CN111299836A - U型管激光焊接方法及u型管激光焊接装置 - Google Patents

Abstract

本发明创造公开了U型管激光焊接方法，包括如下步骤：设置一个能够同时对U型管的两个管口进行对半分切的对称面，通过所述对称面将每个管口的环形焊位分成两个弧形焊位，两个激光焊接头沿各自的弧形焊位同时进行焊接。与现有技术相比，本发明创造采用两个激光焊接头对各自的弧形焊位同时进行焊接，消除了U型管自身结构的限制，有效提升了U型管的焊接效率。

Description

U型管激光焊接方法及U型管激光焊接装置

技术领域

本发明创造涉及激光焊接技术领域，特别涉及U型管激光焊接方法及U型管激光焊接装置。

背景技术

空调系统一般由制冷系统、风路系统、电气系统、箱体和面板组成。其中，制冷系统大致分为压缩、散热、节流和吸收四个热力过程，其主要是通过热交换器来实现换热。目前市场上对空调的需求随着人们生活水平的提高而日益增长，为了满足人们的需求，热交换器的产量也需紧跟生产的步伐，一旦热交换器的产量跟不上，则会拖累空调的生产进度。

如图1和图2所示，目前，热交换器1’中的U型管2’大多采用铜材料，U型管一般是通过焊接工艺将U型管头3’与U型管身4’焊接密封，对于铜材料的焊接，一般是采用气焊、激光焊、电弧焊以及搅拌摩擦焊等焊接工艺。在现有的焊接过程中，由于U型管的两个管口相互靠近，导致焊接头无法绕过管壁，即无法一步形成环形焊缝，因此需要对管口的环形焊位进行分步焊接。由于分步焊接的焊接效率较低，若需要进一步地提高U型管的焊接效率，则需要对现有的焊接工艺进行改进。

发明内容

本发明创造旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明创造提出U型管激光焊接方法，其能够提升U型管的焊接效率。

本发明创造还提供一种能够实施上述U型管激光焊接方法的U型管激光焊接装置。

根据本发明创造的第一方面实施例的U型管激光焊接方法，包括如下步骤：

设置一个能够同时对U型管的两个管口进行对半分切的对称面，通过所述对称面将每个管口的环形焊位分成两个弧形焊位，两个激光焊接头沿各自的弧形焊位同时进行焊接。

根据本发明创造实施例的U型管激光焊接方法，至少具有如下有益效果：与现有技术相比，本发明创造采用两个激光焊接头对各自的弧形焊位同时进行焊接，消除了U型管自身结构的限制，有效提升了U型管的焊接效率。

根据本发明创造的一些实施例，两个激光焊接头的起焊点均交于一点。

根据本发明创造的一些实施例，在焊接之前，两个所述激光焊接头沿各自的弧形焊位进行在线示教，以获取和储存两个激光焊接头的示教轨迹。

根据本发明创造的一些实施例，在线示教结束后，在两个激光焊接头沿各自的示教轨迹返回起焊点的过程中，通过设置在每个激光焊接头上的视觉传感器来获取两个弧形焊位上多个特征点的位置数据，并对两个弧形焊位上多个特征点的位置数据进行曲线拟合。

根据本发明创造的一些实施例，两个所述激光焊接头达到起焊点后，在两个激光焊接头同时沿各自的示教轨迹进行焊接的过程中，通过两个所述视觉传感器来持续获取两个激光焊接头的焊点位置数据，并根据各自的拟合曲线来实时修正对应激光焊接头的示教轨迹。

根据本发明创造的第二方面实施例的U型管激光焊接装置，包括：

工业机器人，其设有机械臂；

双焊头驱动装置，其安装在所述机械臂上，所述双焊头驱动装置活动连接有两个带有视觉传感器的激光焊接头，两个所述激光焊接头同时进行联动，两个所述激光焊接头均设有用以在线示教的指示光装置；

运动控制系统，其用以控制所述工业机器人和所述双焊头驱动装置，两个所述视觉传感器均与所述运动控制系统进行通信连接；

半导体激光器，其分别与两个所述激光焊接头进行耦合连接。

根据本发明创造实施例的U型管激光焊接装置，至少具有如下有益效果：所述U型管激光焊接装置主要是用以实施上述的U型管激光焊接方法，所述双焊头驱动装置带动两个所述激光焊接头同时进行联动，使得两个所述激光焊接头能够沿各自的弧形焊位同时进行焊接。

根据本发明创造的一些实施例，所述双焊头驱动装置包括联动机构和两个姿态调整臂，每个所述激光焊接头与所述联动机构之间均通过所述姿态调整臂进行连接。

根据本发明创造的一些实施例，所述联动机构包括驱动电机、主动齿轮和从动齿轮，所述驱动电机驱动所述主动齿轮进行转动，所述主动齿轮与所述从动齿轮啮合，所述主动齿轮和所述从动齿轮均固定设有转轴，两个所述姿态调整臂分别与两个所述转轴进行固定连接。

根据本发明创造的一些实施例，所述半导体激光器为450nm波长的半导体蓝光光纤耦合激光器。

根据本发明创造的一些实施例，所述U型管激光焊接装置还包括保护气体系统，两个所述激光焊接头均设有用以通入保护气体的保护气孔，所述保护气体系统分别与两个所述保护气孔进行连接。

本发明创造的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明创造的实践了解到。

附图说明

本发明创造的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1是现有热交换器的立体结构示意图；

图2是现有热交换器中U型管的管口结构示意图；

图3是根据本发明创造实施例的U型管激光焊接方法的流程图；

图4是根据本发明创造实施例的U型管环形焊位的分解示意图；

图5是根据本发明创造实施例的U型管激光焊接装置的结构示意图；

图6是根据本发明创造实施例的双焊头驱动装置与两个激光焊接头的连接结构示意图。

附图中：231-视觉传感器、230-激光焊接头、700-对称面、600-环形焊位、610-弧形焊位、100-工业机器人、200-双焊头驱动装置、300-半导体激光器、400-运动控制系统、500-保护气体系统、110-机械臂、310-耦合传输光纤、320-分束传输光纤、210-联动机构、220-姿态调整臂、211-驱动电机、212-主动齿轮、213-从动齿轮、214-转轴、510-保护气瓶、520-气管、511-排气阀门。

具体实施方式

下面详细描述本发明创造的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明创造，而不能理解为对本发明创造的限制。

在本发明创造的描述中，需要理解的是，涉及到方位描述，例如上、下、前、后、左、右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创造和简化描述，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创造的限制。

在本发明创造的描述中，若干的含义是一个或者多个，多个的含义是两个以上，大于、小于、超过等理解为不包括本数，以上、以下、以内等理解为包括本数。

本发明创造的描述中，除非另有明确的限定，设置、安装、连接等词语应做广义理解，所属技术领域技术人员可以结合技术方案的具体内容合理确定上述词语在本发明创造中的具体含义。

如图3和图4所示，根据本发明创造的第一方面实施例的U型管激光焊接方法，其中硬件方面需要两个带有视觉传感器231的激光焊接头230；

所述U型管激光焊接方法包括如下步骤：

S1.设置一个能够同时对U型管的两个管口进行对半分切的对称面700，即U型管的两个管口的中心轴线均位于所述对称面700上，通过所述对称面700将每个管口的环形焊位600分成两个弧形焊位610，并通过在线示教的方式来获取和储存两个激光焊接头230的示教轨迹。由于管口的环形焊位600的形状为圆环，因此两个激光焊接头230的起焊点可以交于一点或者呈中心对称设置，但为了便于确定焊接基准点，本发明创造优选将两个激光焊接头230的起焊点交于一点并以该起焊点作为焊接基准点。需要说明的是，在线示教为机器人特有的一种编辑方式，由人工导引机器人的执行器或由人工操作导引机械模拟装置或用示教盒来使机器人完成预期的示教动作，并将该示教动作储存到机器人的执行程序中，使得机器人能够不断重复再现示教动作。为了实现在线示教，两个激光焊接头230的出光口均能向外射出指示光；在线示教时，需要引导机器人带动两个激光焊接头230沿各自的弧形焊位610进行移动，在此过程中应保证每个激光焊接头230所射出的指示光尽可能地位于各自的弧形焊位610上。可以理解的是，由于本发明创造采用的是人工在线示教的方式，因此每个激光焊接头230的示教轨迹可能存在偏差，需要在后置步骤中对其进行修正。

S2.在线示教结束后，在两个激光焊接头230沿各自的示教轨迹返回起焊点的过程中，通过两个所述视觉传感器231来获取两个弧形焊位610上多个特征点的位置数据，并对两个弧形焊位610上多个特征点的位置数据进行曲线拟合。在步骤S2当中，为了不影响视觉传感器231的图像采集，两个激光焊接头230的出光口均不向外射出指示光以及激光束。具体地，所述视觉传感器231主要是由CCD摄像机和滤光系统组成，由CCD摄像机采集弧形焊位610的图像信息，并将采集的图像信息传输给处理器，处理器对原始图像进行一系列处理(提取灰度、滤波等)后得到弧形焊位610上多个特征点的位置数据，并对焊位上多个特征点的位置数据进行曲线拟合，最后对得到的拟合曲线进行缓存。

S3.两个所述激光焊接头230达到起焊点后，在两个激光焊接头230同时沿各自的示教轨迹进行焊接的过程中，通过两个所述视觉传感器231来持续获取两个激光焊接头230的焊点位置数据，并根据各自的拟合曲线来实时修正对应激光焊接头230的示教轨迹，使得激光焊接头230的焊点始终位于环形焊位600上。为了确认激光焊接头230是否到达起焊点，可以根据视觉传感器231和激光焊接头230的出光口之间存在的固定距离X、激光焊接头230的移动速度V、系统处理每张图片的间隔T求得，系统处理每张图片的间隔T乘以激光焊接头230的移动速度V，得到的是处理每张图片时激光焊接头230的行走距离D，再用固定距离X除以行走距离D就是激光焊接头230到达起焊点时系统所储存的图像数Y，当图像数Y达到某一数值时可以断定激光焊接头230已经到达了起焊点。在焊接的过程中，每个激光焊接头230中的激光经过组合透镜和柱状透镜后形成激光束照射在各自的弧形焊位610上，经过所述滤光系统滤除干扰信息后，由CCD摄像机持续采集焊点的图像信息，并将采集的图像信号传输给处理器后得到焊点的位置数据，一旦焊点的位置数据与拟合曲线发生偏离时，系统将调整激光焊接头230的位置，使其焊点的轨迹符合拟合曲线，实时修正激光焊接头230的示教轨迹，直到两个焊点交于一点后，焊接停止。

综上所述，所述U型管激光焊接方法不但有效提升了U型管的焊接效率，还保证激光焊接头230的焊点始终位于环形焊位600上，有效提高U型管的焊接质量，降低U型管的漏焊率。

需要进一步说明的是，在U型管的生产线上，对于同一批次的U型管，只需进行一次在线示教，这是因为U型管是通过夹具运输至焊接工位上，所以同一批次的多个U型管其位置相对固定，无需重新进行在线示教。当上一个U型管完成激光焊接后，此时两个激光焊接头230的终焊点交于一点，下一个U型管被运输至焊接工位上，重复步骤S2和步骤S3。

如图5和图6所示，根据本发明创造的第二方面实施例的U型管激光焊接装置，其用以实施上述的U型管激光焊接方法，包括工业机器人100、双焊头驱动装置200、半导体激光器300、运动控制系统400和保护气体系统500，所述工业机器人100设有机械臂110，所述双焊头驱动装置200安装在所述机械臂110上，所述双焊头驱动装置200活动连接有两个带有视觉传感器231的激光焊接头230，两个所述激光焊接头230同时进行联动，两个所述激光焊接头230均设有用于在线示教的指示光装置(附图未示出)，使得两个激光焊接头230的出光口均能向外射出指示光。进一步地，两个所述视觉传感器231均与所述运动控制系统400进行通信连接，使得所述视觉传感器231所采集的信息能够反馈至所述运动控制系统400中。

经过发明人的研究，铜金属对450nm波长的激光器有着良好的吸收率，可以有效避免高反射率导致激光无法对焊位进行熔融的问题，所以所述半导体激光器300优选为1000W的450nm波长的半导体蓝光光纤耦合激光器，使用该型号的半导体蓝光光纤耦合激光器进行激光焊接后，不仅可以降低气孔的产生率，还能提高焊缝的强度。具体地，所述半导体激光器300连接有耦合传输光纤310，所述耦合传输光纤310连接有两个分束传输光纤320，两个所述分束传输光纤320分别与两个所述激光焊接头230进行耦合连接，以减少所述半导体激光器300的设置数量。

如图6所示，具体地，所述双焊头驱动装置200包括联动机构210和两个姿态调整臂220，每个所述激光焊接头230与所述联动机构210之间均通过所述姿态调整臂220进行连接，所述联动机构210用以同时控制两个所述激光焊接头230的开合，每个所述姿态调整臂220用以调整对应激光焊接头230的照射角度。所述联动机构210包括驱动电机211、主动齿轮212和从动齿轮213，所述驱动电机211通过减速器(附图未示出)来驱动所述主动齿轮212进行转动，所述主动齿轮212与所述从动齿轮213啮合，所述主动齿轮212和所述从动齿轮213均固定设有转轴214，两个所述姿态调整臂220分别与两个所述转轴214进行固定连接。所述姿态调整臂220包括一个旋转机构和一个倾角机构，所述旋转机构、倾角机构和联动机构210三者共同具有除了Z轴之外的五个自由度，使得所述激光焊接头230的焊点能够进行弧形运动。所述运动控制系统400作为总控制中心，其不但负责控制所述工业机器人100，还负责控制所述双焊头驱动装置200，为了便于统一控制，所述双焊头驱动装置200的驱动源均采用伺服电机。可以理解的是，上述关于联动机构210的结构仅作为本发明创造所优选的实施例，本发明创造并没有对其结构进行限定，无论所述联动机构210的结构如何，只要能够控制两个所述激光焊接头230同时进行开合，都属于本发明创造的保护范围；而且，所述姿态调整臂220为机器人中常用的姿态调整机构，其主要用以模拟人的关节，实现姿态的调整。

如图5所示，在本发明创造的一些实施例中，所述保护气体系统500包括保护气瓶510以及气管520，所述保护气瓶510设有排气阀门511，所述保护气瓶510内装有保护气体，如氦气或者氩气，两个所述激光焊接头230均设有用以通入保护气体的保护气孔(附图未示出)，通过所述气管520，所述保护气瓶510可分别向两个所述保护气孔通入保护气体，以保证激光焊接的焊接质量。

需要进一步说明的是，所述运动控制系统400是利用高性能微处理器及大规模可编程器件实现多个伺服电机的多轴协调控制的一种高性能的步进/伺服电机运动控制卡，包括脉冲输出、脉冲计数、数字输入、数字输出、D/A输出等功能，可以发出连续的、高频率的脉冲串,通过改变发出脉冲的频率来控制电机的速度,改变发出脉冲的数量来控制电机的位置。其中，脉冲计数可用于编码器的位置反馈，提供机器准确的位置,纠正传动过程中产生的误差；数字输入/输出点可用于限位、原点开关等。所述运动控制系统400将实现运动控制的底层软件和硬件集成在一起，具有伺服电机控制所需的各种速度、位置控制功能，这些功能通过计算机进行调用。在本发明创造中，已将运动控制卡、图像采集卡以及数据处理程序整合集成到所述运动控制系统400中。

上面结合附图对本发明创造实施例作了详细说明，但是本发明创造不限于上述实施例，在所述技术领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明创造宗旨的前提下作出各种变化。

Claims (10)

1.U型管激光焊接方法，其特征在于，包括如下步骤：

设置一个能够同时对U型管的两个管口进行对半分切的对称面(700)，通过所述对称面(700)将每个管口的环形焊位(600)分成两个弧形焊位(610)，两个激光焊接头(230)沿各自的弧形焊位(610)同时进行焊接。

2.根据权利要求1所述的U型管激光焊接方法，其特征在于：两个激光焊接头(230)的起焊点均交于一点。

3.根据权利要求2所述的U型管激光焊接方法，其特征在于：在焊接之前，两个所述激光焊接头(230)沿各自的弧形焊位(610)进行在线示教，以获取和储存两个激光焊接头(230)的示教轨迹。

4.根据权利要求3所述的U型管激光焊接方法，其特征在于：在线示教结束后，在两个激光焊接头(230)沿各自的示教轨迹返回起焊点的过程中，通过设置在每个激光焊接头(230)上的视觉传感器(231)来获取两个弧形焊位(610)上多个特征点的位置数据，并对两个弧形焊位(610)上多个特征点的位置数据进行曲线拟合。

5.根据权利要求4所述的U型管激光焊接方法，其特征在于：两个所述激光焊接头(230)达到起焊点后，在两个激光焊接头(230)同时沿各自的示教轨迹进行焊接的过程中，通过两个所述视觉传感器(231)来持续获取两个激光焊接头(230)的焊点位置数据，并根据各自的拟合曲线来实时修正对应激光焊接头(230)的示教轨迹。

6.U型管激光焊接装置，其特征在于，包括：

工业机器人(100)，其设有机械臂(110)；

双焊头驱动装置(200)，其安装在所述机械臂(110)上，所述双焊头驱动装置(200)活动连接有两个带有视觉传感器(231)的激光焊接头(230)，两个所述激光焊接头(230)同时进行联动，两个所述激光焊接头(230)均设有用以在线示教的指示光装置；

运动控制系统(400)，其用以控制所述工业机器人(100)和所述双焊头驱动装置(200)，两个所述视觉传感器(231)均与所述运动控制系统(400)进行通信连接；

半导体激光器(300)，其分别与两个所述激光焊接头(230)进行耦合连接。

7.根据权利要求6所述的U型管激光焊接装置，其特征在于：所述双焊头驱动装置(200)包括联动机构(210)和两个姿态调整臂(220)，每个所述激光焊接头(230)与所述联动机构(210)之间均通过所述姿态调整臂(220)进行连接。

8.根据权利要求7所述的U型管激光焊接装置，其特征在于：所述联动机构(210)包括驱动电机(211)、主动齿轮(212)和从动齿轮(213)，所述驱动电机(211)驱动所述主动齿轮(212)进行转动，所述主动齿轮(212)与所述从动齿轮(213)啮合，所述主动齿轮(212)和所述从动齿轮(213)均固定设有转轴(214)，两个所述姿态调整臂(220)分别与两个所述转轴(214)进行固定连接。

9.根据权利要求6所述的U型管激光焊接装置，其特征在于：所述半导体激光器(300)为450nm波长的半导体蓝光光纤耦合激光器。

10.根据权利要求6所述的U型管激光焊接装置，其特征在于：还包括保护气体系统(500)，两个所述激光焊接头(230)均设有用以通入保护气体的保护气孔，所述保护气体系统(500)分别与两个所述保护气孔进行连接。

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