CN104325220A - 一种多功能激光复合加工设备及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多功能激光复合加工设备及方法，包括激光器、激光器控制模块、光纤、五轴机器人、随动装置、送丝机构、焊枪、激光头、工作台、底座；五轴机器人由运动X轴、运动Y轴、运动Z轴、机械手及旋转轴B轴和旋转轴C轴组成，旋转轴B轴和旋转轴C轴的电机固定连接。激光器控制模块控制激光切割步骤、激光焊接步骤、激光表面处理步骤，并通过控制激光器实现五轴机器人运动与控制激光加工。本设备具有保持工序集中、减少夹具数量及工件重装定位次数、提高加工精度、缩短周期、集激光切割、激光焊接与激光表面处理于一体，具有精密、转换效率高、光束质量好、速度快等优点，它的应用将有利于激光加工水平的提高。

Description

一种多功能激光复合加工设备及方法

技术领域

本发明涉及激光加工技术领域，尤其涉及一种多功能激光复合加工设备及方法。

背景技术

激光复合加工是指能够在一台激光加工设备上完成尽可能从毛坯到成品的多种加工要素的激光加工机床，是可以大大提高生产效率和加工精度，是目前复合激光加工设备发展的主流之一，主要激光打孔、激光切割、激光焊机与激光表面处理等加工。激光加工设备按加工方式分为激光焊接、激光切割、激光表面处理与3D打印等。德国通快公司开发高达12KW的多功能轴快流激光切割、焊接和表面处理设备，有力地推动了多功能激光的加工方法的发展，加工能力大大提高。

国内在激光加工的工艺与设备方面，电火花、等离子弧加工等传统的加工方法要求电极要求高、耗损大、周期长。随着激光器的光束质量和加工精度的提高，激光加工向着高精、复合加工领域发展，推动激光加工技术的发展。20世纪90年代后期出现由激光、电火花和超声波等特种加工方法，使激光复合加工技术成为激光加工的一个新热点。当前激光复合加工设备存在问题：集激光切割、激光焊接与表面处理加工的复合加工很少；现有的激光加工控制系统并不完善，对于复合加工难以实现。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点和不足，提供一种多功能激光复合加工设备及方法。其具有保持工序集中、集激光切割、焊接与激光表面处理等结合、提高工件加工精度、其热影响区和变形很小、缩短加工周期的复合加工一体的优势。

本发明通过下述技术方案实现：

一种多功能激光复合加工设备，其特征在于包括光纤激光器、激光器控制模块、光纤、五轴机器人、随动装置、送丝机构、焊枪、激光切割头、工作台、底座；

所述激光器、激光器控制模块、光纤、五轴机器人、机械手、随动装置、送丝机构、焊枪、激光切割头依次连接；

五轴机器人由运动X轴、运动Y轴、运动Z轴、机械手及旋转轴B轴和旋转轴C轴组成，旋转轴B轴和旋转轴C轴的电机固定连接，五轴机器人控制机械手运动；随动装置通过电容传感器控制激光切割头升降运动。

焊枪包括焊枪水冷系统。

采用上述多功能激光复合加工设备加工工件的方法，包括下述步骤：

激光器控制模块控制激光切割步骤、激光焊接步骤、激光表面处理步骤，并通过机械手与工作台的运动控制实现激光切割、焊接与表面处理加工。

所述激光切割步骤：

利用激光器的激光束照射工件，使被照射的材料迅速熔化达到燃点，通过随动装置实现运动Z轴的光束与材料相对移动，实现将工件割开。

所述激光焊接步骤：

利用激光器的脉冲先对材料进行区域加热，激光辐射的能量通过传导向材料的内部扩散，将材料溶化后形成熔池，实现工件的点焊与对焊。

所述激光表面处理步骤：

使用光纤激光束进行加热，使工件表面熔化成薄层，同时采用电镀方法把合金涂覆于工件表面，在光纤激光作用下使合金与基体金属充分融合。

本发明相对于现有技术，具有如下的优点及效果：

本设备及方法具有保持工序集中、减少夹具数量、减少工件重新安装定位次数、提高工件加工精度、缩短加工周期、集激光切割、激光焊接与激光表面处理复合加工一体的优势，具有精密加工、转换效率高、光束质量好、加工速度快、加工精度高等优点。

本设备及方法具有焊接工艺数据库、切割工艺数据库与表面处理数据库，可同时实现零件三维光纤激光切割与焊接，并具有示教编程功能，它的应用将有利于激光加工水平的提高。

附图说明

图1是本发明结构示意图

图2是本发明的激光加工方法示意图

图3是本发明的激光切割系统示意图

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步具体详细描述。

实施例

如图1所示。本发明一种多功能激光复合加工设备，包括激光器1、激光器控制模块2、光纤3、五轴机器人4、机械手5、随动装置6、送丝机构7、焊枪8、激光切割头9、工作台10、底座11；

所述激光器1、激光器控制模块2、光纤3、五轴机器人4、机械手5、随动装置6、送丝机构7、焊枪8、激光切割头9依次连接；

所述工作台10置于底座11上方，并与激光头9相对；

五轴机器人4由运动X轴、运动Y轴、运动Z轴及旋转轴B轴和旋转轴C轴组成，旋转轴B轴和旋转轴C轴的电机固定连接，五轴机器人控制机械手运动；随动装置通过电容传感器控制激光切割头升降运动。

焊枪8包括焊枪水冷系统。

如图2所示。工艺数据库包括切割工艺、切割参数、焊接工艺及焊接控制、激光表面处理工艺。本设备可根据用户的实际需要实现多功能加工。不同的轨迹进行示教编程，机器人的第五轴装载光纤激光头进行三维切割、焊接、与表面处理等。激光切割时，光纤激光头上配有随动装置与光路传输装置，利用光纤将激光传输到切割头，再利用聚焦系统进行聚焦。激光焊接时工作时采用一个五轴机器人4激光焊接头进行焊接。

如图2所示，激光器控制模块2是整个系统的指挥中心，为实现激光加工各项功能控制方式。激光器控制模块2控制激光切割、焊接、与激光表面处理，通过控制激光器与机器人与工作台的运动实现激光加工。激光头9通过光纤3连接。在激光加工过程中，分别调用对应的工艺数据库。复合式激光器能够自动地、快速进行激光保护气体和焦距调节。激光喷嘴输出激光切割和激光焊接所需的保护气体。

如图3所示，本设备激光器、随动装置，此外还包括套料软件、冷水机、辅助系统等。随动装置通过电容传感器实现，伺服电机控制实现激光头9与机械手5的运动。本设备的光路系统包括光束的直线传输通道、光束的折射部分和聚焦或发散系统。将激光束从激光器1输出窗口引导至加工工件表面，并在加工部位获得所需的光斑形状、尺寸及功率密度。激光切割配有自动套料软件，复杂工件整张板自动排料，可实现多工件同时切割，节省材料，实现零件三维光纤激光切割，并具有示教编程功能。

由于目前激光加工设备功能单一，利用本设备设计的多功能激光加工设备激光替代传统的激光切割与激光焊接。本设备能将激光切割、焊接与激光表面处理加工系统集成，具有精密加工、转换效率高、光束质量好、加工速度快、加工精度高等优点，它的应用将有利于激光加工水平的提高。

上述多功能激光复合加工设备加工工件的方法，具体如下：

激光器控制模块2控制激光切割步骤、激光焊接步骤、激光表面处理步骤，并通过机械手与工作台的运动控制实现激光切割、焊接与表面处理加工。

所述激光切割步骤：利用激光器1的激光束照射工件，使被照射的材料迅速熔化达到燃点，通过随动装置6实现运动Z轴的光束与材料相对移动，实现将工件割开。

所述激光焊接步骤：利用激光器1的脉冲先对材料进行区域加热，激光辐射的能量通过传导向材料的内部扩散，将材料溶化后形成熔池，实现工件的点焊与对焊。

所述激光表面处理步骤：使用光纤激光束进行加热，使工件表面熔化成薄层，同时采用电镀方法把合金涂覆于工件表面，在光纤激光作用下使合金与基体金属充分融合。采用激光快速工艺进行处理，达到很高的硬度和较好的热稳定性，提高表面的抗磨损与疲劳强度。

如上所述，便可较好地实现本发明。

本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种多功能激光复合加工设备，其特征在于包括光纤激光器、激光器控制模块、光纤、五轴机器人、随动装置、送丝机构、焊枪、激光切割头、工作台、底座；

所述激光器、激光器控制模块、光纤、五轴机器人、机械手、随动装置、送丝机构、焊枪、激光切割头依次连接；

五轴机器人由运动X轴、运动Y轴、运动Z轴、机械手及旋转轴B轴和旋转轴C轴组成，旋转轴B轴和旋转轴C轴的电机固定连接，五轴机器人控制机械手运动；随动装置通过电容传感器控制激光切割头升降运动。

2.根据权利要求1所述的多功能激光复合加工设备，其特征在于：焊枪包括焊枪水冷系统。

3.采用权利要求1或2所述多功能激光复合加工设备加工工件的方法，其特征在于包括下述步骤：

激光器控制模块控制激光切割步骤、激光焊接步骤、激光表面处理步骤，并通过机械手与工作台的运动控制实现激光切割、焊接与表面处理加工。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述激光切割步骤：

利用激光器的激光束照射工件，使被照射的材料迅速熔化达到燃点，通过随动装置实现运动Z轴的光束与材料相对移动，实现将工件割开。

5.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述激光焊接步骤：

利用激光器的脉冲先对材料进行区域加热，激光辐射的能量通过传导向材料的内部扩散，将材料溶化后形成熔池，实现工件的点焊与对焊。

6.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述激光表面处理步骤：

使用光纤激光束进行加热，使工件表面熔化成薄层，同时采用电镀方法把合金涂覆于工件表面，在光纤激光作用下使合金与基体金属充分融合。