CN107052573A - 带离焦量定位功能的激光焊接保护气喷嘴 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种带离焦量定位功能的激光焊接保护气喷嘴；其特征在于：安装底座包括与焊接头连接用的连接板、与连接板连接为一体的第一圆筒，连接板上开设有激光通过的圆孔；圆孔与第一圆筒的内径相同且两者共轴；第一圆筒的侧边开设有气嘴接口；主喷嘴包括与第一圆筒连接的第二圆筒、与喷头组件连接的第三圆筒；第二圆筒的内径大于第三圆筒的内径；第二圆筒通过圆锥筒与第三圆筒连接；第二圆筒、第三圆筒共轴；喷头组件为喷头或同轴顶尖中的一种。该发明可更换为同轴测量顶尖，来进行离焦量的定位，同时喷嘴侧身具有测量标尺，可精确测量离焦量的距离值，解决了离焦量不好测量定位的问题，同时方便建立TCP点，便于焊接工艺的实施。

Description

带离焦量定位功能的激光焊接保护气喷嘴

技术领域

本发明涉及锂离子电池的激光焊接生产技术领域，特别是涉及一种带离焦量定位功能的激光焊接保护气喷嘴。

背景技术

激光焊接在电池行业的应用越来越广泛，近几年，机器人激光焊接系统已深入到电池生产行业。

激光焊接是利用高能量密度的激光束作为热源的一种高效精密焊接方法，其光斑小，热变形小，出焊接金属材料外，还可以对透明外壳内的部件进行焊接，适于实现自动化。

激光焊接设备一般由激光器、光学系统、激光加工机、准直系统、工艺介质传输系统和控制系统等组成。光学系统包括光束的传输和聚焦，聚焦是通过焊接头中的透镜实现的；激光加工机用以产生工件与光束间的相对运动，目前机器人的使用越来越广泛，能够实现高效自动化焊接；工艺介质传输系统主要用来输送惰性气体，一般为氩气，气体最终汇集到焊接头，然后从特质的保护气喷嘴输出，起到保护焊缝、吹散焊接过程中的蒸气等离子体的作用。焊接头的作用主要就是上述提到的会聚激光、实现对工件的加工以及输送保护气体。

离焦量是激光焊接的一个重要参数，不仅影响工件表面光斑直径的大小，而且影响光束的入射方向，因而对焊缝形状、熔深和横截面积有较大影响，尤其对于电池的焊接，由于电池材料主要有铝合金、铜，且均为薄壁设计，离焦量参数更为重要。离焦量以聚焦镜片焦距位置为0点，小于焦距的离焦量为正离焦，大于焦距的离焦量为负离焦。对于机器人焊接，实际上属于动枪式焊接，焊接头通过机器人来移动，所以离焦量的定位测量只能以工件表面为基准，当被焊工件表面较为复杂或需要焊接头呈一定角度时，离焦量的定位及调整很不方便。

在焊接机器人的使用中，需要设置工具中心点即TCP点(Tool center point)，对于激光焊接最好选取离焦量的位置为TCP点，即激光与工件的实际接触点，这样做的好处是能够方便准确地对激光的入射角度进行调整，即围绕着TCP点旋转激光头(焊枪)。然而离焦量位置的点为一个虚拟的点，只是光束在工件上的落点，不能够提前被观察和判断，故TCP点无法确定，若想在更换不同工件后仍然使用同样的离焦量时，最精确且易观察的方法就是在离焦量位置上建立一个实际存在的点，并作为TCP点，用这个点去靠近并接触工件然后示教保存下这个位置，但一般的设备不具备这样的功能。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：提供一种带离焦量定位功能的激光焊接保护气喷嘴，该带离焦量定位功能的激光焊接保护气喷嘴具有可更换的喷头组件，可更换为同轴测量顶尖，来进行离焦量的定位，同时喷嘴侧身具有特制的测量标尺，可精确测量离焦量的距离值，解决了机器人激光焊接时，由于焊接头在随机器人移动，离焦量不好测量定位的问题，同时方便建立准确的TCP点，对焊接工艺的实施提供了可靠支持。

本发明为解决公知技术中存在的技术问题所采取的技术方案是：

一种带离焦量定位功能的激光焊接保护气喷嘴，至少包括：

安装底座(1)；所述安装底座(1)包括与焊接头连接用的矩形连接板、和与所述连接板连接为一体的第一圆筒，所述连接板上开设有激光通过的圆孔；所述圆孔与第一圆筒的内径相同且两者共轴；所述第一圆筒的侧边开设有气嘴接口(5)；

主喷嘴(2)；所述主喷嘴(2)包括与第一圆筒连接的第二圆筒、与喷头组件(3)连接的第三圆筒；所述第二圆筒的内径大于第三圆筒的内径；所述第二圆筒通过圆锥筒与第三圆筒连接；所述第二圆筒、第三圆筒共轴；其中：所述喷头组件(3)为喷头(3-1)或同轴顶尖(3-2)中的一种。

作为优选，本发明为解决上述技术问题，还采用了如下附加技术特征：

进一步：所述安装底座(1)由黄铜制成。

进一步：所述主喷嘴(2)由纯铜或黄铜制成。

进一步：所述喷头(3-1)由纯铜或黄铜制成。

进一步：所述同轴顶尖(3-2)由不锈钢制成。

进一步：在所述圆锥筒的大口径端与第二圆筒通过螺纹连接，在该螺纹连接处设有倒角线，并连接有测量标尺(4)，所述倒角线作为刻度线配合标尺使用。

进一步：所述同轴顶尖(3-2)包括第四圆筒和实心圆锥体两部分，所述圆筒的轴线与激光束同轴。

本发明具有的优点和积极效果是：

1.气保护效果好。作为喷嘴的主要功能，各组件连接配合紧密，不漏气，保护气从底座进入经锥形主喷嘴汇拢再从小口喷头喷出，能够较好的吹散等离子体和保护焊缝。

2.同轴精度高。装置轴线上的组件均采用螺纹连接，同轴度好，光束与装置的轴线重合度好，从而保证了同轴顶尖顶点与相应的离焦量激光作用点的重合度。

3.可测量定位离焦量。使用同轴顶尖并旋动主喷嘴，可调整、定位离焦量、通过标尺判读离焦量具体数值。

4.定义机器人焊接头TCP点方便，不用将整套喷嘴拆下更换专用TCP测定工具；

5.易安装拆卸，操作方便。喷头和同轴顶尖的更换可手动旋拧进行，无需拆掉安装底座。主喷嘴也可通过旋动来进行拆卸及更换。一般情况下，激光反光若烧损喷嘴只会烧损喷头部分，仅仅更换喷头即可，可节省成本及时间。

附图说明

图1是本发明优选实施例的离焦量定位功能结构图；

图2是本发明优选实施例的离焦量定位功能结构图；

其中：1、安装底座；2、主喷嘴；3、喷头组件；3-1、喷头；3-2、同轴顶尖；4、测量标尺；5、气嘴接口。

具体实施方式

为能进一步了解本发明的发明内容、特点及功效，兹例举以下实施例，并配合附图详细说明如下：

请参阅图1至图2，一种带离焦量定位功能的离焦量定位功能气喷嘴，包括：

安装底座1；所述安装底座1包括与焊接头连接用的矩形连接板、和与所述连接板连接为一体的第一圆筒，所述连接板上开设有激光通过的圆孔；所述圆孔与第一圆筒的内径相同且两者共轴；所述第一圆筒的侧边开设有气嘴接口5；

主喷嘴2；所述主喷嘴2包括与第一圆筒连接的第二圆筒、与喷头组件3连接的第三圆筒；所述第二圆筒的内径大于第三圆筒的内径；所述第二圆筒通过圆锥筒与第三圆筒连接；所述第二圆筒、第三圆筒共轴；其中：所述喷头组件3为喷头3-1或同轴顶尖3-2中的一种。

在本优选实施例中：为了兼顾强度和散热，所述安装底座1由黄铜制成。安装底座1结构上设计为：主体结构为圆筒状，上下贯通，圆筒轴线与光束同轴；圆筒上部设计有方形安装板，其四角开有小通孔，孔的具体尺寸位置与焊接头输出端平面位置的螺纹孔匹配，使用四个螺丝穿过安装板通孔与焊接头螺纹孔连接，底座即可固定在焊接头上；圆筒下部开有内螺纹，为主喷嘴2安装而设计，同时下部边缘设计有标尺4安装孔；圆筒中部侧面开有气嘴接口5(小螺纹孔)，可外接气嘴。

为了保证有一定的散热作用，所述主喷嘴2由纯铜或黄铜制成。

为了保证有一定的散热作用，所述喷头3-1由纯铜或黄铜制成。

只考虑保证强度，不需考虑散热：所述同轴顶尖3-2由不锈钢制成。

在所述圆锥筒的大口径端与第二圆筒通过螺纹连接，在该螺纹连接处设有倒角线，并连接有测量标尺4，所述倒角线作为刻度线配合标尺使用。

所述同轴顶尖3-2包括第四圆筒和实心圆锥体两部分，所述圆筒的轴线与激光束同轴。

下面对上述几个主要部件进行详细的补充说明：

安装底座1，该组件为整套装置的基准，其轴向要求与焊接头的输出接口同轴。使用时上端与焊接头相连接，下端与主喷嘴相连，侧边装有标尺及保护气入口。

材质为黄铜，可兼顾强度和散热。

结构上设计为：主体结构为圆筒状，上下贯通，圆筒轴线与光束同轴；圆筒上部设计有方形安装板，其四角开有小通孔，孔的具体尺寸位置与焊接头输出端平面位置的螺纹孔匹配，使用四个螺丝穿过安装板通孔与焊接头螺纹孔连接，底座即可固定在焊接头上；圆筒下部开有内螺纹，为主喷嘴2安装而设计，同时下部边缘设计有标尺4安装孔；圆筒中部侧面开有气嘴接口5(小螺纹孔)，可外接气嘴。

主喷嘴2，该组件为锥形，其作用为将保护气汇拢输出到喷头。结构上大口径端与安装底座相连，小口径端与可更换喷头组件相连。侧身有环状刻度线用以结合标尺判读尺寸刻度；

材质为纯铜或黄铜，保证有一定的散热作用。

结构上设计为：整体为圆筒加圆锥筒结构。上部为螺纹口结构，开有外螺纹，螺纹规格与安装底座1的内螺纹相匹配；中部为圆锥筒形，作用为使气体汇拢，在圆锥筒的大口径端与圆筒形螺纹口交接处，设计有倒角线，作为刻度线配合标尺使用；下部为小圆筒形，其内壁开有内螺纹，为安装可更换喷头组件设计。

喷头组件3，具体为：喷头3-1和同轴顶尖3-2；该部分由两个可选组件构成，一是喷头，二是同轴顶尖。结构上与主喷嘴小口径端相连。焊接时使用喷头输出保护气，进行离焦量调整定位及TCP点测量时使用同轴顶尖。

喷头3-1材质为纯铜或黄铜，保证有一定散热作用；同轴顶尖材质为不锈钢，以保证强度，不需考虑散热。结构上二者均为中心轴对称结构，轴线与光束同轴。

结构上设计为：

喷头整体为圆筒状结构，为上下贯通设计。上半部分为螺纹口结构，开有外螺纹，螺纹规格与主喷嘴2下部的内螺纹相匹配；下半部分为尾部外形带锥度的圆筒形结构，锥度的设计是为减少激光反光反射到喷头上的几率，且在圆筒形部位侧面设计有两对称平面结构，以方便手持或工具加持来旋动喷头。

同轴顶尖3-2整体为圆筒加圆锥体结构，为实心设计，轴线与光束同轴，总体长度相对喷头长15mm。上半部为螺纹口结构，开有外螺纹，螺纹规格与主喷嘴2下部的内螺纹相匹配；下半部分为圆柱加圆锥体结构，圆锥体的尖端在光束轴线上，且在圆柱形部分侧面设计有两对称平面结构，以方便手持或工具加持来旋动同轴顶尖。

测量标尺4，该组件功能为测量及判读离焦量，与主喷嘴配合使用；

材质为不锈钢。

结构为长方形短尺状，配有固定定位结构以固定在安装底座1下部边缘处，保证标尺平面与主喷嘴2上半部的螺纹口圆筒侧面相贴合，从而保证读数准确。

标尺刻度范围为±10mm,其0位的标定规则如下：

a)通过“H＝聚焦镜片焦距-焊接头聚焦镜片与焊接头输出端面距离”公式计算，得出同轴顶尖的顶点位于激光焦点位置时装置的总长度H；

b)选用同轴顶尖组件3-2安装到主喷嘴2上并将螺纹旋到底，再将安装底座1与已装有同轴顶尖3-2的主喷嘴2螺纹连接；

c)将上述组装好的装置在桌面平放，即安装底座1安装板朝下、同轴顶尖3-2朝上，使用高度尺测量同轴顶尖3-2尖端点到安装底座1安装板平面的距离，通过旋动主喷嘴2的螺纹部分使距离值等于a中的H；

d)此时主喷嘴2的刻度线在标尺上对应的位置即为标尺0点位置，±10mm以该位置为基准。

气嘴接口5

选用标准的气嘴接口。

本发明的工作过程如下：

本发明的工作模式有两种，一为离焦量定位模式，二为气保护模式。

两种模式下装置的主干部分均已安装到焊接头上，安装的步骤为：

1.将已装有测量标尺4及气嘴的安装底座1通过四个螺钉安装到焊接头输出端平面上；

2.再将主喷嘴2与安装底座1相连，即将主喷嘴2上部的螺纹口旋入安装底座1下部的内螺纹中。

分别对于两种工作模式，选用不同的可更换喷头组件3，具体方法如下：

一、离焦量定位模式

在正式焊接之前，一般要确认要使用的离焦量。

1.安装

选用同轴顶尖3-2，将其与主喷嘴2相连接，即将同轴顶尖3-2上部的螺纹口旋入主喷嘴2下部的内螺纹中，并将螺纹旋到底。

2.调整

旋动主喷嘴2上部的螺纹口，观察其刻度线，将刻度线对到标尺上相应的数值线。

3.示教

此时即可进行焊接路径示教，即移动机器人，使同轴顶尖3-2的尖端点位置与待焊接位置点无限接近(不能过力接触，否则会损坏装置或工件及焊接头)，并通过机器人示教器保存下该点位置，写入程序的焊接路径。

完成以上3个步骤即完成了离焦量定位工作，为后续焊接做好准备。

二、气保护模式

在完成上述离焦量定位工作后，即可切换为气保护模式进行焊接，具体步骤如下：

选用喷头3-1，将其与主喷嘴2相连接，即将喷头3-1上部的螺纹口旋入主喷嘴2下部的内螺纹中，并将螺纹旋到底，以防止焊接过程中金属蒸气飞溅物附着到喷头3-1的螺纹口上，导致无法正常连接或拆卸；

注意在安装喷头3-1的过程中，不要旋动主喷嘴2上部的螺纹口，即不能使主喷嘴2与安装底座1产生相对距离变化，直观体现为主喷嘴2的刻度线在测量标尺上的指示值不能变化，保持预定的离焦量值；

将保护气管插入安装底座1的气嘴上，打开保护气瓶开关；

安装完成后即可按照机器人示教后的程序路径进行焊接。

本发明的气保护模式为同轴气保护，若更换焊接头的聚焦镜片改变了焦距，可制作并更换相应尺寸的主喷嘴2及喷头3-1。

以上对本发明的实施例进行了详细说明，但所述内容仅为本发明的较佳实施例，不能被认为用于限定本发明的实施范围。凡依本发明申请范围所作的均等变化与改进等，均应仍归属于本发明的专利涵盖范围之内。

Claims (7)

1.一种带离焦量定位功能的激光焊接保护气喷嘴，其特征在于：至少包括：

安装底座(1)；所述安装底座(1)包括与焊接头连接用的矩形连接板、和与所述连接板连接为一体的第一圆筒，所述连接板上开设有激光通过的圆孔；所述圆孔与第一圆筒的内径相同且两者共轴；所述第一圆筒的侧边开设有气嘴接口(5)；

主喷嘴(2)；所述主喷嘴(2)包括与第一圆筒连接的第二圆筒、与喷头组件(3)连接的第三圆筒；所述第二圆筒的内径大于第三圆筒的内径；所述第二圆筒通过圆锥筒与第三圆筒连接；所述第二圆筒、第三圆筒共轴；其中：所述喷头组件(3)为喷头(3-1)或同轴顶尖(3-2)中的一种。

2.根据权利要求1所述带离焦量定位功能的激光焊接保护气喷嘴，其特征在于：所述安装底座(1)由黄铜制成。

3.根据权利要求1所述带离焦量定位功能的激光焊接保护气喷嘴，其特征在于：所述主喷嘴(2)由纯铜或黄铜制成。

4.根据权利要求1所述带离焦量定位功能的激光焊接保护气喷嘴，其特征在于：所述喷头(3-1)由纯铜或黄铜制成。

5.根据权利要求1所述带离焦量定位功能的激光焊接保护气喷嘴，其特征在于：所述同轴顶尖(3-2)由不锈钢制成。

6.根据权利要求1-5任一项所述带离焦量定位功能的激光焊接保护气喷嘴，其特征在于：在所述圆锥筒的大口径端与第二圆筒通过螺纹连接，在该螺纹连接处设有倒角线，并连接有测量标尺(4)，所述倒角线作为刻度线配合标尺使用。

7.根据权利要求6所述带离焦量定位功能的激光焊接保护气喷嘴，其特征在于：所述同轴顶尖(3-2)包括第四圆筒和实心圆锥体两部分，所述圆筒的轴线与激光束同轴。