CN105710533B - 格架真空激光焊接系统 - Google Patents

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Abstract

格架真空激光焊接系统，属于激光焊接技术领域。适应了锆合金格架焊接的环境和高精度的要求。本发明激光焊接头固定在三维运动机构上，三维运动机构带动激光焊接头进行移动，激光焊接头的激光信号输入端口通过光缆连接激光器的激光信号输出端口，真空室设置在激光焊接头的正下方，所述真空室为密闭矩形箱体，所述箱体的上侧壁为透光玻璃，所述透光玻璃的正下方设有工作台，所述工作台设置在真空室的底面，伺服系统通过工件变位机构带动工作台旋转和翻转，所述真空室的左侧壁设置有充氩气口和排气口。本发明适用于焊接格架。

Description

格架真空激光焊接系统
技术领域
本发明属于激光焊接技术领域。
背景技术
现在对于格架结构的焊接设备不能满足焊前气氛需满足锆合金焊接的水氧含量要求，设备运动精度不能满足格架各种焊缝的焊接要求。光路采用镜片折转反射的方式传输激光，光束传输路径受机械运动、环境温湿度等因素的影响会发生改变。抽真空时间长，工件焊接等待时间久，不能满足高效率生产需求。
发明内容
本发明是为了适应锆合金格架焊接的环境和高精度的要求，提出了一种格架真空激光焊接系统。
本发明所述的格架真空激光焊接系统，它包括激光器1、激光焊接头2、光缆3、电缆、水冷系统5、CCD监测系统6、真空充氩系统7、真空室8、三维运动机构9、工件变位机构10、计算机11、搬运机械手12、总控系统13和伺服系统14；
激光焊接头2固定在三维运动机构9上，三维运动机构9带动激光焊接头2进行移动，激光焊接头2的激光信号输入端口通过光缆3连接激光器1的激光信号输出端口，真空室8设置在激光焊接头2的正下方，所述真空室8为密闭矩形箱体，所述箱体的上侧壁为透光玻璃，所述透光玻璃的正下方设有工作台84，所述工作台84设置在真空室8的底面，伺服系统14通过工件变位机构10带动工作台84旋转和翻转，所述真空室8的左侧壁设置有充氩气口85和排气口86；所述排气口86设置在充氩气口85的下侧，真空室8的右侧壁设有抽真空口；
激光焊接头2包括扩束镜21、准直镜22、双色镜23和聚焦镜24；
激光器1发射的激光经光缆3的入射至扩束镜21、扩束镜21对入射的光束进行扩束后的发射至准直镜22，准直镜22对入射的光束进行准直后发射至双色镜23的入射面，经双色镜23后的光束入射至聚焦镜24，经聚焦镜24聚焦后的光束经真空室8的透光玻璃照射至工作台84上带焊接的工件；工作台84上的焊接图像光束经真空室8的透光玻璃和聚焦镜24后入射至双色镜23的反射面，经双色镜23的反射面的反射后入射至CCD监测系统6的感光面；
搬运机械手12的搬运控制信号输入端连接计算机的工件搬运控制信号输出端，所述搬运机械手12用于向真空室8内搬运待焊接工件，CCD监测系统6开关控制信号输入数据输出端连接计算机的检测控制信号输入检测数据输出端，伺服系统14的工件变位控制信号输出端连接工件变位机构10的变位控制信号输入端，伺服系统14的激光头移位控制信号输出端连接三维运动机构9的运动控制信号输入端，伺服系统的控制信号输入端连接总控系统13的工件变位与激光头位移控制信号输出端，总控系统13真空充氩控制信号输出真空室内状态信号输入端与真空充氩系统7的控制信号输入状态信号输出端相连，总控系统13的激光器开关控制信号输出端连接激光器1的开关控制信号输入端，水冷系统5的出水管与激光器的循环水管的进水管连通，水冷系统5冷却控制信号输入端连接总控系统13的冷却信号输出端，总控系统13与计算机通过电缆进行数据传输。
本发明相对于现有技术具有效果：
1.采用光纤传输激光。光纤传输的柔性更强，光束指向稳定性好。原有的硬光路采用镜片折转反射的方式传输激光，光束传输路径受机械运动、环境温湿度等因素的影响会发生改变。特别是采用硬光路时工作头无法沿Z轴方向整体移动，为了适应焦点位置变化的要求，只有将聚焦镜与工作头分离，通过聚焦镜的单独运动来实现焦点位置的变化。而光纤传输则可以避免这一问题，可以采用一体式工作头，光束质量稳定性更强。
2.本发明将激光头置于真空舱体外,激光束通过光纤传导进入焊接工作头，然后透过玻璃进入真空舱体内。减小了真空舱的体积，提高抽真空效率，将CCD集成到激光焊接头上。在准直镜和聚焦镜之间还放置了一块双色镜，通过双色镜将工件表面反射的可见光传输到CCD摄像头，用于获取工件表面的视觉图像。
3.通过激光三维运动机构和工件的变位机构实现格架工件的各位置焊缝的焊接。
4.采用先抽真空然后在充氩的操作。即保证了焊接过程中材料不被氧化，通过氩气的流通带走点焊过程的热量，保证真空舱室内的温度恒定在适宜的温度范围内。
附图说明
图1为本发明所述格架真空激光焊接系统的整体结构示意图；
图2为本发明所述格架真空激光焊接系统的整体立体结构示意图；
图3为具体实施方式一所述的真空室的结构示意图；
图4为具体实施方式一所述的激光头的结构示意图；
图5为具体实施方式一所述的格架真空激光焊接系统的电气原理框图。
具体实施方式
具体实施方式一：参见图1至图5说明本实施方式，本实施方式所述的格架真空激光焊接系统，它包括激光器1、激光焊接头2、光缆3、电缆、水冷系统5、CCD监测系统6、真空充氩系统7、真空室8、三维运动机构9、工件变位机构10、计算机11、搬运机械手12、总控系统13和伺服系统14；
激光焊接头2固定在三维运动机构9上，三维运动机构9带动激光焊接头2进行移动，激光焊接头2的激光信号输入端口通过光缆3连接激光器1的激光信号输出端口，真空室8设置在激光焊接头2的正下方，所述真空室8为密闭矩形箱体，所述箱体的上侧壁为透光玻璃，所述透光玻璃的正下方设有工作台84，所述工作台84设置在真空室8的底面，伺服系统14通过工件变位机构10带动工作台84旋转和翻转，所述真空室8的左侧壁设置有充氩气口85和排气口86；所述排气口86设置在充氩气口85的下侧，真空室8的右侧壁设有抽真空口，所述抽真空口与真空充氩系统7的真空泵的抽气孔连通；
激光焊接头2包括扩束镜21、准直镜22、双色镜23和聚焦镜24；
激光器1发射的激光经光缆3的入射至扩束镜21、扩束镜21对入射的光束进行扩束后的发射至准直镜22，准直镜22对入射的光束进行准直后发射至双色镜23的入射面，经双色镜23后的光束入射至聚焦镜24，经聚焦镜24聚焦后的光束经真空室8的透光玻璃照射至工作台84上带焊接的工件；工作台84上的焊接图像光束经真空室8的透光玻璃和聚焦镜24后入射至双色镜23的反射面，经双色镜23的反射面的反射后入射至CCD监测系统6的感光面；
搬运机械手12的搬运控制信号输入端连接计算机的工件搬运控制信号输出端，所述搬运机械手12用于向真空室8内搬运待焊接工件，CCD监测系统6开关控制信号输入数据输出端连接计算机的检测控制信号输入检测数据输出端，伺服系统14的工件变位控制信号输出端连接工件变位机构10的变位控制信号输入端，伺服系统14的激光头移位控制信号输出端连接三维运动机构9的运动控制信号输入端，伺服系统的控制信号输入端连接总控系统13的工件变位与激光头位移控制信号输出端，总控系统13真空充氩控制信号输出真空室内状态信号输出端与真空充氩系统7的控制信号输入状态信号输出端相连，总控系统13的激光器开关控制信号输出端连接激光器1的开关控制信号输入端，水冷系统5的出水管与激光器的循环水管的进水管连通，水冷系统5冷却控制信号输入端连接总控系统13的冷却信号输出端，总控系统13与计算机通过电缆进行数据传输。
本实施方式提供一种真空充氩激光焊接设备，突破真空充氩环境锆合金激光焊接工艺、密封焊接舱内激光的导入与传输、锆合金焊接舱内氢氧含量与温度控制、核燃料格架准确定位与质量控制等关键技术。
1.研制真空充氩舱试验装置，配备抽真空、充氩装置；配备水、氧含量分析仪，实时监测舱内环境气氛；采用激光束由舱外导入方式，配备特殊高透光率窗口玻璃；舱内工作台可以实现水平、旋转方向的变位。
2.实现真空充氩舱室内置电机与传动机构多轴联动控制，可以实现格架正反面翻转、回转，激光头三维运动与工作台的协调控制等工艺需求。
3.可实现激光焊接参数、真空室压力、充氩流量、水氧含量的在线监测、显示与反馈控制，激光束对中性与焊点外观的在线监测，关键动作的到位检测，故障检测与报警。
具体实施方式二：本实施方式一所述的格架真空激光焊接系统的进一步说明，真空充氩系统包括真空泵、两个电磁阀、气体压力传感器和充氩装置；
真空泵的抽真空口与真空室8的右侧壁的抽真空口连通，真空泵15的抽真空口与真空室8的抽真空口之间设有电磁阀，充氩装置的充氩管端口与真空室8的左侧壁的充氩气口85连通，所述充氩装置的充氩管端口与真空室8的左侧壁的充氩气口85之间设有电磁阀，气体压力传感器用于采集真空室8内的压力信号，压力传感器的信号输出端为真空充氩系统7状态信号输出端，两个电磁阀的控制信号输入端为真空充氩系统7的控制信号输入端。
具体实施方式三：本实施方式二所述的格架真空激光焊接系统的进一步说明，它还包括排气开关，所述排气开关设置在真空室8的排气口86的外侧。本实施方式中的设备包含回路充氩阀、排气阀的开关；真空计的开关和测量；各路MFC的开关与显示；格架左右移动、翻转控制；各路供电电源的断电报警控制；系统遇突发故障应全部立即断电控制。该数控系统通过真空充氩箱中的传感器，检测真空箱内气体的状态，控制抽真空和充氩的过程，完成真空室保护气体氛围的焊接准备过程的控制。并通过控制无杆气缸精密控制，完成两个真空充氩箱装卡工位和焊接工位的切换。具体实施方式四：本实施方式二所述的格架真空激光焊接系统的进一步说明，它还包括十字线发生器，所述十字线发生器的十字光束照射至CCD监测系统6的感光面上。
本实施方式所述的十字线发生器发射的十字线在CCD监测系统6的感光面上入射的图像管束信号中格架工件的十字部位相对应，实现了焊接过程的激光焦点位置和条带交叉点对中，有效的提高了格架焊接的准确性和精度。
具体实施方式四、本实施方式一所述的格架真空激光焊接系统的进一步说明，它还包括水养含量分析仪，所述水养含量分析仪用于检测真空室8内的气体含量，所述水养含量分析仪的信号输出端连接总控系统13的气体含量信号输入端。
具体实施方式五、本实施方式一所述的格架真空激光焊接系统的进一步说明，真空室8上侧还设有扣合盖81，所述扣合盖扣设在透光玻璃83的正上方。
本发明研究开发的格架真空激光焊接设备采用了Nd：YAG固体脉冲激光器，激光的传输方式为光纤传输。该设备选用进口标准激光焊接头，根据格架焊接要求对激光焊接头进行适应性改造，为了满足光斑尺寸的需求，在激光加工头中加入扩束准直光学部件，通过折转法兰集成同轴CCD监测系统，对焊接过程进行实时观察和监测。为了实现焊接过程的激光焦点位置和条带交叉点对中，对辅助光源模块进行改进，加入十字线发生器，有效提高了焊接的精度。
激光头的三维运动机构由X、Y、Z三个运动单元组成，共有三个自由度，动作由伺服系统的伺服电机驱动，可以完成左右、前后、上下移动，带动激光头进行三维运动，每个运动单元均为直线式运动机构。X、Y、Z三轴依照笛卡尔坐标进行布局，其中，X轴最长，通过伺服电机驱动，伺服电机转子通过行星减速器外接研磨级精密滚珠丝杠，无键连接，并通过高精度直线导轨无间隙传动。X、Y、Z三轴量程为300mm，最大进给速度为8m/min，重复定位精度±0.02mm，最大行走速度9m/min。
采用精密直线导轨导向，无杆气缸驱动，油压吸震器进行吸能消震，机械挡块定位，导轨为全密封结构。焊接系统为7个轴都配备了软限位和硬限位，正常情况下运动轴受软限位保护，不会超程运动。运动轴到达软限位会停止，并提示报警。
工件变位机构由翻转和回转机构构成。回转机构放置在翻转机构上，随翻转机构一同翻转，回转机构的驱动在真空室内，同样通过电机、减速机、同步齿形带三级传动带动回转机构旋转。通过翻转、回转两维旋转将格架旋转到焊接位置，实现复杂格架结构的3维焊接。
本发明所述管制区域内移动手机位置信息实时告警的装置的结构不局限于上述各实施方式所记载的具体结构，还可以是上述各实施方式所记载的技术特征的合理组合。

Claims (5)

1.格架真空激光焊接系统，其特征在于，它包括激光器(1)、激光焊接头(2)、光缆(3)、水冷系统(5)、CCD监测系统(6)、真空充氩系统(7)、真空室(8)、三维运动机构(9)、工件变位机构(10)、计算机(11)、搬运机械手(12)、总控系统(13)和伺服系统(14)；
激光焊接头(2)固定在三维运动机构(9)上，三维运动机构(9)带动激光焊接头(2)进行移动，激光焊接头(2)的激光信号输入端口通过光缆(3)连接激光器(1)的激光信号输出端口，真空室(8)设置在激光焊接头(2)的正下方，所述真空室(8)为密闭矩形箱体，所述箱体的上侧壁为透光玻璃(83)，所述透光玻璃(83)的正下方设有工作台(84)，所述工作台(84)设置在真空室(8)的底面，伺服系统(14)通过控制工件变位机构(10)，进而带动工作台(84)旋转和翻转，真空室(8)的左侧壁设置有充氩气口(85)和排气口(86)；所述排气口(86)设置在充氩气口(85)的下侧，真空室(8)的右侧壁设有抽真空口，所述抽真空口与真空充氩系统(7)的真空泵的抽气孔连通；
激光焊接头(2)包括扩束镜(21)、准直镜(22)、双色镜(23)和聚焦镜(24)；
激光器(1)发射的激光经光缆(3)的入射至扩束镜(21)、扩束镜(21)对入射的光束进行扩束后发射至准直镜(22)，准直镜(22)对入射的光束进行准直后发射至双色镜(23)的入射面，经双色镜(23)透射后的光束入射至聚焦镜(24)，经聚焦镜(24)聚焦后的光束经真空室(8)的透光玻璃照射至工作台(84)上待焊接的工件；工作台(84)上的焊接图像光束经真空室(8)的透光玻璃和聚焦镜(24)后入射至双色镜(23)的反射面，经双色镜(23)的反射面的反射后入射至CCD监测系统(6)的感光面；
搬运机械手(12)的搬运控制信号输入端连接计算机(11)的工件搬运控制信号输出端，所述搬运机械手(12)用于向真空室(8)内搬运待焊接工件，CCD监测系统(6)开关控制信号输入数据输出端连接计算机的检测控制信号输入检测数据输出端，伺服系统(14)的工件变位控制信号输出端连接工件变位机构(10)的变位控制信号输入端，伺服系统(14)的激光头移位控制信号输出端连接三维运动机构(9)的运动控制信号输入端，伺服系统的控制信号输入端连接总控系统(13)的工件变位与激光头移位控制信号输出端，总控系统(13)真空充氩控制信号输出真空室内状态信号输出端与真空充氩系统(7)的控制信号输入端/状态信号输出端相连，总控系统(13)的激光器开关控制信号输出端连接激光器(1)的开关控制信号输入端，水冷系统(5)的出水管与激光器(1)的循环水管的进水管连通，水冷系统(5)冷却控制信号输入端连接总控系统(13)的冷却信号输出端，总控系统(13)与计算机(11)通过电缆进行数据传输。
2.根据权利要求1所述的格架真空激光焊接系统，其特征在于，真空充氩系统(7)包括真空泵、两个电磁阀、气体压力传感器和充氩装置；
真空泵的抽真空口与真空室(8)的右侧壁的抽真空口连通，真空泵(15)的抽真空口与真空室(8)的抽真空口之间设有电磁阀，充氩装置的充氩管端口与真空室(8)的左侧壁的充氩气口(85)连通，所述充氩装置的充氩管端口与真空室(8)的左侧壁的充氩气口(85)之间设有电磁阀，气体压力传感器用于采集真空室(8)内的压力信号，压力传感器的信号输出端为真空充氩系统(7)状态信号输出端，两个电磁阀的控制信号输入端为真空充氩系统(7)的控制信号输入端。
3.根据权利要求1所述的格架真空激光焊接系统，其特征在于，它还包括排气开关，所述排气开关设置在真空室(8)的排气口(86)的外侧。
4.根据权利要求1所述的格架真空激光焊接系统，其特征在于，它还包括水养含量分析仪，所述水养含量分析仪用于检测真空室(8)内的气体含量，所述水养含量分析仪的信号输出端连接总控系统(13)的气体含量信号输入端。
5.根据权利要求1所述的格架真空激光焊接系统，其特征在于，真空室(8)上侧还设有扣合盖(81)，所述扣合盖扣设在透光玻璃(83)的正上方。
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