具有角度锁定功能的手持半导体激光焊接头

技术领域

本发明属于激光加工领域，特别涉及一种具有角度锁定功能的手持半导体激光焊接头。

背景技术

光纤耦合半导体激光模块最初始的应用是作为光纤激光器的泵源。近年来，光纤耦合半导体激光模块开始被直接用于激光加工，以降低激光加工设备成本及提高激光加工质量。名称为“风冷手持激光加工头”(申请号202110843200.3)的中国专利给出了一种基于多个光纤耦合半导体激光模块的的手持激光焊接头技术方案，该方案直接将多个光纤耦合半导体激光模块的输出光纤在空间排列，将这些光纤端面的像形成的光斑直接用于焊接。这种方案可以大幅降低激光加工设备的成本，提高能量利用效率，改善焊缝质量。但是，由于光纤耦合半导体输出模块输出光纤的数值孔径比较大，如果加工过程中回向反射光比较强的话，很容易造成激光模块的损伤。手持焊接方案之所以可行，是因为在手持焊接加工中，为了操作方便，焊接头的光轴通常要与加工表面成八十度角，这就使得加工表面的镜面反射光偏离出了光学系统，回向反射光的影响变的很小，可以忽略。但是，在实际使用中，假如操作者违反操作规范，使焊接加工中的光轴与加工表面接近垂直，就可能造成激光模块的损伤。

发明内容

本发明的目的在于提供一种具有角度锁定功能的手持半导体激光焊接头，以克服现有技术中存在的问题，本发明通过探测回向反射光，使能量激光开启过程中，光学系统的光轴与加工表面的夹角始终小于预设定值，避免激光模块的损伤。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种具有角度锁定功能的手持半导体激光焊接头，包括光学系统、探测光纤、接收光纤及至少一根能量光纤；所述探测光纤、接收光纤及能量光纤的端面在空间排列，所述光学系统位于所述探测光纤和所述能量光纤的输出光路上；所述探测光纤发出的光的波长与所述能量光纤发出光的波长不同；所述探测光纤发出的经所述光学系统像方物体反射回的光被所述接收光纤接收；当所述接收光纤接收的光强度大于预设定的上阈值时，所述能量光纤禁止出光。

进一步地，当所述接收光纤接收的光小于预设定的下阈值时，所述能量光纤禁止出光。

进一步地，所述探测光纤发出的光为调制光。

进一步地，所述调制光为正弦调制光。

一种具有角度锁定功能的手持半导体激光焊接头，包括探测光源、接收探测器、合波器、光学系统及至少一根能量光纤；所述探测光源发出的光波长与所述能量光纤发出的光波长不同；所述探测光源发的光及所述能量光纤发出的光由所述合波器合束输出，所述光学系统位于所述合波器的输出光路上；所述接收探测器位于所述探测光源旁；所述探测光源发出的经所述光学系统像方物体反射回的光被所述接收探测器接收；当所述接收探测器接收的光大于预设定的上阈值时，所述能量光纤禁止出光。

进一步地，当所述接收探测器接收的光小于预设定的下阈值时，所述能量光纤禁止出光。

进一步地，所述探测光源为半导体激光器；所述接收探测器为光电探测器。

一种具有角度锁定功能的手持半导体激光焊接头，包括探测光源、接收探测器、探测光发射光学系统、能量光发射光学系统、合波器、汇聚光学系统及至少一根能量光纤；所述探测光源发出的光波长与所述能量光纤发出的光波长不同；所述接收探测器位于所述探测光源旁；所述探测光发射光学系统位于所述探测光源的输出光路上；所述能量光发射光学系统位于所述能量光纤的输出光路上；所述合波器将所述探测光发射光学系统输出的光及所述能量光发射光学系统输出的光合束输出，所述汇聚光学系统位于所述合波器的输出光路上；所述探测光源发出的经所述汇聚光学系统像方物体反射回的光被所述接收探测器接收；当所述接收探测器接收的光大于预设定的上阈值时，所述能量光纤禁止出光。

进一步地，当所述接收探测器接收的光小于预设定的下阈值时，所述能量光纤禁止出光。

进一步地，所述探测光源为半导体激光器；所述接收探测器为光电探测器。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

本发明根据物体沿照射方向的反射回光随照射角偏离表面垂直方向变大而变小的物理规律，根据回光强度判断角度大小，从而实现了在一定角度下，锁定能量光发射的功能。这种具有角度锁定功能的半导体激光焊接头可以避免操作不当对激光焊接设备的损坏，也可以阻止人为的破坏行为；增加了设备的寿命及可靠性。

进一步地，本发明通过使用调制光进行信号探测，可以大幅提高锁定精度。

进一步地，本发明通过设置接收信号的下阈值，可以为手持焊接机提供一种保护机制，使当枪头离开加工工作点时，禁止激光器发光，避免造成有意或无意的人身伤害。

附图说明

说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1为本发明第一种具有角度锁定功能的手持半导体激光焊接头技术方案的光路示意图。

图2为根据本发明第二种具有角度锁定功能的手持半导体激光焊接头技术方案的一种的实施光路示意图。

图3为根据本发明第三种具有角度锁定功能的手持半导体激光焊接头技术方案的一种的实施光路示意图。

图4为一种能量光纤、探测光纤及接收光纤的光纤端面排列方式示意图。

其中：NLF-1、NLF-2、NLF-3、NLF-4、NLF-M分别表示能量光纤；TCF表示探测光纤；JSF表示接收光纤；GXXT表示光学系统；TCFSXT表示探测光发射光学系统；NLFSXT表示能量光发射光学系统；HBQ表示合波器；HJGXXT表示汇聚光学系统。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例，对本发明提出的具有角度锁定功能的手持半导体激光焊接头进行详细说明。

本发明要锁定的角度是手持激光焊接头光学系统光轴与被焊接物体表面法线方向在工作时允许的最小夹角。当该角度小于允许的角度时，光学输出半导体激光模块发出的输出光纤发出的被焊接表面反射回的光会进入光学系统并进入光纤最终进入半导体激光模块，会对激光系统造成损伤。本发明针对的是采用至少一个光纤耦合半导体激光模块的手持激光焊接头。

为了实现对该角度的实时监视，本发明采用的方法是在传输能量的光纤耦合半导体激光模块输出光纤的旁边设置探测光纤和接收光纤，探测光纤发出光，接收光纤接收由焊接表面返回的探测光纤发出的光，由于接收光纤接收到的光的强度与激光焊接系统光轴与被焊接表面法线直接的夹角成反比，通过监视接收光纤中光能量的变化，就可以感知角度的变化。还由于光纤很细，接收光纤接收到的光与传输能量的光纤接收到的返回光成比例关系，能量传输光纤加工过程的角度监视可以由接收光纤中的光强度的监视实现。通过设定接收光纤中允许接收的最大光强度，就可以设定手持激光焊接头光学系统光轴与被焊接物体表面法线方向在工作时允许的最小夹角，当接收光纤光信号强度达到设定值时，禁止激光模块发光，就可以实现对激光系统的保护。

本发明提出的第一种具有角度锁定功能的手持半导体激光焊接头包括探测光纤、接收光纤、至少一根能量光纤及光学系统。其中：探测光纤、接收光纤及能量光纤的端面在空间排列，光学系统位于探测光纤和能量光纤的输出光路上；探测光纤发出的光的波长与能量光纤发出光的波长不同；探测光纤发出的经光学系统像方物体反射回的光被接收光纤接收；当所述接收光纤接收的光大于预设定的上阈值时，能量光纤禁止出光。这就可以避免传能光纤被自身发出的光损伤。

在这里要说明的是，在实际系统中，每个能量光纤都与一个光纤耦合半导体激光模块的输出光纤连接。探测光纤与一个探测光源连接。接收光纤与一个接收探测器连接。

图1为本发明第一种具有角度锁定功能的手持半导体激光焊接头技术方案的光路示意图。多根能量光纤NLF-1、NLF-M、探测光纤TCF及接收光纤JSF的端面在空间排列，这些端面由光学系统GXXT成的像直接用于激光焊接。

该方案实现角度锁定功能依据以下原理：1、探测光纤TCF发出的光由光学系统GXXT像方被加工物体表面反射回来后由接收光纤JSF接收，该接收光纤接收到的回向反射光与诸能量光纤接收到的回向反射工作光是成比例的，通过监视该光束的能量，就可以知道返回到激光模块的能量；2、由于该接收光的强度随光学系统GXXT光轴与被加工表面垂直方向偏离角的增大而减小，当增大偏离角到某个值，使接收光强小到不影响激光模块的安全，将这个值设定为上阈值；3、当接收光大于上阈值时，不允许能量光纤发光，这样就避免了能量光纤连接的激光模块损伤。

在该技术方案中，还可以设置一个下阈值，提供一种安全机制。激光焊接机内置大功率激光器，该激光器使用不当，有可能对人体造成伤害。安全防护机制是激光手持焊需解决的问题，目前已经有一些可行的解决方案。在本发明的技术方案中，当光斑离开焊接点时，从传输光路中返回的光会快速衰减，通过对返回光的监视，可以知道手持焊接头处在非工作状态，这时禁止能量光纤输出光，就可以提供一个新的安全机制。

在该技术方案中，优选的，探测光纤发出的光是调制光，众所周知，对调制光的探测可以忽略背景光的干扰，提供更高的检测灵敏度和精度。优选的，调制光为正弦光。

本发明提出的第二种具有角度锁定功能的手持半导体激光焊接头包括探测光源、接收探测器、至少一根能量光纤、合波器及光学系统。其中：探测光源发出的光波长与能量光纤发出的光波长不同；探测光源发的光及能量光纤发出的光由合波器合束输出；光学系统位于合波器的输出光路上；接收探测器位于探测光源旁；探测光源发出的经光学系统像方物体反射回的光被接收探测器接收；当接收探测器接收的光大于某个设定的上阈值时，能量光纤禁止出光。

在这里要说明的是，在实际系统中，每个能量光纤都与一个光纤耦合半导体激光模块的输出光纤连接。

在该技术方案中，优选的，探测光是调制光，众所周知，对调制光的探测可以忽略背景光的干扰，提供更高的检测灵敏度和精度。优选的，调整光为正弦光。

在该技术方案中，优选的，探测光源是半导体激光器，也可以是带尾纤的半导体激光器。

在该技术方案中，优选的，接收探测器是光电探测器，也可以是带有尾纤的光电探测器。

该技术方案实现角度锁定的原理与第一种技术方案相同，两者只是实现光路不同。

在该技术方案中，还可以设置一个下阈值，提供一种安全机制。当接收探测器接收的能力小于某下阈值时，能量光纤禁止出光。原理与第一种方案相同。

图2为根据本发明第二种具有角度锁定功能的手持半导体激光焊接头技术方案的一种的实施光路示意图。其中：带有尾纤的探测光源的输出探测光纤TCF发出的光与能量光纤NLF-1、NLF-M发出的光由合波器HBQ合束，然后由光学系统GXXT成像，所形成的光斑用于激光焊接；接收探测器JSF是带尾纤的器件，设置在探测光源TCF旁边，用于接收焊接过程中的反射回光。

本发明提出的第三种具有角度锁定功能的手持半导体激光焊接头包括探测光源、接收探测器、至少一根能量光纤、探测光发射光学系统、能量光发射光学系统、合波器及汇聚光学系统。其中：探测光源发出的光波长与能量光纤发出的光波长不同；接收探测器位于探测光源旁；探测光发射光学系统位于探测光源的输出光路上；能量光发射光学系统位于能量光纤的输出光路上；合波器将探测光发射光学系统输出的光及能量光发射光学系统输出的光合束输出，汇聚光学系统位于合波器的输出光路上；探测光源发出的经汇聚光学系统像方物体反射回的光被接收探测器接收；当接收探测器接收的光大于某个设定的上阈值时，能量光纤禁止出光。

在这里要说明的是，在实际系统中，每个能量光纤都与一个光纤耦合半导体激光模块的输出光纤连接。

该技术方案实现角度锁定的原理与第一种技术方案相同，两者只是实现光路不同。

在该技术方案中，还可以设置一个下阈值，提供一种安全机制。当接收探测器接收的能力小于某下阈值时，能量光纤禁止出光。原理与第一种方案相同。

在该技术方案中，优选的，探测光源是半导体激光器，也可以是带尾纤的半导体激光器。

在该技术方案中，优选的，接收探测器是光电探测器，也可以是带有尾纤的光电探测器。

图3为根据本发明第三种具有角度锁定功能的手持半导体激光焊接头技术方案的一种的实施光路示意图。其中：探测光源是一个带有尾纤的光源TCF，它的端面发出的光被探测光发射光学系统TCFSXT准直成平行光，接收探测器JSF是一个带尾纤的光电探测器，其光纤端部设置在他测光源输出光纤端部旁；诸能量光纤NLF-1、NLF-2发出的光由能量光发射光学系统NLFSXT准直成平行光，合波器HBQ将来自探测光发射光学系统TCFSXT的光与来自能量光发射光学系统NLFSXT的光合束，然后由汇聚光学系统HJGXXT汇聚形成焊接光斑；探测光源发出的光在焊接点反射后由接收探测器接收，用于判断系统是否工作在设定的状态，当接收探测器接收的能量大于设置的上阈值时，能量光纤禁止出光以保证激光模块的安全；当接收探测器接收的能量小于设置的下阈值时，能量光纤禁止出光以保证激光对人身造成伤害。

实施例1：根据图1所示技术方案，本发明设计了一个具有角度锁定功能的手持半导体激光焊接头，参数为：1、探测光纤：芯径9微米，数值孔径0.12，波长650纳米，发射功率40毫瓦；2、接收光纤：芯径9微米，数值孔径0.12；3、能量光纤4根：芯径200微米，数值孔径0.22，波长915纳米，功率370瓦；4、光纤端面排列方式参加图4；5、光学系统焦距23毫米，放大率1.8倍；6、信号光调制频率200K赫兹。

实施例2：根据图2所示技术方案，本发明设计了一个具有角度锁定功能的手持半导体激光焊接头，参数为：1、探测光纤：芯径9微米，数值孔径0.12，波长650纳米，发射功率40毫瓦；2、接收光纤：芯径9微米，数值孔径0.12；3、能量光纤4根：芯径200微米，数值孔径0.22，波长915纳米，功率370瓦；4、光纤排列方式：4根能量光纤端面排列成方形，与探测光纤端面和接收光纤端面在光学系统像面组合的排列方式如图4所示；5、光学系统焦距50毫米，放大率1.8倍；6、信号光调制频率200K赫兹。

实施例3：根据图3所示技术方案，本发明设计了一个具有角度锁定功能的手持半导体激光焊接头，参数为：1、探测光纤：芯径9微米，数值孔径0.12，波长650纳米，发射功率40毫瓦；2、接收光纤：芯径9微米，数值孔径0.12；3、能量光纤4根：芯径200微米，数值孔径0.22，波长915纳米，功率370瓦；4、光纤排列方式：4根能量光纤端面排列成方形，与探测光纤端面和接收光纤端面在像面组合的排列方式如图4所示；5、光学准直系统焦距40毫米，光学聚焦系统焦距72毫米，放大率1.8倍；6、信号光调制频率200K赫兹。

本发明提供的具有角度锁定功能的手持半导体激光焊接头技术方案，可以使焊接机激光系统在使用过程中避免操作失误或人为造成的损伤，保证了设备的使用寿命，提高了可靠性。

以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。