CN108890128A - 一种激光多束流复合温度场焊接装置 - Google Patents

一种激光多束流复合温度场焊接装置 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种激光多束流复合温度场焊接装置。该装置至少包括深熔焊激光头、预热激光头、缓冷激光头和红外线温度场测量装置。其中,深熔焊激光头安装在主轴上,用于发射对焊件进行熔融焊接的主焊接激光束;预热激光头用于发射对焊件进行熔融焊接过程中的预热激光束,预热激光头通过第一运动机构位置可调节的安装在主轴的外围;缓冷激光头用于发射对焊件进行熔融焊接过程中的缓冷激光束,缓冷激光头通过第二运动机构位置可调节的安装在主轴的外围;红外线温度场测量装置设置在深熔焊激光头的预定范围内,用于实时测量焊接过程中由熔融焊接的主焊接激光束、预热激光束和缓冷激光束形成的复合温度场中的温度。

Description

一种激光多束流复合温度场焊接装置
技术领域
本发明涉及激光束流加工技术领域,特别是涉及一种激光多束流复合温度场焊接装置。
背景技术
激光焊接技术由于其能量密度高,焊接变形小,同时焊接过程易于集成化、自动化、柔性化,可高精度、高效焊接等优点,近年来在航空、航天、汽车等领域得到广泛应用。
目前,激光单光束焊接和激光双光束焊接技术都已发展成熟,已经成功应用于航空、航天、船舶、高铁等薄壁结构件的焊接过程中。激光单光束焊接主要解决的是常规薄壁材料的拼接构件问题,该技术成熟度高,但是不具有预热、缓冷功能,一般只应用于常规易焊材料,例如TC4、不锈钢等材料,其裂纹、气孔调控方法主要体现在焊接参数的调控,例如焊接速度、功率等。而激光双光束焊接技术,是利用激光双侧焊接方法,主要解决的是加筋壁板类的T形接头的焊接问题,其裂纹、气孔调控方法也主要体现在焊接参数的调控,例如焊接速度、功率等。
随着我国新一代材料的发展,一些新的轻质、高强合金被开发出来,例如Ti2AlNi合金、Ti1300、Al-Li合金等等。这些新研发的材料多数均采用多种合金成份,材料内部金属间化合物焊接时极易开裂,产生裂纹、气孔等大量缺陷。针对金属间化合物等易裂、难焊的材料,现有的激光焊接技术均不能满足对其高质量的焊接要求。
因此,发明人提供了一种激光多束流复合温度场焊接装置。
发明内容
针对上述问题,本发明实施例提供了一种激光多束流复合温度场焊接装置,解决了现有技术的激光焊接容易产生焊接裂纹和气孔的问题。
本发明的实施例提出了一种激光多束流复合温度场焊接装置,该装置至少包括深熔焊激光头、预热激光头、缓冷激光头和红外线温度场测量装置。其中,深熔焊激光头安装在主轴上,用于发射对焊件进行熔融焊接的主焊接激光束;预热激光头用于发射对焊件进行熔融焊接过程中的预热激光束,所述预热激光头通过第一运动机构位置可调节的安装在所述主轴的外围;缓冷激光头用于发射对焊件进行熔融焊接过程中的缓冷激光束,所述缓冷激光头通过第二运动机构位置可调节的安装在所述主轴的外围; 红外线温度场测量装置设置在所述深熔焊激光头的预定范围内,用于实时测量焊接过程中由所述熔融焊接的主焊接激光束、所述预热激光束和所述缓冷激光束形成的复合温度场中的温度。
进一步地,还包括中控系统,所述中控系统与所述红外线温度场测量装置电连接并接收实时温度信息,所述中控系统还与所述第一运动机构和所述第二运动机构电连接,基于所述温度信息,分别控制所述第一运动机构和所述第二运动机构按照相应的运动轨迹运动,从而带动所述预热激光头和所述缓冷激光头运动到不同位置,用于调节所述预热激光束和所述缓冷激光束的间距和变焦量。
进一步地,所述第一运动机构和所述第二运动机构均包括旋转轴、十字导轨组件和回转转盘,所述旋转轴安装在所述主轴外围,可绕所述主轴环向旋转,所述十字导轨组件与所述旋转轴连接,所述十字导轨组件连接并带动所述回转转盘在X向和Y向运动,所述回转转盘通过回转机构带动相应的所述预热激光头或所述缓冷激光头回转运动。
进一步地,所述中控系统分别连接并控制所述第一运动机构和所述第二运动机构的旋转轴、十字导轨组件和回转转盘的位移运动。
进一步地,所述十字导轨组件包括交叉连接的X向导轨和Y向导轨,所述回转转盘连接所述X向导轨或Y向导轨。
进一步地,所述回转机构安装在所述回转转盘与所述十字导轨组件之间,所述预热激光头和所述缓冷激光头分别安装在相应的所述回转转盘上;或者,所述回转机构安装在所述回转转盘与相应的所述预热激光头和所述缓冷激光头之间。
进一步地,所述第一运动机构和所述第二运动机构中的所述回转转盘上均设有一维线性导轨,所述预热激光头和所述缓冷激光头均分别连接并能够沿相应的所述一维线性导轨线性运动。
进一步地,所述主轴的外围设置有环形导槽,所述旋转轴均设置在所述环形导槽中,所述控制系统控制相应的所述旋转轴沿所述环形导槽分别绕所述主轴旋转。
进一步地,所述第一运动机构和所述第二运动机构中的所述旋转轴在所述环形导槽中的环向旋转范围均是0~180度。
进一步地,所述红外线温度场控制装置包括红外测温仪和安装架,所述红外测温仪通过所述安装架安装在所述主轴上,所述安装架与所述主轴的安装位置可调,使所述红外测温仪置于所述深熔焊激光头的预定范围内。
综上,本发明的激光多束流复合温度场焊接装置,将三种束激光组合在一起,可实现多束激光之间的串行、并行等随意排布。采用外部红外线温度场监控,通过预热、缓冷激光束光斑大小、间距的调控实现多束流焊接温度场的控制。利用激光能量的多点分布,温度场的复合叠加,实现焊接过程的预热、焊接、缓冷的一体化实施,可有效控制气孔、裂纹等缺陷的产生,实现易裂、难焊材料的高质量焊接。本发明专利适用于难焊、易裂材料,对其它材料的焊接具有很好的参考价值、适用性广。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案,下面将对本发明实施例中所需要使用的附图作简单地介绍,显而易见地,下面所描述的附图仅仅是本发明的一些实施例,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的附图。
图1是本发明实施例的一种激光多束流复合温度场焊接装置应用场景示意图。
图2是本发明实施例的一种激光多束流复合温度场焊接装置的结构示意图。
图中:
1-深熔焊激光头;2-预热激光头;3-缓冷激光头;
4-第一运动机构;41-第一Y向导轨;42-第一X向导轨;43-第一回转转盘;44-第一一维线性导轨;45-第一旋转轴;
5-第二运动机构;51-第二Y向导轨;52-第二X向导轨;53-第二回转转盘;54-第二一维线性导轨;55-第二旋转轴;
6-主轴;7-红外线温度场测量装置。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的实施方式作进一步详细描述。以下实施例的详细描述和附图用于示例性地说明本发明的原理,但不能用来限制本发明的范围,即本发明不限于所描述的实施例,在不脱离本发明的精神的前提下覆盖了零件、部件和连接方式的任何修改、替换和改进。
需要说明的是,在不冲突的情况下,本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参照附图并结合实施例来详细说明本申请。
图1是本发明实施例的一种激光多束流复合温度场焊接装置应用场景示意图。该装置中的焊接激光头至少包括了深熔焊激光头1、预热激光头2和缓冷激光头3,通过将三种激光束组合在一起,能够实现多激光束之间的串行、并行等随意排布。通过实时测量多激光束复合叠加的温度场温度,从而调节预热、缓冷激光束的光斑大小,实现多束流焊接温度场的控制,本发明利用激光能量的多点分布,温度场的复合叠加,实现焊接过程的预热、焊接、缓冷的一体化实施,可有效控制气孔、裂纹等缺陷的产生,实现易裂、难焊材料的高质量焊接。
图2是本发明实施例的一种激光多束流复合温度场焊接装置的结构示意图。结合图1和图2所示,本发明的装置至少包括了深熔焊激光头1、预热激光头2、缓冷激光头3和红外线温度场测量装置7,其中,深熔焊激光头1安装在主轴6上,用于发射对焊件进行熔融焊接的主焊接激光束;预热激光头2用于发射对焊件进行熔融焊接过程中的预热激光束,该预热激光头2通过第一运动机构4位置可调节的安装在主轴6的外围;缓冷激光头3用于发射对焊件进行熔融焊接过程中的缓冷激光束,该缓冷激光头3通过第二运动机构5位置可调节的安装在主轴6的外围;红外线温度场测量装置7设置在深熔焊激光头1的预定范围内,用于实时测量焊接过程中由熔融焊接的主焊接激光束、预热激光束和缓冷激光束形成的复合温度场中的温度。采用外部红外线温度场监控,通过预热、缓冷激光束光斑大小、间距的调控,实现了多束流焊接温度场的控制,可有效控制气孔、裂纹等缺陷的产生,实现易裂、难焊材料的高质量焊接。
作为一种实施例,该装置还可以包括中控系统(未标示),该中控系统与红外线温度场测量装置7电连接并接收实时温度信息,中控系统还与第一运动机构4和第二运动机构5电连接,基于接收的温度信息,该中控系统分别控制第一运动机构4和第二运动机构5按照相应的运动轨迹运动,从而带动预热激光头2和缓冷激光头3运动到不同位置,用于调节预热激光束和缓冷激光束的间距和变焦量。
需要说明的是,深熔焊激光头1采用较大焦距的激光头,比如可以采用High YAG300mm焦距的激光头,预热激光头2和缓冷激光头3可以采用不同类型或者同类型的焦距范围的激光头,比如采用High YAG 200mm焦距的激光头,焊激光焊接过程中,通过控制预热激光头2和缓冷激光头3的变焦量和间距以及分别与深熔焊激光头1的距离来实现发射相应的预热激光束和缓冷激光束。
通过控制第一运动机构4和第二运动机构5的运动,能够分别对预热激光头2和缓冷激光头3的变焦量和间距以及与深熔焊激光头1的距离进行调控,从而发射出满足不同温度的相应的预热激光束和缓冷激光束。
作为其他可选实施例,第一运动机构4和第二运动机构5均包括旋转轴、十字导轨组件和回转转盘。具体地,如图2所示,第一运动机构4包括了第一旋转轴45、第一十字导轨组件(包括第一Y向导轨41和第一X向导轨42)和第一回转转盘43,其中,第一旋转轴45安装在主轴6的外围,可绕主轴6环向旋转,第一十字导轨组件与第一旋转轴45连接(可以是第一Y向导轨41或第一X向导轨42与第一旋转轴45连接),该第一十字导轨组件连接并带动第一回转转盘43在X向和Y向运动,第一回转转盘43通过回转机构带动相应的预热激光头2回转运动。
类似的,第二运动机构5包括了第二旋转轴55、第二十字导轨组件(包括第二Y向导轨51和第二X向导轨52)和第二回转转盘53,其中,第二旋转轴55安装在主轴6的外围,可绕主轴6环向旋转,第二十字导轨组件与第二旋转轴55连接(可以是第二Y向导轨51或第二X向导轨52与第二旋转轴55连接),该第二十字导轨组件连接并带动第二回转转盘53在X向和Y向运动,第二回转转盘53通过回转机构带动相应的缓冷激光头3回转运动。
具体地,可以通过中控系统分别连接并控制第一运动机构4和第二运动机构5的旋转轴、十字导轨组件和回转转盘的位移运动,从而实现了预热激光头2和缓冷激光头3的变焦量和间距以及与深熔焊激光头1的距离的调控。其中两组机构的十字导轨组件均包括交叉连接的X向导轨(42、52)和Y向导轨(41、51),回转转盘(43、53)连接X向导轨(42、52)或Y向导轨(41、51)。
需要说明的是,用于带动相应的预热激光头2或缓冷激光头3回转运动的回转机构可以安装在回转转盘(43、53)与相应十字导轨组件之间,然后将预热激光头2和缓冷激光头3分别安装在相应的回转转盘(43、53)上。或者,可将回转机构安装在回转转盘(43、53)与相应的预热激光头2和缓冷激光头3之间。通过十字导轨组件上的X向导轨(42、52)和Y向导轨(41、51)的线性运动,以及回转转盘(43、53)的回转运动,第一运动机构和第二运动机构能够带动相应的预热激光头2和缓冷激光头3实现多自由度的位置变换,从而实现多束流间预热、缓冷调控的效果。
作为其他可选实施例,第一运动机构和第二运动机构中的回转转盘(43、53)上均设有一维线性导轨(包括第一一维线性导轨44和第二一维线性导轨54),预热激光头2和缓冷激光头3均分别连接并能够沿相应的一维线性导轨(44、54)线性运动。进一步实现了激光头的间距和激光束变焦量的调节。
优选地,在主轴6的外围设置有环形导槽,旋转轴(第一旋转轴45和第二旋转轴55)均设置在环形导槽中,通过控制系统控制相应的旋转轴(45、55)沿环形导槽分别绕主轴6旋转,并且旋转轴(45、55)在环形导槽中的环向旋转范围均是0~180度,进一步实现了激光头的位置调节,从而实现不同焦距的调控。
优选地,红外线温度场控制装置7包括红外测温仪和安装架,红外测温仪通过安装架安装在主轴6上,安装架与主轴6的安装位置可调,使红外测温仪置于深熔焊激光头1的预定范围内。
本发明的第一运动机构和所述第二运动机构对应的组成部分采用相同或者类似的各个零部件,可以是在本发明原理范围内的自制件也可以是采购件。可以根据需要设置一个或者一个以上的预热激光头2和缓冷激光头3 ,预热激光头2和缓冷激光头3可以采用同型号的激光头,通过控制激光束的间距和变焦量分别实现预热和缓冷效果。
以2.0mm厚Ti2AlNb为焊接母材,采用本发明的激光多束流复合温度场焊接装置,深熔焊激光头1采用High YAG 300mm焦距的激光头;预热激光头2与缓冷激光头3均采用High YAG 200mm焦距的激光头;其余机械运动系统,采购直线导轨、圆形回转转盘及匹配电机,其余连接机械结构采用常规不锈钢制造。并且,三种激光头设置成串行分布模式,使深熔焊激光头1与预热激光头2间距为10mm,深熔焊激光头1与缓冷激光头3间距10mm,深熔焊激光头1功率设置2000W,预热激光头2与缓冷激光头3的功率均为500W。对其进行多束流焊接试验。经X光探伤表明,采用多束流焊接模式获得的搭接焊缝内部缺陷显著减少,以100mm焊缝长度计算,产生的气孔个数减少到原来的10%左右,无裂纹产生。
需要明确的是,本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述,各个实施例之间相同或相似的部分互相参见即可,每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。本发明并不局限于上文所描述并在图中示出的特定步骤和结构。并且,为了简明起见,这里省略对已知方法技术的详细描述。
以上所述仅为本申请的实施例而已,并不限制于本申请。在不脱离本发明的范围的情况下对于本领域技术人员来说,本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本申请的权利要求范围内。

Claims (10)

1.一种激光多束流复合温度场焊接装置,其特征在于,包括:
深熔焊激光头,安装在主轴上,用于发射对焊件进行熔融焊接的主焊接激光束;
预热激光头,用于发射对焊件进行熔融焊接过程中的预热激光束,所述预热激光头通过第一运动机构位置可调节的安装在所述主轴的外围;
缓冷激光头,用于发射对焊件进行熔融焊接过程中的缓冷激光束,所述缓冷激光头通过第二运动机构位置可调节的安装在所述主轴的外围;
红外线温度场测量装置,设置在所述深熔焊激光头的预定范围内,用于实时测量焊接过程中由所述熔融焊接的主焊接激光束、所述预热激光束和所述缓冷激光束形成的复合温度场中的温度。
2.根据权利要求1所述的激光多束流复合温度场焊接装置,其特征在于,还包括中控系统,所述中控系统与所述红外线温度场测量装置电连接并接收实时温度信息,所述中控系统还与所述第一运动机构和所述第二运动机构电连接,基于所述温度信息,分别控制所述第一运动机构和所述第二运动机构按照相应的运动轨迹运动,从而带动所述预热激光头和所述缓冷激光头运动到不同位置,用于调节所述预热激光束和所述缓冷激光束的间距和变焦量。
3.根据权利要求2所述的激光多束流复合温度场焊接装置,其特征在于,所述第一运动机构和所述第二运动机构均包括旋转轴、十字导轨组件和回转转盘,所述旋转轴安装在所述主轴外围,可绕所述主轴环向旋转,所述十字导轨组件与所述旋转轴连接,所述十字导轨组件连接并带动所述回转转盘在X向和Y向运动,所述回转转盘通过回转机构带动相应的所述预热激光头或所述缓冷激光头回转运动。
4.根据权利要求3所述的激光多束流复合温度场焊接装置,其特征在于,所述中控系统分别连接并控制所述第一运动机构和所述第二运动机构的旋转轴、十字导轨组件和回转转盘的位移运动。
5.根据权利要求4所述的激光多束流复合温度场焊接装置,其特征在于,所述十字导轨组件包括交叉连接的X向导轨和Y向导轨,所述回转转盘连接所述X向导轨或Y向导轨。
6.根据权利要求4所述的激光多束流复合温度场焊接装置,其特征在于,所述回转机构安装在所述回转转盘与所述十字导轨组件之间,所述预热激光头和所述缓冷激光头分别安装在相应的所述回转转盘上;
或者,所述回转机构安装在所述回转转盘与相应的所述预热激光头和所述缓冷激光头之间。
7.根据权利要求4所述的激光多束流复合温度场焊接装置,其特征在于,所述第一运动机构和所述第二运动机构中的所述回转转盘上均设有一维线性导轨,所述预热激光头和所述缓冷激光头均分别连接并能够沿相应的所述一维线性导轨线性运动。
8.根据权利要求4所述的激光多束流复合温度场焊接装置,其特征在于,所述主轴的外围设置有环形导槽,所述旋转轴均设置在所述环形导槽中,所述控制系统控制相应的所述旋转轴沿所述环形导槽分别绕所述主轴旋转。
9.根据权利要求8所述的激光多束流复合温度场焊接装置,其特征在于,所述第一运动机构和所述第二运动机构中的所述旋转轴在所述环形导槽中的环向旋转范围均是0~180度。
10.根据权利要求1所述的激光多束流复合温度场焊接装置,其特征在于,所述红外线温度场控制装置包括红外测温仪和安装架,所述红外测温仪通过所述安装架安装在所述主轴上,所述安装架与所述主轴的安装位置可调,使所述红外测温仪置于所述深熔焊激光头的预定范围内。
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