一种有色金属的激光加工装置及制作方法与流程

1.本发明涉及激光加工领域，尤其涉及一种有色金属的激光加工装置及制作方法。


背景技术：

2.目前现有工业激光器（红外波段），主流的有两大类：半导体激光器和光纤激光器，半导体激光器主流波段为900-1000nm，光纤激光器主流波段为1060-1090nm，激光加工包括很多应用，如切割、焊接、熔覆、退火、3d打印等，本发明主要针对的是切割和焊接的应用场景来论述。
3.以激光焊接为例，当下主流的激光源是915nm或975nm波长附近（以下简称9xxnm）的半导体激光器，也有1070nm或1080nm波长附近的光纤激光器，光纤激光器已经成为激光切割领域的最重要的光源。
4.在激光焊接领域，无论是9xxnm的半导体激光器，还是1080nm的光纤激光器，对于常见的不锈钢、碳钢等都具有很好的焊接效果，焊接的效果主要取决于金属材质对于激光波长的吸收率，吸收率越高，光-热的转化越好，金属更容易融化，带来的就是焊接效能更高，缺陷少。
5.但是对于铜、金这类有色金属，或者是铜/锌，铜/铝这类异种金属之间的焊接，铜对于9xx和1080nm的吸收仅有5%，金就更低了，因此在激光加工的时候对激光器的上限功率要求高，大部分能量被反射而浪费，不利于控制成本和提高效率，同时由于吸收率差，在激光焊接的时候，速度慢，还容易产生焊接缺陷，气孔，迸溅，焊缝成型不均匀等。
6.有色金属材料对光的吸收率，随着光波长变短，吸收率相应变高。第二激光器（400-700nm）的发展成为可能，因为有色金属材料，比如铜、金等，对波长400-700nm光的吸收比红外高7-20倍，对激光器的功率上限要求低，当红外激光需要10kw的激光功率加工铜或金材料时，使用波长400-700nm激光器仅需要约1kw的功率即可。
7.第二激光器（400-700nm）加工发展成为可能，该激光加工可以分为单波长（400-700nm）激光加工和双波长激光（400-700nm和800-1100nm）复合加工。比如焊接，通过特制的激光焊接头同时作用于有色金属，既可以减少激光功率上限，提高焊接效率，又可以增加焊缝韧性，改善表面成型，减少飞溅和气孔。


技术实现要素：

8.为了解决上述现有技术中存在的问题，本发明提供一种有色金属的激光加工装置及制作方法。该激光加工装置及制作方法的提出，既可以实现单波长（400-700nm或1000-1100nm）激光输出，也可以实现双波长（400-700nm和1000-1100nm）激光的输出，根据实际情况，选择需要输出的激光功率和光斑，实现不同的切割或者焊接需求，比如深熔焊接，热传导焊接，激光切割等。
9.本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种有色金属的激光加工装置，包括有第一激光器10、第二激光器15、合束器16、高能
跳线qbh18和激光加工头19；其中，第一激光器10的输出光纤a06与合束器16的信号输入光纤a07熔接于熔接点a12；第二激光器15的输出光纤b13与合束器16的n个信号输入光纤b11熔接于熔接点b14；合束器16的信号输出光纤08与高能跳线qbh18的信号输入光纤c09熔接于熔接点c17；高能跳线qbh18和激光加工头19组合成整体。
10.一种有色金属的激光加工装置的制作方法，包括有以下步骤：步骤一，准备输出光纤为a06的第一激光器10；步骤二，准备n个输出光纤为b13的第二激光器15；步骤三，利用信号输入光纤a07，信号输入光纤b11和信号输出光纤08来制备（n 1）x1合束器16；步骤四，利用光纤熔接机，将第一激光器的输出光纤a06和合束器16的信号输入光纤a07熔接于熔接点a12；步骤五，利用光纤熔接机，将n个第二激光器15的输出光纤b13和合束器16的信号输入光纤b11熔接于熔接点b14；步骤六，利用光纤熔接机，将合束器16的信号输出光纤08和高能跳线qbh18的信号输入光纤c09熔接于熔接点c17；步骤七，将高能跳线qbh18，插入已经准备好的激光加工头19组成整体；步骤八，用于有色金属材料加工的激光装置制备完成，可以实现第一激光器10激光和第二激光器15激光同轴合成或独立输出。
11.本发明还具有以下附加技术特征：作为本发明技术方案进一步具体优化的：第一激光器10为1000-1100nm波长的光纤激光器，第一激光器10的激光传输于输出光纤a06的纤芯a20。第二激光器15为400-700nm波长的半导体激光器，第二激光器15的激光传输于输出光纤b13的纤芯30。合束器16为（n 1）x1合束器16，其中，n≥2，是将n个第二激光器15的激光和1个第一激光器10的激光合束到信号输出光纤08中，纤芯a20传输第一激光器激光，第二包层a22传输第二激光器激光；信号输出光纤08中的激光通过高能跳线qbh18输出。
12.作为本发明技术方案进一步具体优化的：第一激光器10的输出光纤a06、合束器16的信号输入光纤a07、合束器16的信号输出光纤08以及高能跳线qbh18的信号输入光纤c09均为多模多波导光纤。
13.作为本发明技术方案进一步具体优化的：多模多波导光纤包括中间的纤芯以及围绕于纤芯的外围的n（n≥3）层波导结构，至少包括纯sio2的中间的纤芯a20，直径为d0；掺氟sio2的第一包层a21，直径为d1；纯sio2的第二包层a22，直径为d2；掺氟sio2的第三包层23，直径为d3；低折射率胶或树脂材质的第四包层24，直径为d4；丙烯酸酯或尼龙等材质的并且起保护作用的第五层25涂覆层，直径为d5，其中d0＜d1＜d2＜d3＜d4＜d5，直径数值根据实际情况自由选择。
14.作为本发明技术方案进一步具体优化的：中间纤芯a20和第一包层a21形成的数值孔径为na1，第二包层a22和第三包层23形成的数值孔径为na2，第三包层23和第四包层24形成的数值孔径为na3，其中na1＜na2＜na3，具体数值根据实际情况自由选择。
15.作为本发明技术方案进一步具体优化的：第二激光器15的输出光纤b13和合束器16的信号输入光纤b11为多模多波导光纤。
16.作为本发明技术方案进一步具体优化的：多模多波导光纤包括中间的纤芯以及围绕于纤芯的外围的n（n≥2）层波导结构，至少包括纯sio2的中间的纤芯30，直径为d0；掺氟sio2的第一包层31，直径为d1；低折射率胶或树脂材质的第二包层32，直径为d2；丙烯酸酯或尼龙等材质的并且起保护作用的第三层33涂覆层，直径为d3，其中d0＜d1＜d2＜d3，具体数值根据实际情况自由选择。
17.作为本发明技术方案进一步具体优化的：中间纤芯30和第一包层31形成的数值孔径为na1，第一包层31和第二包层32形成的数值孔径为na2，其中na1＜na2，具体数值根据实际情况自由选择。
18.作为本发明技术方案进一步具体优化的：激光加工头（19）包括准直镜和聚焦镜，两束激光通过准直镜准直和聚焦镜聚焦，实现同轴输出。
19.本发明和现有技术相比，其优点在于：优点一：由于多模多波导光纤的应用，原本独立的两种光源，实现了高度集成化，实现波长和功率的灵活组合。
20.优点二：相比传统的红外激光加工，由于第二种激光的加入，降低了有色材料激光加工对功率上限的要求。
21.优点三：有色金属对第二激光的吸收率远大于第一激光，从而使有色金属材料的加工效率大幅提升。
22.优点四：可以实现单波长输出和双波长输出，也可以实现波长和功率的灵活组合。
23.优点五：多模多波导光纤（n≥3）的选择，其纤芯尺寸和na可以选择逐渐增大，实现了纤芯极强的抗回返光能力。
24.本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
25.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
26.图1为本发明激光加工装置制作方法的具体结构示意图。
27.图2为输出光纤a06、信号输入光纤a07、信号输出光纤08和信号输入光纤c09的结构示意图；图3为输出光纤b13和信号输入光纤b11的结构示意图；图4为信号输出光纤08和信号输入光纤c09的结构示意图。
28.图中所示序号：输出光纤a06；信号输入光纤a07；信号输出光纤08；信号输入光纤c09；第一激光器10；信号输入光纤b11；熔接点a12；输出光纤b13；熔接点b14；第二激光器15；合束器16；熔接点c17；高能跳线qbh18；激光加工头19；纤芯a20；第一包层a21；第二包层a22；第三包层23；第四包层24；第五涂覆层25；纤芯30；第一包层31；第二包层32；第三涂覆层33。
具体实施方式
29.下面将参照附图更详细地描述本发明公开的示例性实施例，这些实施例是为了能够更透彻地理解本发明，并且能够将本发明公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。虽然附图中显示了本发明公开的示例性实施例，然而应当理解，本发明而不应被这里阐述的实施例所限制。
30.须知，本说明书所附图式所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。同时，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、右”、“中间”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，也非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。同时，在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电性连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
31.一种有色金属的激光加工装置，如图1所示，第一激光器10的输出光纤a06与（n 1）x1合束器16的信号输入光纤a07熔接于熔接点a12，第二激光器的输出光纤b13与合束器16的n个信号输入光纤b11熔接于熔接点b14；合束器16的信号输出光纤08与高能跳线qbh18的信号输入光纤c09熔接于熔接点c17；高能跳线qbh18和激光加工头19组合成整体。
32.第一激光器10的输出光纤a06，合束器16的信号输入光纤a07和输出光纤08以及高能跳线qbh18的信号输入光纤c09，光纤结构相同，光纤尺寸和na可以相同，也可以不同，不同的必须确保纤芯的尺寸和na逐渐增大。
33.输出光纤a06、信号输入光纤a07、信号输出光纤08、信号输入光纤c09为多模多波导光纤，其结构包括中间的纤芯以及围绕于纤芯的外围的n（n≥3）层波导结构，至少包括纯sio2的中间的纤芯a20，直径为d0；掺氟sio2的第一包层a21，直径为d1；纯sio2的第二包层a22，直径为d2；掺氟sio2的第三包层23，直径为d3；低折射率胶或树脂材质的第四包层24，直径为d4；丙烯酸酯或尼龙等材质的并且起保护作用的第五层25涂覆层，直径为d5，其中d0＜d1＜d2＜d3＜d4＜d5，直径数值根据实际情况自由选择。
34.中间纤芯a20和第一包层a21形成的数值孔径为na1，第二包层a22和第三包层23形成的数值孔径为na2，第三包层23和第四包层24形成的数值孔径为na3，其中na1＜na2＜na3，具体数值根据实际情况自由选择。
35.第二激光器15的输出光纤b13和合束器16的信号输入光纤b11为多模多波导光纤，其结构包括中间的纤芯以及围绕于纤芯的外围的n（n≥2）层波导结构，至少包括纯sio2的中间的纤芯30，直径为d0；掺氟sio2的第一包层31，直径为d1；低折射率胶或树脂材质的第二包层32，直径为d2；丙烯酸酯或尼龙等材质的并且起保护作用的第三层33涂覆层，直径为d3，其中d0＜d1＜d2＜d3，具体数值根据实际情况自由选择。
36.中间纤芯30和第一包层31形成的数值孔径为na1，第一包层31和第二包层32形成
的数值孔径为na2，其中na1＜na2，具体数值根据实际情况自由选择。
37.第一激光器10的激光传输于输出光纤a06的纤芯a20；第二激光器15的激光传输于输出光纤b13的纤芯30。
38.（n 1）x1合束器16，n≥2，是将n个第二激光器15的激光和1个第一激光器10的激光合束到信号输出光纤08中，其中纤芯a20传输第一激光器激光，第二包层a22传输第二激光器激光。
39.合束器16的信号输出光纤08中的激光通过高能跳线qbh18输出。
40.高能跳线qbh18插入激光加工头19，组成整体。其中激光加工头包括准直镜和聚焦镜，两束激光通过准直镜准直和聚焦镜聚焦，实现同轴输出。
41.有色金属的激光加工装置的具体制作方法如下：步骤一，准备输出光纤为a06的第一激光器10；步骤二，准备n个输出光纤为b13的第二激光器15；步骤三，利用信号输入光纤a07，信号输入光纤b11和信号输出光纤08来制备（n 1）x1合束器16；步骤四，利用光纤熔接机，将第一激光器的输出光纤a06和合束器16的信号输入光纤a07熔接于熔接点a12；步骤五，利用光纤熔接机，将n个第二激光器15的输出光纤b13和合束器16的信号输入光纤b11熔接于熔接点b14；步骤六，利用光纤熔接机，将合束器16的信号输出光纤08和高能跳线qbh18的信号输入光纤c09熔接于熔接点c17；步骤七，将高能跳线qbh18，插入已经准备好的激光加工头19组成整体；步骤八，用于有色金属材料加工的激光装置制备完成，可以实现第一激光器10激光和第二激光器15激光同轴合成或独立输出。
42.实施案例1如图1所示，第一激光器10激光波长为1080nm，功率为2000w；第二激光器15激光波长为450nm，功率为100w；（n 1）x1合束器16为（6 1）x1。
43.如图2所示，输出光纤a06、信号输入光纤a07、信号输出光纤08、信号输入光纤c09，多模多波导光纤（n≥3）结构，至少包括中间的纤芯a20，第一包层a21，第二包层a22，第三包层23；第四包层24；以及第五涂覆层25。本实例中应用的光纤相同，其中纤芯a20直径为100um，第一包层a21直径为140um，第二包层a22直径为400um，第三包层23直径为440um，第四包层24直径为500um，第五层25直径为550um，光纤na为0.12/0.22/0.46。
44.如图3所示，第二激光器15的输出光纤b13和合束器16的信号输入光纤b11为多模多波导光纤，多模多波导光纤（n≥2），至少包括中间的纤芯30，第一包层31；第二包层32；以及第三涂覆层33。本实例中应用的光纤纤芯30直径为105um，第一包层31直径为125um，第二包层32直径为180um，第三包层33直径为250um，光纤na为0.22/0.46。
45.如图4所示，合束器16的信号输出光纤08，其中纤芯a20 100um内传输第一激光器激光，波长1080nm，功率2000w，第二包层a22 400um内传输第二激光器激光，波长450nm，功率500w，最终实现两种激光同轴合成或独立传输。
46.以输出功率为2500w的光源为例，其中1080nm波长激光2000w，450nm波长激光
500w.制作方法的具体结构图如图1，具体制备过程如下:步骤一，准备输出光纤为a06，结构为100/140/400/440/500/550um，波长为1080nm，功率为2000w的第一激光器10；步骤二，准备n个输出光纤为b13，结构为105/125/180/250um，波长为450nm，功率为100w的第二激光器15；步骤三，利用信号输入光纤a07，信号输入光纤b11和信号输出光纤08来制备（n 1）x1合束器16；其中信号输入光纤a07和信号输出光纤08，结构为100/140/400/440/500/550um，信号输入光纤b11结构为105/125/180/250um；步骤四，利用光纤熔接机，将第一激光器的输出光纤a06和合束器16的信号输入光纤a07熔接于熔接点a12；步骤五，利用光纤熔接机，将6个第二激光器15的输出光纤b13和合束器16的信号输入光纤b11熔接于熔接点b14；步骤六，利用光纤熔接机，将合束器16的信号输出光纤08和高能跳线qbh18的信号输入光纤c09熔接于熔接点c17；步骤七，将高能跳线qbh18，插入已经准备好的激光加工头19组成整体；步骤八，用于有色金属的激光加工装置制备完成，可以实现信号输入光纤c09和纤芯a20 100um内传输第一激光器激光，波长1080nm，功率2000w，第二包层a22 400um内传输第二激光器激光，波长450nm，功率500w，实现总功率2500w的两种激光同轴合成或独立传输。
47.实施案例2如图1所示，第一激光器10激光波长为1080nm，功率为2500w；第二激光器15激光波长为450nm，功率为200w；（n 1）x1合束器16为（6 1）x1。
48.如图2所示，输出光纤a06、信号输入光纤a07、信号输出光纤08、信号输入光纤c09，多模多波导光纤（n≥3）结构，至少包括中间的纤芯a20，第一包层a21，第二包层a22，第三包层23；第四包层24；以及第五涂覆层25。本实例中应用的输出光纤a06、纤芯a20直径为30um，第一包层a21直径为105um，第二包层a22直径为125um，第三包层23直径为180um，第四包层24直径为250um，第五层25直径为330um，光纤na为0.065/0.15/0.45，其他光纤依次为，信号输入光纤a07为50/70/125/140/180/250um，na为0.12/0.22/0.46；信号输出光纤08为100/140/600/660/760/860um，na为0.15/0.24/0.46；信号输入光纤c09为200/220/600/660/760/860um，na为0.18/0.24/0.46。
49.如图3所示，第二激光器15的输出光纤b13和合束器16的信号输入光纤b11为多模多波导光纤，多模多波导光纤（n≥2），至少包括中间的纤芯30，第一包层31；第二包层32；以及第三涂覆层33。本实例中应用的光纤纤芯30直径为200um，第一包层31直径为220um，第二包层32直径为280um，第三包层33直径为330um，光纤na为0.22/0.46。
50.如图4所示，合束器16的输出光纤08，其中纤芯a20 100um内传输第一激光器激光，波长1080nm，功率2500w，第二包层a22 600um内传输第二激光器激光，波长450nm，功率1000w，最终实现两种激光同轴合成或独立传输。
51.以输出功率为3500w的光源为例，其中1080nm波长激光2500w，450nm波长激光1000w.
制作方法的具体结构图如图1，具体制备过程如下:步骤一，准备输出光纤为输出光纤a06，结构为30/105/125/180/250/330um，波长为1080nm，功率为2500w的第一激光器10；步骤二，准备n个输出光纤为输出光纤b13，结构为200/220/280/330um，波长为450nm，功率为200w的第二激光器15；步骤三，利用信号输入光纤a07，信号输入光纤b11和信号输出光纤08来制备（n 1）x1合束器16；其中信号输入光纤a07，结构为50/70/125/140/180/250um，信号输出光纤08，结构为100/140/600/660/760/860um，信号输入光纤b11结构为200/220/280/330um；步骤四，利用光纤熔接机，将第一激光器的输出光纤a06和合束器16的信号输入光纤a07熔接于熔接点a12；步骤五，利用光纤熔接机，将6个第二激光器15的输出光纤b13和合束器16的信号输入光纤b11熔接于熔接点b14；步骤六，利用光纤熔接机，将合束器16的信号输出光纤08和高能跳线qbh18的信号输入光纤c09熔接于熔接点c17；步骤七，将高能跳线qbh18，插入已经准备好的激光加工头19组成整体；步骤八，用于有色金属的激光加工装置制备完成，可以实现信号输入光纤c09和纤芯a20 200um内传输第一激光器激光，波长1080nm，功率2500w，第二包层a22 600um内传输第二激光器激光，波长450nm，功率1000w，实现总功率3500w的两种激光同轴合成或独立传输。
52.以上的实施案例只是该发明的个别案例，输出光纤a06、信号输入光纤a07、信号输出光纤08、信号输入光纤c09、输出光纤b13和信号输入光纤b11结构可以不同的尺寸，不同的na，都可以用这用方法制作，都属于该发明的保护范畴。
53.该发明中（n 1）x1合束器16，其中n≥2，通过n的变化和第一激光器功率的选择，可以制作出不同功率级别的激光光源，应用于不同厚度材料的激光加工。
54.尽管已经对上述各实施例进行了描述，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例做出另外的变更和修改，所以以上仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利保护范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围之内。