CN112743244A - 一种激光同轴送粉和焊丝耦合的焊接装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种激光同轴送粉和焊丝耦合的焊接装置，包括：送丝机和同轴光纤激光器；所述同轴光纤激光器包括激光发射器和环形聚焦镜，所述激光发射器发射激光束照射到环形聚焦镜上形成中空环形激光；所述环形聚焦镜内设置有送粉管，所述送粉管与送粉器连接，所述环形聚焦镜的底部为同轴送粉喷嘴，所述送粉管与所述送粉喷嘴连接，粉末通过送粉管和送粉喷嘴形成向下喷射的粉末束流；所述送丝机包括焊丝，所述焊丝、所述粉末束流、所述中空环形激光汇集到待焊件上一点。本发明提供的激光同轴送粉和焊丝耦合的焊接装置，很好地解决现有焊丝中无法加入各种合金元素而影响焊缝性能的问题。

Description

一种激光同轴送粉和焊丝耦合的焊接装置及方法

技术领域

本发明涉及材料焊接技术领域，尤其是涉及一种激光同轴送粉和焊丝耦合的焊接装置及方法。

背景技术

激光填丝焊接是一种高能束焊接技术，具有能量密度高、焊接热输入小、接头的热影响区小等优点，已经被广泛应用于航空、航天及汽车领域。目前工业领域对于焊缝的各种性能如塑形耐磨耐蚀的要求逐年提高，这就要求除了调节送丝速度及送丝角度等参数之外，在焊丝中添加大量合金元素是使用最多和最有效的改善焊缝性能的方法。

但是对于药芯焊丝的制作过程来讲，其制作方法都是需要经过轧辊压制和拉拔减径，制备过程繁杂，轧辊调整时的工艺繁琐，设备维护成本高；另外，若在焊丝中添加大量合金元素，填充金属的塑形随着各种合金元素的加入而降低，从而导致制作焊丝的拉丝工艺无法实现的问题。

发明内容

本发明提供了一种激光同轴送粉和焊丝耦合的焊接装置及方法，旨在解决现有焊丝中无法加入各种合金元素而影响焊缝性能的问题。

本发明提供了一种激光同轴送粉和焊丝耦合的焊接装置，包括：送丝机和同轴光纤激光器；所述同轴光纤激光器包括激光发射器和环形聚焦镜，所述激光发射器发射激光束照射到环形聚焦镜上形成中空环形激光；所述环形聚焦镜内设置有送粉管，所述送粉管与送粉器连接，所述环形聚焦镜的底部为同轴送粉喷嘴，所述送粉管与所述送粉喷嘴连接，粉末通过送粉管和送粉喷嘴形成向下喷射的粉末束流；所述送丝机包括焊丝，所述焊丝、所述粉末束流、所述中空环形激光汇集到待焊件上一点。

进一步地，所述送丝机还包括送丝枪、导电嘴以及主机；所述主机与驱动电机连接；所述送丝枪的一端与主机连接，所述送丝枪的另一端安装有导电嘴；所述送丝枪内设置所述焊丝。驱动电机为送丝枪送焊丝提供动力；导电嘴一方面是为了更稳定的将焊丝送入指定区域，另一方面是为了增强焊接过程的稳定性，提高传导电流的能力。

进一步地，所述同轴光纤激光器的侧壁设置有连接组件；所述连接组件一端安装在所述同轴光纤激光器的侧壁，另一端与所述送丝枪相固接；所述环形聚焦镜的底部设置有保护气体喷管，所述保护气体喷管用于喷射Ar气或者He气中的一种。通过在同轴光纤激光器的侧壁设置连接组件，并将连接组件的一端与送丝枪相固接，能够将同轴光纤激光器与送丝机固定成一个整体，还能够增加焊接过程中，焊丝位置的固定，防止焊丝滑动造成待焊件焊接性能的降低。

进一步地，所述焊接装置还包括步进电机；所述步进电机与工装夹具连接，所述工装夹具上固定待焊件；所述步进电机驱动工装夹具移动，以用于控制待焊件的焊接速度。焊接过程中，同轴光纤激光器与送丝机的位置不发生改变，通过工装夹具的移动来完成焊接。其中，工装夹具固定待焊件，步进电机驱动工装夹具移动的速度来控制待焊件的焊接速度。

进一步地，所述激光束与所述送丝枪的夹角为25～55°。通过调节激光束与送丝枪的角度，能够增加表面光滑的焊缝。

一种激光同轴送粉和焊丝耦合的新型焊接方法，包括以下步骤：

(1)焊接前，对待焊件表面打磨并用酒精丙酮清洗，然后将其固定在工装夹具上；

(2)将中空环形激光和焊丝共同作用到被焊区域上，并设置几何参数；

(3)设置激光同轴送粉和焊丝耦合的焊接参数；

(4)启动同轴光纤激光器控制开关，通入保护气体，启动送粉器后等待1.0～2.0s后打开送丝机，打开激光发射器发射激光束，启动步进电机驱动工装夹具移动，焊丝、粉末束流以及中空环形激光同时作用到待焊件上进行焊接；

(5)步进电机停止转动，关闭激光发射器后再关闭送粉器和送丝机，最后关闭保护气体，完成激光同轴送粉和焊丝耦合的焊接。

进一步地，步骤(2)中，所述激光束的光斑直径为1～3mm，所述激光束的离焦量为-3～+3mm。

进一步地，步骤(3)中，激光功率为800～3000W，焊接速度为50～200mm/min，送丝速度为50～300mm/min，保护气体为惰性气体Ar气或者He气中的一种，所述惰性气体的流量为10～30L/min。

进一步地，步骤(4)中，所述中空环形激光在焊接时倾斜5°～10°，指向待焊部位。

进一步地，所述激光束的离焦量是通过调整激光发射器的发射头和待焊件的距离来实现。

本发明提供了一种激光同轴送粉和焊丝耦合的焊接装置，通过在环形聚焦镜的底部设置同轴送粉喷嘴，通过同轴送粉喷嘴向下喷射粉末束流，并通过中空环形激光熔化粉末，能够利用粉末束流中的各种合金元素来改善焊缝的各种性能，从而解决现有技术中在焊丝中添加合金元素导致拉丝工艺困难的问题。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，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为本发明实施例提供的激光同轴送粉和焊丝耦合的焊接装置的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的同轴光纤激光器的剖视图。

附图标记说明：

1为同轴光纤激光器，11为激光发射器，111为激光束，12为环形聚焦镜，121为中空环形激光，13为送粉器，131为送粉管，14为粉末束流，15为保护气体喷管，16为连接组件；

2为送丝机，21为主机，22为送丝枪，23为导电嘴，24为焊丝，25为驱动电机；

3为待焊件，31为熔池，32为工装夹具，33为步进电机。

具体实施方式

下面将结合实施例对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语"中心"、"纵向"、"横向"、"长度"、"宽度"、"厚度"、"上"、"下"、"前"、"后"、"左"、"右"、"竖直"、"水平"、"顶"、"底"、"内"、"外"、"顺时针"、"逆时针"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的限制。

此外，术语"第一"、"第二"仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有"第一"、"第二"的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个所述特征。在本发明的描述中，"多个"的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。此外，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

具体而言，参阅图1-2所示，本发明提供了一种激光同轴送粉和焊丝耦合的焊接装置，包括：送丝机2和同轴光纤激光器1；所述同轴光纤激光器1包括激光发射器11和环形聚焦镜12，所述激光发射器11发射激光束照射到环形聚焦镜12上形成中空环形激光121；所述环形聚焦镜12内设置有送粉管131，所述送粉管131与送粉器13连接，所述环形聚焦镜12的底部为同轴送粉喷嘴，所述送粉管131与所述送粉喷嘴连接，粉末通过送粉管131和送粉喷嘴形成向下喷射的粉末束流；所述送丝机2包括焊丝24，所述焊丝24、所述粉末束流14、所述中空环形激光121汇集到待焊件上一点。

具体而言，所述焊接装置包括同轴光纤激光器1，所述同轴光纤激光器1包括激光发射器11、环形聚焦镜12以及送粉器13，所述激光发射器11用于发射激光束，所述环形聚焦镜12用于将激光束转化形成中空环形激光121，所述送粉器13用于提供粉末为焊接时焊接性能的提升做好准备。

进一步地，所述激光发射器11发射激光的激光功率为800～3000W，通过设置这样功率的激光，能够保证后续的中空环形激光121在能够熔化焊丝的同时还能够熔化粉末。

进一步地，所述中空环形激光121是通过所述激光发射器11发射的激光束经环形聚焦镜12转化形成的，并通过中空环形激光121进行焊接。传统的激光填丝焊接技术中使用的激光类型多为光纤激光束或者半导体激光，其对应的扫描线宽方向的激光能量分布形式为高斯形和梯形，焊接后形成的熔覆层性能较差；而使用中空环形激光121进行焊接，其在扫描线宽方向的能量分布形式为马鞍形，其均匀分布的能量密度能够有效消除上述两种激光所导致的熔道中心热积聚效应和边缘未熔透的现象，形成优良的熔覆层。

进一步地，所述环形聚焦镜12内设置有送粉管131，所述送粉器13与所述送粉管131连接，所述环形聚焦镜12的底部为同轴送粉喷嘴，所述同轴送粉喷嘴与送粉管131连接，合金粉末从送粉器13出来后，依次经过送粉管131和同轴送粉喷嘴后形成向下喷出的粉末束流，所述粉末束流与所述中空环形激光的交点处即为焊接点。由于合金粉末内添加有各种合金元素，能够改善焊缝的各种性能，从而解决现有技术中通过在焊丝中添加合金元素，导致拉丝工艺困难的问题。

进一步地，所述环形聚焦镜12的底部设置有保护气体喷管15，所述保护气体喷管15用于在焊接过程中添加保护气体，所述保护气体为惰性气体，惰性气体为了防止焊接时，空气中的氧气在高温下与待焊件发生化学反应而影响焊件性能的影响；所述惰性气体可选择为任意具有保护性能的气体，优选地，所述惰性气体为Ar气或者He气中的一种；而对比Ar气或者He气，通常来讲，He气的保护效果比Ar气的略微好一点，但是He气相较于Ar气贵3倍左右，具体选择根据实际情况而定。

具体而言，所述焊接装置还包括送丝机2，所述送丝机2以用于提供焊丝，为后续焊接做好准备；所述送丝机2包括送丝枪22、导电嘴23、主机21以及焊丝24，所述主机21与驱动电机25连接；所述送丝枪22的一端与主机21连接，所述送丝枪22的另一端安装有导电嘴23；所述送丝枪22内设置所述焊丝24。

进一步地，所述主机21与驱动电机25连接，所述驱动电机25为送丝枪22送焊丝24提供动力，导电嘴23一方面是为了更稳定的将焊丝送入指定区域，另一方面是为了增强焊接过程的稳定性，提高传导电流的能力。

进一步地，所述同轴光纤激光器1的侧壁设置有连接组件16，所述连接组件16一端安装在所述同轴光纤激光器1的侧壁，另一端与所述送丝枪22相固接；通过在同轴光纤激光器1的侧壁设置连接组件16，并将连接组件16的一端与送丝枪22相固接，能够将同轴光纤激光器1与送丝机2固定成一个整体，还能够增加焊接过程中，焊丝位置的固定，防止在焊接过程中，焊丝滑动造成待焊件焊接性能的降低。

进一步地，所述连接组件16可以调节送丝枪22与激光束111的角度，所述激光束111与所述送丝枪22的夹角为25～55°。通过调节激光束111与送丝枪22的角度，能够使焊缝表面光滑。其中，夹角在35°左右时能够在表面得到成形最光滑的焊缝。

进一步地，所述焊丝24、所述粉末束流14、所述中空环形激光121汇集到待焊件3上一点，并在待焊件3表面形成熔池31，中空环形激光121为焊丝24和粉末束流14熔化提供热量，来保证焊丝24与粉末束流14同时熔化，利用粉末束流14中的各种合金元素来改善焊缝的各种性能。

进一步地，所述导电嘴23的有效长度为25mm，所述导电嘴23的内径根据填充的焊丝24的直径而定，所述焊丝24在导电嘴23的有效伸出长度为15mm左右。

进一步地，所述送丝枪22的送丝速度为50～300mm/min。

具体而言，所述焊接装置还包括步进电机33，所述步进电机33与工装夹具32连接，所述工装夹具32上固定待焊件3，所述步进电机33驱动工装夹具32移动，以用于控制待焊件3的焊接速度。

进一步的，所述焊接速度为50～200mm/min。

本发明提出了一种激光同轴送粉和焊丝耦合的新型焊接方法，包括以下步骤：

(1)焊接前，对待焊件3表面打磨并用酒精丙酮清洗，然后将其固定在工装夹具32上；

(2)将中空环形激光121和焊丝34共同作用到被焊区域上，并设置几何参数；

(3)设置激光同轴送粉和焊丝耦合的焊接参数；

(4)启动同轴光纤激光器控制开关，通入保护气体，启动送粉器13后等待1.0～2.0s后打开送丝机2，打开激光发射器11发射激光束111，启动步进电机25驱动工装夹具32移动，焊丝24、粉末束流14以及中空环形激光121同时作用到待焊件3上进行焊接；

(5)步进电机33停止转动，关闭激光发射器11后再关闭送粉器13和送丝机2，最后关闭保护气体，完成激光同轴送粉和焊丝耦合的焊接。

进一步地，启动送粉器13后等待1.0～2.0s后打开送丝机2的效果在于，是为了确保粉末输送稳定后送进焊丝24，进而保证焊缝的性能。由于送粉器13在打开后粉末从粉盘到熔覆头送下还需一定距离，故等待1.0～2.0s后再送进焊丝13。

进一步地，步骤(2)中，所述激光束111的光斑直径为1～3mm，通过将激光束111的光斑直径设置为1～3mm，一方面是为了保证光斑必须包裹住粉末和焊丝尖端；二是为了使得激光线能量密度足够大，较小的激光光斑使得热量更为集中，进而更好的熔化焊丝和粉末。所述激光束的离焦量为-3～+3mm，离焦量接近于0离焦对激光热源更为集中，负离焦量为获得较深的熔深，正离焦量为获得较宽的熔覆层，具体的离焦量根据实际情况而定。

进一步地，步骤(3)中，激光功率为800～3000W，焊接速度为50～200mm/min，送丝速度为50～300mm/min，保护气体为惰性气体Ar气或者He气中的一种，所述惰性气体的流量为10～30L/min。将激光功率为800～3000W，焊接速度为50～200mm/min设置成这样的原因在于，由于不同材料的熔点和对激光的吸收率，激光功率设置为800～3000W是为了更大的调节范围来调整对粉末和焊丝的热输入，防止填充材料过烧或者未熔化。焊接速度随着激光功率的增加而随之增加，同理，焊接速度的调节范围的设置亦是如此，都是为了防止填充材料过烧或者未熔化。

进一步地，步骤(4)中，所述中空环形激光在焊接时倾斜5°～10°，指向待焊部位。通过将中空环形激光在焊接时倾斜5°～10°，是为了防止激光反射到激光头中造成激光头的损坏。

进一步地，所述激光束的离焦量是通过调整激光发射器的发射头和待焊件的距离来实现。

因此，本发明提供了一种激光同轴送粉和焊丝耦合的焊接装置，通过在环形聚焦镜的底部设置同轴送粉喷嘴，通过同轴送粉喷嘴向下喷射粉末束流，并通过中空环形激光熔化粉末，能够利用粉末束流中的各种合金元素来改善焊缝的各种性能，从而解决现有技术中在焊丝中添加合金元素导致拉丝工艺困难的问题。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种激光同轴送粉和焊丝耦合的焊接装置，其特征在于，包括：送丝机和同轴光纤激光器；

所述同轴光纤激光器包括激光发射器和环形聚焦镜，所述激光发射器发射激光束照射到环形聚焦镜上形成中空环形激光；

所述环形聚焦镜内设置有送粉管，所述送粉管与送粉器连接，所述环形聚焦镜的底部为同轴送粉喷嘴，所述送粉管与所述送粉喷嘴连接，粉末通过送粉管和送粉喷嘴形成向下喷射的粉末束流；

所述送丝机包括焊丝，所述焊丝、所述粉末束流、所述中空环形激光汇集到待焊件上一点。

2.根据权利要求1所述的激光同轴送粉和焊丝耦合的焊接装置，其特征在于，所述送丝机还包括送丝枪、导电嘴以及主机；

所述主机与驱动电机连接；

所述送丝枪的一端与主机连接，所述送丝枪的另一端安装有导电嘴；

所述送丝枪内设置所述焊丝。

3.根据权利要求2所述的激光同轴送粉和焊丝耦合的焊接装置，其特征在于，所述同轴光纤激光器的侧壁设置有连接组件；

所述连接组件一端安装在所述同轴光纤激光器的侧壁，另一端与所述送丝枪相固接；

所述环形聚焦镜的底部设置有保护气体喷管，所述保护气体喷管用于喷射Ar气或者He气中的一种。

4.根据权利要求1所述的激光同轴送粉和焊丝耦合的焊接装置，其特征在于，所述焊接装置还包括步进电机；

所述步进电机与工装夹具连接，所述工装夹具上固定待焊件；

所述步进电机驱动工装夹具移动，以用于控制待焊件的焊接速度。

5.根据权利要求2所述的激光同轴送粉和焊丝耦合的焊接装置，其特征在于，所述激光束与所述送丝枪的夹角为25～55°。

6.一种激光同轴送粉和焊丝耦合的新型焊接方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)焊接前，对待焊件表面打磨并用酒精丙酮清洗，然后将其固定在工装夹具上；

(2)将中空环形激光和焊丝共同作用到被焊区域上，并设置几何参数；

(3)设置激光同轴送粉和焊丝耦合的焊接参数；

(4)启动同轴光纤激光器控制开关，通入保护气体，启动送粉器后等待1.0～2.0s后打开送丝机，打开激光发射器发射激光束，启动步进电机驱动工装夹具移动，焊丝、粉末束流以及中空环形激光同时作用到待焊件上进行焊接；

(5)步进电机停止转动，关闭激光发射器后再关闭送粉器和送丝机，最后关闭保护气体，完成激光同轴送粉和焊丝耦合的焊接。

7.根据权利要求6所述的激光同轴送粉和焊丝耦合的新型焊接方法，其特征在于，步骤(2)中，所述激光束的光斑直径为1～3mm，所述激光束的离焦量为-3～+3mm。

8.根据权利要求6所述的激光同轴送粉和焊丝耦合的新型焊接方法，其特征在于，步骤(3)中，激光功率为800～3000W，焊接速度为50～200mm/min，送丝速度为50～300mm/min，保护气体为惰性气体Ar气或者He气中的一种，所述惰性气体的流量为10～30L/min。

9.根据权利要求6所述的激光同轴送粉和焊丝耦合的新型焊接方法，其特征在于，步骤(4)中，所述中空环形激光在焊接时倾斜5°～10°，指向待焊部位。

10.根据权利要求7所述的激光同轴送粉和焊丝耦合的新型焊接方法，其特征在于，所述激光束的离焦量是通过调整激光发射器的发射头和待焊件的距离来实现。

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