CN100528454C - 一种激光焊接工作头 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种激光焊接工作头，属于激光材料焊接技术领域。包括焊接喷嘴(16)和焊接头(17)，其特征在于：还包括机架板(12)、静支撑板(7)、动支撑板(6)、导轨(10)、弹簧(9)、滑块(8)和压紧部件(3)、高度跟踪传感器(5)、高度跟踪参考面(4)、信号处理单元(14)、Z轴控制系统；其中，高度跟踪传感器(5)安装在静支撑板(7)的外侧，并位于安装在动支撑板(6)外侧的高度跟踪参考面的正上方。本发明的有益效果是，在激光焊接中，保证压紧部件(3)以恒定压力压紧工件，保证激光焊接喷嘴相对于工件表面相对位置恒定，保证激光焊接质量的可靠和稳定。

Description

一种激光焊接工作头

技术领域

本发明涉及一种激光焊接工作头，属于激光材料焊接技术领域。

背景技术

激光焊接具有能量密度高，焊接速度快，焊缝深宽比大，接头性能好，焊接结构变形小等突出优点。随着工业激光器发展，激光焊接技术得到了越来越广泛得应用。

激光焊接工艺要求在焊接过程中，要求将焊接工件良好地夹紧，才能保证焊接工艺稳定顺利进行。

工件夹紧装置一般安装在工件置放工作台面上，布置在被焊接部位两侧，将焊接工件压紧。这种装夹装置结构比较复杂，占据空间大。对于焊接工件表面有起伏不平整的情况，工装结构更加复杂。

为了保证焊接质量，激光焊接工艺对焊接头(包括送丝头、送粉头及气体保护头)轴线和激光束中心线的交点相对于焊接工件表面的相对位置有着较严格的要求，也就是要求在焊接过程中，焊接头轴线和激光束中心线的交点相对于焊接工件表面的相对位置应该保持不变。

如图1a所示，在激光焊接过程中，在焊接a点时，焊接头(包括送丝头、送粉头及气体保护头)末端距离工件表面距离为L1，其轴线和激光束中心线的交点在工件表面上，此时可以保证良好的焊接质量。

但是由于工件实际表面外轮廓曲线同理论外轮廓曲线发生偏差，在焊接b点时，焊接头(包括送丝头、送粉头及气体保护头)末端距离工件表面距离为L2，如图1b所示，L2＞L1，即焊接头(包括送丝头、送粉头及气体保护头)轴线和激光束中心线的交点位于高于工件表面距离d处，如果d过大(例如d＞1mm)，就会严重影响焊接质量，或导致激光焊接无法完成。

激光焊接中，焊接头一般是固定在机床Z轴或机器手上，所以在将工件通过工装系统固定在工件置放平台上的同时，要求激光焊接设备运行程序要根据焊接工件在高度方向上轮廓曲线的位置变化进行相应的调整和修正，才可以保证焊接头末端(包括送丝头、送粉头及气体保护头)距离工件表面距离不变，也就是令其轴线和激光束中心线的交点始终位于焊接工件表面处，才可以保证焊接工艺的稳定性和可靠性。但是由于焊接工件表面变形的不规则性，通过激光焊接设备控制焊接头(包括送丝头、送粉头及气体保护头)，令其末端距离工件表面距离不变，是件非常困难和繁琐的工作。

发明内容

本发明目的是提供一种集成工件压紧力跟踪及焊接喷嘴高度跟踪性能的一体化的激光焊接工作头。

本发明采用的具体技术方案参见图3，包括焊接喷嘴16和焊接头17，还包括机架板12、静支撑板7、动支撑板6、导轨10、弹簧9、滑块8、压紧部件3、高度跟踪传感器5、高度跟踪参考面4、信号处理单元14和Z轴控制系统15；其中，焊接头17连接在机架板12上，焊接头17的轴线同激光传输轴线重合，机架板12同Z轴传动轴18连接在一起，静支撑板7分布于焊接头17两侧，安装在机架板12上，静支撑板内侧安装导轨10，弹簧9安装在导轨10上，滑块8安装在导轨10的底部，弹簧9套在导轨10顶部与滑块8之间的导轨部分外周，动支撑板6安装在滑块8上，压紧部件连接板20安装在动支撑板6底部，压紧部件3安装在压紧部件连接板20底部；静支撑板7、导轨10、动支撑板6均与焊接头17的轴线平行且竖直设置，高度跟踪传感器5安装在静支撑板7的外侧，高度跟踪参考面4安装在动支撑板6的外侧，高度跟踪传感器5在高度跟踪参考面4的正上方，高度跟踪传感器5通过信号传输线13同信号处理单元14连接，信号处理单元14同Z轴控制系统15相连接，信号处理单元14将高度跟踪传感器5检测到的高度跟踪传感器5末端同高度跟踪参考面4之间电容变化量转换为模拟电压变化量，传输给Z轴控制系统15，Z轴控制系统15根据模拟电压变化量进行闭环负反馈处理，控制Z轴做出相应上下补偿运动，焊接喷嘴支撑板19安装在静支撑板7上方或者安装在动支撑板6上，焊接喷嘴16安装在焊接喷嘴支撑板19上。

本发明利用激光切割系统中使用的高度跟踪传感器作为焊接工作头的高度跟踪传感器5。

所述的高度跟踪参考面4安装在动支撑板6外侧，并在高度跟踪传感器传感方向上连续可调。

所述的压紧部件3同压紧部件连接板20之间通过螺栓刚性固定连接，螺栓的材料为树脂。

所述的压紧部件3在焊接喷嘴16左右或前后对称分布。

进行一维焊接时候，所述的压紧部件3为滚轮。

进行二维或三维焊接时，所述的压紧部件3为压紧滚球。

本发明采取高度跟踪传感装置，在保证对焊接区域恒定压紧力的同时，如图2a和图2b所示，在焊接a点和b点时，使L2′＝L1′，保证焊接喷嘴(包括送丝喷嘴、送粉喷嘴及气体保护喷嘴)末端距离工件表面距离不变，即其轴线和激光束中心线的交点始终位于焊接工件表面处，则焊接喷嘴(包括送丝喷嘴、送粉喷嘴及气体保护喷嘴)轴线和激光束中心线的交点始终位于焊接工件表面处，可以保证激光焊接的稳定进行。

本发明对焊接工件压紧效果良好，保证激光焊接质量的可靠和稳定。

附图说明

图1a和图1b为焊接喷嘴高度变化对焊接工艺影响示意图。

图2a和图2b为焊接喷嘴高度不变对焊接工艺影响示意图。

图3为激光焊接工作头结构示意图。

图4为激光焊接工作头工作原理图，当焊接喷嘴支撑板19安装在静支撑板7上。

图5为激光焊接工作头工作原理图，当焊接喷嘴支撑板19安装在动支撑板6上。

其中：

1、下工件 2、上工件 3、压紧部件 4、高度跟踪参考面 5、高度跟踪传感器 6、动支撑板 7、静支撑板 8、滑块 9、弹簧 10、导轨 11、聚焦境 12、机架板 13、信号传输线 14、信号处理单元 15、Z轴控制系统 16、焊接喷嘴 17、焊接头 18、Z轴传动轴 19、焊接喷嘴支撑板 20、压紧部件安装板 21、焊缝 22、工件 23、激光束。

具体实施方式

下面结合附图，详细说明本发明的实施例。

实施例1

本发明的实施例1结构示意图如图3所示，焊接工作头包括焊接喷嘴16、焊接头17、机架板12、静支撑板7、动支撑板6、导轨10、弹簧9、滑块8、压紧部件3、高度跟踪传感器5、高度跟踪参考面4、信号处理单元14、Z轴控制系统；其中：焊接头17安装在机架板12上，其轴线同激光传输轴线重合，机架板12同Z轴传动轴18连接在一起，静支撑板7分布于焊接头17两侧，安装在机架板12上，静支撑板内侧安装导轨10，弹簧9安装在导轨10上，滑块8安装在导轨10的底部，弹簧9套在导轨10顶部与滑块8之间的导轨部分外周，动支撑板6安装在滑块8上，压紧部件连接板20安装在动支撑板6底部，压紧部件3安装在压紧部件连接板20底部，静支撑板7、导轨10、动支撑板6均与焊接头17的轴线平行且竖直设置，高度跟踪传感器5安装在静支撑板7的外侧，高度跟踪参考面4安装在左侧动支撑板6的外侧，高度跟踪传感器5位于高度跟踪参考面4的正上方，高度跟踪传感器5通过信号传输线13同信号处理单元14连接，信号处理单元14同Z轴控制系统15相连接，信号处理单元14将高度跟踪传感器5检测到的高度跟踪传感器5末端同高度跟踪参考面4之间电容变化量转换为模拟电压变化量，传输给Z轴控制系统15，Z轴控制系统15根据模拟电压变化量进行闭环负反馈处理，控制Z轴做出相应上下补偿运动，焊接喷嘴支撑板19安装在静支撑板7上，焊接喷嘴16安装在焊接喷嘴支撑板19上。

焊接工作头工作原理如图4所示，H1为焊接机床由非工作状态到工作状态时，机床Z轴传动轴18向下移动距离。H2为焊接机床不工作时，高度跟踪传感器5下端面同高度跟踪参考面4之间的距离。H3为焊接机床不工作时，压紧部件3下表面同焊接上工件2之间的距离。H4为焊接机床工作时，高度跟踪传感器5下端面同高度跟踪参考面4之间的距离。L2为焊接机床不工作时，焊接喷嘴16末端位置同压紧部件3下表面之间的距离。L4为焊接机床工作时，焊接喷嘴16末端位置同压紧部件3下表面(焊接工件上表面)之间的距离。在焊接机床工作时，通过机床控制系统，高度跟踪传感器5实时检测由于H4数值变化引起的高度跟踪传感器5下端面同高度传感参考面4之间的电容量变化情况，并将检测到的电容变化信号传送给信号处理单元14，信号处理单元14将电容变化量转换为模拟电压变化量，传输给Z轴控制系统15，Z轴控制系统15根据模拟电压变化量进行闭环负反馈处理，控制Z轴做出相应上下补偿运动，调节Z轴传动轴17做出相应的补偿运动，使得高度跟踪传感器5端部同高度跟踪参考面4之间的相对距离H4恢复到传感系统设定的校准值，保持H4数值恒定不变。

这样就保证焊接工作头工作时，压紧部件3接触焊接上工件2后，向下压紧运动距离(H2-H4)恒定。因为弹簧9压缩量(h1-h2)＝(H2-H4)，所以压紧部件3在焊接过程中作用于被焊接上工件2的压紧力F＝δ(h1-h2)恒定。

激光焊接喷嘴16末端相对于上工件2表面的位置L4＝L2-(H2-H4)，L2为焊接头机构设定定值，所以在焊接机床工作时候，焊接喷嘴16末端位置相对于上工件2表面的位置恒定不变。

H3为焊接机床不工作时，焊接工作头压紧部件3下表面同焊接上工件2之间的距离，该数值可以反映焊接工件表面形貌特征。

由以上推算可知，在焊接过程中，焊接工作头对上工件2的压紧力和焊接喷嘴16末端位置同H3无关，也就是在焊接工件表面有起伏不平的情况下，压紧部件3对焊接上工件2表面的压紧力和焊接喷嘴16末端位置同上工件2表面相对位置保持恒定。

所以本发明可以保证在焊接过程中，具有压紧力和焊接喷嘴高度跟踪的性能。

另外，根据不同焊接工件需要的压紧力大小，调节弹簧9的机械性能指标δ或(H2-H4)的数值及弹簧9同滑块8的预紧力，可以保证在焊接过程中焊接下工件1和上工件2可以很好地压紧，且不发生塑性变形。保证焊缝21的良好形成。

实施例2

本发明的实施例2参见图3，实施例2结构同实施例1，不同的是焊接喷嘴支撑板19安装在动支撑板6上。其工作原理图如图5所示，由于焊接喷嘴支撑板19安装在动支撑板6上，所以焊接喷嘴16同压紧部件3下底面的相对位置保持不变，即L2＝L4，同可以反映焊接工件表面形貌特征的H3无关。由于高度跟踪传感器5可以保证焊接过程中压紧部件3底部始终位于上工件2表面，也就是保证焊接过程中焊接喷嘴16相对于上工件2表面始终不变，从而保证焊接过程中，焊接工作头对工件保持恒定压紧力的同时，保证焊接喷嘴16相对于焊接工件表面的相对位置恒定。

本发明的有益效果是，通过采用高度跟踪传感器的高度跟踪功能，在激光焊接过程中，保证焊接工作头的压紧部件以恒定的压力压紧焊接工件，同时保证激光焊接喷嘴相对于焊接工件表面的相对位置恒定。配合激光聚焦系统、焊接熔池保护系统，焊接保护系统的使用，选择合适的焊接工艺，保证激光焊接工艺的稳定性和可靠性。相比传统的焊接工作头和装夹机构，这种焊接工作头的功能更为有效和显著，机构结构更加紧凑实用。

本发明是一种设计原理合理，运行可靠的激光焊接工作头结构。

Claims (7)

1、一种激光焊接工作头，包括焊接喷嘴(16)和焊接头(17)，其特征在于：还包括机架板(12)、静支撑板(7)、动支撑板(6)、导轨(10)、弹簧(9)、滑块(8)、压紧部件(3)、高度跟踪传感器(5)、高度跟踪参考面(4)、信号处理单元(14)和Z轴控制系统(15)；其中，焊接头(17)连接在机架板(12)上，焊接头(17)的轴线同激光传输轴线重合，机架板(12)同Z轴传动轴(18)连接在一起，静支撑板(7)分布于焊接头(17)两侧，安装在机架板(12)上，静支撑板内侧安装导轨(10)，弹簧(9)安装在导轨(10)上，滑块(8)安装在导轨(10)的底部，弹簧(9)套在导轨(10)顶部与滑块(8)之间的导轨部分外周，动支撑板(6)安装在滑块(8)上，压紧部件连接板(20)安装在动支撑板(6)底部，压紧部件(3)安装在压紧部件连接板(20)底部，静支撑板(7)、导轨(10)、动支撑板(6)均与焊接头(17)的轴线平行且竖直设置，高度跟踪传感器(5)安装在静支撑板(7)的外侧，高度跟踪参考面(4)安装在动支撑板(6)的外侧，高度跟踪传感器(5)在高度跟踪参考面(4)的正上方，高度跟踪传感器(5)通过信号传输线(13)同信号处理单元(14)连接，信号处理单元(14)同Z轴控制系统(15)相连接，信号处理单元(14)将高度跟踪传感器(5)检测到高度跟踪传感器(5)末端同高度跟踪参考面(4)之间电容变化量转换为模拟电压变化量，传输给Z轴控制系统(15)，Z轴控制系统(15)根据模拟电压变化量进行闭环负反馈处理，控制Z轴做出相应上下补偿运动，焊接喷嘴支撑板(19)安装在两块静支撑板(7)上方或者安装在动支撑板(6)上，焊接喷嘴(16)安装在焊接喷嘴支撑板(19)上。

2、根据权利要求1所述的一种激光焊接工作头，其特征在于：所述的高度跟踪传感器(5)利用激光切割系统中使用的高度跟踪传感器。

3、根据权利要求1所述的一种激光焊接工作头，其特征在于：高度跟踪参考面(4)安装在动支撑板(6)外侧，并在高度跟踪传感器传感方向上连续可调。

4、根据权利要求1所述的一种激光焊接工作头，其特征在于：压紧部件(3)同压紧部件连接板(20)之间通过螺栓刚性固定连接，螺栓的材料为树脂。

5、根据权利要求1所述的一种激光焊接工作头，其特征在于：压紧部件(3)在焊接喷嘴(16)的左右或前后两侧对称分布。

6、根据权利要求1或5所述的一种激光焊接工作头，其特征在于：进行一维焊接时候，压紧部件(3)为滚轮。

7、根据权利要求1或5所述的一种激光焊接工作头，其特征在于：在进行二维或三维焊接时，压紧部件(3)为压紧滚球。

Images