CN107175415A - 一种激光增强装置及电弧焊接系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及焊接领域，具体而言，涉及一种激光增强装置及电弧焊接系统。一种激光增强装置，其包括光学元件、聚焦透镜、光学接头、驱动装置，激光能依次通过光学接头、光学元件、聚焦透镜形成激光束；驱动装置能驱动光学元件旋转使激光束旋转。一种电弧焊接系统，其包括上述的激光增强装置。驱动装置使激光束沿预设轨迹旋转。激光束使熔滴以均匀的尺寸和频率进行过渡。激光束对待焊的母材区域的表面清理的同时对其加热：使其温度升高，增强焊接过程的稳定性，提高焊接质量；增加待焊区域的气体的温度，使电弧更加稳定。在较低的电流下实现相同熔深的焊接质量，实现低飞溅焊接。

Description

一种激光增强装置及电弧焊接系统

技术领域

本发明涉及焊接领域，具体而言，涉及一种激光增强装置及电弧焊接系统。

背景技术

传统的电弧加工技术中，在电弧作用下，焊丝末端产生的熔滴的稳定性直接决定了焊接过程的稳定程度。现有技术中，焊接过程中熔滴过渡不均匀，时而大颗粒过渡，时而短路过渡，则相应的焊接过程也同样不稳定，这势必会造成严重的焊接飞溅和焊接缺陷的产生，直接影响焊接产品的质量。

发明内容

本发明的目的在于提供一种激光增强装置及电弧焊接系统。其旨在改善现有的激光焊接得到的焊接产品质量不佳的问题。

本发明提供一种技术方案：

一种激光增强装置，其包括光学元件、聚焦透镜、光学接头、驱动装置，激光能依次通过光学接头、光学元件、聚焦透镜形成激光束；驱动装置能驱动光学元件旋转使激光束沿预设轨迹旋转。

在本发明较佳的实施例中，上述驱动装置能驱动激光增强装置旋转使激光束旋转。

在本发明较佳的实施例中，上述光学元件可以为楔形镜、振镜或者高速棱镜中的任一种。

在本发明较佳的实施例中，上述驱动装置包括电机，电机与光学元件连接。

在本发明较佳的实施例中，上述激光增强装置还可以包括控制系统，控制系统与驱动装置电连接，且用于控制激光束旋转幅度和/或激光束旋转频率。

在本发明较佳的实施例中，上述控制系统与驱动装置电连接，且控制系统用于控制激光束分别照射于母材、待焊区域的气体、焊丝末端的时间。

在本发明较佳的实施例中，上述控制系统用于控制激光束照射于母材的时间为一个周期的26-32％。控制系统用于控制激光束照射于焊丝末端的时间为一个周期的5％-8％。控制系统用于控制激光束照射于待焊区域的气体的时间为一个周期的60％-69％。

本发明还提供一种技术方案：

一种电弧焊接系统，其包括上述的激光增强装置。

在本发明较佳的实施例中，上述电弧焊接系统还可以包括激光器，激光器与激光增强装置的光学接头连接。

在本发明较佳的实施例中，上述电弧焊接系统还可以包括控制系统，控制系统与激光器连接，控制系统控制激光器输出激光的功率或/和激光的波形。

本发明实施例提供的一种激光增强装置及电弧焊接系统的有益效果是：

驱动装置能驱动激光增强装置旋转使激光束沿预设轨迹旋转。焊接过程中激光束的旋转移动使激光束对不同的位置进行照射，可以克服现有技术中电弧焊接系统焊接过程不稳定的问题。激光束旋转过程中，激光束还会对待焊的母材区域、待焊区域的气体进行照射。激光束对待焊的母材区域进行加热：使其温度升高，使焊接过程中熔滴易铺展，焊缝成型、焊缝深度以及焊接品质均得到提高；此外，激光束对待焊的母材区域具有清理的效果，清除母材表面的覆层或者金属氧化物，增加电弧稳定性的同时减小飞溅量。激光束对待焊区域的气体进行照射：增加待焊区域的气体的温度，气体电离所需要的能量降低，给定电流的情况下，更容易电离，增加待焊区域气体的温度，使电弧更加稳定。

此外，控制系统的设置使激光束的旋转幅度以及旋转频率得到控制。控制系统分配激光束照射母材、待焊区域的气体、焊丝的时间。使熔滴以均匀的尺寸和频率进行过渡，使焊接过程更加稳定，减少焊接过程的飞溅，增加焊接质量。在较低的电流下实现相同熔深的焊接质量，实现低飞溅焊接。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本发明实施例一提供的激光增强装置的结构示意图；

图2为本发明实施例一提供的激光的光路原理图。

图3为本发明实施例一提供的激光增强装置的控制原理图；

图4为本发明实施例二提供的电弧焊接系统的结构示意图；

图5为本发明实施例二提供的电弧焊接系统的控制原理示意图。

图标：100-激光增强装置；101-激光；102-激光束；103-母材；110-光学元件；120-聚焦透镜；130-光学接头；140-驱动装置；150-控制系统；200-电弧焊接系统；201-焊丝；210-激光器；220-焊枪；230-焊接机。

具体实施方式

传统的电弧加工技术中，在电弧作用下，焊丝末端产生的熔滴的稳定性直接决定了焊接过程的稳定程度。如果焊接过程中熔滴过渡不均匀，时而大颗粒过渡，时而小颗粒短路过渡，则相应的焊接过程也同样不稳定，这势必会造成严重的焊接飞溅和焊接缺陷的产生，直接影响焊接产品的质量。这个情况不仅对电源的控制提出了极高的要求，而且还对送丝机构、焊丝等外围部件提出了较高的要求。这不仅会增加设备的投入成本，而且还会限制传统弧焊技术的应用范围。

在传统弧焊加工中，焊丝的熔化需要依靠电弧来实现，这样就会影响焊接的效率，如果焊丝不是以室温状态进入到电弧区域，而是带有一定的温度进入电弧区域，不仅有利于增加焊接速度，而且还有利于增加焊接质量，提高焊接熔深。

待焊母材的初始温度也会对焊接质量造成影响，待焊母材的温度高于室温，则焊接过程中熔滴易铺展，焊缝成型、焊缝深度以及焊接品质都要优于室温母材下的状态。

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本发明实施例的描述中，需要理解的是，指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，或者是本领域技术人员惯常理解的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明实施例的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

实施例一

图1为本发明实施例一提供的激光增强装置100的结构示意图，请参阅图1。本实施例提供了一种激光增强装置100，激光增强装置100包括光学元件110、聚焦透镜120、光学接头130、驱动装置140，光学接头130、光学元件110、聚焦透镜120配合使用，激光101(见图2)通过光学接头130、光学元件110、聚焦透镜120形成激光束102；驱动装置140能驱动光学元件110旋转使激光束102沿预设轨迹旋转。

在本实施例中，光学元件110、聚焦透镜120、光学接头130均安装于激光增强装置100的壳体(图中未示出)内，光学元件110、聚焦透镜120、光学接头130相互独立地设置，且激光101通过光学元件110、聚焦透镜120、光学接头130最后汇集为激光束102。

本实施例的光学接头130可以为QBH接头，也可以为QD接头等。

在本实施例中，驱动装置140与光学元件110连接，驱动装置140使光学元件110旋转，通过光学元件110的旋转从而使激光束102沿预设轨迹旋转。换言之，驱动装置140驱动光学元件110旋转，改变激光束102在激光增强装置100壳体内的光学路径从而改变激光束102的末端照射点。本发明实施例表述的预设轨迹是指在焊接某物件时激光束102的运动轨迹，该运动轨迹可根据激光束102的频率，待焊物件的材料等进行预设。

需要说明的是，在本发明的其他实施例中，驱动装置140也可以与上述的壳体连接，驱动装置140驱动整个激光增强装置100，驱动装置140未改变壳体内的光学路径，使壳体转动从而使激光束102旋转。

图2为本发明实施例一提供的激光101的光路原理图，请参阅图2，驱动装置140驱动激光增强装置100旋转使激光束102的末端(照射点)旋转。焊接过程中使激光束102的末端在不同地方(例如母材103、待焊区域的气体、焊丝(图中未示出))移动，可以避免激光束102的一直对焊丝照射；激光束102对焊丝照射一段时间后移开，避免熔滴无法长大或焊丝断丝的问题。可限制熔滴的尺寸大小，使熔滴以均匀的尺寸和频率进行过渡，进而使焊接过程更加稳定，减少焊接过程的飞溅，增加焊接质量。

此外，激光束102旋转过程中，激光束102会对待焊的母材103区域进行加热，使其温度升高，增强焊接过程的稳定性，提高焊接质量；激光束102对待焊的母材103区域具有清理的效果，清除母材103表面的覆层或者金属氧化物，增加电弧稳定性的同时减小飞溅量。再者，激光束102对待焊区域的气体进行照射，增加待焊区域的气体的温度，气体电离所需要的能量降低，给定电流的情况下，更容易电离，增加待焊区域气体的温度，使电弧更加稳定。

在本实施例中，光学元件110可以为楔形镜，驱动装置140为电机，电机与楔形镜连接，具体地，该电机可以为伺服电机或者步进电机等。进一步地，电机通过传动机构(皮带传输或者齿轮传动等)与楔形镜连接使楔形镜转动，从而使激光束102旋转。

在本实施例中，在本发明的其他实施例中，光学元件110也可以为振镜或者高速棱镜等。相应地，驱动装置140也可为具有其他动力源的传动机构。

图3为本发明实施例一提供的激光增强装置100的控制原理图。请参阅图3，在本实施例中，激光增强装置100还包括控制系统150，控制系统150与驱动装置140电连接，控制系统150控制驱动装置140从而控制光学元件110的旋转幅度，进而控制激光束102的旋转幅度(或者旋转半径)。可选地，控制系统150控制激光束102的旋转半径为0-12mm；在其他实施例中，激光束102的旋转半径也可通过焊丝的直径和焊接电流的大小来设定。进一步地，控制系统150还可以控制激光束102旋转频率。本发明实施例表述的激光束102旋转频率指每秒钟激光束102旋转的次数，即一秒钟内激光束102从一端移动至另一端再移动至一端的次数。

需要说明的是，在本实施例中，激光束102的运行轨迹为椭圆形，在其他实施例中，可以根据焊接的情况确定激光束102的运行轨迹。

可选地，控制系统150控制激光束102的频率为10-2000HZ。在其他实施例中，也可通过焊接过程的飞溅量与母材103的种类设定激光束102的频率。

具体地，控制系统150通过控制驱动装置140的转动频率以及转动角度以控制激光束102的旋转幅度和/或激光束102旋转频率。

需要说明的是，在本发明的其他实施例中，控制系统150也可被设置为对激光束102的旋转幅度(或者旋转半径)、控制激光束102的旋转频率中的一者或者两者进行控制。

在焊接过程中，由于激光束102旋转，所以激光束102的末端会照射于不同的点，母材103、待焊区域的气体、焊丝(图中未示出)，在本实施例中，控制系统150控制激光束102分别对母材103、待焊区域的气体、焊丝的照射时间。可选地，在本实施例中，控制系统150控制激光束102照射于母材103的时间为一个周期的26-32％。控制系统150控制激光束102照射于待焊区域的气体的时间为一个周期的60％-69％。控制系统150控制激光束102照射于焊丝末端的时间为一个周期的5％-8％。激光束102照射于母材103上，对母材103进行清理以及预热；激光束102照射于待焊区域的气体，增加待焊区域的气体温度，提高电弧焊时电弧的电离难度，提高焊接过程电弧的稳定性；激光束102照射于焊丝，熔化焊丝使熔滴均匀稳定过渡。

本发明实施例中所表述的一个周期指激光束102照射母材103一段时间然后沿预设轨迹移动，照射焊丝末端一段时间然后沿预设轨迹移动、激光束102再次照射母材103的时间。上述的沿预设轨迹移动中，即激光束102对待焊区域的气体进行照射，使待焊区域的气体升温。

具体地，控制系统150分配激光束102照射母材103、待焊区域的气体、焊丝的时间。控制系统150控制激光束102对母材103照射时长为一个周期的26-32％；控制系统150控制激光束102于预设轨迹移动的时长(照射于待焊区域的气体的时间)为一个周期的60％-69％；控制系统150控制激光束102对焊丝末端的照射时间为一个周期的5％-8％。

详细地，控制系统150控制激光束102照射于母材103的时间为一个周期的30％，激光束102照射于待焊区域的气体的时间为一个周期的65％，照射于焊丝末端的时间为一个周期的5％。

需要说明的是，在本发明的其他实施例中，激光束102于母材103、待焊区域的气体、焊丝之间照射的时间分配根据焊丝的材料及直径以及母材103的材料以及表面情况确定。

在本发明较佳的实施例中，控制系统150通过控制驱动装置140的旋转情况进而控制激光束102的移动轨迹。

本发明实施例一提供的激光增强装置100的主要优点在于：

驱动装置140能驱动激光增强装置100旋转使激光束102沿预设轨迹旋转。焊接过程中激光束102的旋转移动使激光束102对不同的位置进行照射，可以克服现有技术中电弧焊接系统焊接过程不稳定的问题。激光束102旋转过程中，激光束102还会对待焊的母材103区域、待焊区域的气体进行照射。激光束102对待焊的母材103区域进行加热：使其温度升高，使焊接过程中熔滴易铺展，焊缝成型、焊缝深度以及焊接品质均得到提高此外，激光束102对待焊的母材103区域具有清理的效果，清除母材103表面的覆层或者金属氧化物，增加电弧稳定性的同时减小飞溅量。激光束102对待焊区域的气体进行照射：增加待焊区域气体的温度，气体电离所需要的能量降低，给定电流的情况下，更容易电离，增加待焊区域气体的温度，使电弧更加稳定。

此外，控制系统150的设置使激光束102的旋转幅度以及旋转频率得到控制。控制系统150分配激光束102照射母材103、待焊区域的气体、焊丝的时间。使熔滴以均匀的尺寸和频率进行过渡，使焊接过程更加稳定，减少焊接过程的飞溅，增加焊接质量。在较低的电流下实现相同熔深的焊接质量，实现低飞溅焊接。

实施例二

图4为本发明实施例二提供的电弧焊接系统200的结构示意图，图5为本发明实施例二提供的电弧焊接系统200的控制原理示意图，请参阅图4、图5，本实施例提供一种电弧焊接系统200，电弧焊接系统200包括实施例一的激光增强装置100。

进一步地，电弧焊接系统200还包括激光器210、焊接机230、焊枪220，焊接机230与焊枪220配合使用，激光器210发射激光101，激光器210与激光增强装置100的光学接头130连接。激光器210发射的激光101经由光学接头130进入激光增强装置100。

在本实施例中，焊枪220与母材103具有夹角θ，可选地，焊枪220与母材103的夹角θ为45°-60°，焊枪220的电流为30-320A，焊接速度为0.2-3m/min。焊丝201设置于焊枪220内，焊枪220内的焊丝201末端产生电弧，焊丝201熔化后形成金属熔滴，向着母材103过渡形成焊缝。

在本实施例中，控制系统150还与激光器210连接，控制系统150控制激光器210输出激光101的功率。此外，控制系统150还通过焊接机230控制焊枪220与母材103的夹角θ。承上所述，控制系统150通过接头控制器控制激光束102的旋转角度及旋转频率，通过激光器210控制激光101的功率；控制焊枪220与母材103的夹角θ。

在本实施例中，激光器210可以是CO₂激光器，在其他实施例中激光器210也可以是Nd：YAG激光器、碟型激光器、光纤激光器或半导体激光器等。

本发明不对焊丝201以及母材103的材料进行限定，例如可以为碳钢、不锈钢、铝合金、钛合金以及哈氏合金等。进一步地，本发明实施例提供的电弧焊接系统200对有覆层的材料有较佳的效果，例如镀锌板(管)、覆铝锌半导体激光(管)等。

在本实施例中，电弧焊接系统200与三轴工作台配合使用，在其他实施例中，电弧焊接系统200也可与机器人配合使用。

本发明实施例二提供的电弧焊接系统200的主要优点在于:

可以在相同电流条件下实现稳定的焊接过程，进而实现低飞溅焊接；可以在相同电流条件下实现更大的熔深，提高焊机的应用范围。可以在相同电流条件下实现更高的熔敷效率，进而提高焊接速度；可以在较低的电流下实现相同熔深的焊接质量，进而降低热输入，降低试件的焊后变形。可改善到接头的组织及残余应力分布，同时由于焊缝的熔深相对较大，与常规弧焊焊缝相比，焊后作用于焊缝横截面上的平均拘束应力降低，因此在其他焊接条件及拘束条件相同的情况下，可以改善焊缝金属的冷裂纹敏感性。

将实施例二提供的电弧焊接系统200对材料进行焊接；具体如下：

试验例一

工件为2.3mm厚的6061铝合金，接头形式为对接。

设备：6轴机器人系统，激光器210采用500W半导体激光器，普通额定电流为350A逆变弧焊机，激光增强装置100中的光学元件110采用楔形镜，激光束102通过光纤激光传输到激光增强装置100。

工艺规范为：焊枪220倾角(θ)45°；焊丝201干伸长为15mm、直径1.2mm、牌号为5356；激光束102以焦点位置照射在焊丝201末端，激光束102的旋转直径为2.4mm、旋转频率为50Hz；焊接电流为160A，激光101功率为250W，试板背面为铜衬板。焊接速度为0.8m/min。

以上述规范完成焊接后，焊缝成型美光，与不加激光101相比，焊接过程稳定性大幅度提高，焊接飞溅量明显下降，熔深有一定的提升，由1.8mm提高到2.1mm。

试验例二

工件为1.9mm厚的镀锌板，接头形式为对接。

设备：6轴机器人系统，激光器210为500W半导体激光器，普通额定电流为350A逆变弧焊机，激光增强装置100中的光学元件110采用楔形镜，激光束102通过光纤激光传输到激光增强装置100。

工艺规范为：焊枪220倾角45°，焊丝201干伸长为15mm，焊丝201直径1.2mm、材质为CuSi₂Mn；激光束102以焦点位置照射在焊丝201末端，激光束102的旋转直径为2.4mm、旋转频率为80Hz；焊接电流为160A，激光101功率为400W，试板背面为铜衬板。焊接速度为0.8m/min。

以上述规范完成焊接后，焊缝呈金黄色，焊缝的铺展性好，与不加激光101相比，焊接过程稳定性大幅度提高，焊接过程中飞溅量明显下降，熔深有一定的提升，由1.5mm提高到2.0mm。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种激光增强装置，其特征在于，所述激光增强装置包括光学元件、聚焦透镜、光学接头、驱动装置，激光能依次通过所述光学接头、所述光学元件、所述聚焦透镜形成激光束；所述驱动装置能驱动所述光学元件旋转使所述激光束沿预设轨迹旋转。

2.根据权利要求1所述的激光增强装置，其特征在于，所述驱动装置能驱动所述激光增强装置旋转使所述激光束旋转。

3.根据权利要求1所述的激光增强装置，其特征在于，所述光学元件可以为楔形镜、振镜或者高速棱镜中的任一种。

4.根据权利要求1所述的激光增强装置，其特征在于，所述驱动装置包括电机，所述电机与所述光学元件连接。

5.根据权利要求1所述的激光增强装置，其特征在于，所述激光增强装置还可以包括控制系统，所述控制系统与所述驱动装置电连接，且用于控制所述激光束旋转幅度和/或所述激光束旋转频率。

6.根据权利要求5所述的激光增强装置，其特征在于，所述控制系统与所述驱动装置电连接，且所述控制系统用于控制所述激光束分别照射于母材、待焊区域的气体、焊丝末端的时间。

7.根据权利要求6所述的激光增强装置，其特征在于，所述控制系统用于控制所述激光束照射于所述母材的时间为一个周期的26-32％；

所述控制系统用于控制所述激光束照射于所述待焊区域的气体的时间为所述一个周期的60％-69％；

所述控制系统用于控制所述激光束照射于所述焊丝末端的时间为所述一个周期的5％-8％。

8.一种电弧焊接系统，其特征在于，所述电弧焊接系统包括权利要求1-7任一项所述的激光增强装置。

9.根据权利要求8所述的电弧焊接系统，其特征在于，所述电弧焊接系统还可以包括激光器，所述激光器与所述激光增强装置的光学接头连接。

10.根据权利要求9所述的电弧焊接系统，其特征在于，所述电弧焊接系统还可以包括控制系统，所述控制系统与所述激光器连接，所述控制系统用于控制所述激光器输出激光的功率或/和激光的波形。