CN108406118B - 激光-旋转电弧复合焊接系统及其复合焊接方法 - Google Patents

激光-旋转电弧复合焊接系统及其复合焊接方法 Download PDF

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Abstract

一种激光‑旋转电弧复合焊接系统及其复合焊接方法，所述焊接系统包括用于产生激光束的激光焊接部和用于产生电弧的电弧焊接部；所述电弧焊接部包括可实现电弧旋转的TIG旋转电弧焊枪；所述TIG旋转电弧焊枪包括圆筒形外壳、位于圆筒形外壳内壁的齿圈、圆筒形外壳内部通过电动机驱动转动的主动齿轮、与所述主动齿轮和齿圈配合的从动齿轮；TIG旋转电弧焊枪的钨极与从动齿轮的中心连接，电动机驱动主动齿轮转动时，从动齿轮绕主动齿轮的转动带动钨极绕主动齿轮转动，从而形成旋转电弧；激光焊接部、电弧焊接部和电动机的控制端均与集成控制中心相连。该焊接系统及焊接方法，对装配间隙要求降低，可实现高反射材料的焊接。

Description

激光-旋转电弧复合焊接系统及其复合焊接方法
技术领域
本发明涉及激光-旋转电弧复合焊接系统及其复合焊接方法，属于焊接技术领域。
背景技术
激光焊光束直径很细，对工件的装配间隙要求很严格，跟踪精度要求很高，且在尚未形成熔池时其热效率较低，因为在焊接时容易产生气孔、咬边等缺陷。为了消除或减少上述激光焊接的缺陷，在保持激光加工优点的基础上，提出了激光-电弧复合焊接技术。激光与电弧复合热源焊接的主要思想是有效利用电弧能量，在较小激光功率下获得较大的焊接熔深。这种方法综合了激光和电弧的优点，即将激光的高能量密度和电弧的较大加热区结合，同时通过激光与电弧的相互作用改善激光能量的耦合特性和电弧的稳定性。
但普通的激光电弧复合焊受空间位置限制，对工件装配要求较高，允许的装配间隙较小，跟踪精度要求较高，对复杂形状的焊缝效率较低，无法满足高质量高精度的焊接工艺要求。在焊接窄间隙焊缝时，容易形成侧壁未熔合缺陷。而且虽然激光-电弧复合焊接相对激光焊接技术来讲具有改善焊缝组织与性能的优势，但是焊接过程中，当填充材料进入熔池后，由于熔池的对流和搅拌，在窄而深的激光-电弧焊缝中合金元素的分布依然存在较大的不均匀性，造成焊缝不同部位的组织差异，进而影响焊接部位的机械性能，在使用中存在一定的质量隐患。
发明内容
本发明的目的是提供一种激光-旋转电弧复合焊接系统及其两种复合焊接方法。该焊接系统焊缝适应性强，对装配间隙要求降低，可实现高反射材料的焊接，焊缝成形美观、无气孔、未熔合等缺陷。
本发明实现其发明目的首先提供一种激光-旋转电弧复合焊接系统，包括用于产生激光束的激光焊接部和用于产生电弧的电弧焊接部，其结构特点是：所述电弧焊接部包括可实现电弧旋转的TIG旋转电弧焊枪；TIG旋转电弧焊枪包括圆筒形外壳、位于圆筒形外壳内壁的齿圈、圆筒形外壳内部通过电动机驱动转动的主动齿轮、与所述主动齿轮和齿圈配合的从动齿轮；所述TIG旋转电弧焊枪的钨极与从动齿轮的中心连接，电动机驱动主动齿轮转动时，从动齿轮绕主动齿轮的转动带动TIG旋转电弧焊枪的钨极绕主动齿轮转动，从而形成旋转电弧，所述激光焊接部、电弧焊接部和电动机的控制端均与集成控制中心相连。
进一步，本发明系统所述TIG旋转电弧焊枪的钨极与从动齿轮的中心连接的具体方式是：从动齿轮的中心处开有中心轴孔，用于固定钨极的钨极卡安装于从动齿轮中心上表面，TIG旋转电弧焊枪的钨极上端固定于钨极卡中，下端穿过从动齿轮的中心轴孔，对准焊件。钨极在绕主动齿轮转的同时，随着从动齿轮自传，钨极的导线通过电刷滑环与电弧焊机连接。
这样，可实现了钨极的稳定固定和旋转，而且在钨极绕主动齿轮转动的同时，钨极本身也会被从动齿轮带动自传，电弧自转可以使得电弧力和电弧热作用更均匀，弥补偶尔出现的磁偏吹，使得焊接过程更加稳定。
进一步，本发明系统所述TIG旋转电弧焊枪的圆筒形外壳侧壁为双层中空结构，与保护气体的气瓶相连接，焊接时用于输出保护气体。这样，可保证保护气体对焊接电弧及焊接部位的保护。
进一步，本发明系统可通过更换所述圆筒形外壳、主动齿轮和从动齿轮的尺寸调节所形成的旋转电弧的电弧旋转半径，电弧旋转半径L的范围为3-8mm。这样使得该TIG旋转电弧焊枪不仅能够实现电弧旋转，还能实现对电弧轮廓尺寸的控制，圆筒形外壳、主动齿轮和从动齿轮的尺寸均可以根据不同情况更换和调整，对于各种材料的焊接更具有针对性、适应性，能够精确控制的旋转电弧尺寸范围。
本发明实现其发明目的还提供一种激光-旋转电弧复合焊接系统的复合焊接方法，包括在焊接系统启动时，激光焊接部产生激光束，电弧焊接部产生电弧，其特征在于：在焊接系统工作的同时，集成控制中心控制电动机驱动主动齿轮以设定旋转频率转动，带动从动齿轮绕主动齿轮转动，从而带动TIG旋转电弧焊枪的钨极绕绕主动齿轮转动，形成作用于焊件表面的旋转电弧，在焊件表面形成旋转电弧熔池；集成控制系统控制在焊接过程中激光束始终对准旋转电弧熔池的沿焊接方向的前边缘位置。
本发明实现其发明目的还提供另一种激光-旋转电弧复合焊接系统的复合焊接方法，包括在焊接系统启动时，激光焊接部产生激光束，电弧焊接部产生电弧，其特征在于：在焊接系统工作的同时，集成控制中心控制电动机驱动主动齿轮以设定旋转频率转动，带动从动齿轮绕主动齿轮转动，从而带动TIG旋转电弧焊枪的钨极绕绕主动齿轮转动，形成作用于焊件表面的旋转电弧，在焊件表面形成旋转电弧熔池；集成控制系统控制在焊接过程中激光束始终对准旋转电弧熔池的中心位置。
进一步，本发明方法所述集成控制中心控制电动机驱动主动齿轮以设定旋转频率转动的设定旋转频率为2Hz-5Hz；作用于焊件表面的旋转电弧的电弧旋转半径L的范围为3-8mm。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
一、该焊接系统可实现激光与旋转电弧的复合焊接。由于电弧的旋转，熔池宽度增加使得装配要求降低，焊缝跟踪容易，可适用于各种复杂形状的焊缝。
二、工件会对照射在其表面的激光有较大的反射，使得激光的能量利用效率较低，旋转电弧以及其作用下形成的熔池对周围金属进行预热，可以增强待焊接位置对激光的吸收作用，提高激光的吸收率，从而可以降低使用的激光器的功率。
三、TIG气流也可以解决激光焊金属蒸汽的屏蔽问题。便于填加焊丝，从而可以避免表面凹陷形成的咬边。
四、该焊接系统的TIG旋转电弧焊枪除了能够实现电弧旋转，还能实现对电弧轮廓尺寸的控制，圆筒形外壳、主动齿轮和从动齿轮的尺寸均可以根据不同情况更换和调整，对于各种材料的焊接更具有针对性、适应性，能够精确控制的旋转电弧尺寸范围，同时通过电动机精确调整旋转电弧的旋转频率。
五、由于普通的激光电弧复合焊受空间位置限制，在焊接窄间隙焊缝时，容易形成侧壁未熔合，本发明使电弧旋转起来，旋转电弧可以对坡口侧面进行熔化加热，增大液态金属的铺展，让原本未能接受到足够能量的位置能够充分熔合，进而减少侧壁未熔合倾向，消除未熔合缺陷。
六、将激光对准旋转电弧形成的熔池边缘的复合焊接方法，可以更好地让旋转电弧以及其作用下形成的熔池对周围金属进行预热，增强即将焊接的位置对激光的吸收作用，提高激光的吸收率。同时，激光对准电弧边缘时，会对电弧旋转范围外面的位置加热，从而熔化工件，增大了焊接熔池，节约了电弧用于熔化工件的能量，从而使得电弧能量能加热更大的范围，增大了电弧加热面积，得到较大的熔池面积，特别适用于易产生未熔合带有坡口的接头形式的焊接。
七、将激光对准旋转电弧形成的熔池中心位置的复合焊接方法，不仅可以提高激光的吸收率，减少侧壁未熔合倾向。而且，激光照射在熔池中心能够使热量更集中，从而增大熔深，加大液态金属的铺展，特别适用于适合于对厚板材的焊接。
附图说明
图1为本发明实施例一整体结构示意图。
图1中，1.1为TIG旋转电弧焊枪，1.2为电弧焊机，2.1为激光焊枪，2.2为激光器，3.0为焊接机器人，4.0为机器人控制箱，5.0为气瓶，6.0为变位器。
图2为本发明实施例一TIG旋转电弧焊枪的透视结构示意图。
图2中，1.1a为钨极，1.1b为钨极卡，1.1c为电动机，1.1d为主动齿轮，1.1e为从动齿轮，1.1f为TIG旋转电弧焊枪圆筒形外壳的侧壁。
图3为本发明实施例一复合焊接方法示意图。
图4为本发明实施例二复合焊接方法示意图。
具体实施方式
实施例一
图1示出，一种激光-旋转电弧复合焊接系统，包括用于产生激光束的激光焊接部和用于产生电弧的电弧焊接部，其结构特点是：所述电弧焊接部包括可实现电弧旋转的TIG旋转电弧焊枪；如图2所示，TIG旋转电弧焊枪包括圆筒形外壳、位于圆筒形外壳内壁的齿圈、圆筒形外壳内部通过电动机驱动转动的主动齿轮、与所述主动齿轮和齿圈配合的从动齿轮；所述TIG旋转电弧焊枪的钨极与从动齿轮的中心连接，电动机驱动主动齿轮转动时，从动齿轮绕主动齿轮的转动带动TIG旋转电弧焊枪的钨极绕主动齿轮转动，从而形成旋转电弧，所述激光焊接部、电弧焊接部和电动机的控制端均与集成控制中心相连。
本例中所述TIG旋转电弧焊枪的钨极与从动齿轮的中心连接的具体方式是：从动齿轮的中心处开有中心轴孔，用于固定钨极的钨极卡安装于从动齿轮中心上表面，TIG旋转电弧焊枪的钨极上端固定于钨极卡中，下端穿过从动齿轮的中心轴孔，对准焊件。图2中没有表现出轴孔。
本例中所述TIG旋转电弧焊枪的圆筒形外壳侧壁为双层中空结构，与保护气体的气瓶相连接，焊接时用于输出保护气体。
本例中可通过更换所述圆筒形外壳、主动齿轮和从动齿轮的尺寸调节所形成的旋转电弧的电弧旋转半径，电弧旋转半径L的范围为3-8mm，如图2所示，主动齿轮半径为R1，从动齿轮半径为R2，电弧旋转半径为R1+R2，图中D为圆筒形外壳的直径。
图2仅为本发明TIG旋转电弧焊枪的透视结构示意图，仅表现与本申请发明点有关的部分，省略与本申请发明点无关的细节。
图3示出，上述激光-旋转电弧复合焊接系统的一种复合焊接方法，包括在焊接系统启动时，激光焊接部产生激光束，电弧焊接部产生电弧，其特征在于：在焊接系统工作的同时，集成控制中心控制电动机驱动主动齿轮以设定旋转频率转动，带动从动齿轮绕主动齿轮转动，从而带动TIG旋转电弧焊枪的钨极绕绕主动齿轮转动，形成作用于焊件表面的旋转电弧，在焊件表面形成旋转电弧熔池；集成控制系统控制在焊接过程中激光束始终对准旋转电弧熔池的沿焊接方向的前边缘位置。
本例中所述集成控制中心控制电动机驱动主动齿轮以设定旋转频率转动的设定旋转频率为2Hz-5Hz；作用于焊件表面的旋转电弧的电弧旋转半径L的范围为3-8mm。
图3仅为表现出本实施例的复合焊接方法，省略结构上的各种与表现复合焊接方法无关的细节。
实施例二
图4示出，一种实施例一的激光-旋转电弧复合焊接系统的复合焊接方法，包括在焊接系统启动时，激光焊接部产生激光束，电弧焊接部产生电弧，其特征在于：在焊接系统工作的同时，集成控制中心控制电动机驱动主动齿轮以设定旋转频率转动，带动从动齿轮绕主动齿轮转动，从而带动TIG旋转电弧焊枪的钨极绕绕主动齿轮转动，形成作用于焊件表面的旋转电弧，在焊件表面形成旋转电弧熔池；集成控制系统控制在焊接过程中激光束始终对准旋转电弧熔池的中心位置。
本例中所述集成控制中心控制电动机驱动主动齿轮以设定旋转频率转动的设定旋转频率为2Hz-5Hz；作用于焊件表面的旋转电弧的电弧旋转半径L的范围为3-8mm。
图4仅为表现出本实施例的复合焊接方法，省略结构上的各种与表现复合焊接方法无关的细节。

Claims (8)

1.一种激光-旋转电弧复合焊接系统，包括用于产生激光束的激光焊接部和用于产生电弧的电弧焊接部，其特征在于：所述电弧焊接部包括可实现电弧旋转的TIG旋转电弧焊枪；TIG旋转电弧焊枪包括圆筒形外壳、位于圆筒形外壳内壁的齿圈、圆筒形外壳内部通过电动机驱动转动的主动齿轮、与所述主动齿轮和齿圈配合的从动齿轮；所述TIG旋转电弧焊枪的钨极与从动齿轮的中心连接，电动机驱动主动齿轮转动时，从动齿轮绕主动齿轮的转动带动TIG旋转电弧焊枪的钨极绕主动齿轮转动，从而形成旋转电弧，所述激光焊接部、电弧焊接部和电动机的控制端均与集成控制中心相连。
2.根据权利要求1所述的一种激光-旋转电弧复合焊接系统，其特征在于：所述TIG旋转电弧焊枪的钨极与从动齿轮的中心连接的具体方式是：从动齿轮的中心处开有中心轴孔，用于固定钨极的钨极卡安装于从动齿轮中心上表面，TIG旋转电弧焊枪的钨极上端固定于钨极卡中，下端穿过从动齿轮的中心轴孔，对准焊件。
3.根据权利要求1所述的一种激光-旋转电弧复合焊接系统，其特征在于：所述TIG旋转电弧焊枪的圆筒形外壳侧壁为双层中空结构，与保护气体的气瓶相连接，焊接时用于输出保护气体。
4.根据权利要求1-3任一项所述的一种激光-旋转电弧复合焊接系统，其特征在于：可通过更换所述圆筒形外壳、主动齿轮和从动齿轮的尺寸调节所形成的旋转电弧的电弧旋转半径，电弧旋转半径L的范围为3-8mm。
5.一种权利要求1所述的激光-旋转电弧复合焊接系统的复合焊接方法，包括在焊接系统启动时，激光焊接部产生激光束，电弧焊接部产生电弧，其特征在于：在焊接系统工作的同时，集成控制中心控制电动机驱动主动齿轮以设定旋转频率转动，带动从动齿轮绕主动齿轮转动，从而带动TIG旋转电弧焊枪的钨极绕主动齿轮转动，形成作用于焊件表面的旋转电弧，在焊件表面形成旋转电弧熔池；集成控制系统控制在焊接过程中激光束始终对准旋转电弧熔池的沿焊接方向的前边缘位置。
6.根据权利要求5所述的激光-旋转电弧复合焊接系统的复合焊接方法，所述集成控制中心控制电动机驱动主动齿轮以设定旋转频率转动的设定旋转频率为2Hz-5Hz；作用于焊件表面的旋转电弧的电弧旋转半径L的范围为3-8mm。
7.一种权利要求1所述的激光-旋转电弧复合焊接系统的复合焊接方法，包括在焊接系统启动时，激光焊接部产生激光束，电弧焊接部产生电弧，其特征在于：在焊接系统工作的同时，集成控制中心控制电动机驱动主动齿轮以设定旋转频率转动，带动从动齿轮绕主动齿轮转动，从而带动TIG旋转电弧焊枪的钨极绕主动齿轮转动，形成作用于焊件表面的旋转电弧，在焊件表面形成旋转电弧熔池；集成控制系统控制在焊接过程中激光束始终对准旋转电弧熔池的中心位置。
8.根据权利要求7所述的激光-旋转电弧复合焊接系统的复合焊接方法，所述集成控制中心控制电动机驱动主动齿轮以设定旋转频率转动的设定旋转频率为2Hz-5Hz；作用于焊件表面的旋转电弧的电弧旋转半径L的范围为3-8mm。
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