CN103567636B - 一种同轴激光焊接工作头 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种适用于薄壁平面/曲面激光焊接以及激光热导焊工艺的可实现焊接效果各向同性的激光焊接工作头。该工作头具有独特的同轴焊接喷嘴设计，通过将焊接工作气体同激光束呈同轴状态输出至工件表面，达到同时控制光致等离子体和保护熔池的目的；其新颖的聚焦镜座体和紧凑宽幅面超音速气帘的设计，有效保证了聚焦镜长期稳定工作，保证了焊接质量的稳定性和可靠性，可很好满足薄壁平面/曲面及热导焊接工艺各向同性及焊接过程稳定性对焊接工作头的要求。本发明的设计合理、操作使用方便、可控制性好。

Description

一种同轴激光焊接工作头
技术领域
本发明涉及同轴激光工作头，适用于薄壁平面/曲面激光焊接以及激光热导焊工艺领域，尤其涉及一种同轴激光焊接工作头。
技术背景
激光焊接具有能量密度高、焊接速度快、工艺可控性好、接头性能好、焊接结构变形小等突出优点。根据焊接原理的不同，可分为激光热导焊和激光深熔焊接。激光热导焊主要依靠激光的热作用熔化金属，其工艺特点为熔池稳定、焊接深度及焊接速度不高；激光深熔焊接主要依靠高的激光能量密度在金属表面形成深熔小孔，其工艺特点为焊接速度快、焊接深宽比大，随着激光功率密度的增加焊接深度也随之增加，同时光致等离子体愈发严重。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，尤其在大量应用搭接焊接工艺的薄壁构件激光焊接制造领域中，更是大量取代电阻点焊工艺等传统焊接工艺。在薄壁构件激光焊接工艺中，其显著特点为焊缝深度不高(小于3mm)，焊缝位置为二维或三维空间曲面。在激光深熔焊接工艺中，保护喷嘴是用来控制光致等离子体及保护熔池的必要焊接部件。传统的旁轴保护喷嘴其喷嘴中心同激光轴心夹角一般为30°～50°，其所占空间较大，所以在曲面焊接或者狭窄空间焊接过程中，旁轴保护喷嘴同焊接压紧工装和其他相关结构部件容易发生尺寸干涉，而影响激光焊接工艺得可靠实施。另外，旁轴保护喷嘴的激光焊接工艺各向异性(激光热导焊和激光深熔焊)严重，不利于三维焊接工艺的稳定性和可靠性。
同轴焊接保护喷嘴由于其轴心同激光束为同轴结构，所以其在工件表面位置空间尺寸紧凑。另外，由于同轴焊接保护喷嘴光致等离子体控制气体及熔池保护气体同激光束为同轴关系，所以焊接效果具有各向同性的显著特点。随着激光焊接技术在薄壁构件及三维零件焊接制造中的不断推广应用，愈发需要研制焊接效果优异的同轴焊接工作头。为提高激光焊接技术的焊接质量，本发明提出一种同轴激光焊接工作头，该工作头能很好的保证了激光焊接工作中的同轴性并且拓宽了激光焊接技术的应用范畴。
发明内容
本发明目的在于提供一种同轴激光焊接工作头，该工作头可提供同轴保护效果适用于薄壁构件平面/曲面焊接、复杂工装系统及各向同性的激光焊接同轴工作头。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案为一种同轴激光焊接工作头，该激光焊接工作头由焊接头主体、柱面反射镜组件、聚焦镜组件、紧凑宽幅面超音速气帘、锁母、连接管、同轴焊接保护喷嘴组件、平面反射镜组件构成；光束传播及聚焦光路通过设计相关零部件尺寸，完成对入射准平行光的反射，并成形聚焦光束；焊接头主体的作用除了用来安装相关组件外，另一个作用是提供焊接工作头需要的压缩空气进口、焊接工作气进口、冷却水进口/出口；紧凑宽幅面超音速气帘的作用是在聚焦镜组件下方形成一个超音速气帘，以保护聚焦透镜不受焊接烟尘及飞溅的污染；聚焦镜组件除了聚焦激光束外，另一个作用是其将焊接工作头主体提供的压缩空气呈360°全角度输送至聚焦透镜表面，达到冷却聚焦透镜的目的，以消除焊接过程中由于热积累导致的热效应引起激光焦点位置变化而导致焊接工艺不稳定；连接管的作用是根据聚焦透镜焦距的尺寸需要固定同轴焊接保护喷嘴，并将焊接头主体提供的焊接工作气提供给同轴焊接保护喷嘴；同轴焊接保护喷嘴的作用是将焊接工作气均匀化并呈同激光束为同轴状态输送给焊接工件表面，达到控制光致等离子体和保护熔池的目的。
与传统激光焊接工作头相比，本发明具有以下优点：
1、聚焦镜组件利用光腔内的压缩空气对聚焦透镜进行全角度(360°)风冷，消除热效应对聚焦透镜输出焦距影响的作用。
2、同轴焊接保护喷嘴实现输出同激光束为非环形的同轴效果焊接工作气以达到同时控制光致等离子体和保护焊接熔池的作用。
3、紧凑宽幅面超音速气帘采用双进气通道以实现紧凑充气腔条件下宽幅面超音速均匀气帘输出的作用。
附图说明
图1为同轴焊接工作头结构示意图；
图2为同轴焊接工作头剖面图；
图3为同轴焊接工作头光路传输示意图；
图4为平面反射镜组结构示意图；
图5为柱面反射镜组结构示意图；
图6为聚焦镜组件结构示意图；
图7为紧凑宽幅面超音速气帘结构示意图；
图8为紧凑宽幅面超音速气帘中心剖视图；
图9为紧凑宽幅面超音速气帘A-A剖视图
图10为同轴焊接保护喷嘴结构示意图；
图11为气体均化件结构示意图；
图12为同轴焊接工作气输送示意图。
图中：1、焊接头主体2、柱面反射镜组件2-1、柱面反射镜2-2、柱面反射镜座3、聚焦镜组件3-1、聚焦镜安装座体上部3-1-1、压缩空气入孔3-1-2、聚焦镜冷却通孔3-2、聚焦镜安装座体下部3-2-1、环形腔3-2-2、聚焦镜组件安装下止口3-3、压环3-4、聚焦透镜4、紧凑宽幅面超音速气帘4-1、超音速气帘主体4-1-1、超音速气帘安装止口4-1-2、安装螺纹4-1-3、压缩空气入孔4-2、超音速气帘输出部件4-2-1、压缩空气通道4-2-2、拉法尔通道4-2-3、充气腔4-3、超音速气帘输出部件封盖5、锁母6、连接管6-1、焊接工作气输入通道6-2、疏散孔7、同轴焊接保护喷嘴7-1、气流分配均化管件7-1-1、整流环槽7-1-2、通气孔7-1-3、通气槽7-1-4、定位锥面7-2、同轴保护喷嘴7-2-1、喷嘴定位锥面7-2-2、同轴保护喷嘴通道7-2-3、保护喷嘴下端安装螺纹7-3、同轴保护喷嘴延长管8、平面反射镜组件8-1、平面反射镜8-2、平面反射镜座9、入射准平行光10、聚焦光束
具体实施方式
以下将结合附图及工作过程对本发明作进一步说明。
如图1所示为同轴焊接工作头结构示意图，图2为同轴焊接工作头剖面图，该同轴焊接工作头由焊接头主体1、柱面反射镜组件2、聚焦镜组件3、紧凑宽幅面超音速气帘4、锁母5、连接管6、同轴焊接保护喷嘴7、平面反射镜组件8构成；柱面反射镜组件2、平面反射镜组件8和聚焦镜组件3通过螺钉安装固定在焊接头主体1上；紧凑宽幅面超音速气帘4通过螺钉安装在聚集透镜组件3下方；锁母5将连接管6固定在超音速气帘4下方；同轴焊接保护喷嘴7通过连接螺纹安装在连接管6下部，保证同轴焊接保护喷嘴7的中心线同聚焦光束10中心线重合；入射准平行光9经过柱面反射镜组件2和平面反射镜组件8后形成聚焦光束10。
如图3所示为同轴焊接工作头光路传输示意图，图4为平面反射镜组结构示意图，图5为柱面反射镜组结构示意图，图6为聚焦镜组件结构示意图，入射准平行光9在经过柱面反射镜2-1和平面反射镜8-1后，垂直输入至安装在聚焦镜组件3中的聚焦透镜3-4表面，形成聚焦光束10，其中心线与聚焦透镜的中心线重合；聚焦后的聚焦光束10通过超音速气帘组件4，并在连接管6和同轴焊接保护喷嘴7的中心线传输，根据聚焦透镜3-4焦距参数，选择连接管6的长度尺寸，保证聚焦光束10焦点位于同轴焊接保护喷嘴7下端3～5mm处；通过锁母5将连接管6固定在超音速气帘4下方，并通过止口保证连接管6的中心线同聚焦镜组件3中聚集透镜3-4中心线重合；柱面反射镜2-2和平面反射镜8-2材质为无氧铜且表面镀金，并分别通过螺钉固定安装在柱面反射镜座2-1和平面反射镜座8-1上，同镜座接触良好；柱面反射镜座2-1和平面反射镜座8-1内部加工冷却通道，实施水冷；聚焦镜组件3作为同轴焊接工作头关键部件之一，镜座主体分为聚焦镜安装座体上部3-1和聚焦镜安装座体下部3-2，其中在聚焦镜安装座体上部3-1上加工有两处对称分布的压缩空气入孔3-1-1和呈激光束轴心均布的若干聚焦镜冷却通孔3-1-2，聚焦镜安装座体下部3-2加工有环形腔3-2-1；聚焦镜安装座体上部3-1和下部3-2通过焊接方式连接；连接后由压缩空气入孔3-1-1流入的洁净压缩空气流入环形腔3-2-1，并经同激光束中心线同心且均布的若干冷却通孔3-1-2输送至由压环3-3固定在聚焦透镜安装座上部3-1的聚焦透镜3-4下表面，达到冷却聚焦透镜的目的；压缩空气通过连接管6上的疏散孔6-2疏散，从而不影响安装在连接管6下端的同轴焊接保护喷嘴7输出的焊接工作气形态。
如图7所示为超音速气帘组件结构示意图，图8为超音速气帘中心剖视图，图9为超音速气帘A-A剖视图，由于超音速气帘的安装位置为紧贴聚焦透镜下方，超音速气帘的幅面W要大于原始光斑，为保证结构紧凑超音速气帘的充气腔尺寸范围不能过大，所以超音速气帘既要紧凑又要实现宽幅面输出超音速气帘的要求；超音速气帘主体4-1上的安装止口4-1-1和聚焦镜组件安装下止口3-2-2之间的配合，采用螺钉连接在聚焦镜组件3上，保证超音速气帘主体4-1下端的安装螺纹4-1-2的中心线同激光束输出中心线重合；在主体4-1上设置两处对称压缩空气入孔4-1-3，并通过压缩空气通道4-2-1输出至充气腔4-2-3，经过拉法尔通道4-2-2将由压缩空气通道4-2-1输入的压力值大于0.6MPa的压缩空气输出后变为超音速气帘，以达到吹出焊接烟尘和飞溅，达到保护聚焦透镜的目的；超音速气帘输出部件4-2通过螺钉固定在超音速气帘主体4-1上；将超音速气帘输出部件封盖4-3焊接在超音速气帘输出部件充气腔后端，达到密封充气腔目的；锁母5将连接管6固定在超音速气帘4的下方，锁母5和超音速气帘组件4的下端安装螺纹4-3同心配合精度，保证连接管6的中心线同聚焦光束10输出中心线重合；同轴焊接保护喷嘴7通过螺纹连接在连接管6下方，通过螺纹之间的同轴度保证同轴焊接喷嘴组件7中心线同激光束输出中心线重合。
如图10所示为同轴焊接保护喷嘴结构示意图，图11为气体均化件结构示意图，同轴焊接保护喷嘴7包括气流分配均化管件7-1、同轴保护喷嘴7-2，同轴保护喷嘴延长管7-3三个部件，且三者的中心线重合；分别加工整流环槽7-1-1、通气孔7-1-2、通气槽7-1-3用来将焊接工作气体均匀化并输送至同轴保护喷嘴；其中气流分配均化管件7-1下方的定位锥面7-1-4同同轴保护喷嘴7-2的喷嘴定位锥面7-2-1通过钎焊连接在一起，同轴保护喷嘴延长管7-3通过螺纹同同轴保护喷嘴7-2的连接螺纹7-2-3连接在一起。
如图12为同轴焊接工作气输送示意图，同轴焊接保护喷嘴7同连接管6之间的装配关系可如图所示，由连接管6中的导气管6-1输入的焊接工作气通过整流环槽7-1-1整流后，通过呈圆周均分的通气孔7-1-2及通气槽7-1-3后流入到同轴保护喷嘴7-2内，经同轴保护喷嘴延长管7-3输送至焊接工件表面；为了保证由同轴焊接保护喷嘴输出的工作气流态稳定，熔池保护效果好，同轴保护喷嘴7-2的长度H1同其直径D1比值大于等于4mm，并且D1大于等于6mm；保护喷嘴延长管7-3的输出直径D2大于等于0.6D1，并且其出口直段长度H3大于D2，保护喷嘴延长管通孔整体高度H2大于2H3，入口直径等于D1。
综上所述，本发明所述的一种可实现焊接工作气体同激光束呈同轴状态输出的焊接工作头，在聚焦镜组件、超音速气帘组件及同轴焊接保护喷嘴等方面进行了独特的设计，满足了薄壁平面/曲面及热导焊接工艺各向同性及焊接过程稳定性对焊接工作头聚焦透镜保护及焊接工作气体输出的要求。本发明的设计合理、操作使用方便、可控制性好。

Claims (4)

1.一种同轴激光焊接工作头，其特征在于：该同轴焊接工作头由焊接头主体、柱面反射镜组件、聚焦镜组件、紧凑宽幅面超音速气帘、锁母、连接管、同轴焊接保护喷嘴、平面反射镜组件构成；柱面反射镜组件、平面反射镜组件和聚焦镜组件通过螺钉安装固定在焊接头主体上；紧凑宽幅面超音速气帘通过螺钉安装在聚焦镜组件下方；锁母将连接管固定在紧凑宽幅面超音速气帘下方；同轴焊接保护喷嘴通过连接螺纹安装在连接管下部，保证同轴焊接保护喷嘴的中心线同聚焦光束中心线重合；入射准平行光经过柱面反射镜组件和平面反射镜组件后形成聚焦光束；
入射准平行光在经过柱面反射镜和平面反射镜后，垂直输入至安装在聚焦镜组件中的聚焦透镜表面，形成聚焦光束，其中心线与聚焦透镜的中心线重合；聚焦后的聚焦光束通过紧凑宽幅面超音速气帘，并在连接管和同轴焊接保护喷嘴的中心线传输，根据聚焦透镜焦距参数，选择连接管的长度尺寸，保证聚焦光束焦点位于同轴焊接保护喷嘴下端处；通过锁母将连接管固定在紧凑宽幅面超音速气帘下方，并通过止口保证连接管的中心线同聚焦镜组件中聚焦透镜中心线重合；柱面反射镜和平面反射镜材质为无氧铜且表面镀金，并分别通过螺钉固定安装在柱面反射镜座和平面反射镜座上，同镜座接触良好；柱面反射镜座和平面反射镜座内部加工冷却通道，实施水冷；聚焦镜组件作为同轴焊接工作头关键部件之一，镜座主体分为聚焦镜安装座体上部和聚焦镜安装座体下部，其中在聚焦镜安装座体上部上加工有两处对称分布的压缩空气入孔和呈激光束轴心均布的若干聚焦镜冷却通孔，聚焦镜安装座体下部加工有环形腔；聚焦镜安装座体上部和聚焦镜安装座体下部通过焊接方式连接；连接后由压缩空气入孔流入的洁净压缩空气流入环形腔，并经同激光束中心线同心且均布的若干冷却通孔输送至由压环固定在聚焦镜安装座体上部的聚焦透镜下表面，达到冷却聚焦透镜的目的；压缩空气通过连接管上的疏散孔疏散，从而不影响安装在连接管下端的同轴焊接保护喷嘴输出的焊接工作气形态。
2.根据权利要求1所述的一种同轴激光焊接工作头，其特征在于：紧凑宽幅面超音速气帘主体上的安装止口和聚焦镜组件安装下止口之间配合，采用螺钉连接在聚焦镜组件上，保证紧凑宽幅面超音速气帘主体下端的安装螺纹的中心线同激光束输出中心线重合；在紧凑宽幅面超音速气帘主体上设置两处对称压缩空气入孔，并分别通过对称分布的两处压缩空气通道输出至充气腔，经过拉法尔通道将由压缩空气通道输入的压力值大于0.6MPa的压缩空气输出后变为紧凑宽幅面超音速气帘，以达到吹出焊接烟尘和飞溅，达到保护聚焦透镜的目的；紧凑宽幅面超音速气帘输出部件通过螺钉固定在紧凑宽幅面超音速气帘主体上；将紧凑宽幅面超音速气帘输出部件封盖焊接在紧凑宽幅面超音速气帘输出部件充气腔后端，达到密封充气腔目的；锁母将连接管固定在紧凑宽幅面超音速气帘的下方，锁母和紧凑宽幅面超音速气帘的下端安装螺纹同心配合，保证连接管的中心线同聚焦光束输出中心线重合；同轴焊接保护喷嘴通过螺纹连接在连接管下方，通过螺纹之间的同轴度保证同轴焊接保护喷嘴中心线同激光束输出中心线重合；由于紧凑宽幅面超音速气帘的安装位置为紧贴聚焦透镜下方，紧凑宽幅面超音速气帘的幅面W要大于原始光斑，为保证结构紧凑超音速气帘的充气腔尺寸范围不能过大，所以紧凑宽幅面超音速气帘既要紧凑又要实现宽幅面输出超音速气帘的要求。
3.根据权利要求1所述的一种同轴激光焊接工作头，其特征在于：同轴焊接保护喷嘴包括气流分配均化管件、同轴保护喷嘴和同轴保护喷嘴延长管三个部件，且三者的中心线重合；分别加工整流环槽、通气孔、通气槽用来将焊接工作气体均匀化并输送至同轴保护喷嘴；其中气流分配均化管件下方的定位锥面同同轴保护喷嘴的喷嘴定位锥面通过钎焊连接在一起，同轴保护喷嘴延长管通过螺纹同同轴保护喷嘴的连接螺纹连接在一起。
4.根据权利要求3所述的一种同轴激光焊接工作头，其特征在于：由连接管中的导气管输入的焊接工作气通过整流环槽整流后，通过呈圆周均分的通气孔及通气槽后流入到同轴保护喷嘴内，经同轴保护喷嘴延长管输送至焊接工件表面；为了保证由同轴焊接保护喷嘴输出的工作气流态稳定，熔池保护效果好，同轴保护喷嘴通道的长度H1同其直径D1的比值大于1；保护喷嘴延长管的输出直径D2大于等于0.6D1，并且其出口直段长度H3大于D2，保护喷嘴延长管通孔整体高度H2大于2H3，入口直径等于D1。
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