CN107953029A - 焊接装置及焊接方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种焊接装置包括：激光器，用于发射激光束；激光整形组件，用于将所述激光束整形为光斑；光束运动控制组件，包括X轴摆动镜片、X轴摆动电机、Y轴摆动镜片、Y轴摆动电机及控制单元，所述X轴摆动电机连接于所述X轴摆动镜片，所述Y轴摆动电机连接于所述Y轴摆动镜片，所述控制单元通过所述X轴摆动电机和所述Y轴摆动电机分别控制所述X轴摆动镜片和所述Y轴摆动镜片运动，以改变经所述X轴摆动镜片和所述Y轴摆动镜片反射的所述光斑照射在工件上的位置而对工件进行焊接；吹气组件，用于在焊接所述工件时向焊接部位吹送保护气。本发明焊接装置能够满足注液孔的小尺寸圆形轨迹的焊接需求。

Description

焊接装置及焊接方法
技术领域
本发明涉及激光加工技术领域，特别是涉及一种焊接装置及焊接方法。
背景技术
随着新能源汽车的逐渐普及，动力电池制造行业也在迅速扩张，对动力电池的生产效率和成本等提出了更高的要求。注液孔焊接是动力电池生产的关键工序之一。注液孔为直径8mm左右的圆形梯台，焊接前需装上与之匹配的密封钉，然后形成环形对接焊缝。现有技术中，动力电池注液孔大多采用三轴运动平台搭载光束固定的激光焊接头进行激光焊接。但是注液孔焊接轨迹的直径非常小，导致三轴运动平台的长程运动优势并不能发挥出来，反而由于三轴运动平台质量大，在小直径圆形轨迹焊接时，速度非常慢。另外，采用了三轴运动平台等还会增加设备成本。
发明内容
基于此，提供一种焊接装置及焊接方法，旨在满足注液孔的小尺寸圆形轨迹的焊接需求且降低设备成本。
一种焊接装置包括：激光器，用于发射激光束；激光整形组件，用于将所述激光束整形为光斑；光束运动控制组件，包括X轴摆动镜片、X轴摆动电机、Y轴摆动镜片、Y轴摆动电机及控制单元，所述X轴摆动电机连接于所述X轴摆动镜片，所述Y轴摆动电机连接于所述Y轴摆动镜片，所述控制单元通过所述X轴摆动电机和所述Y轴摆动电机分别控制所述X轴摆动镜片和所述Y轴摆动镜片运动，以改变经所述X轴摆动镜片和所述Y轴摆动镜片反射的所述光斑照射在工件上的位置而对工件进行焊接；吹气组件，用于在焊接所述工件时向焊接部位吹送保护气。
上述焊接装置通过控制单元控制X轴摆动电机和Y轴摆动电机带动X轴摆动镜片和Y轴摆动镜片摆动一定角度，从而使得经过X轴摆动镜片和Y轴摆动镜片反射的光斑照射在工件上并形成预设焊接轨迹，由于X轴摆动镜片和Y轴摆动镜片的质量较小，X轴摆动电机和Y轴摆动电机的控制精度高，从而本发明的焊接装置能够实现激光束在较小范围内的高速精确运动，有效提高小尺寸范围内的焊接精度和焊接质量。
在其中一个实施例中，所述吹气组件包括直喷头，所述激光整形组件包括聚焦镜，所述直喷头连接于所述聚焦镜且与所述聚焦镜同轴设置。
在其中一个实施例中，所述直喷头包括第一端和第二端，所述第一端的尺寸大于所述第二端的尺寸，所述第一端连接于所述聚焦镜，所述第二端朝向所述工件。
在其中一个实施例中，所述第二端的内径为15mm～25mm。
在其中一个实施例中，所述激光整形组件还包括准直镜，所述激光束透过所述准直镜、并经由所述X轴摆动镜片和所述Y轴摆动镜片反射后进入所述聚焦镜。
一种所述焊接装置的焊接方法，包括以下步骤：
将工件放置于工作台上，调节焊接装置与工件的相对位置；
控制激光器输出预设功率的激光束，所述激光束经过激光整形组件和光束运动控制组件形成运动的光斑并射向所述工件，所述光斑以预设焊接速度沿预设焊接轨迹移动。
在其中一个实施例中，所述预设功率为700W～1500W，所述预设焊接速度为100mm/s～300mm/s。
在其中一个实施例中，所述工件为电池，对电池的注液孔和放置于注液孔内的密封钉进行焊接时，所述光斑以预设焊接速度沿预设焊接轨迹移动的步骤包括：
所述光斑开始运动时，所述光斑偏离所述注液孔侧壁和密封钉之间的间隙，所述光斑向所述间隙移动；
当所述光斑正对所述间隙时，所述光斑的运动速度达到所述预设焊接速度，所述光斑沿所述间隙匀速移动；
当焊接完成后，所述光斑偏离所述间隙。
在其中一个实施例中，控制激光器输出预设功率的激光束之前还包括以下步骤：打开吹气组件，通入气流量为10L/min～30L/min的保护气。
在其中一个实施例中，所述激光器的离焦量为0mm～2mm。
附图说明
图1为一实施例中焊接装置的结构示意图；
图2为一实施例中焊接装置的光路原理图；
图3为现有技术中采用三轴平台的焊接设备在焊接速度为60mm/s时的焊接效果图；
图4为本发明焊接装置在焊接速度为100mm/s的焊接效果图；
图5为本发明焊接装置在焊接速度为200mm/s的焊接效果图；
图6为本发明焊接装置在焊接速度为300mm/s的焊接效果图。
具体实施方式
为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的较佳实施方式。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施方式。相反地，提供这些实施方式的目的是使对本发明的公开内容理解的更加透彻全面。
需要说明的是，当元件被称为“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“内”、“外”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
请参阅图1和图2，焊接装置100包括激光器50、激光整形组件10、光束运动控制组件30及吹气组件(未图示)，其中，激光器50用于发射激光束；激光整形组件10用于将激光束整形为光斑；吹气组件用于在焊接所述工件时向焊接部位吹送保护气；光束运动控制组件30包括X轴摆动镜片31、X轴摆动电机32、Y轴摆动镜片33、Y轴摆动电机34及控制单元，X轴摆动电机32连接于X轴摆动镜片31，Y轴摆动电机34连接于Y轴摆动镜片33，控制单元通过X轴摆动电机32和Y轴摆动电机34分别控制X轴摆动镜片31和Y轴摆动镜片33运动，以改变经X轴摆动镜片31和Y轴摆动镜片33反射的光斑照射在工件上的位置而对工件进行焊接。
上述焊接装置100通过控制单元控制X轴摆动电机32和Y轴摆动电机34带动X轴摆动镜片31和Y轴摆动镜片33摆动一定角度，从而使得经过X轴摆动镜片31和Y轴摆动镜片33反射的光斑依次照射在工件上的待焊接部位，由于X轴摆动镜片31和Y轴摆动镜片33的质量较小，且X轴摆动电机32和Y轴摆动电机34的控制精度高，从而本发明的焊接装置100能够实现激光束在较小范围内的高速精确运动，有效提高小尺寸范围内的焊接精度和焊接质量。相较于现有技术中通过三轴运动平台带动焊接头移动而进行激光焊接，本发明的激光器50保持静止，激光光路中设置有X轴摆动镜片31和Y轴摆动镜片33，并通过X轴摆动镜片31和Y轴摆动镜片33的摆动来改变激光照射在工件上的位置，调节精度高，灵活性好，适用于工件上小尺寸范围内的焊接。
需要说明的是，激光器50通过光纤51与激光整形组件10连接，光纤51将激光器50发射的激光束传导至激光整形组件10。在一些实施例中，Y轴摆动镜片33和聚焦镜11之间设置一全反射透镜60，以改变激光束的传播方向，使得激光束垂直射向工件表面。
吹气组件包括直喷头40，激光整形组件10包括聚焦镜11，直喷头40连接于聚焦镜11且与聚焦镜11同轴设置。需要说明的是，直喷头40内部形成有腔体，吹气组件还包括与直喷头40内部腔体连通的气源，向直喷头40内通入压缩气体，形成气流。X轴摆动镜片31、X轴摆动电机32、Y轴摆动镜片33及Y轴摆动电机34的体积较小，直喷头40具有足够的安装空间且能够与聚焦镜11同轴设置，在焊接时，直喷头40向工件的焊接部位吹气，一方面隔绝空气，防止焊缝被氧化，另一方面，及时去除粉尘和等离子体，相较于侧面吹气方式，本发明直喷头40从工件焊接部位的正上方进行吹气，有效避免焊接部位被氧化以及焊渣沉积，从而焊接部位光亮，具有金属光泽，且焊接更牢固。
直喷头40包括第一端41和第二端42，第一端41的尺寸大于第二端42的尺寸，第一端41连接于聚焦镜11，第二端42朝向工件。具体的，直喷头40呈锥形，气源连接于第一端41，并由设于第一端41的侧壁的开口通入气体，由于第一端41的尺寸大于第二端42的尺寸，气体在直喷头40内部流动的过程中被压缩，使得气体由直喷头40第二端42喷出时具有较大的流速。
第二端42的内径为15mm～25mm，以确保气流能够完全覆盖整个焊接区域，以隔绝空气，同时，第二端42的尺寸不宜过大，以避免气体流经第二端42时速度降低，影响焊接效果。
激光整形组件10还包括准直镜12，激光束透过准直镜12、并经由X轴摆动镜片31和Y轴摆动镜片33反射后进入聚焦镜11。准直镜12和聚焦镜11相互配合，使得发散的激光束被整形为焊接所需的能量集中的光斑，其中，准直镜12的焦距为150mm～250mm，聚焦镜11的焦距为150mm～250mm，以将光斑调整为目标尺寸大小。
一种前述焊接装置100的焊接方法，包括以下步骤：将工件放置于工作台上，调节焊接装置100与工件的相对位置；控制激光器输出预设功率的激光束，激光束经过激光整形组件10和光束运动控制组件30形成运动的光斑并射向工件，光斑以预设焊接速度沿预设焊接轨迹移动。本发明的焊接装置100能够实现激光束在较小范围内的高速精确运动，适用于对工件上的较小尺寸范围进行焊接，工件可为电池、线路板等。
预设功率为700W～1500W，预设焊接速度为100mm/s～400mm/s。激光器的功率小于700W，会导致虚焊，焊接不牢固，功率大于1500W，会引起烧伤，使得焊接部位穿孔，经过验证，将激光器50的功率设置在700W～1500W范围内时的焊接效果最佳。此外，将焊接速度提高至100mm/s以上，能够有效降低焊接热输入，从而降低爆点率，避免焊缝上产生缺陷，同时，焊接速度小于400mm/s，以保证光斑在焊接部位停留一定时间而形成焊接熔池。
具体的，工件为电池，对电池的注液孔和放置于注液孔内的密封钉进行焊接时，光斑以预设焊接速度沿预设焊接轨迹移动的步骤具体为：光斑开始运动时，光斑偏离注液孔侧壁和密封钉之间的间隙，光斑向间隙移动；当光斑正对间隙时，光斑的运动速度达到预设焊接速度，光斑沿间隙匀速移动；当焊接完成后，光斑偏离间隙。在起焊和收焊时，激光器的功率采取渐升和渐降模式，即起焊时激光器的功率由0逐渐增加到预设功率，收焊时激光器的功率由预设功率逐渐降低至0，上述过程均需要一定的时间，在起焊和收焊时光斑均偏离注液孔侧壁和密封钉之间的间隙，以防止起焊和收焊时在间隙上停留时间过长而导致熔深过大，焊缝不牢固。最终光斑在电池注液孔周边形成“α”形焊接轨迹(参阅图4、图5或图6)。
控制激光器输出预设功率的激光束之前还包括以下步骤：打开吹气组件，通入气流量为10L/min～30L/min的保护气，以确保焊接过程中产生的粉尘和等离子体及时去除，防止粉尘等沉积在焊缝表面，影响焊接强度及焊接效果。
激光器的离焦量为0mm～2mm。当离焦量过大，作用在工件上的功率密度过低达不到处理工件的目的；当离焦量过小，作用在工件上的功率密度过高，容易熔化激光照射点，破坏工件表面；离焦量在0mm～2mm范围内，焊缝表面光滑度高。
在第一实施例中，激光器50的功率设置为700W，焊接速度为100mm/s，通入保护气的气流量为10L/min，图4为相应的焊接效果图，与图3所示的现有技术中采用三轴平台的焊接设备在焊接速度为60mm/s时的焊接效果图相比较，可以看出本实施例中焊接装置的焊缝光滑，爆点少，焊接效果更佳。
在第二实施例中，激光器50的功率设置为800W，焊接速度为200mm/s，通入保护气的气流量为20L/min，图5为相应的焊接效果图，与图3所示的现有技术中采用三轴平台的焊接设备在焊接速度为60mm/s时的焊接效果图相比较，可以看出本实施例中焊接装置的焊缝光滑，爆点少，焊接效果更佳。
在第三实施例中，激光器50的功率设置为1500W，焊接速度为300mm/s，通入保护气的气流量为30L/min，图6为相应的焊接效果图，与图3所示的现有技术中采用三轴平台的焊接设备在焊接速度为60mm/s时的焊接效果图相比较，可以看出本实施例中焊接装置的焊缝光滑，爆点少，焊接效果更佳。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种焊接装置，其特征在于，包括：
激光器，用于发射激光束；
激光整形组件，用于将所述激光束整形为光斑；
光束运动控制组件，包括X轴摆动镜片、X轴摆动电机、Y轴摆动镜片、Y轴摆动电机及控制单元，所述X轴摆动电机连接于所述X轴摆动镜片，所述Y轴摆动电机连接于所述Y轴摆动镜片，所述控制单元用于控制所述X轴摆动电机和所述Y轴摆动电机运转，分别带动所述X轴摆动镜片和所述Y轴摆动镜片运动，以改变经所述X轴摆动镜片和所述Y轴摆动镜片反射的光斑照射在工件上的位置而对工件进行焊接；
吹气组件，用于在焊接所述工件时向焊接部位吹送保护气。
2.根据权利要求1所述的焊接装置，其特征在于，所述吹气组件包括直喷头，所述激光整形组件包括聚焦镜，所述直喷头连接于所述聚焦镜且与所述聚焦镜同轴设置。
3.根据权利要求2所述的焊接装置，其特征在于，所述直喷头包括第一端和第二端，所述第一端的尺寸大于所述第二端的尺寸，所述第一端连接于所述聚焦镜，所述第二端朝向所述工件。
4.根据权利要求3所述的焊接装置，其特征在于，所述第二端的内径为15mm～25mm。
5.根据权利要求2所述的焊接装置，其特征在于，所述激光整形组件还包括准直镜，所述激光束透过所述准直镜、并经由所述X轴摆动镜片和所述Y轴摆动镜片反射后进入所述聚焦镜。
6.一种如权利要求1-5任一项所述焊接装置的焊接方法，其特征在于，包括以下步骤：
将工件放置于工作台上，调节焊接装置与工件的相对位置；
控制激光器输出预设功率的激光束，所述激光束经过激光整形组件和光束运动控制组件形成运动的光斑并射向所述工件，所述光斑以预设焊接速度沿预设焊接轨迹移动。
7.根据权利要求6所述的焊接装置的焊接方法，其特征在于，所述预设功率为700W～1500W，所述预设焊接速度为100mm/s～300mm/s。
8.根据权利要求6所述的焊接装置的焊接方法，其特征在于，所述工件为电池，对电池的注液孔和放置于注液孔内的密封钉进行焊接时，所述光斑以预设焊接速度沿预设焊接轨迹移动的步骤包括：
所述光斑开始运动时，所述光斑偏离所述注液孔侧壁和密封钉之间的间隙，所述光斑向所述间隙移动；
当所述光斑正对所述间隙时，所述光斑的运动速度达到所述预设焊接速度，所述光斑沿所述间隙匀速移动；
当焊接完成后，所述光斑偏离所述间隙。
9.根据权利要求6所述的焊接装置的焊接方法，其特征在于，控制激光器输出预设功率的激光束之前还包括以下步骤：打开吹气组件，通入气流量为10L/min～30L/min的保护气。
10.根据权利要求6所述的焊接装置的焊接方法，其特征在于，所述激光器的离焦量为0mm～2mm。
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