CN112705835A - 一种集成激光切割、焊接、冲击强化和清洗的多功能复合加工设备 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种集成激光切割、焊接、冲击强化和清洗的多功能复合加工设备。所述多功能复合加工设备由两台机器人、控制***、两台激光加工装置以及可移动式工作平台组成。所述激光加工装置可实现复杂零件的多工艺复合加工。所述第一台激光加工装置通过调节激光脉宽、聚焦镜的相对位置等参数可实现激光清洗、切割以及焊接工艺。所述第二台激光加工装置通过调节激光脉宽、激光功率等参数可实现激光冲击强化以及焊接工艺。所述两台激光器的同时使用可实现双激光束双侧同步焊接工艺。本发明集成多种激光加工工艺，能够兼容复杂零件的多工艺制造需求，简化工艺流程，缩短生产周期，降低生产成本，实现工件的高效制造。

Description

一种集成激光切割、焊接、冲击强化和清洗的多功能复合加工 设备
技术领域
本发明属于激光加工技术领域，特别涉及一种集成激光切割、焊接、冲击强化和清洗的多功能复合加工设备。
背景技术
激光具有良好的方向性、相干性以及能量集中等一系列的优点，一直受到科研领域的高度重视，并推动了多个领域的迅速发展，应用范围逐渐变广，尤其在加工领域中，其应用成果更为显著。现代激光工业技术的常见应用有激光切割、激光焊接、激光冲击强化和激光清洗等。
其中，激光切割具有速度快、精度高等特点，广泛应用于铝合金、钛合金等特种航空材料的切割；激光焊接是激光加工领域的重要方式之一，在工业生产中得到了广泛应用；激光冲击强化具有强化效果好、可操控性强和适用性好等技术优势，在提高材料综合性能和零部件的疲劳寿命方面的作用愈发重要；激光清洗是一种非接触式，可远距离操作的清洗方法，主要应用于机械制造、飞机与汽车装涂、电子行业等。
激光加工技术的逐步应用，对加工参数及成本提出了更高的要求。各项激光加工技术均已成熟，主要应用在汽车、航空航天、海洋船舶等领域，故为提高生产效率和经济效益以及缩短生产周期等，现提出多工位复合加工。
然而目前现有激光设备的多工位复合加工，多采用可拆卸多工位激光头或数控设备自动控制激光头，存在以下问题：
1、可拆卸激光头的加工模式，效率低，操作人员劳动强度大，成本高。
2、数控设备自动控制激光头的加工模式，对设备定位***要求高，设备占地面积大。
发明内容
针对上述现有技术的不足，本发明提供一种集成激光切割、焊接、冲击强化和清洗的多功能复合加工设备。该设备主要是指基于两台机器人，实现激光切割、焊接、冲击强化和清洗多工艺的复合。目的在于实现多种激光加工工艺的耦合，缩短生产时间，降低生产成本。
本发明是通过以下技术方案实现的。
一种集成激光切割、焊接、冲击强化和清洗的多功能复合加工设备，主要包括机器人、控制***、激光加工装置以及可移动式工作平台。该装置主要涉及两台机器人，其中第一台激光器实现激光清洗、切割以及焊接工艺，第二台激光器实现激光冲击强化及焊接工艺。两台激光器的同时使用可实现双激光束双侧同步焊接工艺。
进一步，所述机器人为六轴机器人，将所述激光加工装置安装在机器人上，可达到激光器角度任意调整的目的，从而实现各工艺的精确控制及自动化生产。
进一步，所述激光加工装置，第一台激光加工装置包括激光发生器(6)、反射镜(7)、激光检测装置(8)、扫描振镜(9)、聚焦镜(10)、聚焦镜调节装置(17)、激光箱体(16)、废屑处理装置(13)、气氛保护装置(12)。所述激光器(6)采用可调脉宽红外激光器，通过调节激光脉冲宽度来达到各工艺的激光要求。在所述激光器(6)上设有反射镜与扫描振镜。所述激光检测装置通过其输出光路与反射镜输出光路的相对位置来达到精确测量激光焦点与工件的相对位置。所述聚焦镜(10)通过聚焦镜调节装置进行调节。所述废屑处理装置通过废屑处理通道来达到清理废屑的目的。所述气氛保护装置中的气体为惰性气体，主要为氩气、氦气等。优选地，所述红外光的脉冲宽度在4～200ns之间可调。
更进一步地，将所述聚焦镜调节装置(17)的旋钮旋致最高点时，使得所述聚焦镜位置最高，通过聚焦镜折射后的激光光线在激光器出光口处汇集到一点，形成激光光斑，将激光脉冲宽度设置在a1～a2ns之间，激光头与工件保持2～3mm的距离，可实现激光切割工艺。
更进一步地，将所述聚焦镜调节装置(17)的旋钮旋致除最高点的任意位置时，将激光脉冲宽度设置在a3～a4ns之间，激光头与工件不接触，实现激光清洗工艺。调节所述聚焦镜的相对位置及工作台与激光加工装置的相对位置，可实现激光清洗范围的可调。
更进一步地，将所述聚焦镜调节装置(17)的旋钮旋致最高点时，将激光脉冲宽度设置在as～a6ns之间，可实现激光焊接工艺。
进一步，所述第二台激光激光加工装置包括激光发生器(18)、反射镜(19)、激光检测装置(20)、扫描振镜(21)、聚焦镜(23)、激光箱体、水冷装置(26)、气氛保护装置(25)、夹持装置(22)。所述激光器(4)采用Nd：YAG脉冲激光器，通过调节激光脉冲宽度来达到各工艺的激光要求。所述水冷装置(26)为外接喷水管，通过夹持装置(22)将其固定在激光加工装置上，并且喷水管位置可调，通过调整喷射位置和喷射角度来适应工件形状。所述气氛保护装置(25)中的气体为惰性气体，主要为氩气、氦气等。
更进一步地，将所述激光器(18)的激光脉冲宽度设置在a7～a8ns之间，激光头与工件不接触，可实现激光冲击强化工艺。同时所述水冷装置对工件进行降温。
更进一步地，将所述激光器(18)的激光脉冲宽度设置在a9～a10ns之间，激光头与工件不接触，可实现激光焊接工艺。
更进一步地，将所述两台激光器的工艺均调整为激光焊接工艺，两者同时使用可实现双激光束双侧同步焊接。
进一步，所述可移动式工作台可通过各工艺对工作台的要求不同而进行调控。优选地，所述激光切割、清洗工作台为锯齿状，所述激光冲击强化、焊接工作台采用平板状。
进一步，所述控制***由控制器统一调控激光加工装置及可移动式工作台，来实现激光加工位置的可调性。
本发明的有益效果：
本发明的一种集成激光切割、焊接、冲击强化和清洗的多功能复合加工设备，将不同的激光加工工艺集成在两个机器人上，实现复杂零件的多工艺制造需求，实现材料生产的一体化，自动化程度高。此外，该工艺还可自由调控各工艺加工过程。缩短生产时间，降低工业成本，减小设备的占地面积。
附图说明
图1是本发明激光切割、焊接、冲击强化和清洗的多功能复合加工设备示意图；
图2是本发明第一台激光器原理图；
图3是本发明第二台激光器原理图；
图4是本发明可移动式工作台示意图；
图5式本发明具体实例钛合金T型接头双光束双侧同步焊接示意图。
图中，
1-第一台机器人；4-第二台机器人；5-可移动式工作平台；
2-第一台激光器；6-激光发生器；7-反射镜；8-激光检测装置；9-扫描振镜；10-聚焦镜；11-保护气通道；12-气氛保护装置；13-废屑处理装置；14-工件；15-废屑处理通道；16-激光箱体；17-聚焦镜调节装置；
3-第二台激光器；18-激光发生器；19-反射镜；20-激光检测装置；21-扫描振镜；22-夹持装置；23-聚焦镜；24-保护气通道；25-气氛保护装置；26-水冷装置；
27-钛合金蒙皮；28-钛合金加强筋；29-激光束
具体实施方式
为了便于本领域技术人员的理解，下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。
以下通过一个具体的实施例进一步说明本发明。
薄壁结构作为一种在航空、航天领域广泛应用的结构，常采用铝合金、钛合金进行制造，故以钛合金T型接头双光束双侧同步焊接为具体实例。待加工工件为厚退火态冷轧TC4钛合金板，蒙皮尺寸为200mm×200mm×2mm，加强筋尺寸为200mm×200mm×1.5mm。
本次实例是通过基于激光切割、焊接、冲击强化和清洗的多功能多***加工设备，对待加工工件进行激光清洗、切割及双激光束双侧同步焊接。具体实施工艺如下：
具体地，将钛合金蒙皮首先固定在锯齿状的可移动式平台5上，利用控制***进行调配，将钛合金蒙皮板通过可移动式平台5移动至靠近第一台激光器的区域，将激光器2移动至中心工作区域。将激光器参数调整至激光切割工艺要求参数。激光器2发射出激光切割所需激光束，可移动式平台5和机器人的相对运动来达到对工件的移动，实现钛合金蒙皮的激光切割。
可选地，将所述聚焦镜调节装置的旋钮旋致最高点时，使得所述聚焦镜位置最高，通过聚焦镜折射后的激光光线在激光器出光口处汇集到一点，形成激光光斑，将激光波长设置为1064nm，脉冲宽度设置为20ns，激光头与工件保持2mm的距离。根据工件形状，激光头可通过控制***对工件进行切割。激光器的输出功率设置为6KW，可移动式平台5的移动速度设置为1m/min，移动方向为y轴方向，按照所需形状对蒙皮进行切割，保护气为氩气。
具体地，将激光切割后的平板放置在工作台5保持不动，利用机器人1将激光器2抬起，将激光器参数调整至激光清洗工艺要求参数。激光器2发射出激光清洗所需激光束，可移动式平台5和机器人的相对运动来达到对工件的移动，实现钛合金蒙皮的激光清洗。
可选的，将所述聚焦镜调节装置的旋钮旋致除最低位置，将激光波长设置为1064nm，脉冲宽度设置为200ns，激光头与工件之间保持一定距离。激光器的输出功率设置为1KW，可移动式平台5的移动速度设置为1m/min，移动方向为y轴方向，对蒙皮进行激光清洗，保护气为氩气。
具体地，将钛合金加强筋固定在锯齿状的可移动式平台5上，利用控制***进行调配，将钛合金加强筋板通过可移动式平台5移动至靠近第一台激光器区域，将激光器2移动至中心工作区域。将激光器参数调整至激光切割工艺要求参数。激光器2发射出激光切割所需激光束，可移动式平台5和机器人的相对运动来达到对工件的移动，实现钛合金加强筋的激光切割。
可选地，将所述聚焦镜调节装置的旋钮旋致最高点时，使得所述聚焦镜位置最高，通过聚焦镜折射后的激光光线在激光器出光口处汇集到一点，形成激光光斑，将激光波长设置为1064nm，脉冲宽度设置为20ns，激光头与工件保持2mm的距离。激光器的输出功率设置为5KW，可移动式平台5的移动速度设置为1m/min，移动方向为y轴方向，按照加强筋形状进行切割，保护气为氩气。
具体地，将激光切割后的平板放置在工作台5保持不动，利用机器人1将激光器2抬起，将激光器参数调整至激光清洗工艺要求参数。激光器2发射出激光清洗所需激光束，可移动式平台5和机器人的相对运动来达到对工件的移动，实现钛合金加强筋的激光清洗。
可选的，将所述聚焦镜调节装置的旋钮旋致除最低位置，将激光波长设置为1064nm，脉冲宽度设置为200ns，激光头与工件之间保持一定距离。激光器的输出功率设置为1KW，可移动式平台5的移动速度设置为1m/min，移动方向为y轴方向，对加强筋进行激光清洗，保护气为氩气。
具体的，将激光清洗后的蒙皮加强筋的T型接头移动至激光加工区域(平板式工作台)上，将两台激光器参数调整至激光焊接工艺要求参数，并均随着机器人下降至待工作区域。通过调整两台激光器的焊接参数来实现钛合金蒙皮加强筋T型接头的双光束双侧同步焊接。
可选地，通过控制***对机器人进行控制，将激光与工件的角度调整为60°。两台激光器激光功率为2.8kW，焊接速度为6m/min，离焦量为0mm，保护气体为氩气，保护气流量为25L/min。可移动式平台的移动速度设置为2m/min，移动方向为y轴方向。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为了清楚说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定，对于本领域的普通技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种集成激光切割、焊接、冲击强化和清洗的多功能复合加工设备，主要包括机器人、控制***、激光加工装置以及可移动式工作平台；该装置主要涉及两台激光器，其中第一台激光器实现激光清洗、切割以及焊接工艺，第二台激光器实现激光冲击强化及焊接工艺；两台激光器的同时使用可实现双激光束双侧同步焊接工艺。
2.如权利要求1所述的机器人为六轴机器人，将所述激光加工装置安装在机器人上，可达到激光器角度任意调节的目的，实现各工艺的精确控制及自动化生产。
3.如权利要求1所述的第一台激光加工装置包括激光发生器(6)、反射镜(7)、激光检测装置(8)、扫描振镜(9)、聚焦镜(10)、聚焦镜调节装置(17)、激光箱体(16)、废屑处理装置(15)、气氛保护装置(12)；所述激光器(6)采用可调脉宽红外激光器，通过调节脉冲宽度来达到各工艺的激光要求；在所述激光器(6)上设有反射镜与扫描振镜；所述激光检测装置通过其输出光路与反射镜输出光路的相对位置来达到精确测量激光焦点与工件的相对位置；所述聚焦镜(10)的位置由聚焦镜调节装置进行调节；所述废屑处理装置通过废屑处理通道来达到清理废屑的目的；所述气氛保护装置中的气体为惰性气体，主要为氩气、氦气等；所述红外光的脉冲宽度在4ns～200ns之间可调。
4.如权利要求3所述的聚焦镜调节装置的旋钮旋致最高点时，使得所述聚焦镜位置最高，通过聚焦镜折射后的激光光线在激光器出光口处汇集到一点，形成激光光斑，将激光脉冲宽度设置在a1～a2ns之间，激光头与工件保持2～3mm的距离，可实现激光切割工艺，如权利要求3所述的聚焦镜调节装置的旋钮旋致除最高点的任意位置时，将激光脉冲宽度设置在a3～a4ns之间，激光头与工件不接触，可实现激光清洗工艺；调节所述聚焦镜的相对位置及工作台与激光加工装置的相对位置，可实现激光清洗范围的可调，如权利要求3所述的聚焦镜调节装置的旋钮旋致最高点时，将激光脉冲宽度设置在a5～a6ns之间，可实现激光焊接工艺。
5.如权利要求1所述的第二台激光激光加工装置包括激光发生器(18)、反射镜(19)、激光检测装置(20)、扫描振镜(21)、聚焦镜(23)、激光箱体、水冷装置(26)、气氛保护装置(15)、夹持装置(22)；所述激光器(18)采用Nd：YAG脉冲激光器，通过调节激光脉冲宽度来达到各工艺的激光要求；所述水冷装置(26)为外接喷水管，通过夹持装置(22)将其固定在激光加工装置上，并且喷水管位置可调，通过调整喷射位置和喷射角度来适应工件形状；所述气氛保护装置(15)中的气体为惰性气体，主要为氩气、氦气等。
6.如权利要求7所述的激光器(18)的激光脉冲宽度设置在a7～a8ns之间，激光头与工件不接触，可实现激光冲击强化工艺，同时所述水冷装置对工件进行降温；如权利要求7所述的激光器(18)的激光脉冲宽度设置在a9～a10ns之间，激光头与工件不接触，可实现激光焊接工艺；如权利要求6和权利要求9所述的两台激光器的工艺均调整为激光焊接工艺，两者同时使用可实现双激光束双侧同步焊接。
7.如权利要求1所述的可移动式工作台可通过各工艺对工作台的要求不同而进行调控；优选地，所述激光切割、激光清洗工作台为锯齿状，所述激光冲击强化、激光焊接工作台采用平板状。
8.如权利要求1所述的控制***由控制器统一调控激光加工装置及可移动式工作台，来实现激光加工位置的可调性。
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