CN104014932B - 一种激光焊接旋转侧吹保护气的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种激光焊接旋转侧吹保护气的装置，包括：步进电机(4)、电机座(2)、中心回转接头(1)、气嘴调节装置(6)、气嘴(7)、进气口(3)和出气口(5)，该侧吹装置直接安装于激光焊接头，工作过程中，步进电机(4)驱动的齿轮(9)驱动齿圈(8)旋转，齿圈(8)带动中心回转接头(1)的转动圈(13)旋转，从而带动通过气嘴调节装置(6)连接到转动圈(13)上的气嘴(7)同步旋转。本发明通过调整气嘴调节装置到确定侧吹方向并使得气嘴高度和角度在合适侧吹位置；通过预设保护气的侧吹方向，采用步进电机驱动中心回转接头旋转，实现通过气嘴调节装置连接到中心回转接头上的气嘴可以任意角度的旋转。

Description

一种激光焊接旋转侧吹保护气的装置及方法

发明领域

本发明涉及一种激光焊接旋转侧吹保护气的装置，尤其涉及激光焊接较复杂非规则曲线焊缝的装置。

背景发明

在激光焊接过程中，由于其高功率密度的输入使得材料表面局部剧烈蒸发汽化形成金属蒸汽，金属蒸汽进一步在高功率密度激光作用下发生电离形成光致等离子体，分布于小孔内外。孔外金属蒸汽/光致等离子体对入射激光的传播产生散射、反射和离焦等衰减影响，对入射激光产生屏蔽效应，影响激光焊接过程材料对激光能量的吸收以及激光焊接过程的稳定性，甚至造成焊接过程的中断，从而影响焊缝的熔深、导致气孔的产生和焊缝的成分组织等焊缝性能改变。

目前国内外研究学者针对激光焊接过程中等离子体的抑制消除进行了很多的研究，提出控制光致等离子体的方法主要包括：脉冲激光焊接法、激光尖峰焊接法、低压或真空焊接法、外加电磁场控制法和侧吹辅助气体法等，其中侧吹辅助气体的方法在实践中应用最为广泛。现有的激光焊接保护气的侧吹装置跟着焊接头一起运动，保护气的吹气方向相对焊接头始终保持不变。在焊接轨迹为直线时，保护气的吹气方向相对焊接轨迹是不变的。而实际生产中常常存在较复杂非规则曲线轨迹的激光焊接，用现有的激光焊接保护气的侧吹装置，常出现吹保护气方向相对焊接轨迹是改变的，焊缝容易被氧化，并且对孔外等离子体的抑制吹散控制作用改变，造成焊接过程不稳定，影响焊缝的熔深、气孔的形成等，不利于焊接的需要，导致焊缝性能降低；以及造成焊接表面气流紊流，形成飞溅，污染镜片等。

对于目前较复杂非规则曲线轨迹激光焊接，侧吹保护气的吹气方向相对焊接轨迹不变的方法。公开号为CN202701570U的“非规则曲线焊缝自动跟踪装置”的专利中提供了一种设置于焊接机机头支架上的非规则曲线焊缝自动跟踪装置，涉及到用于异形罐断面曲线环缝及曲线纵缝的焊接。但是此方法并不适用激光焊接，也不能使得侧吹气体相对焊缝保持不变。并且气压缸因长时间摩擦会导致密封不严，并且结构复杂，通用性差。

公开号为CN2818050Y的“二维复合曲线焊缝气体保护装置”的专利中提供了一种焊接二维复合曲线焊缝的保护拖罩，可以随二维复合曲线焊缝各段曲率半径的变化而变化，但此方法只是对焊缝进行保护，防止空气中氢、氮、氧等对焊缝的性能影响。并不能有效的抑制或者吹掉孔外金属蒸汽/等离子体。

公开号为CN102699532A的“激光焊接圆弧型产品的装置”的专利中，该方法在焊接台面上设有产品旋转台，使用伺服电机带动旋转，这种方法虽然能够使得侧吹气体吹气方向相对焊接轨迹保持不变。但是这种方法比较局限，只能适用于圆弧型产品的焊接，对于实际生产过程中较复杂非规则曲线轨迹的激光焊接，无法完成。以及公开号为CN202726317U的“保温杯杯口焊接装置”也是只适合于圆弧形产品的焊接。这类装置都是设计专用夹具及其旋转工作台，夹具设计首先存在设计周期长的问题，而且通用性差，设计制造夹具工作台价格昂贵。

公开号为CN101428369A的“可旋转的焊接头及焊接装置”的专利中，采用可旋转的焊接头使得焊接装置实现了空间轨迹曲线的焊接，但是由于焊接头内镜片聚焦以及镜片组和旋转装置的中心需要在同一轴线上，在空间轨迹曲线的焊接中，不停的旋转以及运动惯性导致的抖动使得三者难以在同一轴线上，导致激光聚焦存在问题，甚至使得激光传输方向发生改变，从而影响焊接的进行。而且即便是安装现有的侧吹装置还是不能满足保护气的侧吹方向保持不变。

因此目前，对于规则曲线的焊缝，例如直线焊缝和圆形焊缝，比较容易采用自动化设备，如通过夹具轨道的直线运动或者绕轴匀速转动实现。然而对于非规则曲线的焊接，现有的保护气的侧吹装置还没有可以使得吹气方向与非规则曲线的焊接轨迹始终保持一个确定值。因此为了避免侧吹保护气对孔外等离子体的抑制吹散控制作用改变，造成焊接过程不稳定，导致焊缝不同程度被氧化，影响焊缝的熔深、气孔的形成等，不利于焊接的需要，导致焊缝性能降低；以及造成焊接表面气流紊流，形成飞溅，污染镜片等，为了解决非规则曲线焊接过程中侧吹气体的问题，因此亟需发明一种激光焊接保护气的侧吹装置。

发明内容

本发明的目的是设计一种能够解决目前激光焊接较复杂非规则曲线轨迹的侧吹保护气装置，使得吹气方向相对焊接轨迹是不变的，达到有效的抑制吹散等离子体并且保护焊缝的效果。

本发明的技术方案是提供一种激光焊接旋转侧吹保护气的装置，包括：步进电机、电机座、中心回转接头、气嘴调节装置、气嘴、进气口和出气口，该侧吹装置直接安装于激光焊接头，其特征在于：

中心回转接头包括齿圈、环形气道、第一轴承、第二轴承、转动圈和固定圈；固定圈和电机座在工作过程中固定不动，进气口通过在电机座内部开设通道与中心回转接头的固定圈开设的通道连接，出气口与中心回转接头的转动圈连接，中心回转接头的转动圈和固定圈、电机座分别采用第一轴承与第二轴承连接，转动圈与齿圈固定连接，且转动圈外壁与齿圈圆环内壁接触；

工作过程中，步进电机驱动的齿轮驱动齿圈旋转，齿圈带动中心回转接头的转动圈旋转，从而带动通过气嘴调节装置连接到转动圈上的气嘴同步旋转。

进一步地，保护气体通过进气口经过电机座和固定圈的通气孔，进入固定圈上设置的环形气道，环形气道与出气口相通，保护气经过出气口后通过管路与气嘴相连，保护气从气嘴侧吹，进而有效抑制吹散等离子体以及保护焊缝。

进一步地，中心回转接头的转动圈与固定圈采用间隙配合，为保证气密性，采用旋转密封元件密封环形气道。

进一步地，气嘴通过气嘴调节装置调整高度和角度，其中气嘴调节装置，具有三维调节功能，能适应各种焊接实际情况。

进一步地，侧吹装置还包括光电开关和挡光片，当焊接结束需要回原点时，打开挡光片并旋转转动圈，当旋转转动圈回到原点时，由于挡光片开启，没有足够的光线反射回光电开关器件，使得光电开关状态发生变化。

本发明还提供了一种激光焊接旋转侧吹保护气的装置侧吹保护气的方法，其特征在于：

步骤1、装夹好工件，确定焊缝以及激光头的路径；

步骤2、通过气嘴调节装置预先调整侧吹气体气嘴的角度和高度，并依据激光头的路径以及激光头的运动参数，模拟焊接路径并采用单片机处理脉冲输出控制步进电机；

步骤3、开启保护气，保护气体通过进气口经过电机座和固定圈的通气孔，进入固定圈上的环形气道，经出气口送至气嘴后，侧吹形成保护；

步骤4、开启激光器，利用单片机控制的步进电机，步进电机驱动齿圈，从而保证喷嘴按照预定轨迹和角度侧吹保护气；

步骤5、当焊接结束后，关闭整个焊接设备，打开挡光片并旋转转动圈直到光电开关状态发生变化，确保侧吹装置回到原点；整个过程结束。

本发明的有益效果在于：

(1)本发明通过调整气嘴调节装置到确定侧吹方向并使得气嘴高度和角度在合适侧吹位置；通过预设保护气的侧吹方向，采用步进电机驱动中心回转接头旋转，实现通过气嘴调节装置连接到中心回转接头上的气嘴可以任意角度的旋转。

(2)本发明解决了现有的保护气的侧吹装置不能使得吹气方向与非规则曲线的焊接轨迹始终保持不变的问题。

(3)本发明的气嘴调节装置可以预先任意的调整侧吹气体气嘴的角度和高度，可以有效地保证焊接过程中削弱或抑制等离子体对激光的作用。提高激光焊接过程中对激光的利用率等。并且有效的保护焊缝，避免焊缝被氧化。

(4)本发明控制系统采用单片机控制系统，执行机构为步进电机，可以兼容多种自动化系统，如机器人，CNC系统等，扩展及安装方便，与各种自动化设备配合使用方便，只需有通用的接口输出即可，如串口，数字量I/O口，模拟量输出转速控制等，此发明设备与现有技术容易结合，具有通用性强、适用范围广等优点。例如在CNC系统中应用时，如需要走圆弧等路径，可以采用系统切线功能，单片机将CNC系统模拟量速度控制模式处理为控制步进电机脉冲输出，从而使步进电机带动侧吹装置按圆弧切线旋转，保证吹气效果。

(5)本发明的装置能任意角度无限旋转，且在旋转过程中气管不发生缠绕，气密性好。

(6)本发明操作方便，可以实现了侧吹的自动控制。

(7)本发明装置适应性强，既可用于激光焊接中保护气体的侧吹，也可以用于非激光焊接中气体的侧吹。

附图说明

图1是本发明所述激光焊接保护气的侧吹装置示意图；

图2是本发明所述激光焊接保护气的侧吹装置整体结构图；

图3是本发明所述中心回转接头结构图示意图；

图4是本发明所述激光焊接保护气的侧吹示意图；

图5是本发明所述回原点检测示意图。

其中：1-中心回转接头，2-电机座，3-进气口，4-步进电机，5-出气口，6-气嘴调节装置，7-气嘴，8-齿轮，9-齿轮，10-光电开关，11-挡光片，12-固定圈，13-转动圈，14-第二轴承，15-环形气道，16-旋转密封元件，17-第一轴承，18-气嘴高度，19-吹气方向，20-焊缝，21-焊缝切线方向，22-角度，23-光电开光器件。

具体实施方式

为令本发明专利的发明目的更加完整及清楚的揭露，结合附图对此发明兹于下详细说明。

如图1、图2所示，本发明的激光焊接旋转侧吹保护气的装置，直接安装于激光焊接头上。该装置包括步进电机4、电机座2、光电开关10、挡光片11、中心回转接头1、气嘴调节装置6、气嘴7、进气口3和出气口5等。

本发明中，电机座2固定安装在激光焊接头上，激光通过电机座2以及固定圈12中间的通孔作用在焊接工件，如图3所示，中心回转接头1包括环形气道15，轴承14，齿圈8，轴承17，转动圈13，旋转密封元件16，固定圈12。其中，固定圈12和电机座2在工作过程中固定不动，进气口3通过在电机座2内部开设通道与中心回转接头1的固定圈12开设的通道连接，出气口5与中心回转接头1的转动圈13连接，中心回转接头1的转动圈13和固定圈12、电机座2分别采用第一轴承17与第二轴承14连接，转动圈13与齿圈8固定连接，且转动圈13外壁与齿圈8圆环内壁接触。

工作过程中，步进电机4驱动的齿轮9驱动齿圈8旋转，齿轮8带动中心回转接头1的转动圈13旋转，从而带动通过气嘴调节装置6连接到转动圈13上的气嘴7同步旋转。

中心回转接头1的转动圈13与固定圈12采用间隙配合，为保证气密性，采用旋转密封元件16密封环形气道15。

保护气体通过进气口3经过电机座2和固定圈12的通气孔，进入固定圈12上设置的环形气道15，环形气道15与出气口5相通，保护气经过出气口5后通过管路与气嘴7相连，保护气从气嘴7侧吹，进而有效抑制吹除等离子体以及保护焊缝。

气嘴7通过气嘴调节装置6调整高度18和角度22，其中气嘴调节装置6，具有三维调节功能，能适应各种焊接实际情况。

如图5所示，本发明中为保证回原点功能，确定绝对位置，使用挡光片11，并采用光电开关器件23进行检测。当焊接结束需要回原点时，打开挡光片11并旋转转动圈13，当旋转转动圈13回到原点时，由于挡光片11开启，光电开光器件23没有足够的光束反射回来，使得光电开关10状态发生变化。从而可知回原点，确定绝对位置，如图5所示。绝对位置的确定使得气嘴7与激光头保持不变，简易了每次焊接工作前对气嘴7位置的测量工作。

为保证保护气的侧吹方向在焊接过程中保持不变，采用单片机控制系统。单片机将系统模拟量路径控制模式处理为控制步进电机脉冲输出，从而使步进电机4带动侧吹装置按照采集路径进行旋转。

其具体操作过程如下：

步骤1、装夹好工件，确定焊缝以及激光头的路径。

步骤2、通过气嘴调节装置6预先调整侧吹气体气嘴7的角度22和高度18，并依据激光头的焊接路径以及激光头的运动参数，模拟焊接路径并采用单片机处理，脉冲输出控制步进电机4。

步骤3、开启保护气，并封闭其他两个进气口3，如需使用混合气体保护以及控制混合气体比例，可以使用其他进气口3并封闭未使用的进气口3，通过气瓶流量控制阀控制气体的比例。保护气体通过进气口3经过电机座2和固定圈12的通气孔，进入固定圈12上的环形气道15，环形气道15与出气口5相通，保护气经过出气口5后，通过气嘴7侧吹形成保护。

步骤4、开启激光器，利用单片机控制的步进电机4，步进电机4驱动齿圈8，从而保证喷嘴按照预定焊缝20轨迹侧吹保护气；

在该步骤中，如保护气吹气方向19在焊缝20上的投影与焊缝切线方向21一致，且气嘴7需要走S型等路径，可采用单片机将路径模拟量处理为控制步进电机脉冲输出，使之达到切线功能；

如图4所示，在焊接过程中，预先处理输出的脉冲控制步进电机4驱动的齿轮9驱动齿圈8旋转，齿圈8带动中心回转接头1的转动圈13旋转，从而带动通过气嘴调节装置6连接到转动圈13上的气嘴7同步旋转，即单片机将路径模拟量处理为控制步进电机切线功能的脉冲输出，步进电机4通过中间传动装置，控制气嘴7的吹气方向19在焊缝20上的投影与焊缝切线方向21始终保持一致，另外，事先调节的气嘴7的高度18和角度22在整个过程中固定不变的，三个物理量都不变，从而使得吹气方向19始终与轨迹相切且保持固定的高度18和角度22，即吹气方向19与焊缝20曲线的轨迹始终保持不变。

步骤5、当焊接结束后，关闭整个焊接设备，打开挡光片11并旋转转动圈13直到光电开关10状态发生变化，可知回原点。整个过程到此结束。

如需要走圆弧等路径，可以采用系统切线功能，单片机将CNC系统模拟量路径控制模式处理为控制步进电机脉冲输出，从而使步进电机带动侧吹装置按圆弧切线旋转，保证吹气效果。

尽管参考附图详细地公开了本发明，但应理解的是，这些描述仅仅是示例性的，并非用来限制本发明的应用。本发明的保护范围由附加权利要求限定，并可包括在不脱离本发明保护范围和精神的情况下针对发明所作的各种变型、改型及等效方案。

Claims (5)

1.一种激光焊接旋转侧吹保护气的装置，包括：步进电机(4)、电机座(2)、中心回转接头(1)、气嘴调节装置(6)、气嘴(7)、进气口(3)和出气口(5)，侧吹保护气的装置直接安装于激光焊接头，其特征在于：

中心回转接头(1)包括齿圈(8)、环形气道(15)、第一轴承(17)、第二轴承(14)、转动圈(13)和固定圈(12)；固定圈(12)和电机座(2)在工作过程中固定不动，进气口(3)通过在电机座(2)内部开设通道与中心回转接头(1)的固定圈(12)开设的通道连接，出气口(5)与中心回转接头(1)的转动圈(13)连接，中心回转接头(1)的转动圈(13)和固定圈(12)、电机座(2)分别采用第一轴承(17)与第二轴承(14)连接，转动圈(13)与齿圈(8)固定连接，且转动圈(13)外壁与齿圈(8)圆环内壁接触；

工作过程中，步进电机(4)驱动的齿轮(9)驱动齿圈(8)旋转，齿圈(8)带动中心回转接头(1)的转动圈(13)旋转，从而带动通过气嘴调节装置(6)连接到转动圈(13)上的气嘴(7)同步旋转；

保护气体通过进气口(3)经过电机座(2)和固定圈(12)的通气孔，进入固定圈(12)上设置的环形气道(15)，环形气道(15)与出气口(5)相通，保护气经过出气口(5)后通过管路与气嘴(7)相连，保护气从气嘴(7)侧吹，进而有效抑制吹散等离子体以及保护焊缝。

2.根据权利要求1所述的激光焊接旋转侧吹保护气的装置，其特征在于：中心回转接头(1)的转动圈(13)与固定圈(12)采用间隙配合，为保证气密性，采用旋转密封元件(16)密封环形气道(15)。

3.根据权利要求1所述的激光焊接旋转侧吹保护气的装置，其特征在于：气嘴(7)通过气嘴调节装置(6)调整高度(18)和角度(22)，其中气嘴调节装置(6)，具有三维调节功能。

4.根据权利要求1所述的激光焊接旋转侧吹保护气的装置，其特征在于：侧吹保护气的装置还包括光电开关(10)和挡光片(11)，当焊接结束需要回原点时，打开挡光片(11)并旋转转动圈(13)，当旋转转动圈(13)回到原点时，由于挡光片(11)开启，没有足够的光线反射回光电开关器件(23)，光电开关(10)状态发生变化。

5.根据权利要求1所述激光焊接旋转侧吹保护气的装置侧吹保护气的方法，其特征在于：

步骤1、装夹好工件，确定焊缝以及激光头的路径；

步骤2、通过气嘴调节装置(6)预先调整侧吹气体气嘴(7)的角度(22)和高度(18)，并依据激光头的路径以及激光头的运动参数，模拟焊接路径并采用单片机处理脉冲输出控制步进电机(4)；

步骤3、开启保护气，保护气体通过进气口(3)经过电机座(2)和固定圈(12)的通气孔，进入固定圈(12)上的环形气道(15)，经出气口(5)送至气嘴(7)后，侧吹形成保护；

步骤4、开启激光器，利用单片机控制的步进电机(4)，步进电机(4)驱动齿圈(8)，从而保证喷嘴按照预定轨迹和角度侧吹保护气；

步骤5、当焊接结束后，关闭整个焊接设备，打开挡光片(11)并旋转转动圈(13)直到光电开关(10)状态发生变化，确保侧吹保护气的装置回到原点，整个过程结束。