CN107999963B - 一种激光-熔化极电弧同轴复合装置 - Google Patents

Abstract

一种激光‑熔化极电弧同轴复合装置。解决了传统的激光‑电弧复合焊装置复合焊耦合方式和焊接模式单一，焊接效果差的问题。它包括激光分光系统和弧焊装置，所述的激光分光系统包括分光反射镜、反射镜组、组合镜和凸透镜，所述的弧焊装置包括弧焊枪体、焊丝和导电嘴，所述的组合镜包括聚焦镜部和平面反射镜部，入射激光束依次经分光反射镜、反射镜组后射向组合镜，所述的焊丝与入射激光束同轴设置，入射激光束经组合镜的聚焦镜部聚焦后与焊丝上产生的电弧共同作用于待加工工件上或入射激光束经组合镜的平面反射镜部、凸透镜后聚焦后与焊丝上产生的电弧共同作用于待加工工件上。本发明还具有结构简单，装配方便，动作可靠等优点。

Description

一种激光-熔化极电弧同轴复合装置

技术领域

本发明涉及一种激光-电弧复合焊技术领域，具体涉及一种激光-熔化极电弧同轴复合装置。

背景技术

激光焊接目前已在造船、汽车、航空航天、石油化工、电力、冶金、轻工业等领域获得了广泛的应用，被认为是 21 世纪最具前景的焊接方法之一，但由于激光束的聚焦光斑小，熔池的桥连性差，因此激光焊对焊前的准备工作及工件的装配精度要求高，对间隙、错边的适应性较差。这极大地限制了激光焊接技术的应用范围，并且基于某些加工材料如铝合金具有高导热率、低电离能以及对激光的高反射率等特性，导致激光焊接过程稳定性很差，最终导致焊缝成形较差、熔深波动较大，焊缝气孔率较高等问题以及电弧能简便而有效地把电能转换成熔化焊接过程所需要的热能和机械能，能量转换效率高等影响因素，致使激光-电弧复合焊接技术成为近年来的一个重要发展方向。

传统的激光-电弧复合焊装置的激光-旁路电弧复合焊装置复合焊耦合方式和焊接模式单一，现有的激光-旁路电弧复合焊装置中有电弧倾斜和焊丝倾斜两种，在电弧倾斜的激光-旁路电弧复合焊装置中，由于电弧倾斜，工件及焊丝上热点不对称，焊接效果差；在焊丝倾斜的激光-旁路电弧复合焊装置中，由于焊丝倾斜，焊丝熔化后滴露的位置难以精确控制，焊缝效果差，而且还存在热源数量及热源能量调控有限，不能十分显著地改善焊接的焊缝成形、降低熔深波动程度、消除气孔缺陷以及抑制飞溅，且对有些焊接结构和焊接材料有较大的限制。

发明内容

为解决背景技术中传统的激光-电弧复合焊装置复合焊耦合方式和焊接模式单一，焊接效果差的问题，本发明提供一种激光-熔化极电弧同轴复合装置，。

本发明的技术方案是：一种激光-熔化极电弧同轴复合装置，包括激光分光系统和弧焊装置，所述的激光分光系统包括分光反射镜、反射镜组、组合镜和凸透镜，所述的弧焊装置包括弧焊枪体、用于通电的导电嘴和与导电嘴电连接并用于产生电弧的焊丝，所述的组合镜包括聚焦镜部和平面反射镜部，入射激光束依次经分光反射镜、反射镜组后射向组合镜，所述的焊丝与入射激光束同轴设置，同轴设置指焊丝和入射激光束装在同一发射器内在发射器内同轴设置或指焊丝和入射激光束相互平行；入射激光束经组合镜的聚焦镜部聚焦后与焊丝上产生的电弧共同作用于待加工工件上或入射激光束经组合镜的平面反射镜部、凸透镜后聚焦后与焊丝上产生的电弧共同作用于待加工工件上。

作为本发明的一种改进，所述的反射镜组由两组，所述的分光反射镜将入射激光束分布成两束激光束，两束激光束分别射向两组反射镜组，每组反射镜组均包括第一反射镜和第二反射镜，其中一组的反射镜组上设有半波片组合衰减器。

作为本发明的进一步改进，所述的分光反射镜将单束入射激光束分布成两束激光束，该两束激光束经两组反射镜组、组合镜后形成单焦或双焦激光源并与焊丝上产生的电弧共同作用于待加工工件上。

作为本发明的进一步改进，所述的半波片组合衰减器包括偏振片和可旋转的半波片，所述的半波片旋转后的透射率在0~1之间。

作为本发明的进一步改进，所述的分光反射镜将入射激光束分布成两束激光束，其中经过半波片组合衰减器的激光束所具能量为入射激光束的0~1之间。

作为本发明的进一步改进，所述的组合镜套设于弧焊枪体外并与弧焊枪体轴向滑移周向转动配合。

作为本发明的进一步改进，所述的组合镜相对弧焊装置上下滑移调节入射激光束与焊丝的光丝距。

作为本发明的进一步改进，所述的聚焦镜部为轴对称的抛物面。

作为本发明的进一步改进，所述的弧焊枪体上设有喷嘴，所述的喷嘴套设于导电嘴外并与导电嘴相配合形成通气腔。

作为本发明的进一步改进，所述的导电嘴套设于焊丝外，所述的弧焊装置上还设有用于驱动焊丝相对导电嘴上下滑移的送丝轮。

本发明的有益效果是，激光-电弧复合焊充分利用激光、电弧焊接的特性，综合了激光与电弧各自的优点，电弧热辅助激光辐照工件产生的金属蒸汽快速电离形成带电粒子，增加激光作用点处的电导率，从而减低电弧行走路径的电阻及电压。同时，复合的激光改变了电弧热源特性，增加了电弧中心与周围环境的温差梯度和电弧电流密度，极大地改善高速焊接时的电弧不稳定状态，提高了焊接效率。本发明通过组合镜可实现单焦点激光-电弧同轴复合焊，双焦点激光-电弧同轴复合焊，亦可控制入射激光束，分束激光以及电弧的输入能量，实现多种焊接模式，如激光加强电弧复合焊，电弧辅助激光焊，激光-电弧联焊等，以及控制相应的激光与电弧相关的焊接参数，增强工艺适应性，改善焊缝成形，提高接头质量，改善焊接过程稳定性。本发明还具有结构简单，装配方便，动作可靠，使用寿命长等优点。

附图说明

附图1为本发明实施例入射激光束经平面反射镜部、凸透镜后的结构示意图。

附图2为本发明实施例入射激光束经聚焦镜部后的结构示意图。

附图3为附图2中弧焊装置1的结构示意图。

图中，1、弧焊装置；11、弧焊枪体；12、焊丝；13、导电嘴；14、喷嘴；15、通气腔；16、送丝轮；2、分光反射镜；3、反射镜组；31、第一反射镜；32、第二反射镜；4、组合镜；41、聚焦镜部；42、平面反射镜部；5、凸透镜；6、半波片组合衰减器；7、偏振片；8、半波片；9、待加工工件；L、入射激光束。

具体实施方式

下面结合附图对本发明实施例作进一步说明：

由图1结合图2、3所示，一种激光-熔化极电弧同轴复合装置，包括激光分光系统和弧焊装置1，所述的激光分光系统包括分光反射镜2、反射镜组3、组合镜4和凸透镜5，所述的弧焊装置1包括弧焊枪体11、用于通电的导电嘴13和与导电嘴电连接并用于产生电弧的焊丝12，所述的组合镜4包括聚焦镜部41和平面反射镜部42，入射激光束L依次经分光反射镜2、反射镜组3后射向组合镜4，所述的焊丝12与入射激光束L同轴设置（该同轴设置是指焊丝和入射激光束装在同一发射器内在发射器内同轴设置，也可以指焊丝和入射激光束相互平行），入射激光束L经组合镜4的聚焦镜部41聚焦后与焊丝12上产生的电弧共同作用于待加工工件上或入射激光束L经组合镜4的平面反射镜部42、凸透镜5后聚焦后与焊丝12上产生的电弧共同作用于待加工工件9上。在实际工作过程中，聚焦镜部及凸透镜的激光聚焦点正好落在待加工工件的表面上，加工效果好，能耗低，效率高，为本发明的优选方式。在实际生产过程中聚焦镜部及凸透镜的激光聚焦点可以略高于或略低于待加工工件表面，从而形成激光加工区，预热效果好，加工效果好，效率高。本发明激光-电弧复合焊充分利用激光、电弧焊接的特性，综合了激光与电弧各自的优点，电弧热辅助激光辐照工件产生的金属蒸汽快速电离形成带电粒子，增加激光作用点处的电导率，从而减低电弧行走路径的电阻及电压。同时，复合的激光改变了电弧热源特性，增加了电弧中心与周围环境的温差梯度和电弧电流密度，极大地改善高速焊接时的电弧不稳定状态，提高了焊接效率。本发明通过组合镜可实现单焦点激光-电弧同轴复合焊，双焦点激光-电弧同轴复合焊，亦可控制入射激光束，分束激光以及电弧的输入能量，实现多种焊接模式，如激光加强电弧复合焊，电弧辅助激光焊，激光-电弧联焊等，以及控制相应的激光与电弧相关的焊接参数，增强工艺适应性，改善焊缝成形，提高接头质量，改善焊接过程稳定性。本发明还具有结构简单，装配方便，动作可靠，使用寿命长等优点。本发明结构简单，光-丝-弧耦合连续稳定，改变激光、电弧焊接特性，提高焊接适应性和焊接效率。利用激光、电弧能量配比和热源主导地位的不同，实现电弧的高速稳定焊接，提高激光能量的吸收率，获取较大的焊接熔深或焊接速度，利用电弧的预热或后热来改善材料对激光能量的吸收并改变焊缝成形和接头组织性能。熔化极和非熔化极是电弧焊中两个相对应的名词。熔化极是指导电嘴通电并将电传导指焊丝上，焊丝作为两电极中的一极，工件作为两电极中的另一极，该焊丝上产生电弧使得焊丝末端受热熔化滴露形成焊缝。非熔化极上以钨极作为两电极中的一极，工件作为两电极中的另一极，钨极上产生电弧，该电弧熔化焊丝形成焊缝。

所述的反射镜组3由两组，所述的分光反射镜2将入射激光束L分布成两束激光束，为描述方便，将两束激光束分别记成激光束L1和激光束L2，两束激光束分别射向两组反射镜组3，每组反射镜组3均包括第一反射镜31和第二反射镜32，其中一组的反射镜组3上设有半波片组合衰减器6。具体的说，所述的分光反射镜2将单束入射激光束L分布成两束激光束，该两束激光束经两组反射镜组3、组合镜4后形成单焦或双焦激光源并与焊丝12上产生的电弧共同作用于待加工工件上。入射激光束L分成激光束L1和激光束L2后， L2经半波片组合衰减器6，使得激光束可以有不同的能量，从而使得加工工况可选择性更高，实现多种激光-熔化极电弧同轴复合的焊接模式，激光加强电弧焊接模式，电弧辅助激光焊接模式，激光-电弧联合焊接模式。

所述的半波片组合衰减器6包括偏振片7和可旋转的半波片8，所述的半波片8旋转后的透射率在0-1之间。具体的说，偏振片有两片，两片偏振片平行设置，所述的半波片设于两片偏振片之间，半波片与旋转装置连接并可相对旋转，改变半波片的旋转角度，其透射率在0-1之间变化。半波片是指一定厚度的双折射晶体，当法向入射的光透过时，寻常光(o光)和非常光(e光)之间的位相差等于π或其奇数倍，这样的晶片称为二分之一波片，简称半波片。偏振片(polarizer)是指可以使天然光变成偏振光的光学元件，对入射光具有遮蔽和透过的功能。具体的说，所述的分光反射镜2将入射激光束L分布成两束激光束，其中经过半波片组合衰减器6的激光束所具能量为入射激光束L的0-1之间。入射激光束L经分光反射镜2后分成激光束L1与激光束L2，由于激光束L2经过所述的半波片组合衰减器6，L1不经过，形成能量不同的两激光束。改变所述的半波片的旋转角度及所述入射激光束能量，就能改变两激光束能量及其能量差，从而使得产品符合不同工况产品的工作要求，能改善焊缝成形，提高接头质量，改善焊接过程稳定性。

所述的组合镜4套设于弧焊枪体11外并与弧焊枪体11轴向滑移周向转动配合。具体的说，所述的组合镜4相对弧焊装置1上下滑移调节入射激光束L与焊丝12的光丝距。组合镜设置在弧焊焊枪同轴方向上，上下调整组合镜位置，改变激光焦点位置，并与弧焊焊枪成串行分布或聚焦于弧焊焊枪中的焊丝上。具体的说，激光分光系统包括由轴对称的抛物面发射聚焦镜部和平面反射镜部组合的组合镜，由轴对称的抛物面发射聚焦镜和平面反射镜组合的组合镜可沿弧焊枪体同轴方向上下调节位置，激光束L1与激光束L2经组合镜反射和凸透镜聚焦成单焦点且聚焦于焊丝或组合镜聚焦成双焦点分布于焊丝两侧，并上下小幅度调整组合镜位置，改变光丝距。实现多种激光-熔化极弧同轴复合的焊接模式，激光加强电弧焊接模式，电弧辅助激光焊接模式，激光-电弧联合焊接模式。通过调节组合镜上下位置，可以调整光丝距（光丝距是指入射激光束作用于待加工工件上工作区域与焊丝作用于待加工工件上工作区域之间的距离）。同时，组合镜在焊接过程中可旋转也可不旋转；旋转时，由于抛物面反射聚焦镜部曲面曲度不同，旋转组合镜可形成旋转焦点，旋转焦点可搅动焊缝，减小气孔等缺陷或是焊前焊后预热均匀等功能，不旋转时，可以通过调节组合镜上下位置，可以调整光丝距，如在入射激光束L经组合镜4的聚焦镜部41聚焦后与焊丝12上产生的电弧共同作用于待加工工件上，这样可以形成双焦点加工，不但能对待加工工件进行预热也能进行焊接后增强工艺适应性，改善焊缝成形，提高接头质量，改善焊接过程稳定性，当然也能通过激光束L1进行焊接，通过电弧和激光束L2增强工艺适应性，改善焊缝成形。入射激光束L经组合镜4的平面反射镜部42、凸透镜5后聚焦后与焊丝12上产生的电弧共同作用于待加工工件9上。这样使得激光束和焊丝共同复合加工，增强工艺适应性，改善焊缝成形，提高接头质量，改善焊接过程稳定性。本发明通过组合镜可实现单焦点激光-电弧同轴复合焊，双焦点激光-电弧同轴复合焊，亦可控制入射激光束，分束激光以及电弧的输入能量，实现多种焊接模式，如激光加强电弧复合焊，电弧辅助激光焊，激光-电弧联焊等，以及控制相应的激光与电弧相关的焊接参数，增强工艺适应性，改善焊缝成形，提高接头质量，改善焊接过程稳定性。

所述的聚焦镜部41为轴对称的抛物面。这样的结构使得组合镜可以旋转使用，旋转时，由于抛物面反射聚焦镜部曲面曲度不同，旋转组合镜可形成旋转焦点，旋转焦点可搅动焊缝，减小气孔等缺陷或是焊前焊后预热均匀等功能。

所述的弧焊枪体11上设有喷嘴14，所述的喷嘴14套设于导电嘴13外并与导电嘴13相配合形成通气腔15。具体的说，所述的导电嘴13套设于焊丝12外，所述的弧焊装置1上还设有用于驱动焊丝12相对导电嘴13上下滑移的送丝轮16。喷嘴的设置可以保护导电嘴及焊丝，具体的说，本发明采用弧焊。通气腔的设置使得导电嘴散热快，同时空气及热量流通方便。送丝轮有两个，通过两个送丝轮反向转动将焊丝不断的输入，从而实现产品快速连接加工。

入射激光束L经分光反射镜1后分成两束激光束L1与激光束L2，控制经过半波片组合衰减器并调整半波片旋转角度，改变两束激光束的能量差，再经过第二反射镜，组合镜及凸透镜（也可以不经凸台镜），将激光束聚焦，保持与弧焊焊丝同轴方向。组合镜与弧焊枪体同轴设置，通过调节组合镜上下位置，调整光丝距，实现多种激光-熔化极氩弧同轴复合的焊接模式，激光加强电弧焊接模式，电弧辅助激光焊接模式，激光-电弧联合焊接模式。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等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，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装置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。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“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。此外，在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

各位技术人员须知：虽然本发明已按照上述具体实施方式做了描述，但是本发明的发明思想并不仅限于此发明，任何运用本发明思想的改装，都将纳入本专利专利权保护范围内。

Claims (10)

1.一种激光-熔化极电弧同轴复合装置，其特征在于:包括激光分光系统和弧焊装置（1），所述的激光分光系统包括分光反射镜（2）、反射镜组（3）、组合镜（4）和凸透镜（5），所述的弧焊装置（1）包括弧焊枪体（11）、用于通电的导电嘴（13）和与导电嘴电连接并用于产生电弧的焊丝（12），所述的组合镜（4）包括聚焦镜部（41）和平面反射镜部（42），入射激光束（L）依次经分光反射镜（2）、反射镜组（3）后射向组合镜（4），所述的焊丝（12）与入射激光束（L）同轴设置，同轴设置指焊丝和入射激光束装在同一发射器内在发射器内同轴设置或指焊丝和入射激光束相互平行；入射激光束（L）经组合镜（4）的聚焦镜部（41）聚焦后与焊丝（12）上产生的电弧共同作用于待加工工件上或入射激光束（L）经组合镜（4）的平面反射镜部（42）、凸透镜（5）后聚焦后与焊丝（12）上产生的电弧共同作用于待加工工件（9）上。

2.根据权利要求1所述的一种激光-熔化极电弧同轴复合装置，其特征在于所述的反射镜组（3）由两组，所述的分光反射镜（2）将入射激光束（L）分布成两束激光束，两束激光束分别射向两组反射镜组（3），每组反射镜组（3）均包括第一反射镜（31）和第二反射镜（32），其中一组的反射镜组（3）上设有半波片组合衰减器（6）。

3.根据权利要求2所述的一种激光-熔化极电弧同轴复合装置，其特征在于所述的分光反射镜（2）将单束入射激光束（L）分布成两束激光束，该两束激光束经两组反射镜组（3）、组合镜（4）后形成单焦或双焦激光源并与焊丝（12）上产生的电弧共同作用于待加工工件上。

4.根据权利要求2所述的一种激光-熔化极电弧同轴复合装置，其特征在于所述的半波片组合衰减器（6）包括偏振片（7）和可旋转的半波片（8），所述的半波片（8）旋转后的透射率在0~1之间。

5.根据权利要求2或3或4所述的一种激光-熔化极电弧同轴复合装置，其特征在于所述的分光反射镜（2）将入射激光束（L）分布成两束激光束，其中经过半波片组合衰减器（6）的激光束所具能量为入射激光束（L）的0~1之间。

6.根据权利要求1所述的一种激光-熔化极电弧同轴复合装置，其特征在于所述的组合镜（4）套设于弧焊枪体（11）外并与弧焊枪体（11）轴向滑移周向转动配合。

7.根据权利要求6所述的一种激光-熔化极电弧同轴复合装置，其特征在于所述的组合镜（4）相对弧焊装置（1）上下滑移调节入射激光束（L）与焊丝（12）的光丝距。

8.根据权利要求1所述的一种激光-熔化极电弧同轴复合装置，其特征在于所述的聚焦镜部（41）为轴对称的抛物面。

9.根据权利要求1所述的一种激光-熔化极电弧同轴复合装置，其特征在于所述的弧焊枪体（11）上设有喷嘴（14），所述的喷嘴（14）套设于导电嘴（13）外并与导电嘴（13）相配合形成通气腔（15）。

10.根据权利要求1所述的一种激光-熔化极电弧同轴复合装置，其特征在于所述的导电嘴（13）套设于焊丝（12）外，所述的弧焊装置（1）上还设有用于驱动焊丝（12）相对导电嘴（13）上下滑移的送丝轮（16）。