CN111283324A - 一种超高功率激光焊丝同步搅拌激光焊接装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种超高功率激光焊丝同步搅拌激光焊接装置，包括壳主体、准直模块、反射镜模块、反射聚焦模块和送丝模块，准直模块包括光纤接口和准直镜；反射镜模块包括反射镜；反射聚焦模块包括第一摇摆座、第一动力机构和聚焦镜，反射镜和聚集镜均采用铜镜，可承受3万瓦以上超高功率激光，聚焦镜具有抛物面；送丝模块包括第二摇摆座、第二动力机构和送丝管，第二摇摆座安装在第一摇摆座上，第二动力机构安装在第一摇摆座上，送丝管安装在第二摇摆座上，以让自动送丝机送出的焊丝穿过送丝管后被聚焦激光熔化实现工件焊接。本发明可控制焊丝同步在焊缝中来回搅拌，能实现较宽焊缝的一次焊接，减少了宽焊缝的焊接工序，提高了焊接效率。

Description

一种超高功率激光焊丝同步搅拌激光焊接装置

技术领域

本发明属于焊接技术领域，更具体地，涉及一种激光焊接装置。

背景技术

激光焊接以其高能量密度、高的焊缝深宽比和较高的焊接速度等优势而在汽车、船舶、航空航天等领域应用广泛。在面向较厚的高强钢之间的宽间隙(如20mm左右)焊接时，超高功率单激光焊接往往难以满足要求。现有技术如激光搅拌(wobble)焊能获得比单激光焊接稍宽的焊缝，但其主要目的还是用来改善相应材料的焊接焊缝性能，避免气孔等缺陷的产生，对熔宽增加的贡献有限；激光钎焊在某些情况下能获得稍宽的焊缝，但因其焊丝与激光一般相对静止，仅有一个焊缝方向的同步运动，焊缝宽度基本取决于激光功率、送丝量等工艺参数，熔宽也有限；传统的电弧焊接一般可以用来获得较宽焊缝，但大多说情况下还是需要人工参与，焊缝成形和焊缝质量难以同时得到保证。

此外，传统激光焊接方式，主要采用透镜传导激光的方式，在超高功率焊接过程中，所需激光功率越来越大，高达1万瓦到3万瓦；激光功率达3万瓦以上时，非金属光学透镜的受热变形问题变得突出，较高的温度会改变其光学性能，也会对镜片的使用寿命产生极为不利的影响。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种超高功率激光焊丝同步搅拌激光焊接装置，其能实现较宽焊缝的一次焊接，减少了宽焊缝的焊接工序，提高了焊接效率。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种超高功率激光焊丝同步搅拌激光焊接装置，其特征在于，包括壳主体、准直模块、反射镜模块、反射聚焦模块和送丝模块，其中：

所述准直模块包括光纤接口和准直镜，所述光纤接口设置于该壳主体上，以用于连接激光光纤头并让激光光纤头发射激光到该壳主体内的准直镜上，再经该准直镜准直后形成平行光；

所述反射镜模块包括安装在该壳主体内的反射镜，以用于反射所述准直镜出来的平行光；

所述反射聚焦模块包括第一摇摆座、第一动力机构和聚焦镜，所述第一摇摆座可转动安装在所述壳主体上，所述第一动力机构安装在所述壳主体上，以用于带动所述第一摇摆座绕第一水平线摆动，所述聚焦镜安装在所述第一摇摆座内，该聚焦镜具有抛物面，以用于对所述反射镜反射的平行光进行反射和聚集后形成聚焦激光，从而使得聚焦激光可跟随第一摇摆座进行同步摆动，所述第一摇摆座上设置有作为聚焦激光出口的条形孔；

所述送丝模块包括第二摇摆座、第二动力机构和送丝管，所述第二摇摆座可转动安装在所述第一摇摆座上，所述第二动力机构安装在所述第一摇摆座上，以用于带动所述第二摇摆座绕与第一水平线平行的第二水平线摆动，所述送丝管安装在所述第二摇摆座上，以用于穿装自动送丝机送出的焊丝，从而使焊丝可跟随第一摇摆座摆动的同时也可跟随第二摇摆座摆动。

优选地，还包括触觉跟踪模块，所述触觉跟踪模块包括第三摇摆座、复位弹簧、编码器和探针，所述第三摇摆座安装在所述壳主体上并可绕与第一水平线平行的第三水平线摆动，所述复位弹簧安装在所述壳主体与所述第三摇摆座之间，以用于让第三摇摆座绕第三水平线摆动后复位，所述探针安装在所述第三摇摆座上，以用于接触焊缝并被焊缝带动绕第三水平线摆动，所述编码器与所述第三摇摆座连接，以用于通过所述第三摇摆座摆动的位置获得探针的位置并反馈给控制模块，控制模块通过控制所述反射聚焦模块的第一动力机构带动聚焦激光转动和第二动力机构带动焊丝转动，从而带动光斑和焊丝以探针位置为中心来回搅拌。

优选地，所述第一动力机构包括电机及传动机构，所述电机通过所述传动机构驱动所述第一摇摆座摆动，并且所述控制模块基于所述编码器反馈的第一摇摆座的位置信息来控制所述电机的摆动，以让送丝管内的焊丝转动到与探针相对应的位置。

优选地，所述触觉跟踪模块还包括第一压缩弹簧和探针架，所述第一压缩弹簧竖直设置，该第一压缩弹簧的上端安装在所述第三摇摆座上而下端连接所述探针架，所述探针安装在所述探针架上。

优选地，所述第二摇摆座在所述第一摇摆座的带动下进行摆动的同时，所述第二摆动座通过第二动力机构的驱动实现焊丝以光斑为中心在焊缝的宽度方向上进行设定长度的摇摆，该设定距离为2mm～3mm,也即以光斑为中心的振幅为2mm～3mm。

优选地，所述反射镜采用铜镜对平行光进行反射，所述聚焦镜采用铜镜对反射镜反射的平行光进行反射和聚焦，它们均可承受3万瓦以上超高功率激光。

优选地，所述聚焦激光跟随第一摇摆座摆动的角度范围为±90°，即与竖直面的夹角可为-90°～90°，从而使得光斑在焊缝中搅拌的振幅为10mm，也即在焊缝宽度方向上，光斑可在距焊缝中点±10mm的长度上进行搅拌。

优选地，所述送丝模块还包括第二压缩弹簧、连接架和锁紧机构，所述第二压缩弹簧的上端伸入所述第二摇摆座内并可在所述第二摇摆座内上下调整位置，第二压缩弹簧的上端的位置调整好后再通过锁紧机构锁定在所述第二摇摆座上，所述第二压缩弹簧的下端连接所述连接架，所述连接架上安装所述送丝管。

优选地，所述反射镜模块还包括设置在所述壳主体内的反射镜水冷机构，以用于对所述反射镜进行降温，所述反射聚集模块还包括设置在所述第一摇摆座内的反射聚焦水冷机构，以用于对所述聚焦镜进行降温。

优选地，所述准直模块还包括安装在所述壳主体内的第一保护镜和第二保护镜，所述第一保护镜位于所述准直镜的上方，所述第二保护镜位于所述准直镜的下方，所述聚焦镜的下方还设置有第三保护镜和第四保护镜，第三保护镜和第四保护镜均位于所述第一摇摆座内。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

1)本发明的第一动力机构和第二动力机构分别可以驱动聚焦激光和焊丝摆动，焊丝在跟随第一摇摆座摆动的同时还可以跟随第二摇摆座摆动，从而能以焊缝偏移位置为中心，控制焊丝同步在焊缝中来回搅拌，能实现较宽焊缝的一次焊接，减少了宽焊缝的焊接工序，提高了焊接效率，而且不仅能使焊丝快速均匀的填充在焊缝中，而且有效的改善了焊接质量和焊缝成形。

2)本发明装置能满足超高功率的激光焊接光路变换需要，相比透镜更能体现本发明装置的光学性能的稳定，同时也进一步延长了准直镜、反射镜和聚焦镜等镜片的使用寿命。

3)本发明装置为模块化结构设计，易于安装，便于更换维护。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

如图1所示，一种超高功率激光焊丝同步搅拌激光焊接装置，包括壳主体7、准直模块3、反射镜模块4、反射聚焦模块5和送丝模块1，其中：

所述壳主体7包括可拆卸连接在一起的准直镜座32、反射镜座42、固定座21和传动箱51，所述反射镜座42连接在所述准直镜座32的下端，所述固定座21安装在所述反射镜座42的一侧；

所述准直模块3包括光纤接口31、准直镜34、第一保护镜33和第二保护镜35，所述光纤接口31设置于该壳主体7的准直镜座32上，以用于连接激光光纤头并让激光光纤头发射激光到该壳主体7内的准直镜34上，激光光纤头优选朝下发射激光到该壳主体7内的准直镜34上，再经该准直镜34准直后形成平行光，也即准直镜34可以将激光光纤头发出的发散激光束汇集成平行光；所述准直镜座32内部为腔体结构，所述光纤接口31安装在准直镜座32的顶部，所述第一保护镜33和第二保护镜35均安装在所述准直镜座32内，所述第一保护镜33位于所述准直镜座32上方且位于光纤接口31下方，所述准直镜34安装在准直镜座32的中部，所述第二保护镜35位于所述准直镜34的下方并且安装在所述准直镜座32的下端。

所述反射镜模块4包括安装在该壳主体7的反射镜座42内的反射镜41，以用于反射所述准直镜34出来的平行光；反射镜41的反射面与平行光不垂直，这样可以将平行光反射到反射聚焦模块5上，改变激光束传输方向；此外，所述反射镜模块4还包括设置在所述壳主体7的反射镜座42内的反射镜水冷机构43，以用于对所述反射镜41进行降温，反射镜水冷机构43采用循环水进行降温，其可以安装在反射镜座42的内壁上，也可以安装在反射镜41的背面。

所述反射聚焦模块5包括第一摇摆座53、第一动力机构52和聚焦镜54，所述第一摇摆座53可转动安装在所述壳主体7的传动箱51上，所述第一动力机构52安装在所述壳主体7的传动箱51内，以用于带动所述第一摇摆座53绕第一水平线摆动，所述聚焦镜54安装在所述第一摇摆座53内，该聚焦镜54具有抛物面，以用于对所述反射镜41反射的平行光进行反射和聚集后形成聚焦激光a，所述第一摇摆座53上设置有作为聚焦激光a出口的条形孔，聚焦激光a从该条形孔出来后可以实现对工件的焊接，聚焦激光a在工件上形成的光斑的大小由准直镜34的位置确定，通过第一动力机构52自主控制第一摇摆座53摆动，可以带动聚焦激光a摆动；此外，所述反射镜41采用铜镜进行反射，所述聚焦镜54也采用铜镜进行反射聚焦，它们都能承受3万瓦以上超高功率激光。此外，所述反射聚集模块还包括设置在所述第一摇摆座53内的反射聚焦水冷机构55，以用于对所述聚焦镜54进行降温，其可以安装在固定座21的内壁上，也可以安装在聚焦镜54的背面。在焊接过程中，由于聚焦镜54可绕第一水平线摆动，因此聚焦激光a也可跟随聚焦镜54同步摆动(在焊缝宽度方向的摆动)，且摆动的角度范围可达±90°，在焊缝中在焊缝宽度方向上进行搅拌的振幅在±20mm左右。

所述送丝模块1包括第二摇摆座12、第二动力机构14和送丝管17，所述第二摇摆座12可转动安装在所述第一摇摆座53上，优选地，第一摇摆座53包括固定连接在一起的座体及连接座13，所述第二摇摆座12可转动安装在所述连接座13上，所述第二动力机构14安装在所述第一摇摆座53的连接座13上，以用于带动所述第二摇摆座12绕与第一水平线平行的第二水平线摆动，所述送丝管17安装在所述第二摇摆座12上，以用于让自动送丝机送出的焊丝18穿过该送丝管17后被所述聚焦激光a熔化，从而实现对工件的焊接。焊丝18作为焊接的填充物，在焊接前通过调整第二压缩弹簧25的上下位置来让焊丝18的位置适应焊接光斑，再通过锁紧机构11锁紧第二压缩弹簧25固定好选用光斑的位置，可驱使第二动力机构14在焊接过程中不停的摆动带动摇摆座小范围来回摇摆实现了焊丝18以光斑为中心2mm～3mm范围内摇摆，即所述第二摇摆座在所述第一摇摆座的带动下进行摆动的同时，所述第二摆动座通过第二动力机构的驱动实现焊丝以光斑为中心在焊缝的宽度方向上进行设定长度为2mm～3mm的摇摆。所述第二摇摆座12和固定座21可以如图1所示进行对侧分布，也可同侧分布。所述第二动力机构14可以采用电机结构或电机与减速器结合的结构来驱动第二摇摆座12摆动，也可采用电机与凸轮驱动机构结合的结构来驱动第二摇摆座12摆动。

进一步，本发明还包括触觉跟踪模块2，所述触觉跟踪模块2包括第三摇摆座24、复位弹簧22、编码器23和探针27，所述第三摇摆座24安装在所述壳主体7上并可绕与第一水平线平行的第三水平线摆动，所述复位弹簧22安装在所述壳主体7与所述第三摇摆座24之间，以用于让第三摇摆座24绕第三水平线摆动后复位，复位弹簧22可以选用双向扭簧或者弹簧片，所述编码器23与所述第三摇摆座24连接，以用于获得所述第三摇摆座24摆动的位置并反馈给控制模块6，所述探针27安装在所述第三摇摆座24上，以用于接触焊缝并被焊缝带动绕第三水平线摆动，进而带动第三摇摆座24和编码器23同步摆动。所述控制模块6连接触觉跟踪模块2、反射聚焦模块5和送丝模块1进行综合控制。此外，所述第一动力机构52包括电机及传动机构，所述电机通过所述传动机构驱动所述第一摇摆座53摆动，并且所述控制模块6基于所述编码器23反馈的第一摇摆座53的位置信息来控制所述电机的摆动，以让送丝管17内的焊丝18转动到与探针27相对应的位置。由于第一水平线、第二水平线和第三水平线这些摆动中心相互平行，因此探针27、聚焦激光a和焊丝18都可以在焊缝宽度方向上进行摆动。

进一步，所述触觉跟踪模块2还包括第一压缩弹簧15和探针架26，所述第一压缩弹簧15竖直设置，该第一压缩弹簧15的上端安装在所述第三摇摆座24上而下端连接所述探针架26，所述探针27安装在所述探针架26上。焊接过程中探针27接触到焊缝深处，由于焊缝不规则，带动探针27左右摆动，进而带动触觉跟踪模块2的编码器23同步摆动。

进一步，所述送丝模块1还包括第二压缩弹簧25、连接架16和锁紧机构11，所述第二压缩弹簧25的上端伸入所述第二摇摆座12内并可在所述第二摇摆座12内上下调整位置，第二压缩弹簧25的上端的位置调整好后再通过锁紧机构11锁定在所述第二摇摆座12上，所述第二压缩弹簧25的下端连接所述连接架16，所述连接架16上安装所述送丝管17，焊丝18穿过送丝管17后，第一动力机构52带动第一摇摆座53摆动的时候，第二摇摆座12也跟随第一摇摆座53大范围摆动，同时，在第二动力机构14的驱动下，第二摇摆座12还绕第二水平线小范围摆动，使得焊丝18在焊缝宽度方向上进行来回搅拌焊接，也即焊丝18还能相对摆动的光斑做小范围的抖动焊接。

进一步，所述聚焦镜54的下方还设置有第三保护镜56和第四保护镜57，第三保护镜56和第四保护镜57均位于所述第一摇摆座53内，第四保护镜57可以通过采用抽屉结构安装在第一摇摆座53上，可方便更换。

进一步，所述第一摇摆座53上还设置有侧吹机构58，以用于向外吹气形成水平的气帘，并且所述气帘位于所述焊缝的上方，通过高压气体侧吹对气帘上方的准直镜34、反射镜41、聚焦镜54、保护镜等起到保护作用；

本发明的第一动力机构52和第二动力机构14分别可以驱动聚焦激光a和焊丝18摆动，焊丝18在跟随第一摇摆座53摆动的同时还可以跟随第二摇摆座12摆动，而且触觉跟踪模块2的编码器23可获得第二摇摆座12和第二摇摆座12上的探针27的位置并反馈给控制模块6，控制模块6再通过第一动力机构52控制第一摇摆座53及聚焦激光a的位置，从而可形成闭环控制，能有效提高焊接质量。

本发明可安装在焊接机器人与焊接机器人配合使用来实现对工件的焊接。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种超高功率激光焊丝同步搅拌激光焊接装置，其特征在于，包括壳主体、准直模块、反射镜模块、反射聚焦模块和送丝模块，其中：

所述准直模块包括光纤接口和准直镜，所述光纤接口设置于该壳主体上，以用于连接激光光纤头并让激光光纤头发射激光到该壳主体内的准直镜上，再经该准直镜准直后形成平行光；

所述反射镜模块包括安装在该壳主体内的反射镜，以用于反射所述准直镜出来的平行光；

所述反射聚焦模块包括第一摇摆座、第一动力机构和聚焦镜，所述第一摇摆座可转动安装在所述壳主体上，所述第一动力机构安装在所述壳主体上，以用于带动所述第一摇摆座绕第一水平线摆动，所述聚焦镜安装在所述第一摇摆座内，该聚焦镜具有抛物面，以用于对所述反射镜反射的平行光进行反射和聚集后形成聚焦激光，从而使得聚焦激光可跟随第一摇摆座进行同步摆动，所述第一摇摆座上设置有作为聚焦激光出口的条形孔；

所述送丝模块包括第二摇摆座、第二动力机构和送丝管，所述第二摇摆座可转动安装在所述第一摇摆座上，所述第二动力机构安装在所述第一摇摆座上，以用于带动所述第二摇摆座绕与第一水平线平行的第二水平线摆动，所述送丝管安装在所述第二摇摆座上，以用于穿装自动送丝机送出的焊丝，从而使焊丝可跟随第一摇摆座摆动的同时也可跟随第二摇摆座摆动。

2.根据权利要求1所述的一种超高功率激光焊丝同步搅拌激光焊接装置，其特征在于，还包括触觉跟踪模块，所述触觉跟踪模块包括第三摇摆座、复位弹簧、编码器和探针，所述第三摇摆座安装在所述壳主体上并可绕与第一水平线平行的第三水平线摆动，所述复位弹簧安装在所述壳主体与所述第三摇摆座之间，以用于让第三摇摆座绕第三水平线摆动后复位，所述探针安装在所述第三摇摆座上，以用于接触焊缝并被焊缝带动绕第三水平线摆动，所述编码器与所述第三摇摆座连接，以用于通过所述第三摇摆座摆动的位置获得探针的位置并反馈给控制模块，控制模块通过控制所述反射聚焦模块的第一动力机构带动聚焦激光转动和第二动力机构带动焊丝转动，从而带动光斑和焊丝以探针位置为中心来回搅拌。

3.根据权利要求2所述的一种超高功率激光焊丝同步搅拌激光焊接装置，其特征在于，所述第一动力机构包括电机及传动机构，所述电机通过所述传动机构驱动所述第一摇摆座摆动，并且所述控制模块基于所述编码器反馈的第一摇摆座的位置信息来控制所述电机的摆动，以让送丝管内的焊丝转动到与探针相对应的位置。

4.根据权利要求2所述的一种超高功率激光焊丝同步搅拌激光焊接装置，其特征在于，所述触觉跟踪模块还包括第一压缩弹簧和探针架，所述第一压缩弹簧竖直设置，该第一压缩弹簧的上端安装在所述第三摇摆座上而下端连接所述探针架，所述探针安装在所述探针架上。

5.根据权利要求1所述的一种超高功率激光焊丝同步搅拌激光焊接装置，其特征在于，所述第二摇摆座在所述第一摇摆座的带动下进行摆动的同时，所述第二摆动座通过第二动力机构的驱动实现焊丝以光斑为中心在焊缝的宽度方向上进行设定长度的摇摆，该设定距离为2mm～3mm,也即以光斑为中心的振幅为2mm～3mm。

6.根据权利要求1所述的一种超高功率激光焊丝同步搅拌激光焊接装置，其特征在于，所述反射镜采用铜镜对平行光进行反射，所述聚焦镜采用铜镜对反射镜反射的平行光进行反射和聚焦，它们均可承受3万瓦以上超高功率激光。

7.根据权利要求1所述的一种超高功率激光焊丝同步搅拌激光焊接装置，其特征在于，所述聚焦激光跟随第一摇摆座摆动的角度范围为±90°，即与竖直面的夹角可为-90°～90°，从而使得光斑在焊缝中搅拌的振幅为10mm，也即在焊缝宽度方向上，光斑可在距焊缝中点±10mm的长度上进行搅拌。

8.根据权利要求1所述的一种超高功率激光焊丝同步搅拌激光焊接装置，其特征在于，所述送丝模块还包括第二压缩弹簧、连接架和锁紧机构，所述第二压缩弹簧的上端伸入所述第二摇摆座内并可在所述第二摇摆座内上下调整位置，第二压缩弹簧的上端的位置调整好后再通过锁紧机构锁定在所述第二摇摆座上，所述第二压缩弹簧的下端连接所述连接架，所述连接架上安装所述送丝管。

9.根据权利要求1所述的一种超高功率激光焊丝同步搅拌激光焊接装置，其特征在于，所述反射镜模块还包括设置在所述壳主体内的反射镜水冷机构，以用于对所述反射镜进行降温，所述反射聚集模块还包括设置在所述第一摇摆座内的反射聚焦水冷机构，以用于对所述聚焦镜进行降温。

10.根据权利要求1所述的一种超高功率激光焊丝同步搅拌激光焊接装置，其特征在于，所述准直模块还包括安装在所述壳主体内的第一保护镜和第二保护镜，所述第一保护镜位于所述准直镜的上方，所述第二保护镜位于所述准直镜的下方，所述聚焦镜的下方还设置有第三保护镜和第四保护镜，第三保护镜和第四保护镜均位于所述第一摇摆座内。

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