本發(fā)明涉及焊接技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種激光焊接裝置及其焊接方法。

背景技術(shù)：

動(dòng)力電池是純電動(dòng)和油電混合等新能源汽車的核心部件之一。近年來隨著新能源汽車行業(yè)的爆發(fā)式增長，動(dòng)力電池的需求也急劇增加，隨之而來各大廠商對動(dòng)力電池的生產(chǎn)效率和生產(chǎn)質(zhì)量的要求也越來越高。

大多廠商一般采用點(diǎn)形激光束來焊接動(dòng)力電池的封口，焊接時(shí)的焊接速度大多在120mm/s以下。因?yàn)?，?dāng)焊接速度較高時(shí)，熔池明顯拉長，且寬度減小，熔池穩(wěn)定性變差，如圖1所示，焊縫22外觀一致性降低。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

基于此，有必要針對上述問題，提供一種焊接速度較高，且焊縫外觀一致性較好的激光焊接裝置及其焊接方法。

一種激光焊接裝置，包括焊接頭，所述焊接頭與傳輸激光束的光纖連通，所述焊接頭包括：

殼體，所述殼體開設(shè)通孔；

分光鏡，設(shè)置于所述通孔內(nèi)，所述分光鏡包括聚焦部及透射部，所述透射部設(shè)置于所述聚焦部的外周緣；及

聚焦鏡，設(shè)置于所述通孔內(nèi)，所述聚焦鏡沿其軸向開設(shè)有貫穿孔，所述聚焦鏡位于所述分光鏡遠(yuǎn)離所述光纖的一側(cè)；

其中，從所述光纖傳輸來的激光束，部分所述激光束經(jīng)過所述聚焦部后形成點(diǎn)形激光束，所述點(diǎn)形激光束穿過所述貫穿孔射出所述殼體外，剩余部分所述激光束經(jīng)過所述透射部后，再經(jīng)過所述聚焦鏡聚焦形成環(huán)形激光束射出所述殼體外。

在其中一個(gè)實(shí)施例中，所述焊接頭還包括準(zhǔn)直鏡，所述準(zhǔn)直鏡設(shè)置于所述通孔內(nèi)，且所述準(zhǔn)直鏡位于分光鏡遠(yuǎn)離所述聚焦鏡的一側(cè)，從所述光纖傳輸來的激光束，經(jīng)過所述準(zhǔn)直鏡后，形成平行激光束。

在其中一個(gè)實(shí)施例中，所述焊接頭還包括調(diào)光鏡，所述調(diào)光鏡設(shè)置于所述通孔內(nèi)，所述調(diào)光鏡沿其軸向開設(shè)有連通孔，且所述調(diào)光鏡位于所述分光鏡與所述聚焦鏡之間，所述點(diǎn)形激光束穿過所述連通孔及所述貫穿孔射出所述殼體外，穿過所述透射部出來的激光束經(jīng)過所述調(diào)節(jié)鏡偏轉(zhuǎn)之后，再經(jīng)過所述聚焦鏡聚焦形成環(huán)形激光束射出所述殼體外。

一種如上述任意一項(xiàng)所述激光焊接裝置的焊接方法，包括以下步驟：

將所述激光焊接裝置設(shè)置于工件表面的上方，調(diào)節(jié)焊接頭與所述工件表面的距離；

通過點(diǎn)形激光束熔融所述工件形成熔池，通過環(huán)形激光束加熱所述熔池之外的所述工件，以擴(kuò)大所述熔池；

控制所述焊接頭按預(yù)設(shè)焊接速度沿預(yù)設(shè)焊接方向移動(dòng)，所述環(huán)形激光束預(yù)熱所述工件以及加熱所述熔池。

在其中一個(gè)實(shí)施例中，所述焊接裝置還包括保護(hù)結(jié)構(gòu)，所述保護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)置于所述焊接頭上，所述通過點(diǎn)形激光束熔融所述工件形成熔池的步驟之前還包括：

所述保護(hù)結(jié)構(gòu)向所述工件噴射保護(hù)氣體。

在其中一個(gè)實(shí)施例中，所述聚焦部的焦點(diǎn)位置可調(diào)節(jié)，所述聚焦鏡的焦點(diǎn)位置可調(diào)節(jié)。

在其中一個(gè)實(shí)施例中，所述點(diǎn)形激光束的功率為所述環(huán)形激光束功率的1～1.5倍。

在其中一個(gè)實(shí)施例中，所述預(yù)設(shè)焊接速度為150mm/s-300mm/s。

在其中一個(gè)實(shí)施例中，所述環(huán)形激光束在所述工件上形成的環(huán)形光斑的內(nèi)徑，與所述點(diǎn)形激光束在所述工件上形成的圓形光斑的直徑的差值為0.1～0.3mm。

在其中一個(gè)實(shí)施例中，所述點(diǎn)形激光束的焦平面位于所述工件表面的上方，所述環(huán)形激光束的焦平面位于所述工件表面的下方。

上述激光焊接裝置及其焊接方法至少具有以下優(yōu)點(diǎn)：

激光焊接裝置焊接工件時(shí)，將激光焊接裝置設(shè)置于工件表面的上方，點(diǎn)形激光束熔融工件形成熔池，由于環(huán)形激光束可以加熱工件擴(kuò)大熔池，因此當(dāng)焊接速度較高時(shí)，熔池的穩(wěn)定性也不會變差。焊縫外觀一致性較好，激光焊接裝置的焊接效率較高，焊接質(zhì)量較高。同時(shí)，由于熔池較寬，能夠增加激光束對焊縫位置偏差的包容性。并且，在焊接頭按預(yù)設(shè)焊接速度沿預(yù)設(shè)焊接方向移動(dòng)時(shí)，環(huán)形激光束可以預(yù)熱工件，還可以再次加熱熔池，降低了熔池的再凝固速率，降低了焊接應(yīng)力，可以防止焊縫產(chǎn)生裂紋，焊縫的表面光滑均勻。

附圖說明

圖1為傳統(tǒng)的激光焊接裝置焊接速度較高時(shí)，形成的焊縫示意圖；

圖2為一實(shí)施方式中焊接頭的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3為圖2所示的焊接頭將點(diǎn)形激光束分離成點(diǎn)形激光束與環(huán)形激光束的原理圖；

圖4為圓形光斑與環(huán)形光斑的示意圖；

圖5為一實(shí)施方式中焊接方法的流程示意圖；

圖6為一實(shí)施方式中激光焊接裝置焊接速度較高時(shí)，形成的焊縫示意圖。

具體實(shí)施方式

為使本發(fā)明的上述目的、特征和優(yōu)點(diǎn)能夠更加明顯易懂，下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的具體實(shí)施方式做詳細(xì)的說明。在下面的描述中闡述了很多具體細(xì)節(jié)以便于充分理解本發(fā)明。但是本發(fā)明能夠以很多不同于在此描述的其它方式來實(shí)施，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以在不違背本發(fā)明內(nèi)涵的情況下做類似改進(jìn)，因此本發(fā)明不受下面公開的具體實(shí)施的限制。

需要說明的是，當(dāng)元件被稱為“固定于”另一個(gè)元件，它可以直接在另一個(gè)元件上或者也可以存在居中的元件。當(dāng)一個(gè)元件被認(rèn)為是“連接”另一個(gè)元件，它可以是直接連接到另一個(gè)元件或者可能同時(shí)存在居中元件。本文所使用的術(shù)語“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及類似的表述只是為了說明的目的，并不表示是唯一的實(shí)施方式。

除非另有定義，本文所使用的所有的技術(shù)和科學(xué)術(shù)語與屬于本發(fā)明的技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員通常理解的含義相同。本文中在本發(fā)明的說明書中所使用的術(shù)語只是為了描述具體的實(shí)施例的目的，不是旨在于限制本發(fā)明。以上所述實(shí)施例的各技術(shù)特征可以進(jìn)行任意的組合，為使描述簡潔，未對上述實(shí)施例中的各個(gè)技術(shù)特征所有可能的組合都進(jìn)行描述，然而，只要這些技術(shù)特征的組合不存在矛盾，都應(yīng)當(dāng)認(rèn)為是本說明書記載的范圍。

請參閱圖圖1及圖2，一實(shí)施方式中的激光焊接裝置，用于焊接工件20，特別是用于焊接動(dòng)力電池的封口，焊接效率較高，焊縫22外觀一致性較好。具體到本實(shí)施方式中，激光焊接裝置包括焊接頭100及保護(hù)結(jié)構(gòu)(圖未示)。

請一并參閱圖3，焊接頭100可與傳輸激光束的光纖200連通，激光束通過光纖200從焊接頭100的一側(cè)傳輸至焊接頭100內(nèi)，并從焊接頭100的另一側(cè)射出。焊接頭100包括殼體110、準(zhǔn)直鏡120、分光鏡130、調(diào)光鏡140及聚焦鏡150。殼體110開設(shè)有通孔112，通孔112用于容納準(zhǔn)直鏡120、分光鏡130、調(diào)光鏡140及聚焦鏡150。

準(zhǔn)直鏡120設(shè)置于通孔112內(nèi)，準(zhǔn)直鏡120用于將光纖200射出的激光束折射之后形成平行激光束。具體到本實(shí)施方式中，準(zhǔn)直鏡120為凸透鏡，準(zhǔn)直鏡120的一面為球體，光纖200位于準(zhǔn)直鏡120的焦點(diǎn)處。

請一并參閱圖4，分光鏡130設(shè)置于通孔112內(nèi)，且分光鏡130位于準(zhǔn)直鏡120遠(yuǎn)離光纖200的一側(cè)。分光鏡130包括聚焦部132及透射部134。聚焦部132一側(cè)的表面為球面以形成凸透鏡，聚焦部132的主光軸位于通孔112的軸心上。聚焦部132能夠?qū)⒉糠制叫屑す馐劢剐纬牲c(diǎn)形激光束，點(diǎn)形激光束可以在工件20的表面形成的圓形光斑300。聚焦部132的焦點(diǎn)位置可以調(diào)節(jié)，因此可以根據(jù)需要調(diào)節(jié)點(diǎn)形激光束的匯聚位置。透射部134為圓環(huán)狀，且透射部134的厚度一致，透射部134設(shè)置于聚焦部132的外周緣，另一部分的平行激光束經(jīng)過透射部134后，依舊為平行激光束。

調(diào)光鏡140設(shè)置于通孔112內(nèi)，且調(diào)光鏡140位于分光鏡130遠(yuǎn)離準(zhǔn)直鏡120的一側(cè)，分光鏡130位于調(diào)光鏡140與準(zhǔn)直鏡120之間。調(diào)光鏡140沿其軸向開設(shè)有連通孔142，點(diǎn)形激光束能夠穿過連通孔142。調(diào)光鏡140用于將穿過透射部134后的平行激光束偏轉(zhuǎn)到聚焦鏡150上。具體到本實(shí)施方式中，調(diào)光鏡140為凹透鏡，調(diào)光鏡140沿其軸向開設(shè)有圓形的連通孔142。

聚焦鏡150設(shè)置于通孔112內(nèi)，且聚焦鏡150位于調(diào)光鏡140遠(yuǎn)離分光鏡130的一側(cè)。聚焦鏡150開設(shè)有貫穿孔152，點(diǎn)形激光束可以穿過貫穿孔152射出殼體110外。聚焦鏡150能夠?qū)⒄{(diào)光鏡140偏轉(zhuǎn)的激光束聚焦形成環(huán)形激光束，環(huán)形激光束可以在工件20的表面形成的環(huán)形光斑400。本實(shí)施方式中，聚焦鏡150為圓環(huán)形，聚焦鏡150的一側(cè)為球面。聚焦鏡150的焦點(diǎn)位置可以根據(jù)需要具體設(shè)置，因此環(huán)形光斑400的內(nèi)徑的大小可以根據(jù)需要設(shè)置。

光纖200傳輸?shù)募す馐诤附宇^100內(nèi)的具體光路為：

光纖200傳輸?shù)募す馐粶?zhǔn)直鏡120折射形成平行激光束。平行激光束的中間部分經(jīng)過聚焦部132時(shí)，被聚焦形成點(diǎn)形激光束，點(diǎn)形激光束穿過連通孔142及貫穿孔152射出殼體110外。另一部分的平行激光束經(jīng)過透射部134后，再經(jīng)過調(diào)光鏡140偏轉(zhuǎn)到聚焦鏡150內(nèi)，經(jīng)過聚焦鏡150聚焦后形成環(huán)形激光束射出殼體110外。

可以理解的是，在其他實(shí)施方式中，可以不設(shè)置準(zhǔn)直鏡120和調(diào)光鏡140，光纖200可以直接傳輸平行激光束。中間部分的平行激光束經(jīng)過聚焦部132聚焦形成點(diǎn)形激光束，點(diǎn)形激光束穿過貫穿孔152射出殼體110外。另一部分的平行激光束經(jīng)過透射部134后，再經(jīng)過聚焦鏡150聚焦形成環(huán)形激光束射出殼體110外。

保護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)置于焊接頭100上。保護(hù)結(jié)構(gòu)可以向工件20噴出保護(hù)氣體，保護(hù)氣體可以在工件20的熔池上維持形成一層保護(hù)層，從而避免工件20在高溫狀態(tài)下被氧化。

請一并參閱圖5，本發(fā)明還提供一種焊接方法。為實(shí)現(xiàn)該焊接方法，其采用上述激光焊接裝置。該焊接方法具體包括如下步驟：

步驟s110：將激光焊接裝置設(shè)置于工件20表面的上方，調(diào)節(jié)焊接頭100與工件20的表面的距離。

具體地，焊接前需要將工件20水平放置。再將激光焊接裝置置于工件20的表面的上方。而且，使焊接頭100對準(zhǔn)待焊接區(qū)域。例如焊接148mm*26mm尺寸的電池的封口時(shí)，將焊接頭100對準(zhǔn)電池封口的一端作為焊接的起始位置。

請一并參閱圖6，調(diào)節(jié)焊接頭100與工件20表面的距離，可以使焊接時(shí)的熔池的寬度比較合適。并且，通過調(diào)節(jié)焊接頭100與工件20表面的距離，可以調(diào)節(jié)焊接過程中的離焦量。離焦量就是焦點(diǎn)離作用物質(zhì)間的距離，離焦量對焊接質(zhì)量的影響很大，激光焊接通常需要一定的離焦量。具體到本實(shí)施方式中，點(diǎn)形激光束的焦平面位于工件20表面的上方，點(diǎn)形激光束為負(fù)離焦，可以適當(dāng)增加熔深。環(huán)形激光束的焦平面位于工件20表面的下方，環(huán)形激光束為正離焦，可以光滑焊縫22表面。

本實(shí)施方式中，在上述步驟s110之前，上述方法還包括：對工件20的表面進(jìn)行清潔處理。由于工件20表面可能存在灰塵等其他一些雜質(zhì)，焊接時(shí)可能會使焊縫22出現(xiàn)裂紋、氣孔等。因此，在焊接前對工件20表面進(jìn)行清潔可改善焊接效果。

步驟s120：通過點(diǎn)形激光束熔融工件20形成熔池，通過環(huán)形激光束加熱熔池之外的工件20，以擴(kuò)大熔池。

具體地，光纖200傳輸?shù)募す馐蛛x成點(diǎn)形激光束和環(huán)形激光束。點(diǎn)形激光束的功率為環(huán)形激光束功率的1～1.5倍。本實(shí)施方式中，光纖200傳輸?shù)募す馐目偣β蕿?400w，點(diǎn)形激光束的功率為2260w，環(huán)形激光束的功率為1140w。點(diǎn)形激光束形成的圓形光斑300加熱工件20，使工件20熔融形成熔池。環(huán)形激光束形成的環(huán)形光斑400加熱熔池之外的工件20，不會熔融工件。但是由于熱傳導(dǎo)，環(huán)形光斑400產(chǎn)生的熱量可以加熱熔池，從而可以擴(kuò)大熔池的寬度。

本實(shí)施方式中，可以通過調(diào)節(jié)聚焦部132的焦點(diǎn)位置以及聚焦鏡150的焦點(diǎn)位置，來調(diào)節(jié)環(huán)形激光束在工件20表面上形成的環(huán)形光斑400的內(nèi)徑，與點(diǎn)形激光束在工件20表面上形成的圓形光斑300的直徑的差值l。通過調(diào)節(jié)環(huán)形光斑400的內(nèi)徑與圓形光斑300的直徑的差值l，可以控制熔池具體擴(kuò)大多少。具體地，環(huán)形光斑400的內(nèi)徑與圓形光斑300的直徑的差值l為0.1～0.3mm。

本實(shí)施方式中，在上述步驟s120之前，上述焊接方法還包括：保護(hù)結(jié)構(gòu)向工件20噴射保護(hù)氣體。工件20焊接時(shí)，保護(hù)氣體可以在熔池上維持形成一層保護(hù)層，從而避免工件20在高溫狀態(tài)下被氧化。保護(hù)氣體可以為氬氣或者氮?dú)?。具體地，可以在焊接前1秒控制保護(hù)結(jié)構(gòu)噴出保護(hù)氣體，保護(hù)氣體為氬氣。

步驟s130：控制焊接頭100按預(yù)設(shè)焊接速度沿預(yù)設(shè)焊接方向移動(dòng)，環(huán)形激光束預(yù)熱工件20以及加熱熔池。

具體地，預(yù)設(shè)焊接速度可以為150mm/s-300mm/s。本實(shí)施方式中，預(yù)設(shè)焊接速度具體為180mm/s。焊接頭100在移動(dòng)的過程中，環(huán)形激光束可以預(yù)熱工件20待焊接部分，預(yù)熱可降低焊接應(yīng)力，避免焊接裂紋。環(huán)形激光束還可以再加熱熔池，延長熔池的冷卻時(shí)間，降低熔池的再凝固速率，可以避免焊縫22產(chǎn)生裂紋。焊接后焊縫22的表面光滑。

上述激光焊接裝置及其焊接方法至少具有以下優(yōu)點(diǎn)：

激光焊接裝置焊接工件20時(shí)，將激光焊接裝置設(shè)置于工件20表面的上方，點(diǎn)形激光束熔融工件20形成熔池，當(dāng)焊接速度較高時(shí)，由于環(huán)形激光束可以加熱工件20擴(kuò)大熔池，因此焊接速度較高時(shí)，熔池的穩(wěn)定性不會變差。焊縫22外觀一致性較好，激光焊接裝置的焊接速度較高，焊接質(zhì)量較高。同時(shí)，由于熔池較寬，能夠增加激光束對焊縫22位置偏差的包容性。并且，環(huán)形激光束可以預(yù)熱工件20，還可以再次加熱熔池，降低了熔池的再凝固速率，降低了焊接應(yīng)力，可以防止焊縫22產(chǎn)生裂紋，焊縫22表面光滑均勻。

以上所述實(shí)施例僅表達(dá)了本發(fā)明的幾種實(shí)施方式，其描述較為具體和詳細(xì)，但并不能因此而理解為對發(fā)明專利范圍的限制。應(yīng)當(dāng)指出的是，對于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，還可以做出若干變形和改進(jìn)，這些都屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。因此，本發(fā)明專利的保護(hù)范圍應(yīng)以所附權(quán)利要求為準(zhǔn)。