CN106271043B - 一种激光焊接系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种激光焊接系统，包括激光装置、工件定位装置、伺服机构，其中，所述激光装置用于对第一工件和第二工件进行焊接；所述工件定位装置包括用于对所述第一工件和第二工件的位置进行粗定位的定位块和用于压紧所述第一工件和第二工件的压紧组件；所述伺服机构用于对所述第一工件和第二工件进行精定位并控制所述激光装置、工件定位装置进行动作。本发明另一方面还提供一种相应的激光焊接方法。本发明提供的上述激光焊接系统和方法可显著的提高生产效率，实现全自动化焊接，适用于各种大规模的应用，同时能够确保焊接可靠性。

Description

一种激光焊接系统及方法

技术领域

本发明涉及一种激光焊接系统及方法，属于机械加工技术领域。

背景技术

在现有激光焊接工艺中，待焊接的工件，特别是薄板工件之间的“对缝”存在对不齐、可靠性差、不稳定、效率低等问题，限制了激光焊接方法在薄板焊接中的应用。薄板焊接在实际生产应用中通常会采用氩弧焊、等离子焊工艺，相对于激光焊接工艺，存在热影响区大、焊缝外观差等问题，尤其是在一些有较高外观要求的产品上，存在明显弊端。因此，如何实现快速、可靠的对缝，是薄板激光焊接在实际应用中需突破的一道技术难关。常见的对缝不合格主要包括如图1至图4中所示的上下错边、前后错边、对缝喇叭口、对缝边波浪形变形(存在这种情况的焊接材料应直接剔除)等。如图5中所示，合格的对缝在对缝宽度δ与工件厚度T值之间存在小于1(例如0.1)的比例关系。这个比例非常小，而薄板本身的厚度T通常也仅在0.3至3mm之间，因此，要达到这个比例是非常困难的。对缝不合格，将无法获得可靠的焊接强度，对产品的焊接质量存在严重隐患。

发明内容

本发明的目的是提供一种激光焊接系统及方法，以解决在现有激光焊接工艺中，对待焊接薄板工件进行对缝中存在的上下错边、前后错边、对缝喇叭口等问题，实现快速、可靠对边，提高激光焊接生产效率。

本发明目的通过以下技术方案实现：

本发明一方面提供一种激光焊接系统，包括激光装置、工件定位装置、伺服机构，其中，

所述激光装置用于对第一工件和第二工件进行焊接；

所述工件定位装置包括用于对所述第一工件和第二工件的位置进行粗定位的定位块和用于压紧所述第一工件和第二工件的压紧组件；

所述伺服机构用于对所述第一工件和第二工件进行精定位并控制所述激光装置、工件定位装置进行动作。

优选地，所述定位块呈楔形结构，用于定位的部分一侧为竖直面，另一侧为斜面。

优选地，所述竖直面和所述斜面之间形成45度夹角。

优选地，在所述粗定位中，由所述伺服机构首先控制所述第一工件抵近所述定位块，使第一工件的对边端面接触所述竖直面，然后控制所述第二工件抵近所述定位块，使第二工件的对边端面接触所述斜面。

优选地，所述压紧组件包括位于所述第一工件上方的第一压块、位于所述第二工件上方的第二压块和位于所述第一工件和第二工件下方的第三压块，其中，所述第一压块和第三压块相配合压紧所述第一工件，所述第二压块和第三压块相配合压紧所述第二工件。

优选地，所述伺服机构包括伺服电机、控制器、传感器、驱动装置，其中，所述控制器收到传感器发送的信号后控制所述驱动装置驱动所述第一工件、第二工件、激光装置、第一压块、第二压块和/或定位块进行动作。

优选地，在所述第三压块上设置焊接保护气体通道，用于对焊接过程提供保护气体。

优选地，所述焊接保护气体通道包括接气口、储气槽、多个出气通口、出气槽，其中，所述多个出气通口以等间距并行排列在所述储气槽和所述出气槽之间，以连通所述储气槽和出气槽。

优选地，所述激光焊接系统还包括视觉对缝光学检测装置，所述视觉对缝光学检测装置设置在所述第一工件和第二工件之间形成的对缝上方，用于判断对缝是否合格。

优选地，所述激光焊接系统还包括导轨，其用于供所述激光装置和视觉对缝光学检测装置在对缝上方相对于所述对缝进行移动。

本发明另一方面提供一种激光焊接方法，使用如上所述的任意一种激光焊接系统，包括由伺服机构控制进行如下步骤：

步骤1：定位块运行至预定位置；

步骤2：第一工件从所述定位块一侧向所述定位块运动，使第一工件的对边端面接触所述定位块上用于定位的部分的一侧表面；压紧组件压紧第一工件；

步骤3：第二工件从所述定位块另一侧向所述定位块运动，使第二工件的对边端面接触所述定位块上用于定位的部分的另一侧表面；在第一工件的对边端面和第二工件的对边端面之间形成宽度为T的间隙，完成粗定位；

步骤4：移开定位块，使其恢复至初始状态；

步骤5：第二工件向第一工件的方向运行T值距离，完成精定位；

步骤6：压紧组件压紧第一工件和第二工件；

步骤7：启动激光装置对所述第一工件和第二工件进行激光焊接。

优选地，当在所述第一工件和第二工件下方设置焊接保护气体通道时，在所述步骤1中，所述定位块运行至所述焊接气体保护通道的中间位置。

优选地，当所述定位块上用于定位的部分为由一侧的竖直面和另一侧的斜面形成的楔形结构时，在所述步骤2中，所述第一工件接触所述竖直面，在所述步骤3中，所述第二工件接触所述斜面。

优选地，当所述激光焊接系统包括视觉对缝光学检测装置时，在所述步骤6之后，首先由所述视觉对缝光学检测装置检测已压紧的第一工件和第二工件之间的对缝是否合格，如判定合格，进入步骤7；如判定不合格，发出警报，系统停止运行，人工对系统进行维护。

本发明提供的上述激光焊接系统和方法相对于在工件上增加工艺定位手工对缝的方式，可显著的提高生产效率，实现全自动化焊接，适用于各种大规模的应用，同时能够确保焊接可靠性。

附图说明

下面根据附图和实施例对本发明作进一步详细说明。

图1是薄板焊接中出现的上下错边对缝示意图。

图2是薄板焊接中出现的前后错边对缝示意图。

图3是薄板焊接中出现的喇叭口对缝示意图。

图4是薄板焊接中出现的对缝边波浪线变形示意图。

图5是薄板焊接对缝合格情况示意图。

图6本发明实施例提供的激光焊接系统整体示意图。

图7是图6中A部分的局部放大示意图。

图8是本发明实施例中所述的下压块和焊接气体保护通道的立体示意图。

图9是本发明实施例中所述的下压块和焊接气体保护通道的端面示意图。

图10是本发明实施例提供的激光焊接方法框图。

具体实施方式

以下对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明实施例提供的激光焊接系统整体上如图6中所示，包括激光装置9、工件定位装置、伺服机构、视觉对缝光学检测装置10、焊接保护气体通道7。

激光装置9用于对第一工件1和第二工件2进行焊接。激光装置9可以固定在固定板12上，由伺服电机11驱动沿着导轨13在焊缝上方相对于焊缝平行或垂直移动。激光装置9包括激光头和设置在激光头前方的聚焦透镜。

工件定位装置包括压紧组件和定位块6，压紧组件包括第一压块3、第二压块4、第三压块5。其中，如图6中所示，第一压块3位于第一工件1上方；第二压块4位于第二工件2上方；定位块6位于第一工件和第二工件的对缝上方；第三压块5作为下压块，位于第一工件1和第二工件2及对缝的下方。优选地，第一压块3和第二压块4相对的前端呈楔形，即二者前端接近定位块6处均为尖角，以避免在定位过程中与定位块6碰撞。

定位块6、第一压块3、第二压块4、第三压块5与伺服机构相配合在激光焊接前对第一工件1和第二工件2的位置进行粗定位和精定位。定位块6能够在粗定位中限定第一工件1和第二工件2的水平位置；第一压块3、第二压块4和第三压块5能够分别限定第一工件1和第二工件2的垂直位置。具体地，使用定位块6对第一工件1和第二工件2的位置进行第一次定位，即进行粗定位；粗定位完成后使用伺服机构控制第二工件2移动确定的距离进行精定位；使用第一压块3和第三压块5配合压紧第一工件1；使用第二压块4和第三压块5配合压紧第二工件2。

在优选实施例中，如图7、图8中所示，定位块6整体上呈楔形结构，在定位块6的下端，即定位块6的用于定位的部分一侧为竖直面，另一侧为斜面。在粗定位中，由伺服机构首先控制第一工件1抵近定位块6，使第一工件1的对边端面接触竖直面，然后控制第二工件2抵近定位块6，使第二工件2的对边端面接触斜面。这种楔形结构特点是整体上呈“楔形”，特别是在其下端由竖直面和斜面形成一定角度。定位块6固定在固定机构上，固定机构可沿与垂直方向呈45度角布置的精密导轨移动，从而带动定位块6整体上与垂直方面呈一定角度滑动，以达到避让其它行走机构的目的。竖直面和斜面之间优选形成45度的角度。因此，利用等边三角形的原理，在使用定位块6进行粗定位之后，第一工件1和第二工件2之间的距离与其厚度相等，即均为T值。因此，在对缝定位过程中，在粗定位中，使用楔形定位块首先限定了第二工件与第一工件之间的距离为T，即使在接下来的精定位过程中，第二工件向第一工件移动的距离不能准确地达到T值，但也能保证二者之间的间隙一定小于T值，即保证δ值与T至之间的比例小于1，从而获得合格的对缝。使用这种“楔形”定位结构，完全避免对边端面与楔形定位机构发生相互碰撞变形的机率，同时提高一次性对缝的成功机率。

伺服机构用于控制第一工件1、第二工件2、激光装置9、工件定位装置的动作。伺服机构包括伺服电机11、控制器、传感器、驱动装置，其中，所述控制器收到传感器发送的信号后控制所述驱动装置驱动所述第一工件、第二工件、激光装置、第一压块、第二压块和/或定位块进行动作。伺服电机11可以固定在固定板12上。驱动装置可以包括用于夹持第一工件并移动第一工件的第一工件夹持装置、用于夹持第二工件并移动第二工件的第二工件夹持装置、用于驱动和移动激光驱动装置9的激光装置驱动装置、用于移动和压紧第一压块3的第一压块驱动装置、用于移动和压紧第二压块4的第二压块驱动装置、用于移动定位块6的定位块驱动装置。

在优选实施例中，第三压块7中设置焊接保护气体通道7，用于对焊接过程提供例如氩气的保护气体。如图8、图9中所示，焊接保护气体7通道包括接气口14、储气槽15、多个出气通口16和出气槽17。多个出气通口16以等间距(J值)并行排列在储气槽15和出气槽17之间。储气槽15和储气槽17的宽度大于出气通口16的直径(Q值)，在三者之间形成一种H形结构。这种“H形焊接保护气通道”不仅可以满足焊接需要，在确保气体保护焊接的同时可以节省保护气体的用量，降低实际生产成本。其中，J值和Q值可以通过实验来确定，以达到既保证焊接质量由节省气体的最优供气量。

在优选实施例中，在激光焊接系统中可以设置视觉对缝光学检测装置10，例如单筒望远镜。视觉对缝光学检测装置10设置在第一工件1和第二工件2之间形成的对缝上方，用于判断对缝是否合格。视觉对缝光学检测装置10可以与激光装置9固定在一起，也可以单独设置。视觉对缝光学检测装置10可以和激光装置9一起在伺服机构驱动下沿着导轨13平行于焊缝移动。采用“视觉对缝光学检测装置”能够提高对缝的可靠性，从而确保焊接质量。

本发明实施例另一方面提供一种激光焊接方法，使用如上所述的激光焊接系统，包括由伺服机构控制进行如下步骤：

步骤1：定位块6运行至预定位置，例如第三压块5的上表面；

步骤2：第一工件1从定位块6的一侧向所述定位块6运动，使第一工件的对边端面接触所述定位块上用于定位的部分的一侧表面；压紧组件压紧第一工件；

步骤3：第二工件2从所述定位块6另一侧向所述定位块6运动，使第二工件2的对边端面接触所述定位块上用于定位的部分的另一侧表面；在第一工件1的对边端面和第二工件2的对边端面之间形成宽度为T的间隙，完成粗定位；

步骤4：移开定位块6，使其恢复至初始状态；

步骤5：第二工件2向第一工件1的方向运行T值距离，完成精定位；

步骤6：压紧组件压紧第一工件和第二工件；

步骤7：启动激光装置对第一工件1和第二工件2进行激光焊接。

优选地，在上述方法中，当在第一工件1和第二工件2下方设置焊接保护气体通道时，在所述步骤1中，定位块6运行至焊接气体保护通道7的中间位置，以便将第一工件和第二工件对边端面之间形成的对缝确定在焊接气体保护通道7的中间。

优选地，在上述方法中，当定位块6上用于定位的部分，例如其下端为由一侧的竖直面和另一侧的斜面形成的楔形结构时，在步骤2中，第一工件1会抵住或接触定位块6下端的竖直面，在步骤4中，第二工件2会抵住或接触定位块6下端的斜面。通过楔形定位机构实现第一工件和第二工件对缝的粗定位。

优选地，在上述方法中，当所述激光焊接系统包括视觉对缝光学检测装置时，在所述步骤6之后，首先由所述视觉对缝光学检测装置检测已压紧的第一工件和第二工件直径的对缝是否合格，如判定合格，进入步骤7；如判定不合格，发出警报，系统停止运行，人工对系统进行维护。

在其他优选实施例提供的方法中，在激光薄板焊接中使用“粗定位”和“精定位”思路，先采用点预压，后使用面预压的方式，先定其一侧，作为另一侧对边的参考基准。如图10中所示，所述方法包括如下步骤：

步骤1、“定位块”运行至“下压块”的“氩气槽”中间位置；

步骤2、“右侧料”在伺服机构夹持下，抵近“定位块”右侧平面；

步骤3、位于“右压块”上方的“气缸”向下压紧“右侧料”；其中，气缸穿透右压块压在右侧料上，根据右侧料宽度，可设置多个点进行预压；

步骤4、“左侧料”在伺服结构夹持下，抵近“定位块”左侧的斜面，完成“粗定位”；此时，“左侧料”的“对边端面a”与“右侧料”的“对边端面b”之间有一个间隙T值；

步骤5、“定位块”回复到初始状态；

步骤6、“左侧料”在伺服机构夹持下，向右行走T值，完成“精定位”

步骤7、“左压块”、“右压块”由于气缸的滑块锁在一起，同时动作压紧“左侧料”和“右侧料”，起到压紧作用；

步骤8、“视觉对缝光学检测装置”判定对缝是否合格；

步骤9、判定对缝合格，由伺服电机驱动“激光头”沿导轨轨迹运行，完成焊接；判定对缝不合格直接报警停机，人工干预对设备进行维护。本发明的技术内容及技术特征已揭示如上，然而熟悉本领域的技术人员仍可能基于本发明的教示及揭示而作种种不背离本发明精神的替换及修饰，因此，本发明保护范围应不限于实施例所揭示的内容，而应包括各种不背离本发明的替换及修饰，并为本发明权利要求所涵盖。

Claims (11)

1.一种激光焊接系统，其特征在于，包括激光装置、工件定位装置、伺服机构，其中，

所述激光装置用于对第一工件和第二工件进行焊接；

所述工件定位装置包括用于对所述第一工件和第二工件的位置进行粗定位的定位块和用于压紧所述第一工件和第二工件的压紧组件；

所述伺服机构用于对所述第一工件和第二工件进行精定位并控制所述激光装置、工件定位装置进行动作；

所述定位块呈楔形结构，用于定位的部分一侧为竖直面，另一侧为斜面，所述竖直面和所述斜面之间形成45度夹角，在使用所述定位块进行粗定位之后，第一工件和第二工件之间的距离与所述工件的厚度相等；

所述压紧组件包括位于所述第一工件上方的第一压块、位于所述第二工件上方的第二压块和位于所述第一工件和第二工件下方的第三压块，其中，所述第一压块和第三压块相配合压紧所述第一工件，所述第二压块和第三压块相配合压紧所述第二工件；

在所述第三压块上设置焊接保护气体通道，用于对焊接过程提供保护气体。

2.根据权利要求1所述的激光焊接系统，其特征在于，在所述粗定位中，由所述伺服机构首先控制所述第一工件抵近所述定位块，使第一工件的对边端面接触所述竖直面，然后控制所述第二工件抵近所述定位块，使第二工件的对边端面接触所述斜面。

3.根据权利要求1所述的激光焊接系统，其特征在于，所述伺服机构包括伺服电机、控制器、传感器、驱动装置，其中，所述控制器收到传感器发送的信号后控制所述驱动装置驱动所述第一工件、第二工件、激光装置、第一压块、第二压块和定位块进行动作。

4.根据权利要求1所述的激光焊接系统，其特征在于，所述伺服机构包括伺服电机、控制器、传感器、驱动装置，其中，所述控制器收到传感器发送的信号后控制所述驱动装置驱动所述第一工件、第二工件、激光装置、第一压块、第二压块或定位块进行动作。

5.根据权利要求1所述的激光焊接系统，其特征在于，所述焊接保护气体通道包括接气口、储气槽、多个出气通口、出气槽，其中，所述多个出气通口以等间距并行排列在所述储气槽和所述出气槽之间，以连通所述储气槽和出气槽。

6.根据权利要求1-5中任一项所述的激光焊接系统，其特征在于，还包括视觉对缝光学检测装置，所述视觉对缝光学检测装置设置在所述第一工件和第二工件之间形成的对缝上方，用于判断对缝是否合格。

7.根据权利要求6所述的激光焊接系统，其特征在于，还包括导轨，其用于供所述激光装置和视觉对缝光学检测装置在对缝上方相对于所述对缝进行移动。

8.一种激光焊接方法，其特征在于，使用如权利要求1-6中任一项所述的激光焊接系统，包括由伺服机构控制进行如下步骤：

步骤1：定位块运行至预定位置；

步骤2：第一工件从所述定位块一侧向所述定位块运动，使第一工件的对边端面接触所述定位块上用于定位的部分的一侧表面；压紧组件压紧第一工件；

步骤3：第二工件从所述定位块另一侧向所述定位块运动，使第二工件的对边端面接触所述定位块上用于定位的部分的另一侧表面；在第一工件的对边端面和第二工件的对边端面之间形成宽度为工件厚度值的间隙，完成粗定位；

步骤4：移开定位块，使其恢复至初始状态；

步骤5：第二工件向第一工件的方向运行工件厚度值距离，完成精定位；

步骤6：压紧组件压紧第一工件和第二工件；

步骤7：启动激光装置对所述第一工件和第二工件进行激光焊接。

9.根据权利要求8所述的激光焊接方法，其特征在于，当在所述第一工件和第二工件下方设置焊接保护气体通道时，在所述步骤1中，所述定位块运行至所述焊接气体保护通道的中间位置。

10.根据权利要求8所述的激光焊接方法，其特征在于，在所述步骤2中，所述第一工件接触所述竖直面，在所述步骤3中，所述第二工件接触所述斜面。

11.根据权利要求8所述的激光焊接方法，其特征在于，当所述激光焊接系统包括视觉对缝光学检测装置时，在所述步骤6之后，首先由所述视觉对缝光学检测装置检测已压紧的第一工件和第二工件之间的对缝是否合格，如判定合格，进入步骤7；如判定不合格，发出警报，系统停止运行，人工对系统进行维护。