再經過一個慢軸準直鏡準直。
[0006]其中，本實用新型實施例中的薄膜干涉型偏振分束鏡由一對等腰直角棱鏡膠合而成，LD芯片陣列的輸出光束以布儒斯特角入射到棱鏡面。
[0007]其中，本實用新型實施例中的聚焦系統(tǒng)為三片式球面鏡聚焦結構。
[0008]其中，本實用新型實施例中的聚焦系統(tǒng)與耦合光纖之間設有光斑大小調節(jié)結構。
[0009]本實用新型實施例提供的技術方案帶來的有益效果是:本實用新型提供了一種激光塑料焊接裝置，該裝置包括依光路依次設置的LD芯片陣列、偏振合束鏡、擴束系統(tǒng)、聚焦系統(tǒng)和耦合光纖，分別對單管半導體激光器輸出的光進行合束、擴束和聚焦后從耦合光纖輸出，極大地提高了輸出光的亮度。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0010]圖1是本實用新型實施例提供的激光塑料焊接裝置的結構框圖。

【具體實施方式】
[0011]為使本實用新型的目的、技術方案和優(yōu)點更加清楚，下面將結合附圖對本實用新型作進一步地詳細描述。
[0012]參見圖1，本實用新型提供了一種激光塑料焊接裝置，該裝置包括依光路依次設置的LD芯片陣列、偏振合束鏡、擴束系統(tǒng)、聚焦系統(tǒng)和耦合光纖等。其中，LD芯片陣列由垂直設置的兩組單管半導體激光器陣列組成，每組單管半導體激光器陣列由多個單管半導體激光器串聯(lián)組成且其輸出光路上設有快慢軸準直單元(用于對半導體激光器的出光進行準直)，其中一組單管半導體激光器陣列(LD2)與偏振合束鏡之間設有1/4波片用于改變偏振類型；其中，偏振合束鏡采用薄膜干涉型偏振分束鏡用于對上述兩組(其中一組經過1/4波片)單管半導體激光器陣列的輸出光束進行合束；其中，擴束系統(tǒng)采用伽利略擴束系統(tǒng)用于對合束后的光進行擴束；其中，聚焦系統(tǒng)采用消球差聚焦系統(tǒng)。
[0013]具體地，本實用新型實施例中的每組單管半導體激光器陣列由N個固定在階梯熱沉上且發(fā)出P偏振光的單管半導體激光器串聯(lián)構成，每個單管半導體激光器的特性相同。其中，其中一組單管半導體激光器陣列(LD2)由1/4波片將P偏振光轉化為S偏振光,偏振合束鏡則將前述的一 P偏振光和一 S偏振光進行合束。其中，快慢軸準直單兀用于對光在快軸和慢軸進行準直，使快軸發(fā)散角和慢軸接近一致。具體地，本實用新型實施例中的單管半導體激光器的輸出光路上依次設有快軸準直微透鏡、階梯反射鏡和慢軸準直透鏡，每個單管半導體激光器輸出的光束經過快軸微透鏡準直，由階梯反射鏡發(fā)射，再經過一個慢軸準直鏡準直。即快慢軸準直單元包括依次設置的快軸準直微透鏡、階梯反射鏡和慢軸準直透鏡。
[0014]其中，本實用新型實施例中的薄膜干涉型偏振分束鏡由一對等腰直角棱鏡膠合而成，LD芯片陣列(其中一組經過1/4波片)的輸出光束以布儒斯特角入射到棱鏡面。
[0015]其中，本實用新型實施例中的聚焦系統(tǒng)為三片式球面鏡聚焦結構用于對擴束系統(tǒng)輸出的光束進行消球差聚焦。
[0016]其中，本實用新型實施例中的聚焦系統(tǒng)與耦合光纖之間設有光斑大小調節(jié)結構用于對輸出到光纖的光斑大小進行調節(jié)，該光斑大小調節(jié)結構位于聚焦光纖位置。
[0017]下面結合圖1對本實用新型提供的激光塑料焊接裝置的工作過程進行說明:
[0018]圖1中，LDl和LD2分別指疊加了 N個單管半導體激光器的準直單元，N個單管半導體激光器通過快慢軸準直單元準直，壓縮快軸發(fā)散角。單管半導體激光器串聯(lián)連接，固定在階梯熱沉上；每個激光器發(fā)出的光束徑過快軸準直微透鏡準直，由階梯反射鏡反射，實現在快軸方向疊加，再經過一個慢軸準直鏡準直。其中，快軸準直鏡采用非球面柱面鏡。單管半導體激光器發(fā)出的光均為P偏振光。具體地，LD2中的激光器發(fā)出的光通過1/4波片變?yōu)镾偏振光，LDl和LD2中的單管半導體激光器數目相同。LDl和LD2再通過偏振合束鏡合束，偏振合束鏡采用薄膜干涉型偏振分束鏡(PBS)，由等腰直角棱鏡膠合形成，兩個等腰直角棱鏡斜面鍍有折射率高低交替的介質膜，激光束以布儒斯特角入射到棱鏡面，入射角和所鍍的兩種薄膜的折射率相關。經偏振合束鏡合束的光通過伽利略擴束系統(tǒng)進行擴束，伽利略擴束系統(tǒng)由一個凹柱面鏡和一個凸柱面鏡組成。經伽利略擴束系統(tǒng)擴束后的光通過三片式球面鏡聚焦結構進行聚焦使光斑尺寸滿足光纖芯徑要求，聚焦后耦合進入對應芯徑光纖輸出。聚焦光纖位置裝有可以調節(jié)光斑大小結構，可以調節(jié)輸出光斑尺寸。
[0019]以上所述僅為本實用新型的較佳實施例，并不用以限制本實用新型，凡在本實用新型的精神和原則之內，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本實用新型的保護范圍之內。
【權利要求】
1.一種激光塑料焊接裝置，其特征在于，包括依光路依次設置的LD芯片陣列、偏振合束鏡、擴束系統(tǒng)、聚焦系統(tǒng)和耦合光纖，所述LD芯片陣列由垂直設置的兩組單管半導體激光器陣列組成，每組單管半導體激光器陣列由多個單管半導體激光器串聯(lián)組成且其輸出光路上設有快慢軸準直單元，其中一組單管半導體激光器陣列與所述偏振合束鏡之間設有1/4波片，所述偏振合束鏡采用薄膜干涉型偏振分束鏡，所述擴束系統(tǒng)采用伽利略擴束系統(tǒng)。
2.根據權利要求1所述的激光塑料焊接裝置，其特征在于，每組單管半導體激光器陣列由N個固定在階梯熱沉上且發(fā)出P偏振光的單管半導體激光器串聯(lián)構成。
3.根據權利要求1或2所述的激光塑料焊接裝置，其特征在于，所述單管半導體激光器的輸出光路上依次設有快軸準直微透鏡、階梯反射鏡和慢軸準直透鏡，每個單管半導體激光器輸出的光束經過快軸微透鏡準直，由階梯反射鏡發(fā)射，再經過一個慢軸準直鏡準直。
4.根據權利要求1所述的激光塑料焊接裝置，其特征在于，所述薄膜干涉型偏振分束鏡由一對等腰直角棱鏡膠合而成，所述LD芯片陣列的輸出光束以布儒斯特角入射到棱鏡面。
5.根據權利要求1所述的激光塑料焊接裝置，其特征在于，所述聚焦系統(tǒng)為三片式球面鏡聚焦結構。
6.根據權利要求1所述的激光塑料焊接裝置，其特征在于，所述聚焦系統(tǒng)與耦合光纖之間設有光斑大小調節(jié)結構。
【文檔編號】B29C65/16GK204196243SQ201420604625
【公開日】2015年3月11日 申請日期:2014年10月20日 優(yōu)先權日:2014年10月20日
【發(fā)明者】楊林, 殷超云 申請人:武漢洛芙科技股份有限公司