[发明专利]环形激光焊接头及环形激光焊接方法

说明书

技术领域

本发明涉及激光加工技术领域，具体地说是高分子材料及金属材料领域的专用激光焊接头及焊接方法。

背景技术

高分子材料具有密度小、强度高及耐蚀性好等优点，在工业中的应用日益广泛。对于结构复杂的塑料制品不能通过一次挤压成型，需通过连接技术将各部件连接起来。与传统连接方法（振动摩擦焊接和热板焊接）相比，激光焊接具有速度快，表面成型质量好等优点，在高端制造产业备受青睐。

普通激光焊接头光束能量密度呈高斯分布，加热区温度基本上也呈现高斯分布，形成了焊缝中间加热温度高，周边加热温度低，高分子材料在焊缝中心容易出现烧蚀、气孔等缺陷。

发明内容

发明目的：

本发明提供一种环形激光焊接头及环形激光焊接方法，其目的是解决常规光斑焊接高分子材料时中心部位易产生裂解缺陷的问题，其改善高分子材料及金属材料的焊接接头性能，节能减排，提高生产效率。

技术方案：

一种环形激光焊接头，其特征在于：该焊接头自上而下依次设置准直镜、第一枚圆锥透镜、第二枚圆锥透镜以及聚焦镜，第一枚圆锥透镜和第二枚圆锥透镜呈顶角相对放置，且顶角角度相同。

该准直镜、第一枚圆锥透镜、第二枚圆锥透镜以及聚焦镜自上而下同轴。

利用上述的环形激光焊接头所实施的环形激光焊接方法，其特征在于：将光纤发出端发出的激光束照射到准直镜，激光束到准直镜的距离为准直镜的焦距，激光束穿过准直镜后变为平行光束，其直径为D；使穿过准直镜后的平行光束照射到第一枚圆锥透镜，然后折射到第二枚圆锥透镜上，使穿过第二枚圆锥透镜后的光束形成外径2R₁和内径2r₁的大环形激光束，然后再经过环形激光束经过聚焦镜折射后，形成外径2R₂和内径2r₂的小环形激光束。

准直镜、第一枚圆锥透镜、第二枚圆锥透镜以及聚焦镜的同轴性能将直接影响到小环形激光束的能量密度分布情况，此外准直镜焦距、第一枚圆锥透镜和第二枚圆锥透镜之间的距离以及聚焦镜的焦距大小，将直接影响小环形激光束的光斑尺寸及能量密度分布的均匀性。

通过改变准直镜焦距、聚焦镜焦距以及第一枚圆锥透镜和第二枚圆锥透镜之间的距离来改变环形激光束光斑大小，以适应不同工况条件的焊接要求。

优点及效果

本发明是一种环形激光焊接头及环形激光焊接方法，其利用光纤传输激光器及光学整形系统，研究了环形激光束的形成原理。为了形成环形激光束，将光纤输出端发出的光束经过准直镜、圆锥透镜以及聚焦镜整形后形成环形光斑，此光束能量密度自光束中心向两侧呈对称分布，光束中心能量密度低，两侧能量密度略高，避免了常规光斑焊接高分子材料时中心部位易产生裂解问题，并能大幅度地改善高分子材料的焊接性能。

本发明焊接时可以有效避免激光束能量密度高斯分布，可减少高分子材料及金属材料在焊缝中心容易出现烧蚀、气孔等缺陷的出现，提高高分子材料焊接质量。

附图说明

图1是本发明的焊接头的结构示意图；

图2为环形激光束的能量密度分布情况。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的说明：

如图1所示，本发明提出了一种环形激光焊接头，该焊接头自上而下依次设置准直镜1、第一枚圆锥透镜2、第二枚圆锥透镜3以及聚焦镜4，第一枚圆锥透镜2和第二枚圆锥透镜3呈顶角相对放置，且顶角角度相同。

该准直镜1、第一枚圆锥透镜2、第二枚圆锥透镜3以及聚焦镜4自上而下同轴。

环形激光焊接方法，将光纤发出端发出的激光束照射到准直镜1，激光束到准直镜的距离为准直镜的焦距，激光束穿过准直镜1后变为平行光束，其直径为D；使穿过准直镜后的平行光束照射到第一枚圆锥透镜2，然后折射到第二枚圆锥透镜3上，使穿过第二枚圆锥透镜后的光束形成外径2R₁和内径2r₁的大环形激光束，然后再经过环形激光束经过聚焦镜4折射后，形成外径2R₂和内径2r₂的小环形激光束。

准直镜1、第一枚圆锥透镜2、第二枚圆锥透镜3以及聚焦镜4的同轴性能将直接影响到小环形激光束的能量密度分布情况，此外准直镜1焦距、第一枚圆锥透镜2和第二枚圆锥透镜3之间的距离以及聚焦镜4的焦距大小，将直接影响小环形激光束的光斑尺寸及能量密度分布的均匀性。