CN104816092A - 一种换热板激光叠焊装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及激光焊接技术领域，提供一种换热板激光叠焊装置及方法,所述叠焊装置，包括工作台、激光焊接头以及气体保护装置，还包括散热底板、两平行设置的压梁以及两压轮，散热底板上设有水冷装置，两压梁沿Y轴间隔设置且可用于压紧/松开两换热板，两压轮分别设于激光焊接头两侧且压紧于两换热板上，两压轮压紧位置位于两压梁之间，焊接时两压轮与所述激光焊接头在Y轴方向上同步移动。本发明中，通过两压梁及两压轮的配合，能充分保证两换热板之间无间隙，且能使位于下方的换热板与散热底板更好贴合，避免在焊接过程中鼓起变形而影响焊接质量；同时，散热底板上的水冷装置能快速带走焊接过程中产生的热量，减少换热板的变形。

Description

一种换热板激光叠焊装置及方法

技术领域

本发明涉及激光焊接技术领域，更具体地说，是涉及一种换热板激光叠焊装置及方法。

背景技术

激光焊换热板是先进制造技术与新型结构相结合的产物，广泛应用于轻工、化工、食品等行业。换热板焊接具有换热板幅面大、焊缝密集、焊缝数量多、焊接强度要求高等特点。由于焊缝数量多且密集，焊接时热输入较大导致换热板变形严重，如何有效的控制变形是焊接质量保证的前提，但是目前没有有效的方法来控制变形，这样在焊接过程中由于焊接变形使上板和下板间产生较大的间隙，上板与下板间产生较大间隙直接导致焊接时上板焊缝凹陷甚至穿孔，对产品的焊缝强度及密封性产生很大的影响；同时，由于焊接时变形大焊后校形工作量也相应增大，生产效率低，生产成本高。

发明内容

本发明的目的在于提供换热板激光叠焊装置及方法，旨在解决现有技术中换热板激光叠焊时焊缝质量差、生产效率低的问题。

为解决上述技术问题，本发明的技术方案是：提供一种换热板激光叠焊装置，包括用于叠置待焊接两换热板的工作台、设于所述工作台上方且可沿Y轴及Z轴方向移动的激光焊接头以及气体保护装置，还包括散热底板、两平行设置的压梁以及两压轮，所述散热底板置于所述工作台上且位于所述两换热板下方，所述散热底板上设有水冷装置，所述两压梁沿Y轴间隔设置且可于Z轴方向上移动用于压紧/松开所述两换热板，所述两压轮分别设于所述激光焊接头两侧且可压紧于所述两换热板上，所述两压轮压紧位置位于所述两压梁之间，焊接时所述两压轮与所述激光焊接头在Y轴方向上同步移动。

可选地，所述散热底板为铜板，所述水冷装置包括设于所述铜板内的若干平行水流通道、将相邻水流通道的端口连通的水管以及向所述平行水流通道供水的外部供水系统。

可选地，相邻所述平行水流通道之间的间距为d1，且50mm≤d1≤100mm。

可选地，各所述压梁的两端头分别与一垂直设置的液压缸连接，各所述液压缸分别固定于所述工作台上，两所述压梁位于同一侧的两端头通过连接板固定连接。

可选地，各所述压轮均包括两辊轴以及包覆于所述两辊轴上的辊面。

可选地，所述辊面的宽度小于所述两压梁之间的间距。

可选地，所述气体保护装置包括环形罩体，所述环形罩体的中心轴线与所述激光焊接头发出的激光束同轴。

本发明还提供了一种利用上述装置进行换热板激光叠焊方法，包括以下步骤：

装夹步骤：将两换热板叠置后置于所述工作台上，调整所述激光焊接头、两压梁、所述两压轮以及所述气体保护装置与所述两换热板的相对位置，分别启动所述两压梁、两压轮将所述两换热板压紧固定；

焊接轨迹编程步骤：将所述两换热板沿焊接方向上通过CAM软件按设定参数划分为若干区域，并设置跳跃式焊接程序，将各区域内的若干条焊缝对奇数位依次进行焊接，然后再对偶数位依次进行焊接；或者，先对偶数位依次进行焊接，再对奇数位依次进行焊接,并设定外部推送装置在完在一个区域焊接后将下一区域送至焊接位置；

焊接工艺参数设置步骤：焊接工艺参数包括激光功率、焊接速度、保护气体流量、激光焦点高度、激光波长以及所述激光焊接头内光学器件中镜片焦距及光纤芯径。

焊接步骤：启动所述激光焊接头进行焊接。

进一步地，所述气体保护装置底部距离上方的换热板高度为10mm。

进一步地，所述焊接工艺参数设置步骤中，所述激光功率为3000W、焊接速度为2m/min、保护气体流量为60l/min、激光焦点高度为5mm、激光波长为1070nm、镜片焦距为200mm、光纤芯径为150μm。

本发明中，通过两压梁对两换热板进行预压紧，同时，在焊接过程中，两压轮与激光焊接头于Y轴方向上同步移动对焊接区域进行实时针对性的进一步压紧，这样，通过两压梁及两压轮的配合，能充分保证两换热板之间无间隙，且能使位于下方的换热板与散热底板更好贴合，避免在焊接过程中鼓起变形而影响焊接质量；同时，散热底板上的水冷装置能快速带走焊接过程中产生的热量，减少换热板的变形。

附图说明

图1是本发明实施例中换热板激光叠焊装置的结构示意图；

图2是图1的分解示意图；

图3是本发明实施例中激光焊接头的结构示意图；

图4是本发明实施例中散热底板的结构示意图；

图5是本发明实施例中换热板激光叠焊方法的工艺流程图；

图6是本发明实施例中换热板焊接轨迹分区示意图；

10-换热板；            11-焊接起点位置；         20-工作台；

21-支撑台；            22-底板；                 30-激光焊接头；

40-气体保护装置；      41-环形罩体；             50-散热底板；

51-水冷装置；          52-水管；                 60-压梁；

61-连接板；            70-压轮；                 71-辊轴；

72-辊面；              80-液压缸。

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，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者可能同时存在居中元件。当一个元件被称为“连接于”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。

还需要说明的是，本实施例中的左、右、上、下等方位用语，仅是互为相对概念或是以产品的正常使用状态为参考的，而不应该认为是具有限制性的。

参照图1、图2，本发明实施例提供的换热板激光叠焊装置，包括用于叠置待焊接两换热板10的工作台20、设于工作台20上方且可于Y轴及Z轴方向移动的激光焊接头30以及气体保护装置40，还包括散热底板50、两平行设置的压梁60以及两压轮70。散热底板50置于工作台20上且位于两换热板10下方，散热底板50上设有水冷装置51。两压梁60沿Y轴间隔设置且可于Z轴方向上移动用于压紧/松开两换热板10。两压轮70分别位于激光焊接头30两侧且可压紧于两换热板10上，两压轮70压紧位置位于两压梁60之间，焊接时两压轮70与激光焊接头30在Y轴方向上同步移动。

本实施例中，通过两压梁60对两换热板10进行预压紧，同时，在焊接过程中，两压轮70与激光焊接头30于Y轴方向上同步移动对焊接区域进行实时针对性的进一步压紧，这样，通过两压梁60及两压轮70的配合，能充分保证两换热板10之间无间隙，且能使位于下方的换热板10与散热底板50更好贴合，避免在焊接过程中鼓起变形而影响焊接质量；同时，散热底板50上的水冷装置51能快速带走焊接过程中产生的热量，减少换热板10的变形。

进一步地，激光焊接头30用于激光束聚焦焊接，内部具有光学镜片组件(图中未示出)，光学镜片组件具有固定的焦距。整个激光焊接头30安装于机床(图中未示出)运动轴上，可在Y和Z轴方向上运动。

参照图3，激光焊接头30与两压轮70之间的安装关系为，两压轮70与激光焊接头30均固定安装于机床Y轴运动滑块(图中未标号)上，即两压轮70与激光焊接头30在Y轴方向上是同步运动，同时，压轮70为气缸驱动，可在Z轴方向作上下运动，对工件进行压紧和松开。激光焊接头30可沿X、Y和Z轴运动。

压轮70位于激光焊接头30左右两侧，可沿Y轴方向运动，可对换热板10焊接位置的局部实施压紧。两侧压轮70之间的距离尽量较小，但不能对焊接头的运动范围造成干涉。在本发明的较佳实施例中，两侧压轮70之间的距离为150mm。

两压轮70结构相同。各压轮70均包括两辊轴71以及包覆于两辊轴71上的辊面72。辊面72的宽度取决于两压梁60之间的距离，辊面72的宽度小于两压梁60之间的间距。本实施例中，辊面72的宽度为160mm。

气体保护装置40设于激光焊接头30下方，包括环形罩体41，环形罩体41内设有环形出气面(图中未示出)，环形出气面的中心轴线与激光焊接头30发出的激光束同轴。由于环形出气面具有较大的面积,喷出的惰性焊接保护气体可对刚离开熔池位置的高温焊缝进行延时保护，隔离空气，使焊缝无氧化或无明显氧化，焊缝成形光滑。

两压梁60沿Y轴平行间隔设置。两压梁60之间的距离适中，不宜过大，也不宜过小。当间距过大时，会使两压梁60之间的换热板10在焊接时受热变形形成凸起；当间距过小时，则两压梁60之间焊接的有效区域太小，影响焊接效率。在本实施例中，两压梁60之间的距离为300mm。同时，各压梁60的两端头分别与一垂直设置的液压缸80连接，各液压缸80分别固定于工作台20上，两压梁60位于同一侧的两端头通过连接板61固定连接。压梁60系统使用液压缸80加力，压力大小可调，根据换热板10压紧效果进行调节，须保证压梁60压下后，两换热板10紧密贴合于散热底板50表面上,两换热板10之间无间隙，其中位于下方的换热板10与散热底板50表面之间无间隙，同时还须保证换热板10在焊接过程中受热凸起不会引起换热板10与压梁60之间的滑动。

参照图4，散热底板50为焊接时的承压面，两换热板10被压紧后，可紧密的贴合于散热底板50表面。散热底板50采用厚铜板制造。水冷装置51包括设于铜板内的若干平行水流通道(图中未示出)、将相邻水流通道的端口连通的水管52以及向平行水流通道供水的外部供水系统。相邻平行水流通道之间的间距为d1，且50mm≤d1≤100mm。在焊接过程中，水冷装置51将焊缝处的热量带走，减少换热板10的受热变形。为达到快速冷却的目的，必须使水流通道内具有较大的水流量，整个水流内径最小处大于16mm，在本实施例中，水流内径最小处为18mm，相邻平行水流通道之间的间距为50mm。

本实施例中，工作台20包括支撑台21以及位于支撑台21底部的底板22。底板22的两端分别由支撑台21的两端延伸出来。散热底板50及换热板10置于支撑台21上，而用于驱动两压梁60的液压缸80则置于底板22的两延伸端上，形成一体，保证压紧的可靠性。

参照图5，本发明实施例还提供了一种利用上述装置进行换热板激光叠焊方法，其包括以下步骤：

S1、装夹步骤：将两换热板10叠置后置于工作台20上，调整激光焊接头30、两压梁60、两压轮70以及气体保护装置40与两换热板10的相对位置，分别启动两压梁60、两压轮70将两换热板10压紧固定。

需要说明的是，装夹前还包括将两换热板10表面清洁的步骤。清洁完成后将两换热板10叠放并标记出焊接起点位置11，标记焊接起点位置11，是为了后序焊接轨迹进行编程时能有定位基准。如图6所示，为了便于后序焊接轨迹的编程，焊接起点位置11标记于与焊接轨迹图形相对应的边缘角点处。

具体地，装夹时，将叠放好的两换热板10放置于散热底板50上，调整好换热板10边缘与焊接头焊接对的运动坐标系X轴和Y轴相平行。本实施例中，换热板10为长方形板，且外部送料装置方向为X轴方向，边缘与坐标系X轴和Y轴平行便于焊接轨迹编程。在X轴方向调整好换热板10前后位置后，将标记好的焊接起点位置11置于两压梁60之间一适当的位置并将压梁60压下。本实施例中，焊接起点位置11距离后侧压梁60为30mm，这样可避免安装于激光焊接头30下方的保护气体装置与压梁60发生干涉。开启激光焊接头30上的指示红光，并移动激光焊接头30至焊接起点位置11，指示红光对准标记好的焊接起点位置11，并将激光焊接头30下降至预定焊接高度。开启压轮70，将换热板10焊接位置压紧。同时调节保护气体装置在激光焊接头30下方上下移动，使环形罩体41下端与换热板10表面之间距离为10mm。

S2、焊接轨迹编程步骤：将两换热板10沿X轴方向通过CAM软件按设定参数划分为若干区域，并设置跳跃式焊接程序，将各区域内的若干条焊缝对奇数位依次进行焊接，然后再对偶数位依次进行焊接；或者，先对偶数位依次进行焊接，再对奇数位依次进行焊接,并设定外部推送装置(图中未示出)在完在一个区域焊接后将下一区域送至焊接位置；

具体地，轨迹编程用于设定装置各部分的预定动作。由于换热板10在长度方向上幅面较大，在压梁60区域内无法一次完成焊接，需对整个幅面进行分区并逐一焊接。参照图6所示，将两换热板10通过CAM软件按设定参数划分为D1至Dn多个区域，各焊接区域的宽度基本相同，各焊接区域的宽度须小于两压梁60之间的距离，同时还要避免气体保护装置40与压梁60干涉。本实施例中，各焊接区域约为130mm。在各个区域的焊接中，还需将“跳跃”式焊接动作编写至程序中。这样，在焊接各区域的若干条焊缝时，可先对奇数位焊缝依次进行焊接，然后再对偶数位焊缝依次进行焊接。或者，也可以先对偶数位焊缝依次进行焊接，再对奇数位焊缝依次进行焊接。一个区域焊接完成后，外部推送装置(图中未示出)按对应的设置距离将下一区域推送至两压梁60之间的焊接区。

本实施例中，通过“跳跃”式的分形焊接方式，可有效减小各区域焊接过程中产生的变形，进一步提高焊接过程的稳定性。在焊接过程中，换热板10某一位置在一定时间内热输入越大则局部变形越大，而采用“跳越”式的焊接，长线条焊缝打断成多条小线断焊接，各小线段焊缝头尾相连后形成完整的长焊缝，有效避免换热板10局部温度过高产生过大的变形。

S3、焊接工艺参数设置步骤：焊接工艺参数包括激光功率、焊接速度、保护气体流量、激光焦点高度、激光波长以及激光焊接头30内光学器件中镜片焦距及光纤芯径。

具体地，所述激光功率为3000W、焊接速度为2m/min、保护气体流量为60l/min、激光焦点高度为5mm、激光波长为1070nm、镜片焦距为200mm、光纤芯径为150μm。通过上述参数设置，能使换热板10焊接的激光束光斑大小正合适。

S4、焊接步骤：启动激光焊接头30进行焊接。

综上，采用本实施例中提供的装置及方法对换热板10进行激光叠焊，具有以下有益效果：

一、压梁60采用液压缸80加力，压力大，压紧后可充分保证两换热板10之间无间隙，且位于下方的换热板10与散热底板50表面紧密帖合。

二、散热底板50采用铜板制造，且内设水冷装置51，可快速带走焊接过程中产生的热量，减少换热板10变形。

三、具有压轮70，压轮70位于激光焊接头30两侧位置，在焊接过程中随激光焊接头30在Y轴方向移动，可对焊接熔池位置进行压紧，避免换热板10焊接过程中的鼓起变形影响焊接质量。

四、气体保护装置40进行焊接吹气保护，吹气保护无方向性选择，可对高温焊缝进行延时保护，焊缝无氧化或无明显氧化，焊缝成形光滑。

五、本实施例的焊接方法中，通过光学配置选择，找到适合换热板10焊接的激光束光斑大小。

五、通过对工艺参数的优化，使焊缝强度得到保证；通过焊接顺序的优化，可进一步减小换热板10的焊接变形。

以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种换热板激光叠焊装置，包括用于叠置待焊接两换热板的工作台、设于所述工作台上方且可沿Y轴及Z轴方向移动的激光焊接头以及气体保护装置，其特征在于：还包括散热底板、两平行设置的压梁以及两压轮，所述散热底板置于所述工作台上且位于所述两换热板下方，所述散热底板上设有水冷装置，所述两压梁沿Y轴间隔设置且可于Z轴方向上移动用于压紧/松开所述两换热板，所述两压轮分别设于所述激光焊接头两侧且可压紧于所述两换热板上，所述两压轮压紧位置位于所述两压梁之间，焊接时所述两压轮与所述激光焊接头在Y轴方向上同步移动。

2.如权利要求1所述的换热板激光叠焊装置，其特征在于：所述散热底板为铜板，所述水冷装置包括设于所述铜板内的若干平行水流通道、将相邻水流通道的端口连通的水管以及向所述平行水流通道供水的外部供水系统。

3.如权利要求2所述的换热板激光叠焊装置，其特征在于：相邻所述平行水流通道之间的间距为d1，且50mm≤d1≤100mm。

4.如权利要求1所述的换热板激光叠焊装置，其特征在于：各所述压梁的两端头分别与一垂直设置的液压缸连接，各所述液压缸分别固定于所述工作台上，两所述压梁位于同一侧的两端头通过连接板固定连接。

5.如权利要求1所述的换热板激光叠焊装置，其特征在于：各所述压轮均包括两辊轴以及包覆于所述两辊轴上的辊面。

6.如权利要求5所述的换热板激光叠焊装置，其特征在于：所述辊面的宽度小于所述两压梁之间的间距。

7.如权利要求1至6中任一项所述的换热板激光叠焊装置，其特征在于：所述气体保护装置包括环形罩体，所述环形罩体的中心轴线与所述激光焊接头发出的激光束同轴。

8.一种利用如权利要求1至7中所述装置进行换热板激光叠焊方法，其特征在于：包括以下步骤：

装夹步骤：将两换热板叠置后置于所述工作台上，调整所述激光焊接头、两压梁、所述两压轮以及所述气体保护装置与所述两换热板的相对位置，分别启动所述两压梁、两压轮将所述两换热板压紧固定；

焊接轨迹编程步骤：将所述两换热板沿焊接方向上通过CAM软件按设定参数划分为若干区域，并设置跳跃式焊接程序，将各区域内的若干条焊缝对奇数位依次进行焊接，然后再对偶数位依次进行焊接；或者，先对偶数位依次进行焊接，再对奇数位依次进行焊接,并设定外部推送装置在完在一个区域焊接后将下一区域送至焊接位置；

焊接工艺参数设置步骤：焊接工艺参数包括激光功率、焊接速度、保护气体流量、激光焦点高度、激光波长以及所述激光焊接头内光学器件中镜片焦距及光纤芯径；

焊接步骤：启动所述激光焊接头进行焊接。

9.如权利要求8所述的换热板激光叠焊方法，其特征在于：所述装夹步骤中，所述气体保护装置底部距离上方的换热板高度为10mm。

10.如权利要求8所述的换热板激光叠焊方法，其特征在于：所述焊接工艺参数设置步骤中，所述激光功率为3000W、焊接速度为2m/min、保护气体流量为60l/min、激光焦点高度为5mm、激光波长为1070nm、镜片焦距为200mm、光纤芯径为150μm。