CN108500451B - 一种可双向焊接的激光窄间隙焊接装置的焊接方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可用于双向焊接的激光窄间隙焊的焊接装置及其焊接方法。所述可双向焊接的激光窄间隙焊接装置包括固定在机器人手臂上的激光头，激光头通过光纤与激光器相连，所述激光头上方固定有连接部，左送进机构和右送进机构通过连接部对称分布在激光头两侧；所述左送进机构和右送进机构均包括送气控制模块、送气铜管、送丝控制模块和送丝铜管。本发明焊接装置及焊接方法实现了激光窄间隙焊的双向焊接，提高了焊接效率，增加了窄间隙激光焊接的稳定性，避免焊接缺陷。

Description

一种可双向焊接的激光窄间隙焊接装置的焊接方法

技术领域

本发明涉及一种可用于双向焊接的激光窄间隙焊的焊接装置及其焊接方法，属于激光加工领域。

背景技术

目前在核电、船舶制造、石油化工等工业制造领域大量应用了大厚板结构，其中焊接是结构制造过程中最关键的工序之一，又是决定生产效率的关键环节。目前对于厚板的焊接有诸如埋弧焊、电渣焊、窄间隙焊等多种焊接方法，其中窄间隙焊可以在狭窄的间隙中进行施焊，热输入量较小，从而可以减少金属填充量和焊接变形。随着激光器技术的快速发展和激光加工在制造业领域的快速普及，激光窄间隙焊应运而生，可以通过激光填丝进行多层多道焊接。与传统的窄间隙焊(窄间隙TIG和窄间隙MIG)相比，激光的能量密度更高，熔化等量的填充金属时热输入量更少；激光光束细小且精确可控，可以穿过更为狭窄的间隙，实现超窄间隙焊接。为了保证激光填丝焊接过程的稳定，通常将焊丝置于激光后方。传统的焊接头只能单向送丝，焊接只能沿着某一个方向进行，每道次焊接完成时需要回到上一道次的起始点，从而大大影响焊接效率。同时，由于在焊接起始点焊丝无法立刻对熔池进行填充，使得每道次的焊缝在起始端稍短于上一道次的焊缝，多道次焊接后焊缝呈梯形堆积，焊接完成后需要将该部分切除，造成母材金属的浪费。

发明内容

本发明的发明目的是实现激光窄间隙焊的双向焊接，提高焊接效率，增加窄间隙激光焊接的稳定性，避免焊接缺陷，解决焊缝梯形堆积的问题。

本发明实现其发明目的首先提供了一种可双向焊接的激光窄间隙焊接装置，包括固定在机器人手臂上的激光头，激光头通过光纤与激光器相连，其结构特点是：所述激光头上方固定有连接部，左送进机构和右送进机构通过连接部对称分布在激光头两侧；所述左送进机构和右送进机构均包括送气控制模块、送气铜管、送丝控制模块和送丝铜管。

进一步，本发明焊接装置所述连接部包括固定在激光头上部的方形框架，方形框架左右两侧边与激光头平行，左送进机构通过左连接杆与方形框架的左侧边连接，右送进机构通过右连接杆与方形框架的右侧边连接。

更进一步，本发明焊接装置所述左送进机构通过左连接杆与方形框架的左侧边连接，右送进机构通过右连接杆与方形框架的右侧边连接的具体方式是：方形框架左侧边上开有左侧滑槽，连接左送进机构的左连接杆末端设置有与左侧滑槽配合的左滑块，左滑块可通过紧固螺钉固定在左侧滑槽内的任意位置；方形框架右侧边上开有右侧滑槽，连接右送进机构的右连接杆末端设置有与右侧滑槽配合的右滑块，右滑块可通过紧固螺钉固定在右侧滑槽内的任意位置。

进一步，本发明焊接装置所述左送进机构的送丝控制模块和右送进机构的送丝控制模块通过相互通信实现互锁功能，确保在焊接过程中只有一侧的送丝铜管在进行送丝，也即在送丝控制模块的控制下，左送进机构的送丝铜管和右送进机构的送丝铜管不会同时进行送丝，只会有其中一侧(左送进机构侧或右送进机构侧)的送丝铜管送丝。

进一步，本发明所述焊接装置还包括通过连接部对称分布在激光头两侧的左吸气机构和右吸气机构，所述左吸气机构和右吸气机构均包括吸气控制模块和吸气铜管。

这样，可以在送入保护气体保护焊接区域的同时，通过采用吸气的方式吸走焊接过程中产生的烟尘以及撕开熔池上方包裹着的等离子气团。该装置能够将焊接烟尘移离焊槽，避免烟尘在焊槽侧壁聚集；并且能够降低等离子体对激光的屏蔽作用，增加激光的吸收率，增加与焊材母材之间的润湿性，从而增加窄间隙激光焊接的稳定性，避免焊接缺陷，便于在工业实际生产中的应用推广。

更进一步，本发明焊接装置所述左吸气机构和右吸气机构的吸气铜管均为两根；左吸气机构工作时，左吸气机构的两根吸气铜管分别贴近焊接窄间隙坡口的两侧壁；右吸气机构工作时，右吸气机构的两根吸气铜管分别贴近焊接窄间隙坡口的两侧壁。

每一侧设置两根吸气铜管可保持基本的贴面侧吸方式，保证送入的保护气体起到保护作用，使得保护气更易于铺展，确保及时准确吸走焊接过程中产生的烟尘，使得焊接烟尘移离焊槽，避免烟尘在焊槽侧壁聚集。

更进一步，本发明焊接装置所述左送进机构的送气控制模块和右送进机构的送气控制模块通过相互通信实现互锁功能，确保在焊接过程中只有一侧的送气铜管在进行送气，也即在送气控制模块的控制下，左送进机构的送气铜管和右送进机构的送气铜管不会同时进行送气，只会有其中一侧(左送进机构侧或右送进机构侧)的送气铜管送气；同一侧的送气控制模块和吸气控制模块通过相互通信实现互锁功能，确保同一侧的送气铜管和吸气铜管不同时工作，即在送气控制模块和吸气控制模块的控制下，左送进机构的送气铜管和左吸气机构的吸气铜管不会同时工作，右送进机构的送气铜管和右吸气机构的吸气铜管不会同时工作。

本发明实现其发明目的还提供了一种上述可双向焊接的激光窄间隙焊接装置的焊接方法，包括开坡口；根据焊接需要，通过机器人手臂调整激光头初始位置及激光头与焊接方向的初始偏转角度；通过连接部调节送气铜管、送丝铜管和吸气铜管的初始位置；设定焊接参数，开始焊接；焊接过程中，通过机器人手臂调整激光头位置及激光头与焊接方向的偏转角度；通过连接部调节送气铜管送丝铜管和吸气铜管的位置；通过送气控制模块控制送气铜管是否送气，通过送丝控制模块控制送丝铜管是否送丝，通过吸气控制模块控制吸气铜管是否吸气；通过与送气铜管相连的保护气瓶上的气阀控制送气速度，通过与吸气铜管相连的吸气泵控制吸气速度，通过焊机控制送丝速度；

焊接具体步骤如下：

S1、左向焊接，左送进机构的送丝铜管送进焊丝，左送进机构的送气铜管送进保护气体，右吸气机构的吸气铜管进行吸气；

S2、左向焊接完成后，左送进机构和右吸气机构停止工作；将激光头的高度提高一个道次焊缝的高度并调节激光头角度；

S3、右向焊接，右送进机构的送丝铜管送进焊丝，右送进机构的送气铜管送进保护气体，左吸气机构的吸气铜管进行吸气；

S4、右向焊接完成后，右送进机构和左吸气机构停止工作；将激光头的高度提高一个道次焊缝的高度并调节激光头角度；

S5、重复步骤S1-S4，直到焊接完成。

进一步，本发明方法所述步骤S1中，左送进机构的送气铜管送进保护气体，右吸气机构的吸气铜管进行吸气时，吸气铜管吸气口与熔池顶端之间的垂直距离为吸气铜管吸气口与送气铜管送气口之间的垂直距离的两倍；

所述步骤S3中，右送进机构的送气铜管送进保护气体，左吸气机构的吸气铜管进行吸气时，吸气铜管吸气口与熔池顶端之间的垂直距离为吸气铜管吸气口与送气铜管送气口之间的垂直距离的两倍。

设置此距离比可避免过快地将送入的保护气吸走，使保护气体能更好的铺展；使得焊接动态过程得到很好的保护。

进一步，本发明方法所述步骤S1中，左送进机构的送气铜管送进保护气体，右吸气机构的吸气铜管进行吸气时，右吸气机构的吸气铜管吸气速度为左送进机构的送气铜管送气速度的2/3；

所述步骤S3中，右送进机构的送气铜管送进保护气体，左吸气机构的吸气铜管进行吸气时，左吸气机构的吸气铜管吸气速度为右送进机构的送气铜管送气速度的2/3。

实验证明，送气速度和吸气速度之间保持3：2的比例时，既可以保证焊接区域得到充分的气体保护，又可以避免烟尘在焊槽侧壁聚集，降低等离子体对激光的屏蔽作用，增加激光的吸收率，避免焊接缺陷。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明通过对现有焊接装置的简单改进，改变了传统的激光窄间隙焊的焊接头只能单方向送丝的局限性，实现了激光窄间隙焊的双向焊接，提高焊接效率，并解决焊缝梯形堆积的问题，提高了焊接效率和焊缝成型质量，且本发明焊接装置成本低，便于在工业实际生产中的应用推广。

附图说明

图1为本发明实施例可双向焊接的激光窄间隙焊接装置的整体结构示意图。

图2为本发明实施例可双向焊接的激光窄间隙焊接装置左向焊接示意图。

图3为本发明实施例可双向焊接的激光窄间隙焊接装置右向焊接示意图。

图4为本发明实施例二左吸气机构两根吸气铜管位置示意图。

具体实施方式

实施例一

图1示出，本发明的一种具体实施方式是：一种可双向焊接的激光窄间隙焊接装置，包括固定在机器人手臂上的激光头10，激光头10通过光纤与激光器相连，其结构特点是：所述激光头10上方固定有连接部，左送进机构和右送进机构通过连接部对称分布在激光头10两侧；所述左送进机构和右送进机构均包括送气控制模块31、41、送气铜管32、42、送丝控制模块33、43和送丝铜管34、44，送气铜管32、42与保护气瓶出气口相连，图1中没有表现出保护气瓶。本例中所述连接部包括固定在激光头10上部的方形框架21，方形框架21左右两侧边与激光头10平行，左送进机构通过左连接杆22与方形框架21的左侧边连接，右送进机构通过右连接杆23与方形框架21的右侧边连接，所述左连接杆22和右连接杆23均由两根连杆铰接而成，两根连杆铰接处均设置有用于固定两根连杆铰接角度的紧固螺钉。

本例中所述左送进机构通过左连接杆22与方形框架21的左侧边连接，右送进机构通过右连接杆23与方形框架21的右侧边连接的具体方式是：方形框架21左侧边上开有左侧滑槽24，连接左送进机构的左连接杆22末端设置有与左侧滑槽24配合的左滑块，左滑块可通过紧固螺钉固定在左侧滑槽24内的任意位置；方形框架21右侧边上开有右侧滑槽25，连接右送进机构的右连接杆23末端设置有与右侧滑槽25配合的右滑块，右滑块可通过紧固螺钉固定在右侧滑槽25内的任意位置。

本例中所述左送进机构的送丝控制模块33和右送进机构的送丝控制模块43通过相互通信实现互锁功能，确保在焊接过程中只有一侧的送丝铜管34、44在进行送丝。

本例中所述焊接装置还包括通过连接部对称分布在激光头10两侧的左吸气机构和右吸气机构，所述左吸气机构和右吸气机构均包括吸气控制模块51、61和吸气铜管52、62，吸气铜管52、62与吸气泵相连，图1中未表现出吸气泵。

本例中，同一侧的送气铜管32、42、送丝铜管34、44和吸气铜管52、62通过可调节相互之间距离的夹紧装置70相连。

本例中所述左送进机构的送气控制模块31和右送进机构的送气控制模块41通过相互通信实现互锁功能，确保在焊接过程中只有一侧的送气铜管32、42在进行送气；同一侧的送气控制模块31、41和吸气控制模块51、61通过相互通信实现互锁功能，确保同一侧的送气铜管32、42和吸气铜管52、62不同时工作。

一种上述可双向焊接的激光窄间隙焊接装置的焊接方法，包括开坡口；根据焊接需要，通过机器人手臂调整激光头10初始位置及激光头10与焊接方向的初始偏转角度；通过连接部调节送气铜管32、42、送丝铜管34、44和吸气铜管52、62的初始位置；设定焊接参数，开始焊接；焊接过程中，通过机器人手臂调整激光头10位置及激光头10与焊接方向的偏转角度；通过连接部调节送气铜管32、42、送丝铜管34、44和吸气铜管52、62的位置；通过送气控制模块31、41控制送气铜管32、42是否送气，送丝控制模块33、43控制送丝铜管34、44是否送丝，吸气控制模块51、61控制吸气铜管52、62是否吸气；通过与送气铜管32、42相连的保护气瓶上的气阀控制送气速度，与吸气铜管52、62相连的吸气泵控制吸气速度，焊机控制送丝速度；

焊接具体步骤如下：

S1、左向焊接，左送进机构的送丝铜管34送进焊丝，左送进机构的送气铜管32送进保护气体，右吸气机构的吸气铜管62进行吸气；吸气铜管62吸气口与熔池顶端之间的垂直距离为吸气铜管62吸气口与送气铜管32送气口之间的垂直距离的两倍，吸气铜管62吸气速度为送气铜管32送气速度的2/3；图2为左向焊接示意图；

S2、左向焊接完成后，左送进机构和右吸气机构停止工作；将激光头10的高度提高一个道次焊缝的高度并调节激光头10角度；

S3、右向焊接，右送进机构的送丝铜管44送进焊丝，右送进机构的送气铜管42送进保护气体，左吸气机构的吸气铜管52进行吸气；吸气铜管52吸气口与熔池顶端之间的垂直距离为吸气铜管52吸气口与送气铜管42送气口之间的垂直距离的两倍，吸气铜管52吸气速度为送气铜管42送气速度的2/3；图3为右向焊接示意图；

S4、右向焊接完成后，右送进机构和左吸气机构停止工作；将激光头10的高度提高一个道次焊缝的高度并调节激光头10角度；

S5、重复步骤S1-S4，直到焊接完成。

图2和图3中，a表示激光束，b表示保护气，c表示焊丝，d表示吸气气流。

实施例二

本实施例与实施例一基本相同，唯一不同之处在于本例中所述左吸气机构和右吸气机构的吸气铜管52、62均为两根；左吸气机构工作时，左吸气机构的两根吸气铜管52分别贴近焊接窄间隙坡口的两侧壁；右吸气机构工作时，右吸气机构的两根吸气铜管62分别贴近焊接窄间隙坡口的两侧壁。图4为左吸气机构工作时，左吸气机构的两根吸气铜管52的位置示意图，图4为侧视图，省略焊接装置的其他部分，仅表现两根吸气铜管52的位置。在具体焊接过程中设置的吸气铜管52、62的吸气速度是指两根吸气铜管52、62的吸气速度之和。

Claims (8)

1.一种可双向焊接的激光窄间隙焊接装置的焊接方法，所述焊接装置包括固定在机器人手臂上的激光头(10)，激光头(10)通过光纤与激光器相连，其特征在于：所述激光头(10)上方固定有连接部，左送进机构和右送进机构通过连接部对称分布在激光头(10)两侧；所述左送进机构和右送进机构均包括送气控制模块(31、41)、送气铜管(32、42)、送丝控制模块(33、43)和送丝铜管(34、44)；所述焊接装置还包括通过连接部对称分布在激光头(10)两侧的左吸气机构和右吸气机构，所述左吸气机构和右吸气机构均包括吸气控制模块(51、61)和吸气铜管(52、62)；

所述焊接方法包括开坡口；根据焊接需要，通过机器人手臂调整激光头(10)初始位置及激光头(10)与焊接方向的初始偏转角度；通过连接部调节送气铜管(32、42)、送丝铜管(34、44)和吸气铜管(52、62)的初始位置；设定焊接参数，开始焊接；焊接过程中，通过机器人手臂调整激光头(10)位置及激光头(10)与焊接方向的偏转角度；通过连接部调节送气铜管(32、42)、送丝铜管(34、44)和吸气铜管(52、62)的位置；通过送气控制模块(31、41)控制送气铜管(32、42)是否送气，送丝控制模块(33、43)控制送丝铜管(34、44)是否送丝，吸气控制模块(51、61)控制吸气铜管(52、62)是否吸气；通过与送气铜管(32、42)相连的保护气瓶上的气阀控制送气速度，与吸气铜管(52、62)相连的吸气泵控制吸气速度，焊机控制送丝速度；

焊接具体步骤如下：

S1、左向焊接，左送进机构的送丝铜管(34)送进焊丝，左送进机构的送气铜管(32)送进保护气体，右吸气机构的吸气铜管(62)进行吸气；

S2、左向焊接完成后，左送进机构和右吸气机构停止工作；将激光头(10)的高度提高一个道次焊缝的高度并调节激光头(10)角度；

S3、右向焊接，右送进机构的送丝铜管(44)送进焊丝，右送进机构的送气铜管(42)送进保护气体，左吸气机构的吸气铜管(52)进行吸气；

S4、右向焊接完成后，右送进机构和左吸气机构停止工作；将激光头(10)的高度提高一个道次焊缝的高度并调节激光头(10)角度；

S5、重复步骤S1-S4，直到焊接完成。

2.根据权利要求1所述的一种可双向焊接的激光窄间隙焊接装置的焊接方法，其特征在于：所述连接部包括固定在激光头(10)上部的方形框架(21)，方形框架(21)左右两侧边与激光头(10)平行，左送进机构通过左连接杆(22)与方形框架(21)的左侧边连接，右送进机构通过右连接杆(23)与方形框架(21)的右侧边连接。

3.根据权利要求2所述的一种可双向焊接的激光窄间隙焊接装置的焊接方法，其特征在于：所述左送进机构通过左连接杆(22)与方形框架(21)的左侧边连接，右送进机构通过右连接杆(23)与方形框架(21)的右侧边连接的具体方式是：方形框架(21)左侧边上开有左侧滑槽(24)，连接左送进机构的左连接杆(22)末端设置有与左侧滑槽(24)配合的左滑块，左滑块可通过紧固螺钉固定在左侧滑槽(24)内的任意位置；方形框架(21)右侧边上开有右侧滑槽(25)，连接右送进机构的右连接杆(23)末端设置有与右侧滑槽(25)配合的右滑块，右滑块可通过紧固螺钉固定在右侧滑槽(25)内的任意位置。

4.根据权利要求1所述的一种可双向焊接的激光窄间隙焊接装置的焊接方法，其特征在于：所述左送进机构的送丝控制模块(33)和右送进机构的送丝控制模块(43)通过相互通信实现互锁功能，确保在焊接过程中只有一侧的送丝铜管(34、44)在进行送丝。

5.根据权利要求1所述的一种可双向焊接的激光窄间隙焊接装置的焊接方法，其特征在于：所述左吸气机构和右吸气机构的吸气铜管(52、62)均为两根；左吸气机构工作时，左吸气机构的两根吸气铜管(52)分别贴近焊接窄间隙坡口的两侧壁；右吸气机构工作时，右吸气机构的两根吸气铜管(62)分别贴近焊接窄间隙坡口的两侧壁。

6.根据权利要求1所述的一种可双向焊接的激光窄间隙焊接装置的焊接方法，其特征在于：所述左送进机构的送气控制模块(31)和右送进机构的送气控制模块(41)通过相互通信实现互锁功能，确保在焊接过程中只有一侧的送气铜管(32、42)在进行送气；同一侧的送气控制模块(31、41)和吸气控制模块(51、61)通过相互通信实现互锁功能，确保同一侧的送气铜管(32、42)和吸气铜管(52、62)不同时工作。

7.根据权利要求1所述的一种可双向焊接的激光窄间隙焊接装置的焊接方法，其特征在于：

所述步骤S1中，左送进机构的送气铜管(32)送进保护气体，右吸气机构的吸气铜管(62)进行吸气时，吸气铜管(62)吸气口与熔池顶端之间的垂直距离为吸气铜管(62)吸气口与送气铜管(32)送气口之间的垂直距离的两倍；

所述步骤S3中，右送进机构的送气铜管(42)送进保护气体，左吸气机构的吸气铜管(52)进行吸气时，吸气铜管(52)吸气口与熔池顶端之间的垂直距离为吸气铜管(52)吸气口与送气铜管(42)送气口之间的垂直距离的两倍。

8.根据权利要求1所述的一种可双向焊接的激光窄间隙焊接装置的焊接方法，其特征在于：

所述步骤S1中，左送进机构的送气铜管(32)送进保护气体，右吸气机构的吸气铜管(62)进行吸气时，吸气铜管(62)吸气速度为送气铜管(32)送气速度的2/3；

所述步骤S3中，右送进机构的送气铜管(42)送进保护气体，左吸气机构的吸气铜管(52)进行吸气时，吸气铜管(52)吸气速度为送气铜管(42)送气速度的2/3。