CN111872559B - 一种激光焊接装置及其工作方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种激光焊接装置及其工作方法属于激光焊接领域，该激光焊接装置可将激光器所发出的激光束转变成双条型光斑，投射到工件表面上，并且结合焊丝摆动机构，一起焊接工件。所述焊接装置主要用于解决激光在拼焊，角焊中，因为工件生产误差，激光光斑小易于产生焊接缺陷，同时也用于激光送丝焊接中，焊丝很容易与原熔池偏离而导致焊接缺陷等问题。该激光焊接装置由两部分构成，光路部分及焊丝摆动机构部分。光路部分，激光经过准直镜，投射到屋型反射镜，然后由抛物聚焦镜聚焦，形成双条形激光光斑。光路部分，镜片采用全水冷，非常适合高功率激光输出。焊丝摆动机构主要包括驱动电机，上摆臂，下摆臂及送丝固定块等。

Description

一种激光焊接装置及其工作方法

技术领域

本发明涉及激光焊接领域，具体为激光拼焊，角焊及激光送丝焊接。

背景技术

随着激光的发展，大功率激光焊接在工业上广泛应用，特别是激光拼焊，角焊及激光送丝焊接已在汽车，造船，航空航天，矿山等领域大量应用。如汽车中的不等拼厚板焊接，造船中的厚板焊接，航空航天中的钛板拼焊等。

目前，激光的焊接光路由于激光光斑相对拼接缝系较小，即便选用较粗芯径光纤传输，在激光拼焊，角焊，送丝焊接应用中，非常容易产生焊接缺陷。激光拼焊中，由于工件的制造误差，拼焊工件对接容易产生间隙。激光在这种工件中焊接，非常容易产生漏焊或焊接凹陷等缺陷，角焊也类似于此。在激光送丝焊接中，送丝的路径与激光的轨迹稍有偏差，焊接的效果就会有缺陷，焊接质量达不到要求。

基于上述焊接工艺上易产生缺陷，中国专利申请号：201811204834.9采用振镜扫描装置代替一字焊缝解决焊接工件缝隙较大产生产缺陷的问题。中国专利申请号：201910925437.9也是采用振镜焊接的方式来解决激光焊接中的限制。利用振镜扫描的方法来解决激光焊接中因为光斑小而容易产生缺陷都可以归结为用激光摆动的方法来解决激光焊接中问题。现有激光结合送丝焊接通常都是将焊丝直接送入点光斑的熔池或是送入激光振镜扫描的熔池。这种方式的特点是激光是点光斑或者扫描光斑，焊丝是顺着轨迹送入。

发明内容

本发明的目的在于提供一种简易，方便，稳定的激光焊接装置，旨在解决现有技术中，激光拼焊，角焊，激光送丝焊接容易因工件工差或光斑相对较小产生限制或缺陷等技术问题。

为此目的，本发明采用的技术方案是: 提供一种激光焊接装置，所述焊接装置可将激光器所发出的激光转换成双条型光斑投射于加工面上，结合焊丝以摆动方式送入熔池，用于激光焊接。所述激光焊接装置分为两部分，激光光路部分及焊丝摆动机构。所述激光光路部分包括准直镜，CCD监控装置，屋型反射镜，抛物聚焦镜，聚焦保护镜等部件。所述准直镜将光束转变成平行光束，投入到屋型反射镜，所述屋型反射镜安装在准直镜的下方，与准直镜的光路成45度角安装，将投入来的平行光反射出对称的两部分光，所述屋型反射镜的中心与准直镜的中心在同一条轴线上，所束抛物聚焦镜与屋型反射镜面对面平行安装，又将屋型反射镜反射的激光聚焦到加工面成双条形光斑。所述焊丝摆动机构主要包括安装板，驱动电机，上摆臂，下摆臂，焊丝固定块等，驱动电机连接上摆臂，下摆臂嵌套在上摆臂中，由驱动电机驱动摆臂带动焊丝在激光条形光斑中做往复运动。

进一步的：所述准直镜布置在光纤的下方，屋型反射镜上方，准直镜上方布置保护镜来保护准直镜。所述准直境的中心与光纤的芯径中心，屋型反射境的中心在同一轴线上。

进一步的：所述的CCD装置中的CCD分光镜安装在准直镜的下方，经过CCD传输装置将视觉传入CCD相机。

进一步的：所述的屋型反射镜安装在准直镜的下方，与透过准直镜的光束成45度安装，所述的屋型反射镜为一个椭圆镜面，所述的椭圆镜面由两个对称的椭圆半面组成，所述的两个对称的椭圆半面类似于房屋的两个面对称分布在椭圆长轴的两侧，所述两个椭圆半面与相对应的椭圆镜面成一个小于1度的角度。所述的屋型反射镜安装在镜片安装座上，所述的屋型反射镜的背面有两个接口，进水接口与回水接口，与外部形成循环水路。

进一步的：所述的抛物聚焦镜与屋型反射镜面对面安装，所述的抛物聚焦镜与已过屋型镜反射的光路的入射方向成45度，安装在镜片安装座上，所述的抛物聚焦镜接收到激光后，将其反射聚焦在加工面上形成两条对称的双线性光斑。

进一步的：所述的焊丝摆动机构，包括驱动电机，上摆臂，下摆臂，焊丝固定块等。驱动电机与上摆臂通过键连接，下摆臂套装在上摆臂里，通过弹簧装置将下摆臂压紧，弹簧装置主要用来防止下摆臂碰撞，送丝固定块与下摆臂连接。

进一步的：所述驱动电机驱动摆臂，摆臂做往复运动使焊丝在所述双条形激光光斑里做左右往复摆动，进行焊接，焊丝摆动的幅度小于双条型激光光斑宽度。

附图说明

图1为本发明一较佳实施例所示焊接装置结构示意图，显示所述焊接装置外部结构组成。

图2为本发明一较佳实施例所示焊接装置剖视图，主要是说明光路中的部件组成，及光路投射路径。

图3为本发明一较佳实施例所示的一种屋型镜的结构示意图，主要说明屋型镜的外部轮廓和主要特点。

图4为本发明所示焊接装置的激光和送丝的轨迹示意图，主要说明送丝的轨迹和激光的轨迹关系。

具体实施方式

下面结合附图给出本发明较佳实施例，以详细说明本发明的技术方案，但并不因此将本发明限制在所述的实施例范围之中。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、 “相连”、 “连接”、 “固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

请参见图1，图2为本发明一较佳实施例所示激光焊接装置外部示意图，及剖视图。所述焊接装置中光纤激光接口101，准直保护镜安装模块102， 准直镜安装模块103。所述准直保护境安装模块102中水平安装图2准直保护镜104，准直保护镜104通过抽屉式安装于准直保护镜安装模块102中，所述准直保护镜安装模块102带有温度传感器，能接触式感受保护镜温度，传输到外部控制单元。所述准直镜安装模块103中水平安装图2准直镜105，准直镜105通过铜压圈固定在准直镜安装模块103中。所述准直保护镜104安装在光纤下方及准直镜105上方，所述准直保护镜模块102在准直镜安装模块103的上方。 所述准直保护镜104对准直镜105具有保护作用，有效阻止准直镜105在光纤插拔中的各种污染。所述激光焊接装置的激光通过光纤300传输到该装置，激光穿过所述的准直保护镜104，传输到准直镜105。所述准直镜105为非球面镜，光纤发射的激光经过准直镜105后变成平行光束。所述的本案中准直保护镜及准直镜的材料为石英或K9。在其它实施例中，激光通过光纤传输到达焊接装置中，经过镜子聚焦反射镜来准直，则不需要平行安装，只需要激光传输到镜面的中心，所述准直反射镜与屋型面对面安装，所述准直反射镜与激光的入射方向成45度及反射方向成45度。

在本实施例中所述图1中CCD安装模块111中装载CCD分光镜114， CCD相机112经过CCD传输装置113能清楚地观察焊缝。

在本实施例中所述图1屋型反射镜120在准直镜105正下方，准直镜105出来的平行激光投射到屋型反射镜120上。图2中，光束经过屋型反射镜120反射后，沿屋型反射镜120对称轴向两边散开，散开的角度与屋型反射镜中两个面与所述屋型反射镜的镜面相对应。所述屋型反射镜120安装在镜片安装座140上，与激光光束轴入射方向45度斜角安装。本案中所述镜片安装座140为一整体结构，中间为空心，一端装有屋型反射镜120，另一端安装抛物聚焦镜150，所述屋型反射镜120，抛物聚焦镜150，都是用螺栓和定位销固定于镜片安装座140上。激光经屋型反射镜120反射后，光束从镜片安装座140内孔穿过，投射到抛物聚焦镜150，所述抛物聚焦镜150与屋型反射镜120面对面安装，并且与屋型反射镜120平行，以保证激光经过屋型反射镜120后能45度入射到抛物聚焦镜150上。所述光束经过抛物聚焦镜150聚焦，透过聚保护镜171形成双条形光斑，形成的双条形光斑与屋型反射镜120镜面椭圆长轴相垂直。聚焦保护镜171安装在保护镜座160上，防止在焊接的过程中，焊接反渣及烟雾污染光路。

在本实施例中所述屋型反射镜120为一椭圆镜面，图3所述屋型镜面的椭圆镜面又分为两个半椭圆面， 所述两个半椭圆面沿椭圆长轴互相对称，相互倾斜，并且与镜面呈不超过1度的角度，类似于房屋两个面，互相依靠，相互倾斜。在其它实施例中，所述屋型镜面的两个半面可以沿椭圆短轴对称，或者沿椭圆斜对称线对称。

在本实施例中，图1中冷却模块130为水路冷却模块，内部带有冷却槽，用来通冷却水，与外部有两水路接口，一路进水，一路回水。接触式冷却准直保护镜104，准直镜105，CCD分光镜114。本发明中所述屋型反射镜120，抛物聚焦镜150的材料为铜或铝，在镜片内部，均具有冷却槽，镜片背部均具有两路接口，一路进水，一路回水。所述光纤冷 却口、冷却模块130、屋型反射镜120与抛物聚焦镜150均形成串联水路。

所述保护镜座160上装有侧吹装置170，侧吹装置170的吹气口为横线带状式，两片分装，用螺栓将内外两片固定，侧吹装置170的高压气有效保护聚焦保护镜171免受污染。所述侧吹装置的材料为铜质材料。

在本实施例中，所述焊丝的摆动机构的驱动电机182与镜片安装座140一起安装在固定板183上。所述驱动电机182在镜片安装座140上方，同时固定板183与法兰200连接。

所述 伺服电机182驱动摆臂摆动，摆臂由上摆臂184，下摆臂185组成。下摆臂185嵌套在上摆臂184中，通过弹簧188压紧下摆臂185，当摆臂185 与焊接工件发生碰撞时，弹簧188能起到缓冲作用，下摆臂的采用圆销定位，圆销固定在上摆臂中，发生碰撞后，能迅速通过销恢复，同时下摆臂185侧面装有传感器（图中未标注），当下摆臂发生碰撞，传感器会马上给外部发出信号。送丝嘴187固定在送丝固定块186中。 送丝嘴187能在送丝固定块186中前后，左右调节。 送丝固定支架 181固定在固定板183上，支撑丝管。 驱动电机182使摆臂往复左右运动，摆臂带动送丝嘴187使焊丝188 在激光的光斑下往复运动，同时外部送丝机构驱动丝不断送进熔池。

本发明还包括所述焊接装置的工作方法，其工作方法主要包括以下几个步骤。

S1将焊接装置***光纤，与激光器连接，水路，气路都正常。

S2用低功率打光斑。准备无锈钢板, 用低功率通常500W以下，发射激光，钢板上留下激光条形光斑。

S3调整CCD相机，观察光斑，根据光斑位置调整CCD, 使CCD相机中的十字描准线描准到光斑中心。

S4调整固定送丝块186左右位置，及送丝嘴187离光斑的位置和角度，使焊丝188处于光斑正中心。

S5 将调整后的光斑对准所需要的焊缝，根据焊缝调整焊丝的摆动幅度，图4所示焊丝的摆动幅度小于光斑的宽度。根据焊缝的质量，激光功率，反复调节焊丝摆幅及送丝速度等参数。

Claims (9)

1.一种激光焊接装置，将光纤发射的激光束转换成双条形光斑，结合焊丝的摆动用于激光焊接，其特征在于：所述焊接装置包括激光光路部分及焊丝摆动机构部分，两者相结合，所述激光光路部分包括将激光束经过准直镜投射到屋型反射镜反射，经过抛物聚焦镜聚焦反射形成双条形光斑，形成的双条形光斑与屋型反射镜镜面椭圆长轴相垂直，且与焊接行进方向相垂直，所述焊接装置的屋型反射镜为一个椭圆镜面，所述的椭圆镜面由两个对称的椭圆半面组成，所述的两个对称的椭圆半面类似于房屋的两个面对称分布，两个椭圆半面与平面之间成一个小于1度的角度，所述焊丝摆动机构包括安装板，驱动电机，上摆臂，下摆臂，焊丝固定块，所述焊丝摆动机构由驱动电机驱动摆臂带动焊丝在激光条形光斑中做往复运动，焊丝摆动的幅度小于激光焊接光斑的宽度，所述上摆臂与所述驱动电机通过键连接，下摆臂套装在上摆臂里，通过弹簧装置将下摆臂压紧，焊丝固定块与下摆臂连接。

2.根据权利要求1所述的激光焊接装置，其特征在于：所述的焊接装置在屋型反射镜的上方装有准直镜，准直镜的上方装有准直保护镜，保证投射到屋型反射镜的光束为平行光束，所述激光焊接装置中的准直镜及准直保护镜的材料为石英，或K9。

3.根据权利要求2所述的激光焊接装置，其特征在于：所述的焊接装置布置有CCD组件，CCD的分光镜介于准直镜与屋型反射镜间，CCD组件还包括CCD相机、CCD传输装置，利用CCD分光镜，CCD相机经过CCD传输装置能观察焊缝，CCD相机还能观察光斑以根据光斑位置调整CCD组件, 使CCD相机中的十字描准线描准到光斑中心。

4.根据权利要求1所述的激光焊接装置，其特征在于：所述焊接装置的屋型反射镜安装在准直镜的下方，所述屋型反射镜的镜面安装角度与准直镜的中心线角度成45度，所述的屋型反射镜的中心点与准直镜的中心点在一条轴线上。

5.根据权利要求4所述的激光焊接装置，其特征在于：所述的两个对称的椭圆半面分布在椭圆长轴的两侧，或分布在椭圆短轴的两侧，或分布在椭圆的斜对称线上。

6.根据权利要求1或权利要求4或权利要求5所述的激光焊接装置，其特征在于：所述的焊接装置的抛物聚焦镜镜面与屋型反射镜的镜面需要面对面安装，抛物聚焦镜镜面正中心的法线方向与光路入射方向成45度，所述焊接装置的抛物聚焦镜镜面与屋型反射镜采用铜或铝材，全水路冷却。

7.根据权利要求6所述的激光焊接装置，其特征在于：抛物聚焦镜下方安装有保护镜座，所述保护镜座上装有侧吹装置，侧吹装置的吹气口为横线带状式，两片分装，用螺栓将内外两片固定。

8.根据权利要求1所述的激光焊接装置，其特征在于：所述的焊接装置的焊丝摆动机构部分的驱动电机安装在镜片安装座上方，与所述的镜片安装座安装在固定板上，所述的固定板与法兰连接，所述的驱动电机的电机轴中心线与光斑的中心位置在同一平面里。

9.根据权利要求1所述的激光焊接装置，其特征在于：所述的焊接装置的工作方法为所述驱动电机驱动摆臂，摆臂做往复运动使焊丝在所述双条形光斑里做左右往复摆动，进行焊接。

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