CN105479183B - 一种高速铣削-激光切焊复合加工工艺及其可重组多轴数控加工系统 - Google Patents

一种高速铣削-激光切焊复合加工工艺及其可重组多轴数控加工系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种高速铣削‑激光切焊复合加工工艺及可重组多轴数控加工系统。可用于金属及非金属材料加工,是将高速铣削、激光切割、激光焊接以刀具更换的形式集成于数控机床上,期间无需更换设备及工装夹具,从而完成对材料的切割‑铣削‑焊接一体化的加工。该系统包括控制平台、数控系统、激光器、数控机床、工装夹具、五轴加工头(铣头、激光切割动力头和激光焊接动力头头)。五轴加工头可以实现加工头之间的快速切换,实现对工件的不同加工手段。本发明能够有效解决以往加工时必须反复拆卸、定位工装所造成的加工精度偏低、耗时耗力的难题,以简化工艺流程、大幅度提高工件的加工精度和生产效率、显著降低设备投入及制造成本。

Description

一种高速铣削-激光切焊复合加工工艺及其可重组多轴数控 加工系统
技术领域
[0001]本发明属于材料加工技术领域,具体涉及一种机械铣削-激光切焊复合数控加工 工艺及可重组多轴数控加工系统,尤其适用于金属材料的高速铣削-激光切割和焊接。
背景技术
[0002] 近几十年,随着激光器制造工艺的不断进步,激光加工技术在工业生产中得到越 来越广泛的应用,其中激光切割和激光焊接是激光加工行业中应用最广泛的两项技术。 [0003]激光切割技术是通过激光所产生的巨大能量直接使材料熔化甚至汽化,并通过辅 助气体将被熔化或汽化的材料吹除,从而达到切割的目的。与传统的切割方式相比,激光切 割具有高柔性、非接触式、切割质量好等优点,广泛应用于汽车制造、航空航天等领域。
[0004]激光焊接技术是利用高能量密度的激光束作为热源的一种高效的焊接方法,与目 前广泛应用的电弧焊、气焊、电阻焊等传统的焊接方法相比,激光焊接具有焊接速度快、变 形小和焊接质量闻等优点。
[0005] 然而在不同机床设备上分别完成激光切割、激光焊接和高速铣削需要反复拆装、 定位,不仅耗时耗力而且会造成加工精度偏低。
发明内容
[0006] 本发明的目的在于提供一种高速铣削-激光切焊复合加工工艺及其可重组多轴数 控加工系统,本发明可以在一台数控系统上实现高速铣削和激光切割、激光焊接三种工艺 的组合加工,并且能够在不更换工装的情况下实现三种功能的切换,完成工件的全部铣削/ 切割/焊接工艺,有效解决以往铣削+手工切割工艺或者多台单一功能机床组合加工时必须 反复拆卸、定位工装所造成的加工精度偏低、耗时耗力的技术难题,从而简化工艺流程、大 幅度提高工件的加工精度和生产效率、显著降低设备投入及制造成本。
[0007] 本发明提供的一种高速铣削-激光切焊复合加工工艺,其特征在于,在整个加工流 程中,数控系统自动识别并拾取激光切割动力头,并控制加工头运动到指定加工起始点,按 照编程路径进行激光切割,数控系统控制机床主轴与激光切割动力头脱离,自动识别并拾 取铣头,铣头运动到加工起始点,按照编程路径进行高速铣削,铣削完成后,工装夹具将铣 边对缝等待焊接,数控系统控制机床主轴与铣头脱离,并运动到激光焊接动力头位置,自动 识别并拾取激光焊接动力头,从系统指定焊接起始点开始焊接,焊接完成后,机床主轴与焊 接头脱离,完成整个高速铣削-激光切焊复合加工工艺,整个加工过程中无需对工件进行反 复的拆装和定位,使加工精度和生产效率得以提高。
[0008] 本发明提供的一种可重组大型多轴联动数控高速铣削-激光切焊复合加工系统, 其特征在于,该系统包括激光器、数控系统、数控机床、机床主轴、工装夹具、激光切割动力 头、激光焊接动力头和铣头;
[0009] 激光器和数控系统利用线缆连接,数控系统用于控制激光器出光关光及数控机床 的运动,激光器的光纤在数控机床里面走线,连接到激光切割动力头和激光焊接动力头上, 激光切割动力头、激光焊接动力头或铣头安装在机床主轴上,激光切割动力头、激光焊接动 力头和铣头具有一致的机械和通讯连接接口,机床主轴能够在数控系统控制下选择相应的 加工头,实现激光切割动力头、激光焊接动力头、铣头的自动更换;工装夹具安装在所述数 控机床上,用于安装待加工工件。
[0010] 具体而言,本发明具有如下技术效果:
[0011] (1)本发明是基于实际材料加工过程提出的一种适用于绝大多数生产场合的高速 铣削-激光切焊复合加工工艺的方法与设备。该方法将三种常见的加工手段进行组合,只需 更换不同的加工头,就能够在同一设备上进行加工,避免更换设备,耗费工时。
[0012] (2)本发明所述方法能够将铣削之后的工件直接进行焊接,无需设备的更换,可以 有效的避免工件氧化或者污染的情况,提高焊接质量。
[0013] (3)本发明所述方法能够对绝大多数形状的工件进行加工,能够适用于各种场合, 且能够使用与包括铝合金、镁合金、钛合金、高温合金、钢材在内的绝大部分金属材料;不但 可用于加工规整的圆筒、平板薄壁结构件,还可用于椭圆、汽车白车身、运载火箭瓜瓣等复 杂曲面结构的切割和焊接制造。
[0014] (4)本发明所述的方法和装备能够实现一体化的装备控制,通过总控平台达到控 制整个机床、铣头、激光切割和焊接动力头、工装夹具、激光器的目的,大大提高加工的便利 和效率。
[0015] (5)本发明所述的装备可以采用在激光热源旁加装电弧热源作为次级热源,组成 焊接效率更高、缺陷更少的激光-电弧复合焊接方法来提高焊缝质量,所采用的电弧热源形 式包括惰性气体钨极氩弧焊(TIG)、熔化极惰性/活性气体保护焊(MIG/MAG)、埋弧焊等。通 过增加次级热源,能够增强熔池流动能力,同时电弧对熔池的搅拌作用有利于熔池中气泡 的溢出,减少焊缝的气孔缺陷。
[0016] 本发明所述的装备能够大幅度缩短生产周期,提高加工质量和生产效率,降低 制造成本、劳动强度和噪音污染,是一种绿色环保、高效清洁的先进制造技术,能够解决运 载火箭制造流程工序多、流程长的问题,实现我国运载火箭箭体制造的小批量生产示范应 用,全面提升我国运载火箭制造技术的核心竞争力。
附图说明
[0017]图1为本发明实例提供的可重组大型多轴联动数控高速铣削-激光切焊复合加工 设备结构不意图;
[0018]图2为铣头与激光切割动力头和焊接头工作示意图;
[0019]图3为激光切割动力头加工平板的工作示意图;
[0020]图4为铣头加工平板的工作示意图;
[0021]图5为激光焊接动力头加工平板的工作示意图;
[0022]图6为激光切割动力头加工圆形瓜瓣的工作示意图;
[0023]图7为铣头加工圆形瓜瓣的工作示意图;
[0024]图8为激光焊接动力头加工圆形瓜瓣的工作示意图;
[0025]图9为激光_电弧复合焊接头加工平板的工作示意图;
[0026]图10为激光-电弧符合喊街头加工圆形瓜瓣的工作示意图;
[0027]图11是两坐标激光加工头整体结构图;
[0028]图12是两坐标激光加工头C轴结构图;
[0029]图13是两坐标激光加工头A轴结构图;
[0030]图14是两坐标激光加工头连接端面的结构图;
[0031]图15是激光切割光学组件更换为激光焊接光学部件结构图;
[°032]图16是两坐标激光加工头快速更换为铣头的结构图;
[0033]图中,1 •激光器,2 •控制平台,3 •数控系统,4 •数控机床,5 •机床主轴,51.滑枕,52. 旋转轴,6 •工装夹具,61 •底座,62 •夹具,7 •激光切割动力头,H •切割单摆头,72.激光切割 光学部件,8 •激光焊接动力头,S1 •焊接单摆头,S2 •激光焊接光学部件,9.铣头,1〇.铣削工 件,11 •切割工件,I2•待焊接件,13.针床,14•平板工件,15•切口,16.切割路径,17.焊接工 件,1S.激光焊接焊缝,19.焊接路径,20.工件,21.平板复合焊接焊缝,22 •电弧焊枪,23.瓜 瓣复合焊接焊缝,24.拉钩,25.光纤通道,26 •水电气通道,27. C轴轴体,28.方形法兰,29.光 纤出口,30 •光纤,31.旋转轴,32 •连接端面,33 •水电气接口,34 •侧面定位销,35. A轴电机, 36.法兰盘,37 •连接滑块,38.定位销,39 •水气接口,40 •拉紧油缸,41 •电线接口,42.端齿 盘,43. A轴,44. C轴,45. A轴轴体,46 •连接圆盘
具体实施方式
[0034]材料加工中,机械铣削、激光切割和激光焊接都属于独立的材料加工技术,且在发 展中都取得了很大的进展。将这三种技术进行组合,使用同一台数控机床加工工件,能够代 替手工切割、化学铣削和手工焊接,且避免了更换设备、重新工装带来的装备精度不高、工 件变形等问题,解决了生产流程工序多、流程长的问题,提高了生产质量、效率,消除环境污 染、降低噪声、振动和工人劳动强度。
[0035]本发明提供的一种高速铣削-激光切焊复合加工工艺,该工艺的特征在于,在整个 加工流程中,数控系统自动识别并拾取激光切割动力头,并控制加工头运动到指定加工起 始点,按照编程路径进行激光切割,数控系统控制机床主轴与激光切割动力头脱离,自动识 别并拾取铣头,加工头运动到加工起始点,按照编程路径进行高速铣削,铣削完成后,工装 夹具将铣边对缝等待焊接,数控系统控制机床主轴与铣头脱离,并运动到激光焊接动力头 位置,自动识别并拾取激光焊接动力头,从系统指定焊接起始点开始焊接,焊接完成后,机 床主轴与激光焊接动力头脱离,完成整个高速铣削-激光切焊复合加工工艺。整个加工过程 中无需对工件进行反复的拆装、定位等工序,提高了加工精度,并大幅度提高了生产效率。 [0036]上述工艺在整个加工流程中,不局限于先切割,再铣削,最后焊接的加工顺序。可 以根据实际工艺需求,合理安排加工顺序。
[0037] 上述技术方案高速铣削-激光切焊复合加工工艺可以采用下述任何一种或几种方 式进行改进:
[0038] (1)高速铣削的主轴转速为5000r/min〜40000r/min,更优选的范围为10000r/min 〜20000r/min。激光功率为300W〜10000W,更优选的范围为2000W〜8000W。
[0039] (2)激光切割速度为lm/min〜12m/min,优选的范围为lm/min〜5m/min;离焦量为-4mm〜+5mm,更优选的范围为-4mm〜0;喷嘴到工件上表面距离为0〜5mm,更优选的范围为 0.5mm〜1.5mm;辅助气体压力为〇 • 3MPa〜2 • OMPa,更优选的范围为0 • 9MPa〜1 • 7MPa。
[0040] ⑶激光焊接速度为0 • 5m/min〜30m/min,更优选的范围为lm/min〜6m/min;作用 于工件表面的激光光斑直径为〇• 1mm〜5_,更优选的范围为0.5mm〜3mm。激光束偏离工件 法线方向的倾角为〇〜25°,更优选的范围为5°〜15°。
[0041] (4)在激光切割中,激光切割动力头可以采用与工件法线方向重合或呈一定角度 进行切割,角度范围为〇〜9〇°,更优选的范围为0〜25°,切割路径可以采用直线、折线、圆弧 等形式,但不局限于这些形式。
[0042] (5)激光切割中可以使用常见的辅助气体进行切割,例如空气、氧气、氮气、氩气 等,但不仅限于上述气体;切割喷嘴可采用锥形喷嘴、超音速喷嘴(拉瓦尔喷嘴),喷嘴出口 直径为1mm〜3mm,更优选的范围为1.2mm〜2麵。
[0043] ⑹激光切割中采用的准直镜焦距为50mm〜400mm,更优选的范围为80mm〜300mm; 聚焦镜焦距为50mm〜300mm,更优选的范围为80mm〜250mm。
[0044] C7)所述激光焊接工艺可以填充材料来改善焊接冶金过程,提高焊缝质量,填充材 料以薄膜、粉末或焊丝的形式进行添加。
[0045] (8)所述激光焊接工艺除了单纯激光焊接方法外,还可以在激光热源旁加装电弧 热源作为次级热源,采用效率更高、焊接缺陷更少的激光-电弧复合焊接方法来提高焊缝质 量。
[0046] (9)所述激光切割和焊接工艺可以用其他高功率激光加工手段代替,如激光淬火、 激光冲击强化、激光熔敷等。
[0047]本发明提供的是一种高速铣削-激光切焊复合加工方法和可重组多轴数控加工系 统,该系统能够将高速铣削、激光切割和激光焊接任意组合加工,可先对工件进行切割,得 到所需的形状尺寸,再进行切面铣削,等待焊接,更换焊接头后,对待焊工件进行焊接。该工 序大大缩短了材料生产加工的周期,提高生产效率。
[0048]以下结合附图及实施例,对本发明进行进一步详细说明。根据下面说明和权利要 求书,本发明的优点特征将更清楚。需说明的是,附图均采用非常简化的形式且均使用非常 精准的比率,仅用以清晰方便地辅助说明本发明实施例的目的。此外,下面所描述的本发明 各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
[0049]如图1所示,一种可重组大型多轴联动数控高速铣削-激光切焊复合加工系统主要 包括激光器1、控制平台2、数控系统3、数控机床4、机床主轴5、工装夹具6、激光切割动力头 7、激光焊接动力头8和铣头9。
[0050]激光器1与控制平台2和数控系统3利用线缆连接,通过控制平台2能够控制激光器 出光关光,并监视激光器1的工作状态,例如功率及相关报警信号。数控系统3能够控制激光 器出光关光及数控机床4的运动,激光器1的光纤在数控机床4里面走线,连接到激光切割动 力头7和激光焊接动力头8上,激光切割动力头7、激光焊接动力头8或统头9安装在机床主轴 5上,激光切割动力头7、激光焊接动力头8和铣头9具有一致的机械和通讯连接接口,机床主 轴5能够在数控系统3控制下选择相应的加工头,实现激光切割动力头7、激光焊接动力头8、 铣头9的自动更换。需要进行铣削时,将激光切割动力头7或激光焊接动力头8换成铣头9,即 可进行铣削加工。铣头9采用双摆铣头或其他类型的铣头。待加工工件安装在机床内的工装 夹具6上,在进行铣削、切割、焊接时,使用相同的工装夹具6,且在加工过程中,待加工工件 始终固定在工装夹具上。
[0051]上述实例中,数控系统3与控制平台2都能单独控制激光器的出光关光,但是控制 平台2只能控制并监视激光器的工作状态,而数控系统3是控制数控机床4和激光器1及整个 加工系统的运动及工作,所有的加工程序及指令都是从数控系统3发出,因此对于无需监视 激光器的工作状态,可以不设置控制平台。
[0052]图2为机床加工头更换示意图,机床滑枕51为固定轴,旋转轴52带动铣头9做回转 运动,回转角度为± 360°。更换为两坐标激光切割动力头时,旋转轴52与铣头9断开,数控系 统3控制数控机床4选择两坐标切割动力头,并导通水电气路,从而进行激光切割作业,激光 切割动力头7可以由切割单摆头71和激光切割光学部件72组成,激光切割光学部件72可以 在切割单摆头71的带动下做摆动运动,摆动角度为±110°。同样方法可以更换成两坐标的 激光焊接动力头8,该动力头由焊接单摆头81和激光焊接光学部件82组成,焊接单摆头81能 够带动激光焊接光学部件82做摆动运动。
[0053]在进行加工时,数控系统3控制机床主轴5选取激光切割动力头7,并运动到切割起 始点,准备切割,控制平台2控制激光器1出光,数控机床4按照数控系统3指定加工路径切 害b切割完成后,激光器1关光,数控机床4运动到初始位置,数控机床4与激光切割动力头7 断开,数控系统3控制数控机床4拾取铣头9,按照数控系统3指定的加工路径进行铣削,加工 完成后数控机床4回到零位置,断开与铣头9的连接,拾取激光焊接动力头8,并按照指定路 径进行焊接,焊接完成后,主轴回到加工零点,整个过程中,不需要再对工件进行拆装、定 位,保证了加工精度和质量。
[0054]作为上述可重组多轴数控加工系统技术方案的进一步改进,可在所述激光焊接动 力头旁8加装电弧热源作为次级热源,组成焊接效率更高、缺陷更少的激光-电弧复合焊接 方法来提高焊缝质量,所采用的电弧热源形式包括惰性气体钨极氩弧焊(TIG)、熔化极惰 性/活性气体保护焊(MIG/MAG)、埋弧焊等。
[0055]作为上述可重组多轴数控加工系统技术方案的进一步改进,可在所述激光切割动 力头7和激光焊接动力头8旁加装填充材料系统,填充材料以薄膜、粉末或焊丝的形式进行 添加。
[0056]作为上述可重组多轴数控加工系统技术方案的进一步改进,所述激光能量要通过 传输光纤连接到激光切割动力头7和激光焊接动力头8,激光器1可以为光纤激光器、C02激 光器、Nd: YAG激光器等,但不局限于上述激光器。
[0057]作为上述可重组多轴数控加工系统技术方案的进一步改进,所述除激光切割动力 头7和激光焊接动力头8外,可以新增其他激光加工手段,如激光淬火、激光冲击强化、激光 熔敷等,但不局限于上述加工手段。
[0058]当对平板工件进行加工时,按照加工流程,首先对平板工件进行切割,图3是激光 切割动力头切割平板工件时的工作示意图。平板工件14安放在针床13上,针床13放在底座 61上,激光切割形成切口 15。更换为铣头9,对切割后的工件进行切割面和表面的铣削。图4 是铣头加工工件时的示意图。铣削工件10放在夹具62上,利用控制平台2控制数控机床4进 行铣削加工,加工完成后,更换为两坐标激光焊接动力头8,对工件进行焊接。图5为两坐标 激光焊接动力头焊接工件时的工作示意图,17为焊接工件,18为激光焊接焊缝。该加工流程 在同一台设备上完成,无需更换设备,只需使用不同的加工头,就能完成切割-洗削-焊接整 套加工工序,缩短了加工周期,提高生产效率。
[0059]当加工工件为圆形瓜瓣时,按照加工顺序,首先对工件进行切割,图6为激光切割 动力头切割圆形瓜瓣时的工作示意图,激光切割动力头7对切割工件11进行切割,由于是圆 形瓜瓣,在切割过程中,激光切割光学部件72角度随着切割路径16的改变而发生变化。待切 割芫成后,更换为统头9进行就削加工,如图7所示。对待焊接件12进行洗削,完成后,更换为 两坐标激光焊接动力头8,如图8所示,对拼接好的瓜瓣沿着焊接路径19进行焊接。
[0060]图9和图10为增加旁轴电弧热源时的加工示意图。当增加旁轴电弧焊枪22时,焊接 工件20,得到平板复合焊接焊缝21。当焊接圆形瓜瓣时得到瓜瓣复合焊接焊缝23。按照上述 加工流程,该加工过程中无需更换设备和工装,只需更换加工刀具就能实现整套加工流程, 大大缩短加工周期,因为无需更换工装,提高了生产的质量。
[0061]激光切割动力头7和激光焊接动力头8也可以采用如图11至14所示结构的可防止 光纤缠绕、可更换两坐标激光加工头。
[0062]激光切割动力头7为例说明如下:
[0063]如图11所示,本发明实例提供一种两坐标激光加工头,包括c轴44、A轴43和激光切 割光学组件72。(:轴44是两坐标激光加工头的旋转机构,它带动与其相连接的A轴43完成土 360°的旋转,从而实现大幅面激光加工;A轴43是两坐标激光加工头的摆动机构,可以带动 激光切割光学组件72实现高精度摆动;A轴不采用常用的马鞍形设计,而是在两边采用了开 放性设计,为激光加工光学组件的安装、光纤的更换提供更大的操作空间。
[0064] 激光切割光学组件72通过光纤30与激光器(图中未画出)相连,激光切割光学组件 72主要用来对激光器发出的激光进行准直和聚焦,并将激光投射到工件上来实现激光加 工。激光加工光学组件根据聚焦方式可分为透射式聚焦激光加工光学组件和激光振镜扫描 聚焦激光加工光学组件。所述的激光加工光学组件根据功能可分为激光焊接光学组件、激 光切割光学组件、激光淬火光学组件、激光熔覆光学组件。所述激光振镜扫描聚焦方式能够 通过振镜扫描镜组中光学镜片的偏转来实现激光束在工件表面的快速扫描。
[0065]当进行激光焊接加工时,可以在所述激光切割光学组件72旁加装电弧热源作为次 级光源,组成焊接效率更高、缺陷更少的激光-电弧复合焊接方法来提高焊缝质量,所采用 的电弧热源形式包括惰性气体钨极氩弧焊(TIG)、熔化极惰性/活性气体保护焊(MIG/MAG)、 埋弧焊等。
[0066] 如图12所示,C轴44包括拉钩24、C轴轴体27、方形法兰28、旋转轴31、光纤通道25和 光纤出口 29;C轴轴体27的底部安装在方形法兰28上,方形法兰28的底部安装有旋转轴31, 旋转轴31上开有光纤出口 29,并位于C轴正面,该光纤出口为椭圆孔,当激光切割光学组件 72摆动时,能够使光纤有最大的活动空间,同时椭圆孔两边圆弧的设计,能够避免光纤与夹 角长期摩擦而损坏光纤,该孔在旋转轴31内部有一定角度的倾斜角,防止穿出的光纤因为 弯曲半径太小而损坏,该倾斜角的优选值为30-60°。圆弧半径的优选值为25-50麵。光纤通 道25为C轴轴体27上的通孔,该通孔的底部与光纤出口 29连通,使光纤30从C轴光纤通道25 进入然后从C轴侧面光纤出口 29穿出,与激光切割光学组件72连接,在光纤出口 29和激光切 割光学组件72之间预留一段长度的光纤,保证C轴旋转和A轴摆动任意角度下都不会发生缠 绕。
[0067] 旋转轴31的底部带有端齿盘,作为C轴连接端面。
[0068] 拉钩24位于C轴轴体27的顶部,用于将C轴连接到机床上,从而带动两坐标激光加 工头在X、Y、Z方向上进行运动。C轴轴体27中间还开有水电气通道26,可以使水电气线路从 其中穿过。
[0069] 如图13所示,A轴43包括A轴轴体45、A轴电机35、法兰盘36、连接滑块37、水电气接 口 33和连接端面32。
[0070] A轴轴体45包括水平面和垂直面,连接端面32安装在水平面上,用于实现A轴与C轴 的快速连接。垂直面两侧设有侧面定位销34,在A轴放置在头库中(图中未画出)时起到定位 和支撑作用。法兰盘36安装在垂直面的正面,由A轴电机35带动法兰盘36摆动,从而带动激 光切割光学组件72进行摆动,摆动范围为± 110 °。法兰盘36上安装有连接滑块37,使激光切 割光学组件72的安装和拆除更快捷。
[0071] A轴轴体通过标准化、模块化的连接滑块与不同激光加工光学组件(如激光切割光 学组件72,激光焊接光学部件82等)进行连接,通过更换不同的激光加工光学组件就可以实 现激光切割、激光焊接、激光淬火、激光熔覆等不同的加工方式。在A轴轴体的水平面左右两 侧包含有数个水电气接口 33,在水电气路布局上,将电路接口布置于A轴的一侧,水路接口 和气路接口布置于A轴的另一侧,从而防止各线路之间的干扰,C轴和A轴连接后即可自动接 通所需要的水电气路。
[0072]如图14所示,连接端面32包括安装在连接圆盘46上的定位销38、水气接口 39、拉紧 油缸40和电线接口41,以及套在连接圆盘46外的端齿盘42。其中,通过定位销38实现A、C轴 连接端面的对准,拉紧油缸40将A、C轴拉紧,并实现A轴端齿盘42与C轴连接端面上端齿盘的 啮合,水气接口 39、电线接口41的一端与水电气接口 33连接,另一端与水电气通道26通讯, 此时水气接口 39和电线接口 41自动导通。
[0073]上述激光切割光学部件72可以更换为任一种激光加工光学组件,图15中,通过连 接滑块37可以直接将激光切割光学部件72更换为激光焊接光学部件82,实现多功能激光加 工的目的。
[0074]图16为将两坐标激光加工头更换为铣头的示意图,先将拉紧油缸40松开,A轴和C 轴的连接端面断开,水气接口 39和电线接口 41自动断开,A轴和C轴的连接端面上的定位销 38和端齿盘42分离。再将C轴44与铣头9连接,即可以进行铣削加工。
[0075] 实施例1
[0076] 本实例加工工件为板厚4mm的平板件,材料为304不锈钢,要求先将工件切成指定 大小,再对切缝表面和切边进行铣削,达到激光拼接焊接的标准,再对工件进行激光焊接, 加工示意图如图3、4、5所示。选用激光器为IPG 10000W激光器,激光切割光学部件为 Precitec YK52切割头,准直焦距为125mm,聚焦焦距为120mm,聚焦光斑直径为0.2mm;激光 焊接光学部件准直焦距为150mm,聚焦焦距为250mm,聚焦光斑直径为0.34mm。
[OO77]本实例中采用的激光切割工艺参数为:激光功率3500W,切割速度为3m/min,离焦 量为-3.5mm,喷嘴距离工件上表面1mm,辅助气压为1.3MPa,切割气体为纯度为99.999 %的 氩气。高速铣削的工艺参数为:主轴转速为16000r/min,切削速度804m/min,每齿进给量 0. lmm/z,背吃刀量lmm,行距〇. 〇5mm。激光焊接工艺参数为:激光功率为3000W,焊接速度v = 2.5m/min,离焦量为-3mm,保护气体为97 • 5 % Ar+2.5 %C02,正面和背面保护气流量为25L/ min〇
[0078]经激光切割工件得到的切割件比电弧切割和线切割得到工件的周期缩短5〇%,且 激光切割4mm不锈钢切面热影响区厚度小于2mm,比电弧切割得到的切面热影响区厚度小得 多,且高速铣削效率比数控机床效率高得多。经激光焊接后得到的不锈钢式样进行拉伸强 度测试,发现99 %试样断裂位置全部在母材处,弯曲强度测试结果显示所有试样在180。对 弯的情况下,均没有出现裂纹。整个加工过程没有更换加工设备和工装,节省加工周期,使 得加工效率提高60 %以上。
[0079]实施例2
[0080]本实例加工工件为板厚10mm的平板件,材料为AZ31镁合金,要求先将工件切成指 定大小的尺寸,再对切缝表面和切边进行铣削,达到激光拼接焊接的标准,再对工件进行激 光焊接,加工示意图如图3、4、5所示。选用激光器为IPG 10000W激光器,激光切割光学部件 为Precitec YK52切割头,准直焦距为125臟,选用聚焦焦距为150mm的长聚焦镜,聚焦光斑 直径为0 • 24mm;激光焊接光学部件准直焦距为l5〇mm,聚焦焦距为25〇mm,聚焦光斑直径为 0.34mm〇
[0081]本实例中采用的激光切割工艺参数为:激光功率52〇〇W,切割速度为l.5m/min,离 焦量为-4mm,喷嘴距离工件上表面1mm,辅助气压为1 • 7MPa,切割气体为纯度为99 • 999 %的 氩气。高速铣削的工艺参数为:主轴转速为l6〇〇〇r/min,每齿进给量〇 • 〇4mm/z,背吃刀量 〇_9臟,切削宽度1.5臟。激光焊接工艺参数为:激光功率为3000W,焊接速度v = 4.8m/min,离 焦量为-3mm,保护气体为"• 9" %的高纯氩气,正面和背面保护气流量为25L/min。
[0082]经激光切割工件得到的切割件比线切割得到工件的周期缩短80%,且激光切割 4 mm不锈钢切面热影响区厚度小于4 mm,比电弧切割得到的切面热影响区厚度小得多,因为 镁合金易燃,所以大部分切割方法不适用于镁合金,而激光切割既能提高效率,又能获得较 高的切缝质量。高速铣削效率比数控机床效率高得多。经激光焊接后得到的不锈钢式样进 行拉伸强度测试,发现在焊缝开缺口的方式测试断裂强度,该接头抗拉强度达到265MPa,达 到母材的113%,整个加工过程没有更换加工设备和工装,节省加工周期,使得加工效率提 高60%以上,且得到的焊缝金属强度高,性能稳定,保证了设备的加工质量。
[0083] 实施例3
[0084]本实例加工工件为板厚1.5mm的平板件,材料为5〇52铝合金,要求先将工件切成指 定大小的尺寸,再对切缝表面和切边进行铁削,达到激光拼接焊接的标准,再对工件进行激 光焊接,加工示意图如图3、4、5所示。选用激光器为IPG 10000W激光器,激光切割光学部件 为Precitec YK52切割头,准直焦距为125麵,选用聚焦焦距为120mm的长聚焦镜,聚焦光斑 直径为0.2mm;激光焊接光学部件准直焦距为l5〇mm,聚焦焦距为250mm,聚焦光斑直径为 0.34mm〇
[0085]本实例中采用的激光切割工艺参数为:激光功率25〇OW,切割速度为5m/min,离焦 量为-2圓,喷嘴距离工件上表面1mm,辅助气压为l.IMPa,切割气体为纯度为99.999 %的氩 气。高速铣削的工艺参数为:主轴转速为16000r/min,每齿进给量〇.〇4mm/z,背吃刀量 0.9mm,切削宽度1.5111111。激光焊接工艺参数为:激光功率为3〇001,焊接速度7二4111/1^11,离焦 量为-3mm,保护气体为99 • 999 %的高纯氩气,正面和背面保护气流量为30L/min。
[0086]经激光切割工件得到的切割件比线切割得到工件的周期缩短50%,且激光切割 1.5mm招合金切面几乎不存在热影响区,比电弧切割得到的切面热影响区厚度小得多,而激 光切割既能提高效率,又能获得较高的切缝质量。高速铣削效率比数控机床效率高得多。经 激光焊接后得到的铝合金试样进行显微硬度的测试,得到焊缝的平均显微硬度最高,母材 的显微硬度次之,热影响区的显微硬度最低。整个加工过程没有更换加工设备和工装,节省 加工周期,大大提高了生产效率,且得到的焊缝金属显微硬度高,性能稳定,保证了设备的 加工质量。
[0087] 实施例4
[0088]本实例加工4mm的收35低碳钢平板,要求先将工件切割成指定尺寸,再对待焊接边 和表面进行铣削,达到激光-电弧复合焊接的要求,最后对工件进行激光-电弧复合焊接,复 合焊接的工作示意图如图9所示。选用激光器为ipg l〇〇〇〇W激光器,激光切割光学部件为 Precitec YK52切割头,准直焦距为125mm,选用聚焦焦距为150mm的长聚焦镜,聚焦光斑直 径为0.24111111;激光焊接光学部件准直焦距为150mm,聚焦焦距为250mm,聚焦光斑直径为 0.34mm〇
[0089]本实例中采用的激光切割工艺参数为:激光功率3500W,切割速度为3m/min,离焦 量为-3.5mm,喷嘴距离工件上表面1mm,辅助气压为1 • 3MPa,切割气体为纯度为99 • 999 %的 氩气。高速铣削的工艺参数为:主轴转速为16000r/min,切削速度804m/min,每齿进给量 0 • lmm/z,背吃刀量1mm,行距0. 〇5咖。激光焊接工艺参数为:激光功率为2500W,焊接速度v = 1.8111/11^11,焊接电流1 = 12(^,焊接电压11 = 22¥,离焦量为-3111111,保护气体为97.5%六1+2.5% C02,正面和背面保护气流量为25L/min。
[0090] 经激光切割工件得到的切割件比电弧切割和线切割得到工件的周期大幅度缩短, 且激光切割4mm低碳钢切面热影响区厚度小于2mm,比电弧切割得到的切面热影响区厚度小 得多,且高速铣削效率比数控机床效率高得多。经激光焊接后得到的不锈钢式样进行拉伸 强度测试,发现所有试样断裂位置全部在母材处,弯曲强度测试结果显示所有试样在180° 对弯的情况下,均没有出现裂纹。整个加工过程没有更换加工设备和工装,节省加工周期, 使得加工效率得到较大提高。
[0091] 实施例5
[0092]本实例加工8mm圆形瓜瓣,材料为AA6082-T6铝合金,要求先将瓜瓣切割成指定尺 寸,再对待焊接边和表面进行铣削,达到激光-电弧复合焊接的要求,最后对工件进行激光-电弧复合焊接,复合焊接的工作示意图如图10所示。选用激光器为IPG 10000W激光器,激光 切割光学部件为PreciteCYK52切割头,准直焦距为125mm,选用聚焦焦距为150mm的长聚焦 镜,聚焦光斑直径为〇 • 24mm;激光焊接光学部件准直焦距为150mm,聚焦焦距为250mm,聚焦 光斑直径为0.34mm。
[0093] 本实例中采用的激光切割工艺参数为:激光功率5500W,切割速度为1.4m/min,离 焦量为-4mm,喷嘴距离工件上表面lmm,辅助气压为1 • 7MPa,切割气体为纯度为99.999 %的 氩气。高速铣削的工艺参数为:主轴转速为16000r/min,每齿进给量0.04mm/z,背吃刀量 0.9mm,切削宽度1.5mm。激光焊接工艺参数为:激光功率为6000W,焊接速度v = 2m/min,焊接 电流I = 240A,离焦量为-3mm,焊丝为ER5087,直径为1 • 6mm,保护气体为纯度为99 • 999%的 高纯氩气,正面和背面保护气流量为4〇L/min,激光束入射角为10°,焊枪倾角与激光焊接光 学部件之间夹角为30°,工件上激光光斑与焊丝间距为2mm。
[0094] 经激光切割工件得到的切割件比电弧切割和线切割得到工件的周期大幅度缩短, 切割精度尚,且激光切割8mm低碳钢切面热影响区厚度小于电弧切割得到的切缝热影响区 厚度,且高速洗削效率比普通数控机床效率高得多。在切割瓜瓣时,切割头的角度随着切割 路径发生变化,始终与工件法线方向一致。铣削后进行复合焊接,复合焊接头始终与工件法 线方向重合,焊接后得到的工件经检测后发现焊缝气孔率下降到接近〖%,屈服强度达到母 材的80%以上,明显高于其他熔焊方法。在整个加工过程中,激光切割、高速铣削、激光-电 弧复合焊接工艺都大大缩短了材料加工时间,且整个加工过程没有更换加工设备和工装, 节省加工周期,使得加工效率得到较大提高。
[0095]以上所述为本发明的较佳实施例而已,但本发明不应该局限于该实施例和附图所 么容。所以凡是不脱离本发明所公开的精神下完成的等效或修改,都落入本发明保 护的范围。

Claims (2)

1. 一种可重组大型多轴联动数控高速铣削-激光切焊复合加工系统,其特征在于,该系 统包括激光器、数控系统、数控机床、机床主轴、工装夹具、激光切割动力头、激光焊接动力 头和銃头; 激光器和数控系统利用线缆连接,数控系统用于控制激光器出光关光及数控机床的运 动,激光器的光纤从C轴光纤出口穿出,连接到激光切割动力头和激光焊接动力头上,激光 切割动力头、激光焊接动力头或铣头安装在机床主轴上,激光切割动力头、激光焊接动力头 和铣头具有一致的机械和通讯连接接口,机床主轴能够在数控系统控制下选择相应的加工 头,实现激光切割动力头、激光焊接动力头、铣头的自动更换;工装夹具安装在所述数控机 床上,用于安装待加工工件,能够实现铣削、切焊加工; 所述激光切割动力头和激光焊接动力头的结构相同,均包括C轴、A轴和激光加工光学 组件;该激光加工光学组件为激光切割光学部件或激光焊接光学部件; C轴为旋转机构,用于带动与其相连的A轴完成±360°的旋转,从而实现大幅面激光加 工; A轴是摆动机构,用于带动激光加工光学组件实现摆动;A轴为两边开放性设计,为激光 加工光学组件的安装、光纤的更换提供更大的操作空间,以防止光纤发生缠绕; 激光加工光学组件工作时通过光纤与激光器相连,对激光器发出的激光进行准直和聚 焦,并将激光投射到工件上来实现激光加工; 所述C轴包括拉钩、C轴轴体、方形法兰、旋转轴、光纤通道和光纤出口; C轴轴体的底部安装在方形法兰上,方形法兰的底部安装有旋转轴(31),旋转轴上开有 光纤出口,并位于C轴正面,该光纤出口为椭圆孔,当激光加工光学组件摆动时,能够使光纤 有最大的活动空间,椭圆孔两边圆弧的设计,能够避免光纤与夹角长期摩擦而损坏光纤,该 椭圆孔在旋转轴内部有倾斜角,防止穿出的光纤因为弯曲半径太小而损坏;光纤通道为C轴 轴体上的通孔,该通孔的底部与光纤出口连通,使光纤从C轴光纤通道进入然后从C轴侧面 光纤出口穿出,与激光加工光学组件连接,在光纤出口和激光加工光学组件之间预留一段 长度的光纤,保证C轴旋转和A轴摆动任意角度都不会发生缠绕;旋转轴的底部带有端齿盘, 作为C轴连接端面;C轴轴体中间还开有水电气通道,以使水电气线路从其中穿过;拉钩位于 C轴轴体的顶部,用于将C轴连接到机床上,以带动两坐标激光加工头在X、Y、Z方向运动; 所述A轴包括A轴轴体、A轴电机、法兰盘、连接滑块、水电气接口和连接端面;A轴轴体 包括水平面和垂直面,连接端面安装在水平面上,用于实现A轴与C轴的快速连接;法兰盘安 装在垂直面的正面,由A轴电机带动法兰盘摆动,从而带动激光加工光学组件进行摆动,摆 动范围为±110。;法兰盘上设置有用于安装和拆除激光加工光学组件的连接滑块;在A轴轴 体的水平面左右两侧包含有水电气接头,在水电气路布局上,将电路接口布置于A轴的一 侧,水路接口和气路接口布置于A轴的另一侧,从而防止各线路之间的干扰,C轴和A轴连接 后即能够自动接通所需要的水电气路。
2. 根据权利要求1所述的可重组大型多轴联动数控高速铣削-激光切焊复合加工系统, 其特征在于,所述机床主轴由机床滑枕和旋转轴构成,机床滑枕为固定轴,旋转轴安装在机 床滑枕的底部,用于安装铣头、激光切割动力头或激光焊接动力头,并带动它们做回转运 动,回转角度为±360°。
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