CN113977084B - 一种集成激光焊接头 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种集成激光焊接头，包括激光传导单元、准直聚焦单元、激光焊接头单元和壳体，其中，激光传导单元包括传能光纤，传能光纤与外部激光发生器相连；准直聚焦单元能够令激光传导单元出射的激光准直并聚焦；激光焊接头单元包括保护窗片，经过准直聚焦单元的激光能够穿过保护窗片并对待焊工件进行焊接；壳体内设置有冷却通道，冷却通道与外部冷却介质相连通。本发明将激光传导单元和激光焊接头单元集成在壳体内，结构紧凑，减少了激光输出和激光焊接头连接占用空间，壳体内设置冷却通道能够对壳体内各个单元降温，提高装置的可靠性；解决了激光焊接无法应用于直径较小的管道内的问题。

Description

一种集成激光焊接头
技术领域
本发明涉及油气管道打底焊设备及其周边配套设施技术领域，特别是涉及一种集成激光焊接头。
背景技术
对于人难以进入进行维修的较小直径的管道，降低焊接故障减少返修次数至关重要，其中对降低焊接故障影响最大的是打底焊，采用现有电弧焊进行打底焊，焊接故障率难以进一步降低，已经成为较小管径油气管道提高焊接效率和降低焊接成本的制约因素。
激光焊接的密封性和焊缝平整度均表现出了优势，尤其是激光焊接的稳定性和一致性优于电弧焊，采用激光进行打底焊为降低打底焊的故障率提供了更好的选择。油气管道的打底焊属于拼焊，用激光进行拼焊，焊缝正面的平整度和一致性一般优于背面，所以，要使管道打底焊的焊缝获得更好的管道内表面平整度和一致性，用激光从内部焊接，使管道内壁成为焊接的正面，是优先选择，但是，现有光纤输出的高功率激光器所使用的QBH接头或QD接头（两者均为激光常用输出接头的国际标准型号）等激光输出接头和与其连接的激光焊接头，尺寸均比较大，难以安装到管道内部进行内焊，尤其是对于更加需要采用激光焊的较小直径的油气管道焊接，现有激光输出接口和激光焊接头设计已经无法满足上述要求，这也是为什么激光焊接至今没有应用到管道内焊的直接原因，可以说，解决激光输出接头和激光焊接头小型化是激光焊接能够用于管道内焊的关键。
因此，如何改变现有技术中，激光输出接头和激光焊接头不适用于较小直径管道焊接的现状，成为了本领域技术人员亟待解决的问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种集成激光焊接头，以解决上述现有技术存在的问题，减少激光输出与激光焊接头连接占用空间，提高较小直径管道焊接的便捷性。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：本发明提供一种集成激光焊接头，包括：
激光传导单元，所述激光传导单元包括传能光纤，所述传能光纤与外部激光发生器相连；
准直聚焦单元，所述准直聚焦单元能够令所述激光传导单元出射的激光准直并聚焦；
激光焊接头单元，所述激光焊接头单元包括保护窗片，经过所述准直聚焦单元的激光能够穿过所述保护窗片并对待焊工件进行焊接；
壳体，所述传能光纤靠近所述准直聚焦单元的一端伸入所述壳体内，所述准直聚焦单元和所述激光焊接头单元均设置于所述壳体内；所述壳体内设置有冷却通道，所述冷却通道与外部冷却介质相连通。
优选地，所述激光传导单元还包括光纤固定组件、包层光功率剥除区和端帽，所述光纤固定组件能够固定所述传能光纤，所述传能光纤穿过所述包层光功率剥除区到达所述端帽处，所述传能光纤传输的激光能够由所述端帽射出。
优选地，所述准直聚焦单元包括依次设置的准直透镜、聚焦透镜和折反棱镜，所述激光传导单元传输的激光经过所述准直透镜和所述聚焦透镜后，利用所述折反棱镜改变方向后，到达所述激光焊接头单元。
优选地，所述激光焊接头单元还包括反射镜，所述反射镜与所述壳体相连且二者连接位置能够调整，所述反射镜能够将所述准直聚焦单元出射的激光反射到垂直于所述保护窗片的方向，所述壳体具有激光出射口，所述激光出射口正对所述保护窗片设置。
优选地，所述保护窗片与所述激光出射口之间的腔体与外部保护气源相连通；所述壳体连接有气管快插接头，所述气管快插接头连接有气管，所述气管与外部保护气源相连通。
优选地，所述保护窗片靠近所述激光出射口的一侧设置过渡环和压圈，所述过渡环和所述压圈压紧所述保护窗片，所述压圈与所述壳体相连，所述过渡环的侧壁具有进气口，所述进气口与所述气管相连通。
优选地，所述壳体具有棱镜安装腔，所述折反棱镜设置于所述棱镜安装腔内，所述棱镜安装腔的开口处设置棱镜盖；所述反射镜的底部设置镜托，所述镜托与所述壳体可拆卸连接。
优选地，所述传能光纤利用光纤铠装单元与所述壳体相连；所述光纤铠装单元包括内管、外铠管、外铠管接头组件和内管接头组件，所述内管套装于所述传能光纤的外部，所述外铠管套装于所述内管的外部，所述外铠管利用所述外铠管接头组件与所述壳体相连，所述内管利用所述内管接头组件与所述壳体相连，所述内管接头组件位于所述壳体内。
优选地，所述壳体为中心线为弧线的柱状结构，所述激光焊接头单元的激光由所述壳体的外弧面一侧射出。
优选地，所述冷却通道平行于所述激光传导单元、所述准直聚焦单元以及所述激光焊接头单元设置，所述冷却通道的数量为两条，两条所述冷却通道平行设置于所述激光传导单元、所述准直聚焦单元以及所述激光焊接头单元的两侧，所述壳体的两端均连接有水管快插接头，所述水管快插接头连接有水管，所述水管与外部冷却介质相连通；所述壳体为分体式结构。
本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：本发明的集成激光焊接头，包括激光传导单元、准直聚焦单元、激光焊接头单元和壳体，其中，激光传导单元包括传能光纤，传能光纤与外部激光发生器相连；准直聚焦单元能够令激光传导单元出射的激光准直并聚焦；激光焊接头单元包括保护窗片，经过准直聚焦单元的激光能够穿过保护窗片并对待焊工件进行焊接；传能光纤靠近准直聚焦单元的一端伸入壳体内，准直聚焦单元和激光焊接头单元均设置于壳体内；壳体内设置有冷却通道，冷却通道与外部冷却介质相连通。
本发明的集成激光焊接头，激光传导单元能够传输激光，准直聚焦单元使激光准直并聚焦，激光最终由激光焊接头单元的保护窗片出射并完成焊接工作，本发明将激光传导单元和激光焊接头单元集成在壳体内，结构紧凑，减少了激光输出和激光焊接头连接占用空间，壳体内设置冷却通道能够对壳体内各个单元降温，提高装置的可靠性；相较于现有技术中使用标准QBH或QD等高功率激光输出接口与激光焊接头进行光路连接，解决了激光焊接无法应用于直径较小的管道内的问题。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明的集成激光焊接头的结构示意图；
图2为本发明的集成激光焊接头的一端的放大结构示意图；
图3为本发明的集成激光焊接头的另一端的放大结构示意图；
图4为本发明的集成激光焊接头的壳体的结构示意图；
图5为图4中的A向视图；
图6为图4中的B向视图；
图7为本发明的集成激光焊接头的冷却通道的结构示意图；
图8为图7中的C向视图；
图9为图7中的D向视图；
图10为本发明的集成激光焊接头的部分结构示意图；
其中，1为激光传导单元，101为传能光纤，102为光纤固定组件，103为包层光功率剥除区，104为端帽，2为准直聚焦单元，201为准直透镜，202为聚焦透镜，203为折反棱镜，204为棱镜盖，3为激光焊接头单元，301为保护窗片，302为反射镜，303为镜托，4为壳体，401为冷却通道，402为气管快插接头，403为气管，404为过渡环，405为压圈，406为水管快插接头，407为水管，408为本体，409为密封板，410为进气口，411为激光出射口，5为光纤铠装单元，501为内管，502为外铠管，503为外铠管接头组件，504为内管接头组件。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的目的是提供一种集成激光焊接头，以解决上述现有技术存在的问题，减少激光输出与激光焊接头连接占用空间，提高较小直径管道焊接的便捷性。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
请参考图1- 10，其中，图1为本发明的集成激光焊接头的结构示意图，图2为本发明的集成激光焊接头的一端的放大结构示意图，图3为本发明的集成激光焊接头的另一端的放大结构示意图，图4为本发明的集成激光焊接头的壳体的结构示意图，图5为图4中的A向视图，图6为图4中的B向视图，图7为本发明的集成激光焊接头的冷却通道的结构示意图，图8为图7中的C向视图，图9图7中的D向视图，图10为本发明的集成激光焊接头的部分结构示意图。
本发明提供一种集成激光焊接头，包括激光传导单元1、准直聚焦单元2、激光焊接头单元3和壳体4，其中，激光传导单元1包括传能光纤101，传能光纤101与外部激光发生器相连；准直聚焦单元2能够令激光传导单元1出射的激光准直并聚焦；激光焊接头单元3包括保护窗片301，经过准直聚焦单元2的激光能够穿过保护窗片301并对待焊工件进行焊接；传能光纤101靠近准直聚焦单元2的一端伸入壳体4内，准直聚焦单元2和激光焊接头单元3均设置于壳体4内；壳体4内设置有冷却通道401，冷却通道401与外部冷却介质相连通。
本发明的集成激光焊接头，激光传导单元1能够传输激光，准直聚焦单元2使激光准直并聚焦，激光最终由激光焊接头单元3的保护窗片301出射并完成焊接工作，本发明将激光传导单元1和激光焊接头单元3集成在壳体4内，结构紧凑，减少了激光输出和激光焊接头连接占用空间，壳体4内设置冷却通道401能够对壳体4内各个单元降温，提高装置的可靠性；相较于现有技术中使用标准QBH或QD等高功率激光输出接口与激光焊接头进行光路连接，解决了激光焊接无法应用于直径较小的管道内的问题。
其中，激光传导单元1还包括光纤固定组件102、包层光功率剥除区103和端帽104，光纤固定组件102能够固定传能光纤101，传能光纤101穿过包层光功率剥除区103到达端帽104处，传能光纤101传输的激光能够由端帽104射出。光纤固定组件102能够固定传能光纤101在壳体4中的位置，避免焊接过程中传能光纤101错位，传能光纤101经过包层光功率剥除区103能够有效剥除包层内残留的反射光，最终激光由端帽104射出，在本具体实施方式中，激光功率小于500W的情况下，可以选用直径为8mm的端帽104，根据激光发生器种类不同，端帽104的长度可以设置为15-18mm。
具体地，准直聚焦单元2包括依次设置的准直透镜201、聚焦透镜202和折反棱镜203，激光传导单元1传输的激光经过准直透镜201和聚焦透镜202后，利用折反棱镜203改变方向后，到达激光焊接头单元3。从端帽104射出的激光有一定的发散角，该发散的激光经过准直透镜201准直后由聚焦透镜202聚焦，聚焦激光光束利用折反棱镜203改变方向，将激光光束限制在壳体4内部。本具体实施方式中，准直透镜201选用焦距为50mm，直径为30mm的石英镜片，聚焦透镜202选用焦距为200mm、直径为30mm的石英镜片，折反棱镜203的两斜面夹角为60°，厚度和高度均为30mm。
相应地，激光焊接头单元3还包括反射镜302，经过折反棱镜203的激光光束经由反射镜302反射后，穿过保护窗片301出射，另外，反射镜302与壳体4相连且二者连接位置能够调整，方便根据具体工作需求调整反射镜302的位置，保证激光顺利出射，提高结构的灵活适应性，反射镜302能够将准直聚焦单元2出射的激光反射到垂直于保护窗片301的方向，壳体4具有激光出射口411，激光出射口411正对保护窗片301设置，激光穿过保护窗片301由激光出射口411出射，保护窗片301对准直聚焦单元2提供有效保护。
更具体地，保护窗片301与激光出射口411之间的腔体与外部保护气源相连通；壳体4连接有气管快插接头402，气管快插接头402连接有气管403，气管403与外部保护气源相连通。气管403能够向焊接部位输送保护气体，保护气体与保护窗片301与激光出射口411之间的腔体相连通，避免保护气体进入壳体4内，确保保护气体能够在激光焊接过程中发挥作用。
在本具体实施方式中，保护窗片301靠近激光出射口411的一侧设置过渡环404和压圈405，过渡环404和压圈405压紧保护窗片301，压圈405与壳体4相连，过渡环404和压圈405提高了保护窗片301的安装稳定性，在过渡环404的侧壁具有进气口410，进气口410与气管403相连通，确保保护气体顺利通入保护窗片301与激光出射口411之间的腔体，从而在激光焊接过程中发挥作用。
在本发明的其他具体实施方式中，壳体4具有棱镜安装腔，折反棱镜203设置于棱镜安装腔内，棱镜安装腔的开口处设置棱镜盖204，提高折反棱镜203安装便利性；反射镜302的底部设置镜托303，镜托303与壳体4可拆卸连接，本具体实施方式中，利用镜托303固定反射镜302，镜托303的直径为25mm。
进一步地，传能光纤101利用光纤铠装单元5与壳体4相连；光纤铠装单元5包括内管501、外铠管502、外铠管接头组件503和内管接头组件504，内管501套装于传能光纤101的外部，外铠管502套装于内管501的外部，外铠管502利用外铠管接头组件503与壳体4相连，内管501利用内管接头组件504与壳体4相连，内管接头组件504位于壳体4内。光纤铠装单元5提高了传能光纤101与壳体4的连接便利性和牢固度，保证了装置工作稳定性。
需要强调的是，壳体4为中心线为弧线的柱状结构，激光焊接头单元3的激光由壳体4的外弧面一侧射出。本发明的壳体4中心线为弧线，外形设置更加适合管道内布局，能够有效利用管道内空间，提高了装置的适应性。
更进一步地，冷却通道401平行于激光传导单元1、准直聚焦单元2以及激光焊接头单元3设置，冷却通道401沿各个单元的连接方向设置，避免壳体4内零部件温度过高，在本具体实施方式中，冷却通道401的数量为两条，两条冷却通道401平行设置于激光传导单元1、准直聚焦单元2以及激光焊接头单元3的两侧，提高冷却效率，增强冷却效果；另外，壳体4的两端均连接有水管快插接头406，水管快插接头406连接有水管407，水管407与外部冷却介质相连通，冷却介质由壳体4一端的水管407进入，由壳体4的另一端流出，当壳体4一端的两个水管407相连时，两个冷却通道401串联，冷却介质由壳体4一端的一个水管407进入，仍由壳体4此端的另一个水管407流出。为了降低加工制造以及装配难度，壳体4为分体式结构，包括本体408和密封板409，本体408内加工有安装各个单元的安装位和腔体，同时设置冷却腔体，利用密封板409与本体408相连，密封板409与本体408之间设置密封元件，密封元件可以为密封垫圈或密封胶，从而封堵冷却腔体的开口，提高冷却通道401密封性，降低操作人员劳动强度。
本发明的集成激光焊接头，激光传导单元1能够传输激光，准直聚焦单元2使激光准直并聚焦，激光最终由激光焊接头单元的保护窗片301出射并完成焊接工作，本发明将激光传导单元1和激光焊接头单元3集成在壳体4内，结构紧凑，减少了激光输出和激光焊接头连接占用空间，壳体4内设置冷却通道401能够对壳体4内各个单元降温，提高装置的可靠性；相较于现有技术中使用标准QBH或QD等高功率激光输出接口与激光焊接头进行光路连接，解决了激光焊接无法应用于直径较小的管道内的问题。与此同时，本发明的壳体4的外形设置更加适合管道内布局，能够有效利用管道内空间，提高了装置的适应性。
本发明中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，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。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (8)

1.一种集成激光焊接头，其特征在于，包括：
壳体；
激光传导单元，所述激光传导单元包括传能光纤，所述传能光纤与外部激光发生器相连；
准直聚焦单元，所述准直聚焦单元能够令所述激光传导单元出射的激光准直并聚焦；
激光焊接头单元，所述激光焊接头单元包括保护窗片，经过所述准直聚焦单元的激光能够穿过所述保护窗片并对待焊工件进行焊接；
所述准直聚焦单元包括依次设置的准直透镜、聚焦透镜和折反棱镜，所述激光传导单元传输的激光经过所述准直透镜和所述聚焦透镜后，利用所述折反棱镜改变方向后，到达所述激光焊接头单元；所述激光焊接头单元还包括反射镜，所述反射镜与所述壳体相连且二者连接位置能够调整，所述反射镜能够将所述准直聚焦单元出射的激光反射到垂直于所述保护窗片的方向；
所述传能光纤靠近所述准直聚焦单元的一端伸入所述壳体内，所述准直聚焦单元和所述激光焊接头单元均设置于所述壳体内；所述壳体内设置有冷却通道，所述冷却通道与外部冷却介质相连通；所述壳体为中心线为弧线的柱状结构，所述激光焊接头单元的激光由所述壳体的外弧面一侧射出。
2.根据权利要求1所述的集成激光焊接头，其特征在于：所述激光传导单元还包括光纤固定组件、包层光功率剥除区和端帽，所述光纤固定组件能够固定所述传能光纤，所述传能光纤穿过所述包层光功率剥除区到达所述端帽处，所述传能光纤传输的激光能够由所述端帽射出。
3.根据权利要求1所述的集成激光焊接头，其特征在于：所述壳体具有激光出射口，所述激光出射口正对所述保护窗片设置。
4.根据权利要求3所述的集成激光焊接头，其特征在于：所述保护窗片与所述激光出射口之间的腔体与外部保护气源相连通；所述壳体连接有气管快插接头，所述气管快插接头连接有气管，所述气管与外部保护气源相连通。
5.根据权利要求4所述的集成激光焊接头，其特征在于：所述保护窗片靠近所述激光出射口的一侧设置过渡环和压圈，所述过渡环和所述压圈压紧所述保护窗片，所述压圈与所述壳体相连，所述过渡环的侧壁具有进气口，所述进气口与所述气管相连通。
6.根据权利要求3所述的集成激光焊接头，其特征在于：所述壳体具有棱镜安装腔，所述折反棱镜设置于所述棱镜安装腔内，所述棱镜安装腔的开口处设置棱镜盖；所述反射镜的底部设置镜托，所述镜托与所述壳体可拆卸连接。
7.根据权利要求1所述的集成激光焊接头，其特征在于：所述传能光纤利用光纤铠装单元与所述壳体相连；所述光纤铠装单元包括内管、外铠管、外铠管接头组件和内管接头组件，所述内管套装于所述传能光纤的外部，所述外铠管套装于所述内管的外部，所述外铠管利用所述外铠管接头组件与所述壳体相连，所述内管利用所述内管接头组件与所述壳体相连，所述内管接头组件位于所述壳体内。
8.根据权利要求1-7任一项所述的集成激光焊接头，其特征在于：所述冷却通道平行于所述激光传导单元、所述准直聚焦单元以及所述激光焊接头单元设置，所述冷却通道的数量为两条，两条所述冷却通道平行设置于所述激光传导单元、所述准直聚焦单元以及所述激光焊接头单元的两侧，所述壳体的两端均连接有水管快插接头，所述水管快插接头连接有水管，所述水管与外部冷却介质相连通；所述壳体为分体式结构。
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