CN103231168B - 一种用于真空激光焊接的装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于真空激光焊接的装置，属于真空激光焊接技术领域。该装置包括激光焊接设备（1）、真空室组件（2）、抽真空组件（3）和支撑夹持组件（4），所述的支撑夹持组件（4）包括卡盘盘体（41）、夹持卡爪（42）和固定支架（43）。本发明的支撑夹持组件采用卡盘上的卡爪夹紧待焊件，同时将真空腔体通过固定支架固定于卡盘盘体上，确保在待焊件旋转焊接模式下待焊件与真空腔体同步旋转，消除之间的相对运动，保证良好的密封效果，且这样的结构使得组装方便快捷，夹装简便，真空腔体空间利用率，抽真空耗时短。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于激光焊接装置和焊接方法，更具体地说，本发明涉及一种用于真空激光焊接的装置，属于真空激光焊接技术领域。
背景技术
随着工业技术的进步，很多新型部件的设计制造对焊接精度和工况提出了更高的要求，有的需要在真空下进行焊接以保证焊缝质量，如航空航天工业以及新能源储能电池的精密焊接。真空激光焊接既避免了电子束焊接存在的焊枪体积大，质量重，不便于进行柔性加工以及X射线污染等问题，又大大减弱了保护气氛下激光焊接时气孔缺陷的产生，提高了激光能量的利用率，因此非常适合于激光反射率高且易产生焊接气孔缺陷的金属材料（如Al合金等）的焊接。目前，真空激光焊接主要通过设计专门的真空舱体并加装激光焊接设备来实现。
中国专利CN102513702A公开了一种真空激光焊接设备和方法，该套设备由真空舱、工作台、三轴联动***以及激光焊接***组成，用于解决电子束焊接不便于实现柔性加工和保护气氛中激光能量损失的问题。
中国专利CN101733552A针对不同的激光焊接***公开了三种真空激光焊接装置，方案一：激光束焊接枪头与第一通孔密闭连接，聚焦透镜与激光束焊接枪头密闭连接；方案二：反射式聚焦激光束焊接枪头与第一通孔密闭连接，平场透镜与反射式聚焦激光束焊接枪头密闭连接，反射式聚焦激光束焊接枪头与设置在真空室外的激光器相对应设置；方案三：激光器与激光束焊接枪头连接，激光束焊接枪头与工作台上下对应设置，激光束焊接枪头固定在焊接机器人的手臂上，焊接机器人设置在真空室内。
上述现有技术方案中的待焊件、夹紧机构和联动机构设计不合理，密封困难，需要庞大的空间，造成真空舱（室）空间利用率低，待焊件装夹繁杂，不方便，真空舱（室）抽真空耗时长，焊接生产效率低等问题。
发明内容
本发明旨在解决上述现有技术中的问题，提供一种用于真空激光焊接的装置，该装置能够使得待焊件装夹便捷，应用于真空焊接工艺的规模化生产。
为了实现上述目的，本发明的具体技术方案如下：
一种用于真空激光焊接的装置，包括激光焊接设备、真空室组件、抽真空组件和支撑夹持组件，所述的真空室组件包括真空腔体和设置于真空腔体顶部的加工窗，所述的激光焊接设备位于真空室组件上方，所述的抽真空组件通过管道与所述的真空腔体密封连接，其特征在于：所述的支撑夹持组件包括卡盘盘体、夹持卡爪和固定支架，所述的固定支架的顶部与所述的真空腔体底部密封连接，所述的固定支架底部固定在所述的卡盘盘体上，所述的卡盘盘体上设置有夹持卡爪；所述的真空腔体底部开有待焊件孔位，待焊件由所述的夹持卡爪夹紧，穿过固定支架和待焊件孔位，伸入真空腔体内部，所述的真空腔体内部与待焊件之间形成密封空间。
优选的，本发明所述的夹持卡爪为均匀排布的3个卡爪。
优选的，本发明所述的真空腔体顶部开口，所述的加工窗通过加工窗密封紧固环密封连接于真空腔体顶部的开口处，将真空腔体顶部的开口覆盖。
更进一步的，本发明所述的加工窗密封紧固环将加工窗压紧在真空腔体顶部开口的边缘处，所述的加工窗与加工窗密封紧固环之间设置有加工窗上密封圈，所述的加工窗与真空腔体顶部开口的边缘之间设置有加工窗下密封圈。
优选的，本发明所述的真空室组件还包括真空腔体出气槽环，所述的真空腔体出气槽环设置在所述的真空室组件的底部，所述的真空腔体出气槽环的外圆周大于真空腔体的直径，内圆周小于真空腔体的直径，从所述的真空腔体出气槽环外圆周到真空腔体外壁的圆环上开有环形槽，环形槽底部通过通气孔与真空腔体内部连通；所述的真空腔体出气槽环的内圆周形成待焊件孔位，用于待焊件伸入真空腔体；所述的真空腔体出气槽环通过固定支架密封紧固环与固定支架顶部密封连接，所述的固定支架密封紧固环位于所述的环形槽上方的部分开有与环形槽对应的通孔，所述的通孔连接所述的抽真空组件。
更进一步的，本发明所述的真空腔体出气槽环卡接在与之配合的所述的固定支架上，所述的固定支架密封紧固环将所述的真空腔体出气槽环压紧在固定支架顶部，所述的环形槽两侧与固定支架密封紧固环之间均设置有真空腔体密封圈，所述的真空腔体出气槽环内圆周与固定支架以及待焊件之间设置有固定支架密封圈。
更进一步的，本发明所述的抽真空组件包括真空泵、放气阀以及真空表，所述的通孔通过管道连接所述的真空泵，在通孔到真空泵之间的管道上连接放气阀和真空表。
更进一步的，本发明所述的通气孔数量为1-8个。
更进一步的，本发明所述的通气孔数量为2-8个，均匀排布。
更进一步的，本发明所述的环形槽的截面为矩形。
本发明带来的有益技术效果；
1、本发明的用于真空激光焊接的装置的支撑夹持组件采用卡盘上的卡爪夹紧待焊件，同时将真空腔体通过固定支架固定于卡盘盘体上，确保在待焊件旋转焊接模式下待焊件与真空腔体同步旋转，消除之间的相对运动，保证良好的密封效果，且这样的结构使得组装方便快捷，夹装简便，真空腔体空间利用率，抽真空耗时短；本发明优选的，采用三爪卡盘，确保待焊件焊缝圆心在卡盘中心处，在待焊件旋转焊接圆形的模式下可以保证焊缝轨迹精度；本发明易于实现一焊多备的多工位连续生产，提高激光焊接***使用效率及真空激光焊接生产率；
2、本发明优选的，采用紧固环紧固加工窗，更进一步的在紧固环和加工窗之间设置密封圈，因为焊接烟尘较大，加工窗容易积灰，影响激光的透射，为确保质量需经常拆卸清洁或更换，采用紧固环压紧方式方便拆装加工窗，确保激光透射及焊缝的稳定质量；其密封圈的结构提供了良好的密封效果，且拆卸方便；其密封结构使得真空腔体空间利用率高，抽真空耗时短；
3、本发明在真空腔体底部设置有真空腔体出气槽环，并与外部抽真空组件连接，设置出气槽环是确保了在任何旋入角度下外接真空泵的抽气口均可以顺畅地与通气孔导通以实现抽真空；真空腔体空间利用率高，抽真空耗时短；
4、本发明优选的，真空腔体出气槽环与固定支架、待焊件之间通过紧固环和密封圈密封，保证了密封效果良好，真空腔体出气槽环与固定支架的密封通过给密封圈上下的压力即可实现，固定支架与待焊件之间的密封为侧面密封，通过压缩密封圈并给其一个斜向圆周侧面的压力实现，这种结构所形成的密封方式能达到更好的密封效果；其密封结构使得真空腔体空间利用率高，抽真空耗时短。
附图说明
图1和图2为本发明用于真空激光焊接装置的结构示意图。
图3为本发明真空腔体出气槽环的结构示意图。
图4为本发明真空腔体出气槽环的俯视图。
图5为本发明支撑夹持组件的结构示意图。
图6为本发明支撑夹持组件的俯视图。
附图标记：1为激光焊接设备、2为真空室组件、3为抽真空组件、4为支撑夹持组件、5为待焊件、6为待焊件孔位、7为加工窗密封紧固环、8为加工窗上密封圈、9为加工窗下密封圈、10为固定支架密封紧固环、11为真空腔体密封圈、12为固定支架密封圈；
21为真空腔体、22为加工窗、23为真空腔体出气槽环；
31为真空泵、32为放气阀、33为真空表；
41为卡盘盘体、42为夹持卡爪、43为固定支架；
231为环形槽、232为通气孔。
具体实施方式
实施例1
一种用于真空激光焊接的装置，包括激光焊接设备1、真空室组件2、抽真空组件3和支撑夹持组件4，所述的真空室组件2包括真空腔体21和设置于真空腔体21顶部的加工窗22，所述的激光焊接设备1位于真空室组件2上方，所述的抽真空组件3通过管道与所述的真空腔体21密封连接，所述的支撑夹持组件4包括卡盘盘体41、夹持卡爪42和固定支架43，所述的固定支架43的顶部与所述的真空腔体21底部密封连接，所述的固定支架43底部固定在所述的卡盘盘体41上，所述的卡盘盘体41上设置有夹持卡爪42；所述的真空腔体21底部开有待焊件孔位6，待焊件5由所述的夹持卡爪42夹紧，穿过固定支架43和待焊件孔位6，伸入真空腔体21内部，所述的真空腔体21内部与待焊件5之间形成密封空间。
实施例2
一种用于真空激光焊接的装置，包括激光焊接设备1、真空室组件2、抽真空组件3和支撑夹持组件4，所述的真空室组件2包括真空腔体21和设置于真空腔体21顶部的加工窗22，所述的激光焊接设备1位于真空室组件2上方，所述的抽真空组件3通过管道与所述的真空腔体21密封连接，所述的支撑夹持组件4包括卡盘盘体41、夹持卡爪42和固定支架43，所述的固定支架43的顶部与所述的真空腔体21底部密封连接，所述的固定支架43底部固定在所述的卡盘盘体41上，所述的卡盘盘体41上设置有夹持卡爪42；所述的真空腔体21底部开有待焊件孔位6，待焊件5由所述的夹持卡爪42夹紧，穿过固定支架43和待焊件孔位6，伸入真空腔体21内部，所述的真空腔体21内部与待焊件5之间形成密封空间。
优选的，所述的夹持卡爪42为均匀排布的3个卡爪。
实施例3
在实施例1的基础上：
优选的，所述的真空腔体21顶部开口，所述的加工窗22通过加工窗密封紧固环7密封连接于真空腔体21顶部的开口处，将真空腔体21顶部的开口覆盖。
更进一步的，所述的加工窗密封紧固环7将加工窗22压紧在真空腔体21顶部开口的边缘处，所述的加工窗22与加工窗密封紧固环7之间设置有加工窗上密封圈8，所述的加工窗22与真空腔体21顶部开口的边缘之间设置有加工窗下密封圈9。
实施例4
在实施例1的基础上：
优选的，所述的真空室组件2还包括真空腔体出气槽环23，所述的真空腔体出气槽环23设置在所述的真空室组件的底部，所述的真空腔体出气槽环23的外圆周大于真空腔体21的直径，内圆周小于真空腔体21的直径，从所述的真空腔体出气槽环23外圆周到真空腔体21外壁的圆环上开有环形槽231，环形槽231底部通过通气孔232与真空腔体21内部连通；所述的真空腔体出气槽环23的内圆周形成待焊件孔位6，用于待焊件5伸入真空腔体21；所述的真空腔体出气槽环23通过固定支架密封紧固环10与固定支架43顶部密封连接，所述的固定支架密封紧固环10位于所述的环形槽231上方的部分开有与环形槽231对应的通孔，所述的通孔连接所述的抽真空组件2。
更进一步的，所述的真空腔体出气槽环23卡接在与之配合的所述的固定支架43上，所述的固定支架密封紧固环10将所述的真空腔体出气槽环23压紧在固定支架43顶部，所述的环形槽231两侧与固定支架密封紧固环10之间均设置有真空腔体密封圈11，所述的真空腔体出气槽环23内圆周与固定支架43以及待焊件5之间设置有固定支架密封圈12。
更进一步的，所述的抽真空组件3包括真空泵31、放气阀32以及真空表33，所述的通孔通过管道连接所述的真空泵31，在通孔到真空泵31之间的管道上连接放气阀32和真空表33。
更进一步的，所述的通气孔232数量为1-8个。
更进一步的，所述的通气孔232数量为2-8个，均匀排布。
更进一步的，所述的环形槽231的截面为矩形。
实施例5
在激光焊接设备1中，激光由光纤激光器产生，经由操作光纤传导至焊接枪头，该设备执行单元为8轴联动焊接机器人***。
加工窗22为带有增透膜的熔融石英玻璃，厚度8mm。
真空腔体21、加工窗密封紧固环7、固定支架密封紧固环10与固定支架43选用不锈钢材料加工而成，加工窗密封紧固环7和固定支架密封紧固环10上加工内螺纹，与真空腔体21和固定支架43上之外螺纹相配合，加工窗密封紧固环7和固定支架密封紧固环10上焊接手柄便于旋紧加压。
待焊件5为筒形铝合金壳体，焊缝为规则圆形焊缝。除此之外，本装置适用于可用夹持卡爪42夹紧的任何形状的待焊件5，其中，卡盘盘体41可以旋转，激光焊接头为机械手或机床夹持，可以编程设定非规则形状焊缝焊接轨迹。
说明书附图图3、4为真空腔体出气槽环23的结构，具体为真空腔体出气槽环23内壁均布3个通气孔并通过矩形截面的环型槽231与外部抽真空组件3，确保在较短时间内使真空腔体21达到指定真空度要求。
说明书附图图5、6为支撑夹持组件4的结构，具体为在三个夹持卡爪42中，每两个相邻夹持卡爪42之间的中间位置均布三个紧固螺栓用于将固定支架43与卡盘盘体41固定，固定支架43上与三个夹持卡爪42对应的位置处挖空以实现夹持卡爪42对待焊件5的夹持，夹持卡爪42选用油压生爪。
实施例6
焊接前，先将固定支架43用紧固螺栓固定于卡盘盘体41上，依次装入固定支架密封圈12和待焊件5，用夹持卡爪42夹紧待焊件5，然后装配真空腔体21、真空腔体密封圈11及其固定支架密封紧固环10于固定支架43上，旋紧紧固环以加压密封。装配加工窗22、加工窗上密封圈8、加工窗下密封圈9及其加工窗密封紧固环7于真空腔体21顶部，旋紧加工窗密封紧固环7，以加压密封，最后将真空泵31接入装配好的焊接装置，关闭放气阀32，打开真空泵31对腔体抽真空，本实施例中焊接装置腔体内的真空度可达约10-3mbar。
腔体内真空度达到要求后，激光焊接设备1出导引激光并经加工窗22透射至焊接部位处，校准焊接位置及离焦量后，旋转待焊工件，激光焊接设备1出高功率激光，对所述焊缝进行焊接，或者焊接过程中，装备好的焊接装置及待焊件5不动，焊接枪头沿焊缝运动；真空泵31一直运行直至焊接过程完全结束。激光出光时功率曲线为：在1/4周长范围内激光功率由零逐渐增大至设定的峰值功率，然后在峰值功率下运行1周，最后在1/4周长范围内激光功率由峰值功率逐渐降低为零。
焊接完成后，关闭真空泵31，打开放气阀32，拆除焊接装置并取出焊件。
实施例7
本发明所述激光焊接设备1之激光光源可采用但不限于光纤激光器、叠片式激光器、YAG激光器以及CO2激光器。所述激光焊接设备之执行单元可采用但不限于智能焊接机器人以及三轴联动加工机床。所述激光焊接设备之焊接枪头为激光准直和聚焦***，聚焦焦距大于密封腔体空间高度。该焊接枪头包括但不限于水冷模块、横向气帘、保护气路、保护窗、CCD、导引红光***等。
加工窗根据不同激光波长选择的镀有增透膜的透光材料，包括但不限于ZnSe多晶材料和石英玻璃材料等，要求激光透过率不低于99%，且厚度尺寸满足腔体真空状态下玻璃能承受的最大压强。
密封圈包括但不限于丁腈橡胶、氟化橡胶、氟硅橡胶、全氟橡胶和硅橡胶等材料。
固定支架43、真空腔体21以及用于加压密封的紧固环可采用黑色金属材料，包括但不限于冷作模具钢、热作模具钢和不锈钢等各种牌号的合金。
用于加压密封的紧固环采用螺纹旋紧加压的方式。
真空腔体21的真空腔体出气槽环23采用但不限于真空腔体21内壁均布的通气孔232通过矩形截面环形槽231与外部真空管路连通的结构，其中真空腔体21内壁的均布圆孔数量根据抽真空效果设计，包括但不限于1-8个。真空腔体21的高度尺寸满足加工窗受焊接飞溅污染最小。
固定支架43上与夹持卡爪42对应区域挖空以实现卡爪对待焊件5的固定夹持。
实施例8
采用本发明装置的焊接方法：
A、将固定支架43固定于卡盘盘体41上，依次装入固定支架密封圈12和待焊件5，用夹持卡爪42夹紧待焊件5；
B、装配真空腔体21、真空腔体密封圈11及固定支架密封紧固环10于固定支架43上，待焊件从真空腔体21的待焊件孔位6伸入真空腔体21，旋紧固定支架密封紧固环10，以加压密封；
C、装配加工窗22、加工窗上密封圈8、加工窗下密封圈9及加工窗密封紧固环7，加工窗密封紧固环7于真空腔体21顶部，旋紧紧固环以加压密封，然后将真空泵31接入装配好的焊接装置，关闭放气阀32并打开真空泵31；
D、腔体内真空度达到要求后，激光焊接设备1出导引激光并经加工窗22透射至焊接部位处，校准焊接位置及离焦量，然后旋转待焊件5，激光焊接设备1出高功率激光，对所述焊缝进行焊接。
E、焊接完成后，关闭真空泵31，打开放气阀31，拆除焊接装置并取出焊件。
上述技术方案中，所述夹持卡爪42与待焊件5接触部分可采用但不限于油压生爪、橡胶垫以及尼龙垫材质，以避免夹伤焊件（如铝合金焊件）。
上述技术方案中，所述焊接过程中，激光出光时功率逐渐增大，激光收光时功率逐渐降低，峰值功率下激光焦点位移约为焊缝长度。
上述技术方案中，所述真空泵31在焊接过程中一直运行。
上述技术方案中，在步骤D中，另一种方案为：装备好的焊接装置及待焊件5不动，焊接枪头沿焊缝运动。
Claims (10)
1.一种用于真空激光焊接的装置，包括激光焊接设备（1）、真空室组件（2）、抽真空组件（3）和支撑夹持组件（4），所述的真空室组件（2）包括真空腔体（21）和设置于真空腔体（21）顶部的加工窗（22），所述的激光焊接设备（1）位于真空室组件（2）上方，所述的抽真空组件（3）通过管道与所述的真空腔体（21）密封连接，其特征在于：所述的支撑夹持组件（4）包括卡盘盘体（41）、夹持卡爪（42）和固定支架（43），所述的固定支架（43）的顶部与所述的真空腔体（21）底部密封连接，所述的固定支架（43）底部固定在所述的卡盘盘体（41）上，所述的卡盘盘体（41）上设置有夹持卡爪（42）；所述的真空腔体（21）底部开有待焊件孔位（6），待焊件（5）由所述的夹持卡爪（42）夹紧，穿过固定支架（43）和待焊件孔位（6），伸入真空腔体（21）内部，所述的真空腔体（21）内部与待焊件（5）之间形成密封空间。
2.根据权利要求1所述的一种用于真空激光焊接的装置，其特征在于：所述的夹持卡爪（42）为均匀排布的3个卡爪。
3.根据权利要求1所述的一种用于真空激光焊接的装置，其特征在于：所述的真空腔体（21）顶部开口，所述的加工窗（22）通过加工窗密封紧固环（7）密封连接于真空腔体（21）顶部的开口处，将真空腔体（21）顶部的开口覆盖。
4.根据权利要求3所述的一种用于真空激光焊接的装置，其特征在于：所述的加工窗密封紧固环（7）将加工窗（22）压紧在真空腔体（21）顶部开口的边缘处，所述的加工窗（22）与加工窗密封紧固环（7）之间设置有加工窗上密封圈（8），所述的加工窗（22）与真空腔体（21）顶部开口的边缘之间设置有加工窗下密封圈（9）。
5.根据权利要求1所述的一种用于真空激光焊接的装置，其特征在于：所述的真空室组件（2）还包括真空腔体出气槽环（23），所述的真空腔体出气槽环（23）设置在所述的真空室组件的底部，所述的真空腔体出气槽环（23）的外圆周大于真空腔体（21）的直径，内圆周小于真空腔体（21）的直径，从所述的真空腔体出气槽环（23）外圆周到真空腔体（21）外壁的圆环上开有环形槽（231），环形槽（231）底部通过通气孔（232）与真空腔体（21）内部连通；所述的真空腔体出气槽环（23）的内圆周形成待焊件孔位（6），用于待焊件（5）伸入真空腔体（21）；所述的真空腔体出气槽环（23）通过固定支架密封紧固环（10）与固定支架（43）顶部密封连接，所述的固定支架密封紧固环（10）位于所述的环形槽（231）上方的部分开有与环形槽（231）对应的通孔，所述的通孔连接所述的抽真空组件（2）。
6.根据权利要求5所述的一种用于真空激光焊接的装置，其特征在于：所述的真空腔体出气槽环（23）卡接在与之配合的所述的固定支架（43）上，所述的固定支架密封紧固环（10）将所述的真空腔体出气槽环（23）压紧在固定支架（43）顶部，所述的环形槽（231）两侧与固定支架密封紧固环（10）之间均设置有真空腔体密封圈（11），所述的真空腔体出气槽环（23）内圆周与固定支架（43）以及待焊件（5）之间设置有固定支架密封圈（12）。
7.根据权利要求5所述的一种用于真空激光焊接的装置，其特征在于：所述的抽真空组件（3）包括真空泵（31）、放气阀（32）以及真空表（33），所述的通孔通过管道连接所述的真空泵（31），在通孔到真空泵（31）之间的管道上连接放气阀（32）和真空表（33）。
8.根据权利要求5所述的一种用于真空激光焊接的装置，其特征在于：所述的通气孔（232）数量为1-8个。
9.根据权利要求5或8所述的一种用于真空激光焊接的装置，其特征在于：所述的通气孔（232）数量为2-8个，均匀排布。
10.根据权利要求5所述的一种用于真空激光焊接的装置，其特征在于：所述的环形槽（231）的截面为矩形。
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