RU208685U1 - Device for laser welding - Google Patents

Abstract

Полезная модель относится к области лазерной сварки. Устройство содержит источник трехлучевого лазерного излучения, устройство управления лазерным излучением, связанное с упомянутым источником, средство перемещения свариваемых деталей. Устройство управления содержит корпус, в котором установлены три первичных вогнутых зеркала и три вторичных вогнутых зеркала. Вогнутые зеркала установлены с возможностью перемещения и каждое из них снабжено актуатором. Первичные вогнутые зеркала выполнены с возможностью направления лазерного луча на соответствующее вторичное вогнутое зеркало, при этом упомянутые актуаторы выполнены с возможностью управления посредством контроллера. Технический результат: повышение качества сварного шва. 4 ил.The utility model relates to the field of laser welding. The device contains a source of three-beam laser radiation, a device for controlling laser radiation associated with said source, a means for moving parts to be welded. The control device contains a housing in which three primary concave mirrors and three secondary concave mirrors are installed. The concave mirrors are movable and each of them is equipped with an actuator. The primary concave mirrors are configured to direct the laser beam to the corresponding secondary concave mirror, while said actuators are configured to be controlled by a controller. Technical result: improved quality of the weld. 4 ill.

Description

Область техники, к которой относится полезная модельField of technology to which the utility model belongs

Полезная модель относится к средствам для сварки изделий лазерным излучением, в частности к устройствам многолучевой стыковой лазерной сварки деталей.The utility model relates to devices for welding products with laser radiation, in particular to devices for multi-beam butt laser welding of parts.

Уровень техникиState of the art

Из уровня техники известны различные конструкции оборудования для многолучевой (как частный случай двухлучевой) лазерной сварки конструкционных сталей и других металлов.From the prior art, various designs of equipment for multi-beam (as a special case of double-beam) laser welding of structural steels and other metals are known.

В качестве наиболее близкого аналога выбран известный способ лазерной сварки двумя лучами двух листов материала (патент US6087619, дата публикации 13.05.2000 г). Недостатком данного известного средства является невозможность регулирования мощности лазерных лучей независимо от их положения. Другим недостатком данного известного устройства является зависимость положения точек фокуса первого и второго лучей по линиям их воздействия на свариваемые детали от расстояния между лучами, устанавливаемого разветвителем первичного луча, что не позволяет получить максимальную плотность мощности в пятнах каждого луча на поверхности каждой свариваемой детали. Недостатком данного известного средства является невозможность дополнительного нагрева от того же источника энергии, который осуществляет сварку деталей.As the closest analogue, the known method of laser welding with two beams of two sheets of material was chosen (patent US6087619, publication date 05/13/2000). The disadvantage of this known means is the inability to control the power of the laser beams, regardless of their position. Another disadvantage of this known device is the dependence of the position of the focus points of the first and second beams along the lines of their impact on the welded parts on the distance between the beams set by the primary beam splitter, which does not allow obtaining the maximum power density in the spots of each beam on the surface of each welded part. The disadvantage of this known means is the impossibility of additional heating from the same energy source that carries out the welding of parts.

Сущность полезной моделиThe essence of the utility model

Задача, решаемая настоящей полезной моделью, состоит в расширении эксплуатационных и технологических возможностей оборудования для лазерной сварки. и повышении качества выполнения операции лазерной сварки деталей различной, в том числе переменной, толщины без разделки кромок стыка.The problem solved by the present utility model is to expand the operational and technological capabilities of equipment for laser welding. and improving the quality of the operation of laser welding of parts of various, including variable, thicknesses without cutting the edges of the joint.

В ходе решения указанной задачи, достигается следующий технический результат: повышение качества сварного шва деталей переменной толщины с криволинейными поверхностями на свариваемой и противоположной сторонах с одновременным повышением производительности сварки за счет независимого регулирования положения и мощности пятен лазерного излучения на обрабатываемой поверхности.In the course of solving this problem, the following technical result is achieved: improving the quality of the welded seam of parts of variable thickness with curved surfaces on the welded and opposite sides with a simultaneous increase in welding productivity due to independent control of the position and power of laser radiation spots on the treated surface.

Указанный технический результат достигается тем, что устройство для лазерной сварки содержит источник трехлучевого лазерного излучения, устройство управления лазерным излучением, связанное с упомянутым источником, средство перемещения свариваемых деталей, упомянутое устройство управления содержит корпус, в котором установлены три первичных вогнутых зеркала и три вторичных вогнутых зеркала, упомянутые вогнутые зеркала установлены с возможностью перемещения и каждое из них снабжено актуатором, упомянутые первичные вогнутые зеркало выполнены с возможностью направления лазерного луча на соответствующее вторичное вогнутое зеркало, при этом упомянутые актуаторы выполнены с возможностью управления посредством контроллера на основе данных о толщине свариваемых деталей.The specified technical result is achieved in that the device for laser welding contains a source of three-beam laser radiation, a device for controlling laser radiation associated with said source, a means for moving parts to be welded, said control device contains a housing in which three primary concave mirrors and three secondary concave mirrors are installed. , said concave mirrors are movable and each of them is equipped with an actuator, said primary concave mirrors are configured to direct a laser beam to the corresponding secondary concave mirror, while said actuators are configured to be controlled by a controller based on data on the thickness of the parts to be welded.

Указанный технический результат достигается также тем, что в корпусе установлен юстировочный лазер.The specified technical result is also achieved by the fact that the alignment laser is installed in the housing.

Отличительной особенностью полезной модели является возможность независимого регулирования мощности и расположения каждого из трех лазерных лучей, получаемых от одного источника.A distinctive feature of the utility model is the ability to independently control the power and location of each of the three laser beams received from one source.

Перечень фигур чертежейList of drawing figures

На Фиг. 1 показана схема устройства для многолучевой лазерной сварки.On FIG. 1 shows a diagram of a device for multibeam laser welding.

На Фиг. 2 показана схема расположения лазерных лучей в источнике лазерного излучения.On FIG. 2 shows the arrangement of laser beams in the laser source.

На Фиг. 3 показана оптическая система регулирования положения и мощности лазерных пучков.On FIG. 3 shows the optical system for controlling the position and power of laser beams.

На Фиг. 4 показана схема расположения лазерных пучков на свариваемых деталях.On FIG. 4 shows the arrangement of laser beams on the parts to be welded.

Осуществление полезной моделиImplementation of the utility model

Многолучевая лазерная сварка деталей, особенно различной (в том числе, переменной) по длине стыка толщины и с криволинейной поверхностью, из различных металлов и сплавов, без предварительной разделки кромок и предварительной механической обработки торцов представляет собой сложную техническую задачу.Multi-beam laser welding of parts, especially of different (including variable) along the length of the joint thickness and with a curved surface, from various metals and alloys, without preliminary cutting of the edges and preliminary machining of the ends is a complex technical problem.

Для получения высокого качестве сварного шва необходимо предусмотреть регулирование основных технологических параметров процесса: уровня мощности каждого лазерного луча, а также относительного расположения пятен нагрева и их размеров на поверхности обработки.To obtain a high quality weld, it is necessary to provide for the regulation of the main technological parameters of the process: the power level of each laser beam, as well as the relative location of the heat spots and their sizes on the processing surface.

В соответствии с настоящей полезной моделью, в устройство используется способ сварки деталей, который состоит в том, что создают от одного источника (многолучевого лазера) первый, второй и третий лазерные лучи.In accordance with the present utility model, the method of welding parts is used in the device, which consists in the fact that the first, second and third laser beams are created from one source (multi-beam laser).

Первым лазерным лучом осуществляют предварительный нагрев первой и второй свариваемых деталей. Вторым и третьим лазерными лучами создают ванны расплава, соответственно, на первой и второй свариваемой детали и обеспечивают независимое регулирование мощности и положения каждого лазерного луча.The first laser beam is used to preheat the first and second parts to be welded. The second and third laser beams create melt pools, respectively, on the first and second parts to be welded and provide independent control of the power and position of each laser beam.

Для расширения технологических возможностей целесообразно обеспечить возможность распределения мощности упомянутого первого луча между первой и второй свариваемыми деталями.To expand the technological capabilities, it is advisable to provide the possibility of distributing the power of the said first beam between the first and second parts to be welded.

Управление мощностью и относительным расположением лазерных лучей, исходящих из одного излучателя, может достигаться следующим способом.Controlling the power and relative position of laser beams emitted from one emitter can be achieved in the following way.

Направляют лазерный луч от источника лазерного излучения на первичное вогнутое зеркало 1, выполненное с возможностью направления отраженного лазерного луча на вторичное вогнутое зеркало 3, как показано на Фиг.3. Вторичное вогнутое зеркало 3 выполнено с возможностью отклонения лазерного луча. Первичное вогнутое зеркало 1 выполнено с возможностью направления упомянутого отраженного луча в фокус упомянутого вторичного вогнутого зеркала 3.The laser beam is directed from the laser radiation source to the primary concave mirror 1, which is configured to direct the reflected laser beam to the secondary concave mirror 3, as shown in Fig.3. The secondary concave mirror 3 is configured to deflect the laser beam. The primary concave mirror 1 is configured to direct said reflected beam into the focus of said secondary concave mirror 3.

Для реализации полезной модели необходим трехлучевой источник лазерного излучения (трехлучевой лазер), как показано на Фиг. 2. Этот источник может быть снабжен средствами управления лазерными лучами, которые работает независимо от источника лазерного излучения и выполнены с возможностью регулировать свойства выходного лазерного излучения. Такие средства управления могут называться управляемым телескопом.To implement the utility model, a three-beam laser light source (three-beam laser) is needed, as shown in FIG. 2. This source can be provided with laser beam control means that operate independently of the laser source and are configured to control the properties of the output laser radiation. Such controls may be referred to as a steerable telescope.

Управляемый телескоп на примере трехлучевого электроразрядного лазера с тремя равномерно расположенными лучами, выходящими из узла вывода излучения излучателя, содержит три вогнутых первичных и три вогнутых вторичных отражающих зеркал. На Фиг. 3 показаны два из трех лазерных лучей, попавших в сечение. На Фиг. 3 первичные зеркала обозначены позициями 1 и 2, вторичные зеркала обозначены позициями 3 и 4. Все зеркала располагаются равномерно на окружностях диаметром D1 и D2, как показано на Фиг. 1.A controlled telescope using the example of a three-beam electric-discharge laser with three evenly spaced beams emerging from the radiation output unit of the emitter contains three concave primary and three concave secondary reflecting mirrors. On FIG. 3 shows two of the three laser beams that fell into the cross section. On FIG. 3, the primary mirrors are labeled 1 and 2, the secondary mirrors are labeled 3 and 4. All mirrors are evenly spaced on circles with diameters D1 and D2, as shown in FIG. one.

Каждое из первичных и вторичных зеркал снабжено пъезоактуатором.Each of the primary and secondary mirrors is equipped with a piezo actuator.

Как известно, в технике под актуатором понимается законченное универсальное исполнительное устройство, управляемое с помощью устройства управления. Синонимами актуаторов являются «привод», «электропривод», как с мотором, так и без мотора (электромеханические или механические актуаторы). Наиболее распространены линейные актуаторы и актуаторы вращения. В качестве механического привода в актуаторах могут использоваться устройства, обеспечивающие перемещение: шариковинтовая передача, передача винт-гайка, ременный привод, реечная передача. В качестве направляющей используется конструкция из одной или нескольких телескопических труб, профильные рельсовые направляющие и различные линейные направляющие скольжения или качения, по которым осуществляется движение. В актуаторе вращения аналогом направляющей служит подшипник.As is known, in engineering, an actuator is understood as a complete universal actuating device controlled by a control device. Synonyms for actuators are "drive", "electric drive", both with and without a motor (electromechanical or mechanical actuators). The most common are linear and rotary actuators. As a mechanical drive in actuators, devices that provide movement can be used: ball screw, screw-nut transmission, belt drive, rack and pinion. As a guide, a structure of one or more telescopic tubes, profile rail guides and various linear sliding or rolling guides are used, along which movement is carried out. In a rotation actuator, a bearing serves as an analogue of the guide.

Наиболее целесообразно использовать актуаторы, в которых не происходит преобразования типов движения. К таким видам относятся пьезоэлектрические актюаторы (пьезоактюаторы), которые используют способность пьезокерамики расширяться под воздействием электростатического поля, для генерирования силы и перемещения в микрометровом диапазоне. Использование таких актуаторов обеспечивает перемещения объекта с минимальным шагом до 1 нм как непрерывно, так и ступенчато. Другим достоинством пьезкактуаторов является высокая скорость реагирования на управляющий сигнал.It is most expedient to use actuators in which there is no conversion of motion types. These types include piezoelectric actuators (piezoactuators), which use the ability of piezoceramics to expand under the influence of an electrostatic field to generate force and movement in the micrometer range. The use of such actuators provides movement of the object with a minimum step of up to 1 nm, both continuously and stepwise. Another advantage of piezo cactuators is the high speed of response to the control signal.

Пьезоактуаторы могут управляться индивидуальными или общим контроллером 23. Контроллер в свою очередь может выполнять ту или иную программу в зависимости от условий применения полезной модели.The piezoactuators can be controlled by an individual or a common controller 23. The controller, in turn, can execute a particular program depending on the conditions of use of the utility model.

Для целей упрощения настройки может использоваться юстировочный лазер, расположенный в центре и равноудаленный от всех зеркал.To simplify the adjustment, an alignment laser can be used, located in the center and equidistant from all mirrors.

Количество актуаторов на каждое зеркало может быть различным. С помощью пъезоактуаторов первичные зеркала могут перемещаться пъезоактуаторами вдоль осей X1i, ортогональных осям Y1i и Z1i и поворачиваться помощью пъезоактуаторов вокруг осей Y1i и Z1i систем координат, связанных с каждым зеркалом, а вторичные зеркала программно могут поворачиваться вокруг осей Y2i и Z2i систем координат, связанных с каждым зеркалом и располагаемых так как показано на Фиг. 3.The number of actuators for each mirror can be different. With the help of piezoactuators, the primary mirrors can be moved by piezoactuators along the X1i axes orthogonal to the Y1i and Z1i axes and rotated with the help of piezoactuators around the Y1i and Z1i axes of the coordinate systems associated with each mirror, and the secondary mirrors can be programmatically rotated around the Y2i and Z2i axes of the coordinate systems associated with each mirror and arranged as shown in Fig. 3.

На Фиг. 3, в качестве примера исполнения, показано прохождение двух из трех лазерных лучей, выходящих из многолучевого излучателя с узлом вывода излучения, через две пары первичных (1, 2) и вторичных (3, 4) зеркал управляемого телескопа. Позициями 5, 6, 7 и 8 обозначены пъезоактуаторы, позицией 9 обозначен юстировочный лазер. Параллельные лучи, выходящие из излучателя, отражаются последовательно от первичных и вторичных зеркал и направляются из управляемого телескопа в лучепровод той или иной лазерной технологической установки. При этом первичные зеркала 1 и 2 с помощью пъезоактуаторов 5 и 6 могут перемещаться вдоль осей X11 и X14, располагаемых вдоль оси лучей, исходящих из излучателя, и/или поворачиваться с помощью пъезоактуаторов вокруг осей Y1i и Z1i систем координат, связанных с каждым зеркалом для требуемого размещения точек фокуса в центре вторичных зеркал. Вторичные зеркала 3 и 4 программно с помощью пъезоактуаторов 7 и 8 могут, например, поворачиваться вокруг осей Y2i, Z2i и Y2i, Z2i соответственно для обеспечения необходимого по условиям выполнения технологического процесса относительного размещения лучей на обрабатываемой поверхности.On FIG. 3, as an example, shows the passage of two of three laser beams emerging from a multibeam emitter with a radiation output unit through two pairs of primary (1, 2) and secondary (3, 4) mirrors of a steerable telescope. Positions 5, 6, 7 and 8 indicate piezoactuators, position 9 indicates the alignment laser. Parallel beams emerging from the emitter are reflected successively from the primary and secondary mirrors and directed from the steerable telescope to the beam guide of one or another laser technological installation. In this case, the primary mirrors 1 and 2 using piezoactuators 5 and 6 can move along axes X11 and X14, located along the axis of the rays emanating from the emitter, and/or rotate using piezoactuators around the axes Y1i and Z1i of the coordinate systems associated with each mirror for the required placement of focus points in the center of the secondary mirrors. Secondary mirrors 3 and 4 can be programmed using piezo actuators 7 and 8, for example, to rotate around the axes Y2i, Z2i and Y2i, Z2i, respectively, to ensure the relative placement of beams on the treated surface required by the conditions of the technological process.

Таким образом, в зависимости от положения первичных и вторичных зеркал в управляемом телескопе мощность и положение каждого из трех лазерных лучей может независимо регулироваться.Thus, depending on the position of the primary and secondary mirrors in the steerable telescope, the power and position of each of the three laser beams can be independently adjusted.

Для дальнейшего развития может быть создана система непрерывного автоматического регулирования скорости перемещения свариваемых деталей относительно пятен нагрева вдоль сварочного шва. Для построения системы непрерывного автоматического регулирования указанными выше технологическими параметрами необходимо в процессе сварки измерять ширину стыка, расстояние до поверхности свариваемых деталей, мощность, расположение и размер каждого пятна излучения на поверхности свариваемых деталей, а также толщину свариваемых деталей с организацией обратных связей с использованием регулятора.For further development, a system of continuous automatic control of the speed of movement of the welded parts relative to the heat spots along the weld can be created. To build a system for continuous automatic control of the above technological parameters, it is necessary to measure the joint width, the distance to the surface of the parts to be welded, the power, location and size of each radiation spot on the surface of the parts to be welded, as well as the thickness of the parts to be welded with the organization of feedback using a regulator during the welding process.

Устройство для многолучевой лазерной сварки содержит многолучевой лазер 19 для генерации трех лучей, выполненный с возможностью изменения уровня мощности каждого лазерного луча, изменения относительного расположения пятен нагрева и изменения их размеров в зоне 20 сварки на поверхности свариваемых деталей 10 и 11 с помощью средств, размещенных в многолучевом лазере 19.The device for multibeam laser welding contains a multibeam laser 19 for generating three beams, configured to change the power level of each laser beam, change the relative location of the heat spots and change their size in the welding zone 20 on the surface of the parts 10 and 11 to be welded using means placed in multibeam laser 19.

Средство 21 перемещения свариваемых деталей выполнено с возможностью осуществления в процессе сварки перемещения свариваемых деталей относительно лазерных лучей вдоль стыка 22 в заданном направлении и с заданной скоростью, как и в любом сварочном процессе. Устройство для сварки может дополнительно содержать датчик толщины свариваемых деталей, датчик температуры зоны нагрева.The means 21 for moving the parts to be welded is made with the possibility of moving the parts to be welded relative to the laser beams along the joint 22 in a given direction and at a given speed during the welding process, as in any welding process. The device for welding may additionally contain a gauge for the thickness of the parts to be welded, a temperature gauge for the heating zone.

Лазерные лучи располагаются на поверхности свариваемых деталей так как показано на Фиг. 4: два основных лазерных луча 12 и 13 расположены так, что лазерный луч 12 создает ванну 14 расплава на свариваемой детали 10, а лазерный луч 13 создает ванну расплава 15 на свариваемой детали 11. Дополнительный лазерный луч 16, предназначенный для предварительного нагрева располагается на стыке свариваемых деталей 10 и 11. В зависимости от толщины свариваемых деталей большая часть 17 пятна лазерного луча 16 может направляться на деталь большей толщины (в примере на Фиг. 4 это деталь 10), а меньшая часть 18 пятна лазерного луча 16 направляется на деталь меньшей толщины (на Фиг. 4 - на деталь 11). Таким образом обеспечивается распределение мощности лазерного луча 16. Стрелкой показано направление движения средства перемещения свариваемых деталей.Laser beams are located on the surface of the parts to be welded, as shown in Fig. 4: the two main laser beams 12 and 13 are positioned so that the laser beam 12 creates a pool of melt 14 on the part to be welded 10, and the laser beam 13 creates a pool of melt 15 on the part to be welded 11. An additional laser beam 16 for preheating is located at the joint welded parts 10 and 11. Depending on the thickness of the parts to be welded, a large part 17 of the spot of the laser beam 16 can be directed to a part of greater thickness (in the example in Fig. 4 this is part 10), and a smaller part 18 of the spot of the laser beam 16 is directed to a part of a smaller thickness (in Fig. 4 - on item 11). This ensures the distribution of the power of the laser beam 16. The arrow shows the direction of movement of the means for moving the parts to be welded.

Полезная модель осуществляется следующим образом.The utility model is implemented as follows.

Средство перемещения свариваемых деталей перемещает по программе от контроллера управления свариваемые детали 10 и 11 в начальное положение формирования сварного шва на стыке 22 деталей. Программа также содержит данные о толщине свариваемых деталей. Многолучевой лазер генерирует три лазерных луча 12, 13 и 16 с малой мощностью, которые управляемым телескопом (средством изменения относительного расположения пятен нагрева и их размеров в зоне сварки на поверхности свариваемых деталей, размещенном в многолучевом лазере) устанавливаются в требуемое положение таким образом, что два основных луча будут осуществлять сварку, а третий луч будет осуществлять предварительный нагрев свариваемых деталей. После этого в многолучевом лазере устанавливается требуемая величина мощности каждого луча, средство перемещения начинает приводить в движение свариваемые детали и начинается процесс сварки.The means for moving the welded parts moves the welded parts 10 and 11 according to the program from the control controller to the initial position of the formation of the weld at the junction 22 of the parts. The program also contains data on the thickness of the parts to be welded. The multibeam laser generates three laser beams 12, 13 and 16 with low power, which are set to the required position by a controlled telescope (by changing the relative location of the heat spots and their sizes in the welding zone on the surface of the parts to be welded, placed in the multibeam laser) in such a way that two the main beam will carry out welding, and the third beam will carry out preheating of the parts to be welded. After that, the required value of the power of each beam is set in the multibeam laser, the moving means begins to set the parts to be welded in motion, and the welding process begins.

Таким образом, способ трехлучевой лазерной сварки позволяет обеспечивать оптимальное расположение и мощность каждого из трех лазерных пучков в зависимости от толщины свариваемых деталей и получение качественного сварного шва.Thus, the method of three-beam laser welding makes it possible to ensure the optimal location and power of each of the three laser beams, depending on the thickness of the parts to be welded, and to obtain a high-quality weld.

Claims (1)

Устройство для лазерной сварки, содержащее источник трехлучевого лазерного излучения, связанное с ним устройство управления лазерным излучением, отличающееся тем, что упомянутое устройство управления лазерным излучением содержит установленные в корпусе три первичных вогнутых зеркала и три вторичных вогнутых зеркала, каждое из которых с пьезоэлектрическим актуатором, при этом упомянутые вогнутые первичные зеркала установлены с возможностью направления лазерного излучения на соответствующее вторичное вогнутое зеркало и с возможностью перемещения посредством соответствующих пьезоэлектрических актуаторов вдоль осей Х1i, ортогональных осям Y1i и Z1i системы координат, и с возможностью поворота вокруг осей Y1i и Z1i, а упомянутые вторичные вогнутые зеркала установлены с возможностью поворота посредством соответствующих пьезоэлектрических актуаторов вокруг осей Y2i и Z2i системы координат.A device for laser welding, containing a source of three-beam laser radiation, a laser radiation control device associated with it, characterized in that said laser radiation control device contains three primary concave mirrors installed in the housing and three secondary concave mirrors, each with a piezoelectric actuator, with in this case, said concave primary mirrors are installed with the possibility of directing laser radiation to the corresponding secondary concave mirror and with the possibility of moving by means of the corresponding piezoelectric actuators along the axes X1i, orthogonal to the axes Y1i and Z1i of the coordinate system, and with the possibility of rotation around the axes Y1i and Z1i, and the mentioned secondary concave the mirrors are rotatable by means of respective piezoelectric actuators about the axes Y2i and Z2i of the coordinate system.

Images