CN104708204A - 一种激光-电弧复合焊枪 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种激光-电弧复合焊枪，其特征在于：该焊枪分别采用三个用步进电机或伺服电机驱动的滚珠丝杆直线导轨机构使激光焦点与电弧电极的空间位置可以沿x、y、z三个直角坐标轴方向精确调节，同时采用一个用步进电机或伺服电机驱动的齿轮副旋转调节机构使得电弧电极围绕激光束轴线在360°范围内自由旋转。此外，该复合焊枪通过加装通以高频交变电流的电磁防飞溅装置，实现利用磁场与涡流之间的相互作用力控制焊接飞溅的运动路径，可以显著降低焊接飞溅对激光光学系统及电弧焊枪保护系统的污染。通过上述结构设计，使得本发明所述的复合焊枪能够满足复杂零件高效数字化焊接以及复杂零件增材制造的需求。

Description

一种激光-电弧复合焊枪
技术领域
本发明属于材料加工技术领域，具体的说是涉及一种激光-电弧复合焊枪。
背景技术
随着工业领域对减重与强度要求的日益提高，复杂结构件或大型结构件的比例越来越高，例如船舶曲面分段骨材、飞机“三明治”结构板材等等的应用越来越多。在复杂零件制造中，焊接和3D增材制造技术成为今后主要的加工手段。鉴于激光-电弧复合热源具有高效率、高性能、高自动化等特征，因此其在焊接和3D增材制造领域具有广阔的应用前景。但是，在激光-电弧复合焊接或者3D增材制造中，需要根据复杂零件的加工轨迹实时调整激光焦点和电弧电极空间姿态。同时，焊接过程中不可避免会产生大量金属颗粒飞溅，经常需要停机对光学系统进行清洁维护。
为了有效解决上述问题，本领域做了诸多尝试：如福建省维德科技有限公司开发一种激光复合焊接设备(CN201110203565.6)，其中涉及到激光焊枪与电弧焊枪空间位置的调整，但是该装置只能满足焊前激光焊枪和电弧焊枪相对位置直线调整，而难以满足焊接过程中激光焦点和电弧电极空间姿态的实时调整需求；如清华大学开发了一种激光-电弧同轴复合焊炬(CN03109130.X)，可以解决激光-电弧旁轴复合焊时因热源不对称带来的焊接质量受焊接方向影响的问题，但是由于电弧电极加工工艺复杂，难以实现商业化应用。
发明内容
鉴于已有技术存在的缺陷，本发明的目的是要提供一种激光-电弧复合焊枪，该焊枪具有四自由度调节和防焊接飞溅等功能，同时能够满足复杂零件焊接及3D增材制造的需求。
为了实现上述目的，本发明的技术方案：
一种激光-电弧复合焊枪，包括
三个分别沿着x、y、z三个直角坐标轴方向相互垂直布设的直线导轨机构，依次为x轴直线导轨机构、y轴直线导轨机构以及z轴直线导轨机构；
固定于所述x轴直线导轨机构、y轴直线导轨机构以及z轴直线导轨机构中任意一个直线导轨机构上的电弧焊枪；
其特征在于：
还包括齿轮副旋转调节机构；
该齿轮副旋转调节机构是由一组相互啮合的主动齿轮以及从动齿轮构成；其中，所述主动齿轮上固定激光焊枪，并使得所述激光焊枪的轴线与所述主动齿轮的轴线重合；所述从动齿轮上垂直固定上述三个直线导轨机构中任意一个直线导轨机构，并使得所述电弧焊枪在随着所述从动齿轮旋转过程中能够围绕着所述激光焊枪旋转。
进一步的，所述复合焊枪还设置有用于控制焊接飞溅运动路径的电磁防飞溅装置；所述电磁防飞溅装置为设置于所述激光焊枪下方，且位于所述激光焊枪的激光聚焦镜片及激光焦点之间的锥形电磁线圈，该锥形电磁线圈通以高频交变电流，通过该交变电流产生能够使得在焊接过程中所产生的焊接飞溅(金属颗粒等)内产生相应感应涡流的交变磁场，即可实现利用磁场与涡流之间的相互作用力控制焊接飞溅的运动路径，防止焊接飞溅对激光聚焦系统的污染。
优选的，所述锥形电磁线圈的形状可以为圆锥形以及方锥形中的任意一种；其所需的高频交变电流频率优选15～150KHz。
进一步优选的，所述锥形电磁线圈的线圈锥角为30°～120°，线圈匝数为5～500匝。
同时所述锥形电磁线圈的冷却方式可以采用水冷或者空冷方式。
进一步的，所述直线导轨机构是指由步进电机或伺服电机驱动的滚珠丝杠副直线导轨机构；所述齿轮副旋转调节机构是指由步进电机或伺服电机驱动的齿轮副旋转调节机构。
进一步的，所述电弧焊枪可以以与水平线成45°或者75°的角度的方式固定于所述直线导轨机构上或者以可旋转固定的方式固定于所述直线导轨机构上。
进一步的，所述复合焊枪的激光与电弧采用旁轴复合的方式，所述激光可以采用固体激光、气体激光、半导体激光中的任意一种，所述电弧可以采用TIG、MIG、MAG以及等离子弧中的任意一种。
优选的，所述复合焊枪可以采用激光引导电弧的方式或者采用电弧引导激光的方式进行加工作业。
本发明的有益效果：本发明的激光-电弧复合热源焊枪可以通过三组步进电机或伺服电机驱动的滚珠丝杠副直线导轨机构和一组用步进电机或伺服电机驱动的齿轮副旋转调节机构实现四自由度精确控制，焊接过程中可利用焊缝跟踪系统实时监测焊缝形状及位置，采取CCD垂直对准工件,倾斜工作方式布置的激光器打出的激光经柱透镜形成一光片照射到工件上形成一条宽度很窄的光带，当该光带被工件反射或折射后经滤光片保留激光器发出的特定波长的光而滤除其他波长的光,最后进入CCD摄像机成像，把焊缝的形状位置转化成数字信号并反馈到焊枪调节装置，实现对激光焦点和电弧电极相对位置的实时调整，保证焊枪姿态满足加工需要；同时防焊接飞溅结构设计，可以大幅度降低激光聚焦系统清洁处理周期以及易损件更换频次，提高了加工制造的可持续性。基于上述设计要点，采用该焊枪不但能够实现复杂空间结构件的焊接，而且可以通过辅助送粉\丝机构可以满足复杂零件焊接及3D增材制造需求。
附图说明
图1为本发明所述的复合焊枪结构示意图；
图2为本发明所述的滚珠丝杠副直线调节机构结构示意图；
图3为本发明所述的齿轮副旋转调节机构结构示意图。
图中：1、滚珠螺母，2、滚珠丝杠，3、滚珠，4、主动齿轮，5、从动齿轮，6、驱动电机，7、激光焊枪，8、Z轴滚珠丝杠副直线调节机构，9、电弧焊枪，10、Y轴滚珠丝杠副直线调节机构，11、X轴滚珠丝杠副直线调节机构，12、防飞溅装置。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图，对本发明进行进一步详细说明。
本发明改进在于：
通过三个沿x、y、z三个直角坐标轴方向相互垂直布设的由步进电机或伺服电机驱动的滚珠丝杠副直线导轨机构，实现激光焦点与电弧电极的空间位置可以沿x、y、z三个直角坐标轴方向精确调节；同时通过由步进电机或伺服电机驱动的齿轮副旋转调节机构使得电弧电极围绕激光束轴线在360°范围内自由旋转，实现四自由度的自由调节，进而实现焊枪空间位置和角度的任意调节，保证复杂形状焊缝的连续性焊接。
具体的，所述的激光-电弧复合焊枪包括：
三个分别沿着x、y、z三个直角坐标轴方向相互垂直布设的直线导轨机构，依次为x轴直线导轨机构、y轴直线导轨机构以及z轴直线导轨机构；所述的直线导轨机构是指采用三个如图1所示的由步进电机或伺服电机驱动的滚珠丝杠副直线导轨机构使得激光焦点与电弧电极的空间位置可以沿x、y、z三个直角坐标轴方向精确调节；其中该滚珠丝杠副直线导轨机构是由滚珠螺母1、滚珠丝杠2以及滚珠3组成的用于实现回转运动与直线运动相互转换的丝杠副结构，其由电机驱动滚珠丝杠旋转，使得滚珠螺母1与滚珠丝杠2的相对位置以滚珠3为滚动体进行直线运动。
所述焊枪还采用如图2所示的一个由步进电机或伺服电机驱动的齿轮副旋转调节机构使得电弧电极围绕激光束轴线在360°范围内自由旋转，具体的该齿轮副旋转调节机构是由一组相互啮合的主动齿轮4以及从动齿轮5构成；
同时所述焊枪还包括：电弧焊枪9以及激光焊枪7；
所述电弧焊枪9固定于所述x轴直线导轨机构、y轴直线导轨机构以及z轴直线导轨机构中任意一个直线导轨机构上；所述激光焊枪7固定于所述主动齿轮4上并使得所述激光焊枪7的轴线与所述主动齿轮4的轴线重合；所述从动齿轮5上垂直固定上述三个直线导轨机构中任意一个直线导轨机构，并使得所述电弧焊枪9在随着所述从动齿轮5旋转过程中能够围绕着所述激光焊枪7旋转。进一步的，所述电弧焊枪9可以以与水平线成45°或者75°的角度的方式固定于所述直线导轨机构上或者以可旋转固定的方式固定于所述直线导轨机构上。
具体实例参见图3，三组滚珠丝杠副直线调节机构8、10、11轴线沿着X、Y、Z轴三个方向布置，电弧焊枪9固定在Y轴滚珠丝杠副直线调节机构11上，Y轴滚珠丝杠副直线调节机构11固定在X轴滚珠丝杠副直线调节机构10上，X轴滚珠丝杠副直线调节机构10固定在Z轴滚珠丝杠副直线调节机构8上，组成三维调节机构；电弧焊枪9随着所述三维调节机构共同固定在从动齿轮5上，同时，激光焊枪7也固定在主动齿轮4上。激光焊枪7固定后，电弧焊枪9与激光焊枪7的相对位置可以通过X、Y、Z轴三组滚珠丝杠副直线调节机构8、10、11组成的三维直线调节机构进行调节，同时固定有三维直线调节机构的从动齿轮5可以通过齿轮副旋转调节机构围绕主动齿轮4在360°范围内自由旋转，旋转过程中使得三维直线调节机构整体围绕主动齿轮4旋转，同时主动齿轮4的轴线与激光焊枪7的轴线重合，保证旋转过程中电弧焊枪9围绕激光焊枪7旋转。
同时上述直线调节机构和旋转调节机构均可以通过数控系统实现焊枪的速度和角度的自动控制，其中X、Y、Z轴三维直线调节速度范围为0-10m/min；旋转调节机构可以实现360°旋转，调节速度范围为0-100°/s。通过四自由度的自由调节，实现焊枪空间位置和角度的任意调节，保证复杂形状焊缝的连续性焊接
实验证明，采用本发明所述的直线调节机构使得激光焦点与电弧电极在x、y、z三个直角坐标轴方向的调节范围分别为0～100mm、-20～20mm和-100～100mm，调节精度为0.02mm；采用旋转调节机构使得电弧电极围绕激光束轴线在360°范围内自由旋转，调节精度可为1°。
另一处改进在于：该复合焊枪带有防飞溅结构设计即在激光焊枪7下部固定有锥形电磁线圈12，锥形电磁线圈12其位置位于激光聚焦镜片及激光焦点之间；在锥形电磁线圈12中通以高频交变电流，交变电流产生交变磁场，该交变磁场在焊接所产生的金属颗粒等焊接飞溅内产生感应涡流，感应涡流与外界交变磁场相互作用使物料产生下压力，该力和物料的势能与向上的飞溅的动能相平衡即可利用磁场与涡流之间的相互作用力控制焊接飞溅的运动路径，从而抑制其飞溅运动到激光光学系统，避免了飞溅对光学系统的污染。
所述的激光-电弧复合焊枪所采用的交变电流频率为15～150KHz，锥形线圈既可以是圆锥、又可以是方锥；冷却方式既可以采用水冷，亦可采用空冷；线圈锥角为30～120°，线圈匝数为5～500匝。
同时激光所述的激光-电弧复合焊枪与电弧采用旁轴复合的方式，激光可以采用固体激光、气体激光或半导体激光，电弧可以采用TIG、MIG、MAG或者等离子弧。
所述的激光-电弧复合焊枪既可以采用激光引导电弧的方式，亦可采用电弧引导激光的方式进行加工作业。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种激光-电弧复合焊枪，包括
三个分别沿着x、y、z三个直角坐标轴方向相互垂直布设的直线导轨机构，依次为x轴直线导轨机构、y轴直线导轨机构以及z轴直线导轨机构；
固定于所述x轴直线导轨机构、y轴直线导轨机构以及z轴直线导轨机构中任意一个直线导轨机构上的电弧焊枪；
其特征在于：
还包括齿轮副旋转调节机构；
该齿轮副旋转调节机构是由一组相互啮合的主动齿轮以及从动齿轮构成；其中，所述主动齿轮上固定激光焊枪，并使得所述激光焊枪的轴线与所述主动齿轮的轴线重合；所述从动齿轮上垂直固定上述三个直线导轨机构中任意一个直线导轨机构，并使得所述电弧焊枪在随着所述从动齿轮旋转过程中能够围绕着所述激光焊枪旋转。
2.根据权利要求1所述的激光-电弧复合焊枪，其特征在于：
所述复合焊枪还设置有用于控制焊接飞溅运动路径的电磁防飞溅装置；所述电磁防飞溅装置为设置于所述激光焊枪下方，且位于所述激光焊枪的激光聚焦镜片及激光焦点之间的锥形电磁线圈，该锥形电磁线圈通以高频交变电流，通过该交变电流产生能够使得在焊接过程中所产生的焊接飞溅内产生相应感应涡流的交变磁场，即可实现利用磁场与涡流之间的相互作用力控制焊接飞溅的运动路径。
3.根据权利要求2所述的激光-电弧复合焊枪，其特征在于：
所述锥形电磁线圈的形状可以为圆锥形以及方锥形中的任意一种；其所需的高频交变电流频率优选15～150KHz。
4.根据权利要求2或者3所述的激光-电弧复合焊枪，其特征在于：
所述锥形电磁线圈的线圈锥角为30°～120°，线圈匝数为5～500匝。
5.根据权利要求4所述的激光-电弧复合焊枪，其特征在于：
所述锥形电磁线圈的冷却方式可以采用水冷或者空冷方式。
6.根据权利要求1所述的激光-电弧复合焊枪，其特征在于：
所述直线导轨机构是指由步进电机或伺服电机驱动的滚珠丝杠副直线导轨机构；所述齿轮副旋转调节机构是指由步进电机或伺服电机驱动的齿轮副旋转调节机构。
7.根据权利要求1所述的激光-电弧复合焊枪，其特征在于：
所述电弧焊枪可以以与水平线成45°或者75°的角度的方式固定于所述直线导轨机构上或者以可旋转固定的方式固定于所述直线导轨机构上。
8.根据权利要求1所述的激光-电弧复合焊枪，其特征在于：
所述复合焊枪的激光与电弧采用旁轴复合的方式，所述激光可以采用固体激光、气体激光、半导体激光中的任意一种，所述电弧可以采用TIG、MIG、MAG以及等离子弧中的任意一种。
9.根据权利要求1-8任意一项权利要求所述的激光-电弧复合焊枪，其特征在于：
所述复合焊枪可以采用激光引导电弧的方式或者采用电弧引导激光的方式进行加工作业。
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