CN111230303B - 一种激光-电弧复合同轴熔丝装置 - Google Patents

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Abstract

一种激光‑电弧复合同轴熔丝装置，包括激光光路单元和电弧单元，激光光路单元包括支撑框架，支撑框架的顶部设有入射孔、底部设有支撑部，支撑部的周围阵列设有多个扇形开口，相邻的扇形开口之间设有连接挡板；支撑框架的内壁上设有环形反射镜，支撑部上设有驱动电机，驱动电机的输出轴连接倾斜设置的平面反射镜；支撑框架的底部连接电弧单元的焊枪，焊枪的末端中设有环形喷嘴，环形喷嘴的内部设有环形导电嘴，环形喷嘴和环形导电嘴之间形成保护气体通道，丝材作为电极经由环形导电嘴内部送至预设汇聚点处。本发明中，入射激光不需经过变换，光束能量损耗小、可用激光功率高，且光学组件结构较为简单、制造成本低。

Description

一种激光-电弧复合同轴熔丝装置
技术领域
本发明涉及激光熔丝和电弧加工技术领域，特别是涉及一种激光-电弧复合同轴熔丝装置。
背景技术
激光-电弧复合送丝加工头可应用于填丝焊接和增材制造等领域。其中，激光-电弧复合填丝焊接在工业中已获得广泛的应用。激光-电弧复合填丝焊接结合了激光填丝焊接和电弧填丝焊接两者的优势，具有能量利用率高、焊接熔深大、焊接速度块、焊接过程稳定、焊接变形小、易实现高反射率材料的焊接等优点。
激光-电弧复合送丝加工头根据丝材送给方式的不同分为侧向送丝型和同轴送丝型。对于侧向送丝型加工头来说，当用于填丝焊接或增材制造时，由于激光、电弧和丝材不是同轴的关系，扫描方向对焊接或成形的质量和稳定性影响较大，扫描具有方向性，这类型加工头仅适用于简单的往复扫描，对于复杂的扫描路径，例如增材制造过程中经常使用的分区和交叉扫描方法，则存在较大的问题；对于同轴送丝类型，丝材作为熔化极电弧焊的电极，激光、电弧和丝材具有同轴的关系，可进行任意方向扫描，加工柔性高，便于保证加工质量和加工稳定性。
公开号CN1246117C的发明专利公开了一种激光-电弧同轴复合焊炬，焊炬端面具有一个光路孔径，内置一套光束变换系统和反射聚焦系统，还包括一个电弧焊电极，经所述焊炬光路孔径入射的激光经所述光束变换系统分成双光束或变换为环形光束，再经反射聚焦系统将所述双光束或环形光束聚焦，所述的电弧焊电极处于所述双光束或环形光束中间，且与所述聚焦系统射出的激光束同轴；公开号CN107999963B的发明专利公开了一种激光-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、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代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代加工工件上；公开号CN1246117C和公开号CN107999963B的发明专利公开的激光-电弧复合同轴熔丝装置中均采用光束变换系统将一束激光束变换为环形光束或者多个激光分束。上述公开的各专利文献中，光束变换系统中的光学组件其结构一般比较复杂、光束变换过程的能量损耗较大、且最大可用激光功率受到限制。
发明内容
本发明实施例提供了一种激光-电弧复合同轴熔丝装置，通过丝材与旋转环形光束同轴，在丝材、电弧、激光束三者交汇处丝材被激光-电弧复合热源熔化，使得可用激光功率高。
一种激光-电弧复合同轴熔丝装置，包括激光光路单元和电弧单元，所述激光光路单元包括支撑框架，所述支撑框架的顶部设有入射孔、底部设有与所述入射孔位置对应的支撑部，所述支撑部的周围阵列设有多个扇形开口，相邻的扇形开口之间设有连接挡板；
所述支撑框架的内壁上设有环形反射镜，所述支撑部上设有驱动电机，所述驱动电机的输出轴连接倾斜设置的平面反射镜，所述平面反射镜的反射面朝向所述入射孔和环形反射镜，所述驱动电机用于带动所述平面反射镜快速旋转，以使所述平面反射镜将入射光束进行旋转反射，并再通过所述环形反射镜进行反射形成交会于预设汇聚点处的旋转环形光束；
所述支撑框架的底部连接电弧单元的焊枪，所述焊枪的末端由所述连接挡板的底部伸入所述支撑部的底部中间处并向下延伸，所述焊枪的末端中设有环形喷嘴，所述环形喷嘴的内部设有同轴设置的环形导电嘴，所述环形喷嘴和环形导电嘴之间形成环形的保护气体通道，所述环形导电嘴的内部中空，丝材作为电极经由所述环形导电嘴内部送至所述预设汇聚点处被旋转环形光束-电弧复合热源熔化并熔覆于基材上。
进一步地，所述环形导电嘴与环形喷嘴的长度相同，或者所述环形导电嘴的末端突出所述环形喷嘴的端面向下延伸。
进一步地，所述支撑部的底部中间处设有向下延伸且用于安装所述焊枪的安装柱。
进一步地，所述入射光束的轴线、平面反射镜的旋转轴线、所述焊枪的末端的轴向均与丝材同轴。
进一步地，所述预设汇聚点为丝材、旋转环形光束和电弧的交汇点，所述预设汇聚点位于焊枪的正下方，所述预设汇聚点与所述焊枪的距离在5mm～50mm之间，所述预设汇聚点位于基材的上表面上。
进一步地，所述平面反射镜与入射光束之间的夹角可调节，调节范围为0°～90°，所述驱动电机的转速为10r/s～100r/s。
进一步地，所述入射孔处安装调焦聚焦镜，所述调焦聚焦镜的顶部设有与激光器光纤接口连接的准直镜，所述调焦聚焦镜用于通过调节自身的焦距，以调整所述旋转环形光束在所述预设汇聚点处形成的光斑直径，所述光斑直径范围为0.1mm～20mm。
进一步地，所述激光器光纤发射的入射激光为连续激光或脉冲激光。
进一步地，当所述入射激光为脉冲激光时，激光类型为平顶波，激光频率和脉宽由所述驱动电机的转速、所述扇形开口的数量、所述连接挡板的宽度决定，以使所述入射激光旋转至所述连接挡板处时关光，离开所述连接挡板处时开光。
综上，本发明与现有的激光-电弧复合侧向送丝装置相比，激光、电弧和丝材同轴，解决了侧向送丝的扫描方向性问题；与现有的激光-电弧复合同轴熔丝装置相比，入射激光不需经过变换，光束能量损耗小、可用激光功率高，且光学组件结构较为简单、制造成本低。
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是本发明中激光-电弧复合同轴熔丝装置的剖面示意图。
图2是图1中支撑框架的仰视图；
图3是本发明第一实施方式中焊枪的末端的局部放大图；
图4是本发明第二实施方式中焊枪的末端的局部放大图。
图中：
1-入射激光、2-准直镜、3-调焦聚焦镜、4-支撑框架、5-平面反射镜、6-驱动电机、7-环形反射镜、8-反射光束、9-扇形开口、10-焊枪、11-丝材、12-预设汇聚点、13-电弧、14-基材、15-连接挡板、16-环形喷嘴、17-环形导电嘴、18-保护气体通道。
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。
请参阅图1至图3，一种激光-电弧复合同轴熔丝装置，包括激光光路单元和电弧单元，所述激光光路单元包括支撑框架4，所述支撑框架4的顶部设有入射孔、底部设有与所述入射孔位置对应的支撑部，所述支撑部的周围阵列设有2个扇形开口9，相邻的扇形开口9之间设有连接挡板15；
所述支撑框架4的内壁上设有环形反射镜7，所述支撑部上设有驱动电机6，所述驱动电机6的输出轴连接倾斜设置的平面反射镜5，所述平面反射镜5的反射面朝向所述入射孔和环形反射镜7，所述驱动电机6用于带动所述平面反射镜5快速旋转，以使所述平面反射镜5将入射光束进行旋转反射，并再通过所述环形反射镜7进行反射形成交会于预设汇聚点12处的旋转环形光束8；
所述支撑框架4的底部连接电弧单元的焊枪10，所述焊枪10的末端由所述连接挡板15的底部伸入所述支撑部的底部中间处并向下延伸，所述焊枪10的末端中设有环形喷嘴16，所述环形喷嘴16的内部设有同轴设置的环形导电嘴17，所述环形喷嘴16和环形导电嘴17之间形成环形的保护气体通道18，所述环形导电嘴17的内部中空，丝材11作为电极经由所述环形导电嘴17内部送至所述预设汇聚点12处被旋转环形光束8-电弧复合热源熔化并熔覆于基材14上。
需要说明的是，本发明中，所述扇形开口9的作用是便于透光，入射光束通过扇形开口9后，由于所述连接挡板15的遮挡，会在其下方形成两处无光区，无光区尺寸与相邻的两个所述扇形开口9之间的所述连接挡板15的宽度有关。所述焊枪10经由无光区(即所述连接挡板15的底部)从光区外部插入光区内部，避免所述焊枪10对反射光束8造成二次遮挡。进一步地，所述焊枪10外部连接熔化极电弧焊设备和送丝机。
请参阅图1，所述支撑部的底部中间处设有向下延伸且用于安装所述焊枪的安装柱，以确保所述入射光束的轴线、平面反射镜5的旋转轴线、所述焊枪10的末端的轴向均与丝材11同轴，便于丝材11的熔化成形。
进一步地，所述预设汇聚点12为丝材11、旋转环形光束8和电弧的交汇点，所述预设汇聚点12位于焊枪10的正下方，所述预设汇聚点12与所述焊枪10的距离在5mm～50mm之间。
在本发明一优选实施方式中，所述平面反射镜5与入射光束之间的夹角可调节，调节范围为0°～90°，所述驱动电机6的转速为10r/s～100r/s，以使所述入射光束经过平面反射镜5旋转反射后，再通过所述环形反射镜7进行反射形成交会于所述预设汇聚点12处的旋转环形光束。
进一步地，所述平面反射镜5与入射光束之间的夹角为45°，所述驱动电机6的转速为30r/s。
请参阅图1，本实施例中，所述入射孔处安装调焦聚焦镜3，所述调焦聚焦镜3的顶部设有与激光器光纤接口连接的准直镜2，所述调焦聚焦镜3用于通过调节自身的焦距，以调整所述旋转环形光束8在所述预设汇聚点12处形成的光斑直径。当调节所述调焦聚焦镜3的焦距时，所述入射光束在所述平面反射镜5上的光斑发生改变，所以所述入射光束再通过所述环形反射镜7进行反射形成交会于所述预设汇聚点12处的旋转环形光束的光斑直径也会发生改变。具体的，所述预设汇聚点12处的光斑直径根据具体激光加工工艺需要调整，所述光斑直径范围为0.1mm～20mm。
请参阅图2，本实施例中，所述扇形开口9的数量为2个，且所述扇形开口9中安装保护镜，所述保护镜用于透光。可以理解的，在其它实施例中，所述扇形开口9的数量可以为1个或多个，当设有多个时，多个扇形开口9呈圆周对称分布。由于所述支撑框架4的连接挡板15遮挡，会在连接挡板15的下方形成一处或多处无光区，无光区数量与所述扇形开口9数量一致，无光区尺寸与所述扇形开口9之间的连接挡板15的宽度有关，所述连接挡板15的宽度在满足结构强度条件下应尽可能小。
在本发明一优选实施方式中，所述激光器光纤发射的入射激光1为连续激光或脉冲激光。可以理解的，在其它实施例中，脉冲激光类型还可以为三角波、梯形波等其它类型。
需要说明的是，当采用连续激光时，旋转环形光束8会在所述支撑框架4的连接挡板15位置产生遮挡，因而会导致少量的能量损耗；当采用脉冲激光时，通过调整脉冲激光频率和脉宽，可以使其在旋转至所述支撑框架4的连接挡板15位置时关光，离开连接挡板15位置时开光，从而避免能量损耗；当所述入射激光1为脉冲激光时，激光类型为平顶波，激光频率和脉宽由所述驱动电机6的转速、所述扇形开口9的数量、所述连接挡板15的宽度决定，以使所述入射激光1旋转至所述连接挡板15处时关光，离开所述连接挡板15处时开光，从而避免能量损耗。
请参阅图3，本实施例中，所述环形导电嘴17与环形喷嘴16的长度相同，此时适用于丝材11突出所述环形喷嘴16的长度较短，以保证丝材11的同轴度。
请参阅图4，在本发明另一优选实施例中，所述环形导电嘴17的末端突出所述环形喷嘴16的端面向下延伸，使得丝材11突出所述环形喷嘴16的部分被所述环形导电嘴17包裹，以保证丝材11的同轴度。可以理解的，在其它实施例中，所述环形导电嘴17的末端突出的长度可以根据实际需要调整。
综上，本发明与现有的激光-电弧复合侧向送丝装置相比，激光、电弧和丝材11同轴，解决了侧向送丝的扫描方向性问题；与现有的激光-电弧复合同轴熔丝装置相比，入射激光1不需经过变换，光束能量损耗小、可用激光功率高，且光学组件结构较为简单、制造成本低。
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 (7)

1.一种激光-电弧复合同轴熔丝装置，包括激光光路单元和电弧单元，其特征在于，所述激光光路单元包括支撑框架，所述支撑框架的顶部设有入射孔、底部设有与所述入射孔位置对应的支撑部，所述支撑部的周围阵列设有多个扇形开口，相邻的扇形开口之间设有连接挡板；
所述支撑框架的内壁上设有环形反射镜，所述支撑部上设有驱动电机，所述驱动电机的输出轴连接倾斜设置的平面反射镜，所述平面反射镜的反射面朝向所述入射孔和环形反射镜，所述驱动电机用于带动所述平面反射镜快速旋转，以使所述平面反射镜将入射光束进行旋转反射，并再通过所述环形反射镜进行反射形成交会于预设汇聚点处的旋转环形光束；
所述支撑框架的底部连接电弧单元的焊枪，所述焊枪的末端由所述连接挡板的底部伸入所述支撑部的底部中间处并向下延伸，所述焊枪的末端中设有环形喷嘴，所述环形喷嘴的内部设有同轴设置的环形导电嘴，所述环形喷嘴和环形导电嘴之间形成环形的保护气体通道，所述环形导电嘴的内部中空，丝材作为电极经由所述环形导电嘴内部送至所述预设汇聚点处被旋转环形光束-电弧复合热源熔化并熔覆于基材上；
所述入射孔处安装调焦聚焦镜，所述调焦聚焦镜的顶部设有与激光器光纤接口连接的准直镜，所述调焦聚焦镜用于通过调节自身的焦距，以调整所述旋转环形光束在所述预设汇聚点处形成的光斑直径，所述光斑直径范围为0.1mm～20mm；所述激光器光纤发射的入射激光为脉冲激光；激光类型为平顶波，激光频率和脉宽由所述驱动电机的转速、所述扇形开口的数量及所述连接挡板的宽度决定，以使所述入射激光旋转至所述连接挡板处时关光，离开所述连接挡板处时开光。
2.根据权利要求1所述的激光-电弧复合同轴熔丝装置，其特征在于，所述环形导电嘴与环形喷嘴的长度相同，或者所述环形导电嘴的末端突出所述环形喷嘴的端面向下延伸。
3.根据权利要求1所述的激光-电弧复合同轴熔丝装置，其特征在于，所述支撑部的底部中间处设有向下延伸且用于安装所述焊枪的安装柱。
4.根据权利要求1所述的激光-电弧复合同轴熔丝装置，其特征在于，所述入射光束的轴线、平面反射镜的旋转轴线、所述焊枪的末端的轴向均与丝材同轴。
5.根据权利要求1所述的激光-电弧复合同轴熔丝装置，其特征在于，所述预设汇聚点为丝材、旋转环形光束和电弧的交汇点，所述预设汇聚点位于焊枪的正下方，所述预设汇聚点与所述焊枪的距离在5mm～50mm之间，所述预设汇聚点位于基材的上表面上。
6.根据权利要求1所述的激光-电弧复合同轴熔丝装置，其特征在于，所述平面反射镜与入射光束之间的夹角可调节，调节范围为0°～90°，所述驱动电机的转速为10r/s～100r/s。
7.根据权利要求1所述的激光-电弧复合同轴熔丝装置，其特征在于，所述扇形开口的数量为1～6个，且扇形开口中安装保护镜。
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