CN102528283A - 一种光纤传输激光器焊接头 - Google Patents

Abstract

本发明涉及激光焊接设备，具体地说是一种光纤传输激光器焊接头，包括光纤连接机构、激光光学准直机构、激光光学聚焦机构、激光光学保护镜机构及防飞溅保护气机构，激光光学准直机构的一端与光纤连接机构螺纹连接，另一端与激光光学聚焦机构的一端相连，激光光学聚焦机构的另一端连接有激光光学保护镜机构，在激光光学保护镜机构的下方设有防飞溅保护气机构；光纤连接机构发出的发散焊接激光光束通过激光光学准直机构中的准直镜变为平行光束，平行光束通过激光光学聚焦机构中的聚焦镜聚焦成光斑，光斑通过激光光学保护镜机构中的保护镜照射到被焊材料上。本发明具有焊接效果好、保护镜可快速更换、光学镜片不会被污染等优点。

Description

一种光纤传输激光器焊接头

技术领域

本发明涉及激光焊接设备，具体地说是一种光纤传输激光器焊接头。

背景技术

激光焊接是一种新的焊接工艺。所谓的激光焊接就是将高强度的激光束辐射至金属表面，通过激光与金属的相互作用，使金属熔化形成焊接。在激光与金属的相互作用过程中，金属熔化仅为其中一种物理现象。激光焊接按其焊接功率密度(即激光器输出功率除以光斑面积)又分激光热传导焊接和激光深熔焊。

激光热传导焊接是激光束照射到工件表面，工件表面热量通过热转到向内部扩散，通过控制激光功率等参数，使工件熔化，形成特定的熔池，随着熔池的移动，熔池后的熔化金属迅速冷却，而形成焊接。

激光深熔焊即当激光光斑上的功率密度足够大的(＞106W/cm2)光束照射下，材料产生蒸发，形成小孔。这个充满蒸汽的小孔犹如一个黑体，几乎全部吸收入射光线的能量，孔腔内平衡温度达25000℃度左右。热量从这个高温孔腔外壁传递出来，使包围着这个孔腔的金属熔化。小孔内充满在激光光束照射下金属材料连续蒸发产生的高温蒸汽，小孔四壁包围着熔融金属，液态金属四周即围着固体材料。孔壁外液体流动和壁层表面张力与孔腔内连续产生的蒸汽压力相持并保持着动态平衡。光束不断进入小孔，小孔外材料在连续流动，随着光束移动，小孔始终处于流动的稳定态。就是说，小孔和围着孔壁的熔融金属随着前导光束前进速度向前移动，熔融金属填充进着小孔移开后留下的空隙并随之冷凝，焊缝于是形成。

本发明以激光焊接技术为理论依据，研制了光纤传输激光器焊接头。

发明内容

本发明的目的在于提供一种在焊接过程中实现合理有效激光焊接的光纤传输激光器焊接头。该激光器焊接头可进行多种合金各种形式的激光焊接。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

本发明包括光纤连接机构、激光光学准直机构、激光光学聚焦机构、激光光学保护镜机构及防飞溅保护气机构，其中激光光学准直机构的一端与光纤连接机构螺纹连接，另一端与激光光学聚焦机构的一端相连，激光光学聚焦机构的另一端连接有激光光学保护镜机构，在激光光学保护镜机构的下方设有防止焊接飞溅溅射到激光光学保护镜机构的防飞溅保护气机构；所述光纤连接机构发出的发散焊接激光光束通过激光光学准直机构中的准直镜变为平行光束，该平行光束通过激光光学聚焦机构中的聚焦镜聚焦成光斑，光斑通过激光光学保护镜机构中的保护镜照射到被焊材料上。

其中：在防飞溅保护气机构的下方螺纹连接有同轴焊保护气机构，该同轴焊保护气机构包括同轴设置的内套及外套，外套螺纹连接于内套的外部，内套为中空结构，在外套与内套之间留有锥环形空间，保护气由该锥环形空间的底部喷出；

所述防飞溅保护气机构的侧壁上安装有侧向焊接保护气机构，该侧向焊接保护气机构包括固定块及保护器喷嘴，其中保护器喷嘴的一端通过固定块安装在防飞溅保护气机构上，另一端向焊接接缝弯折；所述保护器喷嘴的一端接有保护气气源；

所述激光光学准直机构包括第一连接法兰、准直主体外套、准直主体内套、准直镜镜座、准直镜、镜座调整环及连接座，其中第一连接法兰固接在准直主体外套的顶端，光纤连接机构安装在第一连接法兰上；所述准直主体内套螺纹连接于准直主体外套的内部，准直主体内套的底端与连接座螺纹连接，在准直主体外套与准直主体内套之间留有第一水冷腔；在准直主体内套内部螺纹连接有准直镜镜座，准直镜安装在准直镜镜座上、通过与准直主体内套螺纹连接的镜座调整环螺纹锁紧；

所述激光光学聚焦机构通过螺钉与激光光学准直机构相连，激光光学聚焦机构包括焊接头主体、聚焦镜镜座、聚焦镜及镜座锁紧环，其中焊接头主体内螺纹连接有水冷模块，聚焦镜镜座螺纹连接于水冷模块内，在水冷模块与聚焦镜镜座之间留有第二水冷腔；所述聚焦镜安装在聚焦镜镜座上，在聚焦镜镜座的下方螺纹连接有锁紧聚焦镜的镜座锁紧环；

所述激光光学保护镜机构通过螺钉与激光光学聚焦机构相连，激光光学保护镜机构包括保护镜上法兰、保护镜座、保护镜下法兰、锁紧环、压片及保护镜，其中保护镜上法兰通过螺钉与保护镜下法兰连接，保护镜座安装在保护镜下法兰上，所述保护镜放置在保护镜座上，保护镜通过其上方设置的螺纹连接于保护镜座上的锁紧环锁紧，在锁紧环与保护镜之间设有压片；保护镜上法兰与保护镜下法兰上分别设有便于更换保护镜的第一螺母及第二螺母；

所述防飞溅保护气机构通过螺钉与激光光学保护镜机构相连，防飞溅保护气机构包括第二连接法兰、防飞溅隔板及保护气出口，其中防飞溅隔板及保护气出口分别安装在第二连接法兰的外侧及内部。

本发明的优点与积极效果为：

1.本发明的焊接激光光斑能量分布均匀，焊接效果好。

2.本发明可在输入光纤直径确定时，选配不同规格的准直镜及聚焦镜，从而达到所需光斑大小。

3.本发明在激光光学准直机构及激光光学聚焦机构中分别设置了循环的水冷系统，避免了准直镜及聚焦镜因发生热透镜效应而导致焦点偏移。

4.本发明的激光光学保护镜机构中的保护镜可通过松开螺母快速插拔，便于快速更换。

5.本发明具有防飞溅保护气机构，避免了光学镜片在焊接时被飞溅的火星污染。

6.本发明还具有同轴焊保护气机构及侧向焊接保护气机构，焊接时对焊缝的保护效果好。

7.本发明适用范围广，可用于多种机床与机器人。

附图说明

图1为本发明的整体结构示意图；

图2为图1的侧视图；

图3为图1中激光光学准直机构的结构剖视图；

图4为图1中激光光学聚焦机构的结构剖视图；

图5为图1中激光光学保护镜机构的结构剖视图；

图6为图1中防飞保护气机构的结构剖视图；

图7为图1中同轴焊保护气机构的结构剖视图；

图8为图1中侧向焊接保护气机构的结构剖视图；

其中：1为光纤连接机构

2为激光光学准直机构，201为第一连接法兰，202为准直主体外套，203为准直主体内套，204为准直镜镜座，205为准直镜，206为镜座调整环，207为连接座，208为第一水冷腔；

3为激光光学聚焦机构，301为焊接头主体，302为聚焦镜镜座，303为聚焦镜，304为镜座锁紧环，305为第二水冷腔；

4为激光光学保护镜机构，401为保护镜上法兰，402为保护镜座，403为保护镜下法兰，404为锁紧环，405为压片，406为保护镜，407为第一螺母，408为第二螺母；

5为防飞溅保护气机构，501为第二连接法兰，502为防飞溅隔板，503为保护气出口；

6为同轴焊保护气机构，601为内套，602为外套，603为锥环形空间；

7为侧向焊接保护气机构，701为固定块，702为保护器喷嘴；

8为水冷系统，801为水冷模块。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详述。

如图1、图2所示，本发明包括光纤连接机构1、激光光学准直机构2、激光光学聚焦机构3、激光光学保护镜机构4、防飞溅保护气机构5、同轴焊保护气机构6、侧向焊接保护气机构7及水冷系统8，其中激光光学准直机构2的一端与光纤连接机构1螺纹连接，另一端与激光光学聚焦机构3的一端用内六角螺钉连接并用定位销定位，密封圈密封防止灰尘进入，激光光学聚焦机构3的另一端用内六角螺钉连接有激光光学保护镜机构4，在激光光学保护镜机构4的下方用内六角螺钉固接有防止焊接飞溅溅射到激光光学保护镜机构4的防飞溅保护气机构5，在防飞溅保护气机构5的下方螺纹连接有同轴焊保护气机构6，侧向焊接保护气机构7用内六角螺钉连接于防飞溅保护气机构5的侧壁上。光纤连接机构1发出的发散焊接激光光束通过激光光学准直机构2中的准直镜变为平行光束，该平行光束通过激光光学聚焦机构3中的聚焦镜聚焦成光斑，光斑通过激光光学保护镜机构4中的保护镜照射到被焊材料上。光纤连接机构1的工作情况决定了光纤输出激光器的输出光束方向是否偏斜，从而影响激光焊接的全过程；光纤连接机构1的主要功能是确保激光输出光纤插入机构后锁紧光纤并且使光纤输出光束与激光光学准直机构2同轴。

激光光学准直机构2的主要功能是把光纤输出的发散光束通过准直镜改变为平行光束，使激光束能量平均分布，以减少光学镜片热集中与热积累过大造成热透镜效应，并在激光光学准直光学镜组外加水冷装置，来防止热透镜效应的产生。如图3所示，激光光学准直机构2包括第一连接法兰201、准直主体外套202、准直主体内套203、准直镜镜座204、准直镜205、镜座调整环206及连接座207，其中第一连接法兰201通过内六角螺钉固接在准直主体外套2的顶端，光纤连接机构1螺纹连接在第一连接法兰201上；所述准直主体内套203螺纹连接于准直主体外套202的内部，准直主体内套203的底端与连接座207螺纹连接，在准直主体外套202与准直主体内套203之间留有第一水冷腔208，该第一水冷腔208为环形柱体，中间可注和冷却水，以冷却准直镜；在准直主体内套203内部螺纹连接有准直镜镜座204，准直镜205安装在准直镜镜座204上、通过与准直主体内套203螺纹连接的镜座调整环206螺纹锁紧。

激光光学聚焦机构3的主要功能是把激光光学准直机构2输出的平行光束通过聚焦镜聚焦成所需直径的光斑(即通过准直镜与聚焦镜的不同焦距配合来达到所需不同直径的光斑)。并在聚焦镜外加水冷系统，来防止热透镜效应的产生。如图4所示，激光光学聚焦机构3通过螺钉与激光光学准直机构2相连，激光光学聚焦机构3包括焊接头主体301、聚焦镜镜座302、聚焦镜303及镜座锁紧环304，其中焊接头主体301内螺纹连接有水冷模块801，聚焦镜镜座302螺纹连接于水冷模块801内，在水冷模块801与聚焦镜镜座302之间留有第二水冷腔305；所述聚焦镜303安装在聚焦镜镜座302上，在聚焦镜镜座302的下方螺纹连接有锁紧聚焦镜303的镜座锁紧环304。

激光光学保护镜机构4的主要功能是防止焊接飞溅溅射到聚焦镜。激光光学保护镜机构的光学保护镜装夹装置可快速换镜，快速插拔，以便于换光学保护镜。如图5所示，激光光学保护镜机构4包括保护镜上法兰401、保护镜座402、保护镜下法兰403、锁紧环404、压片405、保护镜406、第一螺母407及第二螺母408，其中保护镜上法兰401通过螺钉与保护镜下法兰403连接，保护镜座402安装在保护镜下法兰403上，所述保护镜406放置在保护镜座402上，保护镜406通过其上方设置的螺纹连接于保护镜座402上的锁紧环404锁紧，在锁紧环404与保护镜406之间设有压片405；保护镜上法兰401与保护镜下法兰403上分别设有便于更换保护镜的第一螺母407及第二螺母408，需要更换保护镜406时，松开第一螺母407和第二螺母408，即可快速地将保护镜406拉出，将新的保护镜插入后再拧紧第一螺母407和第二螺母408。

防飞溅保护气机构5的主要功能是防止焊接飞溅溅射到保护镜，避免保护镜造成损伤；具体方法为用0.6MPa～1.0MPa的干净压缩空气(无油、无水)，从保护气出口线型喷出，形成横向高速线型空气流以把飞溅物质吹散，防止焊接飞溅溅射到保护镜。如图6所示，防飞溅保护气机构5通过螺钉与激光光学保护镜机构4相连，防飞溅保护气机构5包括第二连接法兰501、防飞溅隔板502及保护气出口503，其中防飞溅隔板502及保护气出口503分别安装在第二连接法兰501的外侧及内部。

在防飞溅保护气机构5的下方螺纹连接有同轴焊保护气机构6，同轴焊保护气机构6的主要功能是保护焊接接缝位置的基体材料，在焊接过程中与空气中的氧气接触行成氧化物质，而造成焊接接缝位置的力学性能及抗腐蚀性能的下降；具体方法为用惰性气体从同轴保护气外套与同轴保护气内套之间形成锥环形空间喷出(压力0.1MPa～1.0MPa不等)，以隔绝空气中的氧气来达到保护焊接接缝不被氧化的目的。同轴保护气另一功能为在一个面内焊接时，焊接头任意方向焊接保护气均能有效保护焊缝，因为保护气输出方式为环形喷出。如图7所示，同轴焊保护气机构6包括同轴设置的内套601及外套602，外套602螺纹连接于内套601的外部，内套601为中空结构，在外套602与内套601之间留有锥环形空间603，保护气由该锥环形空间603的底部喷出。

防飞溅保护气机构5的侧壁上安装有侧向焊接保护气机构7，侧向焊接保护气机构7的主要功能是保护焊接接缝位置的基体材料，在焊接过程中与空气中的氧气接触行成氧化物质，而造成焊接接缝位置的力学性能及抗腐蚀性能的下降；具体方法为用惰性气体从保护气喷嘴喷出达到焊接焊缝以确保达到焊接位置。侧向焊接保护气机构方便配合不同焦距的焊接头，如不同焦距的焊接头只需要换不同长度的保护气喷嘴即可。如图8所示，侧向焊接保护气机构7包括固定块701及保护器喷嘴702，其中保护器喷嘴702的一端通过固定块701安装在防飞溅保护气机构5上，另一端向焊接接缝弯折；所述保护器喷嘴702的一端接有保护气气源。

本发明的水冷系统8是间接冷却激光光学镜片，使其不发生热透镜效应而导致焦点偏移。激光在透过激光光学聚焦镜时虽然大部分功率均被透过，但是还是有0.1％～2％的功率没有透过，而其热量的积累达到造成热透镜效应而导致焦点偏移时就影响焊接效果了，用水冷系统即可解决此现象；具体方法为通过图3中准直主体外套202与准直主体内套203形成的环形柱体空间(即第一水冷腔208)进行间接水冷准直镜205，通过图4中水冷模块801内的环形柱体空间(即第二水冷腔305)进行间接水冷聚焦镜303。

本发明的工作原理为：

由光纤连接机构1中的光纤输出激光器输出激光光束，该激光光束为发散光束，通过激光光学准直机构2中的准直镜205后变为平行光束；平行光束通过激光光学聚焦机构3中的聚焦镜303聚焦成所需直径的光斑，该光斑经过保护镜406后照射到被焊接材料上，进行焊接。

本发明系统主要技术参数指标：焊接头总重量＜8KG；承载最大激光功率：6KW；准直镜焦距：100mm～200mm；聚焦镜焦距：150mm～68mm；可配光纤直径：100μm～1000μm；防飞溅保护气压力＜1.0MPa；防飞溅保护气流量＜500L/min；冷却水流量＜2L/min；冷却水压力＜0.5Mpa；工作温度：5℃～55℃。

本发明的光纤连接机构为市购产品，购置于瑞典OPPOSKAND AB公司，型号为：D1-93983。

Claims (8)

1.一种光纤传输激光器焊接头，其特征在于：包括光纤连接机构(1)、激光光学准直机构(2)、激光光学聚焦机构(3)、激光光学保护镜机构(4)及防飞溅保护气机构(5)，其中激光光学准直机构(2)的一端与光纤连接机构(1)螺纹连接，另一端与激光光学聚焦机构(3)的一端相连，激光光学聚焦机构(3)的另一端连接有激光光学保护镜机构(4)，在激光光学保护镜机构(4)的下方设有防止焊接飞溅溅射到激光光学保护镜机构(4)的防飞溅保护气机构(5)；所述光纤连接机构(1)发出的发散焊接激光光束通过激光光学准直机构(2)中的准直镜变为平行光束，该平行光束通过激光光学聚焦机构(3)中的聚焦镜聚焦成光斑，光斑通过激光光学保护镜机构(4)中的保护镜照射到被焊材料上。

2.按权利要求1所述的光纤传输激光器焊接头，其特征在于：在防飞溅保护气机构(5)的下方螺纹连接有同轴焊保护气机构(6)，该同轴焊保护气机构(6)包括同轴设置的内套(601)及外套(602)，外套(602)螺纹连接于内套(601)的外部，内套(601)为中空结构，在外套(602)与内套(601)之间留有锥环形空间(603)，保护气由该锥环形空间(603)的底部喷出。

3.按权利要求1所述的光纤传输激光器焊接头，其特征在于：所述防飞溅保护气机构(5)的侧壁上安装有侧向焊接保护气机构(7)，该侧向焊接保护气机构(7)包括固定块(701)及保护器喷嘴(702)，其中保护器喷嘴(702)的一端通过固定块(701)安装在防飞溅保护气机构(5)上，另一端向焊接接缝弯折；所述保护器喷嘴(702)的一端接有保护气气源。

4.按权利要求1、2或3所述的光纤传输激光器焊接头，其特征在于：所述激光光学准直机构(2)包括第一连接法兰(201)、准直主体外套(202)、准直主体内套(203)、准直镜镜座(204)、准直镜(205)、镜座调整环(206)及连接座(207)，其中第一连接法兰(201)固接在准直主体外套(2)的顶端，光纤连接机构(1)安装在第一连接法兰(201)上；所述准直主体内套(203)螺纹连接于准直主体外套(202)的内部，准直主体内套(203)的底端与连接座(207)螺纹连接，在准直主体外套(202)与准直主体内套(203)之间留有第一水冷腔(208)；在准直主体内套(203)内部螺纹连接有准直镜镜座(204)，准直镜(205)安装在准直镜镜座(204)上、通过与准直主体内套(203)螺纹连接的镜座调整环(206)螺纹锁紧。

5.按权利要求1、2或3所述的光纤传输激光器焊接头，其特征在于：所述激光光学聚焦机构(3)通过螺钉与激光光学准直机构(2)相连，激光光学聚焦机构(3)包括焊接头主体(301)、聚焦镜镜座(302)、聚焦镜(303)及镜座锁紧环(304)，其中焊接头主体(301)内螺纹连接有水冷模块(801)，聚焦镜镜座(302)螺纹连接于水冷模块(801)内，在水冷模块(801)与聚焦镜镜座(302)之间留有第二水冷腔(305)；所述聚焦镜(303)安装在聚焦镜镜座(302)上，在聚焦镜镜座(302)的下方螺纹连接有锁紧聚焦镜(303)的镜座锁紧环(304)。

6.按权利要求1、2或3所述的光纤传输激光器焊接头，其特征在于：所述激光光学保护镜机构(4)通过螺钉与激光光学聚焦机构(3)相连，激光光学保护镜机构(4)包括保护镜上法兰(401)、保护镜座(402)、保护镜下法兰(403)、锁紧环(404)、压片(405)及保护镜(406)，其中保护镜上法兰(401)通过螺钉与保护镜下法兰(403)连接，保护镜座(402)安装在保护镜下法兰(403)上，所述保护镜(406)放置在保护镜座(402)上，保护镜(406)通过其上方设置的螺纹连接于保护镜座(402)上的锁紧环(404)锁紧，在锁紧环(404)与保护镜(406)之间设有压片(405)。

7.按权利要求6所述的光纤传输激光器焊接头，其特征在于：所述保护镜上法兰(401)与保护镜下法兰(403)上分别设有便于更换保护镜的第一螺母(407)及第二螺母(408)。

8.按权利要求1、2或3所述的光纤传输激光器焊接头，其特征在于：所述防飞溅保护气机构(5)通过螺钉与激光光学保护镜机构(4)相连，防飞溅保护气机构(5)包括第二连接法兰(501)、防飞溅隔板(502)及保护气出口(503)，其中防飞溅隔板(502)及保护气出口(503)分别安装在第二连接法兰(501)的外侧及内部。

Images