CN113231741B - 一种基于环形光斑同轴送丝的激光焊接装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于环形光斑同轴送丝的激光焊接装置及方法，该装置包括控制系统、激光系统、环形光束控制系统、光内送丝系统、焊接保护气系统、光丝同轴焊接头；所述控制系统通过信号连接线连接激光系统与环形光束控制系统；所述环形光束控制系统用于控制环形激光束的光斑直径尺寸，环形光束的直径通过旋转抛物面反射镜实现调节；所述光内送丝系统通过支撑架固定于光丝同轴焊接头内部，焊丝放置于焊丝架，经推拉式滚轮、焊丝矫直器送至焊枪中的耐高温焊嘴，进行焊接作业，解决了现有激光填丝焊接工艺中光丝耦合行为差、加工质量不稳定、焊接距离受限等问题，且定位精度高、可操作性好。

Description

一种基于环形光斑同轴送丝的激光焊接装置及方法
技术领域
本发明涉及一种高效的激光焊接装置及方法，具体涉及一种基于环形光斑同轴送丝的激光焊接装置及方法。
背景技术
激光填丝焊接技术是一种采用填充焊丝的激光焊接技术，不仅保持了激光焊接的优势，如热输入小、能量集中等特点，并且提高了间隙适应性，改善了焊缝表面成型，提高了接头的机械性能。激光填丝焊接技术可以用于焊接间隙较大的厚板，还可以通过改变焊丝的化学成分，达到抑制焊后缺陷的效果。
现在的激光填丝焊接技术一般为旁轴送丝。焊丝的填入，使得激光焊接的工艺更为复杂。焊丝可以从激光前方送入，也可从激光后方送入，并于激光成一定的角度，焊丝的直线度及送丝速度对于焊接过程的稳定性至关重要。旁轴送丝焊接过程中，由于焊丝的熔化，光丝间距处于波动状态，且光-丝-母材之间的相互作用过程处于一个不稳定的波动状态，影响焊缝成型质量的稳定性。此外，旁轴送丝焊接需要激光头与焊枪的配合，对于复杂焊接结构而言，旁轴送丝焊接过程中激光焊接头与焊枪会与焊件存在位置干涉问题，因此，难以应用于复杂结构、大厚度结构的焊接。
相比之下，将圆形激光束改为环形激光束，采用一种基于环形光斑的光丝同轴送丝焊接方法可以避免旁轴送丝激光焊接存在的一些问题，光丝同轴焊接工艺可以保证焊丝的稳定熔化，节省圆形激光束焦点定位的时间。并且，将焊丝集成焊接头内部，简化焊接装备，更适用于复杂结构、大厚度结构的焊接。如何将环形激光束与焊丝集成，保证焊丝的直线度，并使焊丝稳定、连续的进入焊缝，实现复杂结构、大厚度结构的稳定焊接，仍然是光丝同轴激光焊接技术需要解决的问题。
本发明提出了一种基于环形光斑同轴送丝的激光焊接装置及方法，能够解决了现有激光填丝焊接工艺中光丝耦合行为差、加工质量不稳定等问题，且定位精度高、可操作性好，对实现复杂结构、大厚度结构的高质量焊接具有重要意义。
发明内容
为了实现复杂结构的高精度远程激光填丝焊接，本发明提供了一种基于环形光斑同轴送丝的激光焊接装置，能够有效解决现有激光焊接装置光丝耦合行为差、焊接距离受限等问题。
为达到次目的，本发明采用以下技术方案：
一种基于环形光斑同轴送丝的激光焊接装置，控制系统通过信号连接线连接激光系统与环形光束控制系统，通过无线通信连接光内送丝系统，所述控制系统包括：控制柜、控制器、连接线。
所述激光系统用于输出环形激光束。
所述环形光束控制系统用于控制环形激光束的光斑直径尺寸，环形激光束依次透过凹透镜A、单面凸透镜、环形平面透镜，经平面反射镜、抛物面反射镜反射，透过凹透镜B，对待焊位置进行焊接。
所述抛物面反射镜固定于旋转架上，抛物面反射镜与旋转架通过支撑耳片固定于光丝同轴焊接头上，并可绕着支撑耳片进行旋转。
所述光内送丝系统通过支撑架固定于光丝同轴焊接头内部，焊丝放置于焊丝架，经推拉式滚轮、焊丝矫直器送至焊枪中的耐高温焊嘴，进行焊接作业。
焊接保护气系统用于对光丝同轴焊接过程实施保护，通过倒置吊环安装于光丝同轴焊接头上，根据焊接位置对焊接过程实施保护。
所述光丝同轴焊接头可通过多头螺纹实现上下连接，松开多头螺纹，上下分离光丝同轴焊接头，可实现光内送丝系统中焊丝的更换。
所述光丝同轴焊接头可安装于机床或机械臂上，并与控制系统、激光系统进行集成，通过控制面板实现焊接路径、焊接入射角度等信号的设置。
可选地，所述激光系统包括：激光器、光纤、环形激光束。
所述激光器通过光纤输出光斑尺寸为圆形的激光束，再通过偏光镜将圆形光束转换为环形激光束。
可选地，所述环形光束控制系统包括：凹透镜A、单面凸透镜、环形平面透镜、平面反射镜、旋转架、支撑耳片、角度监测器、抛物面反射镜、凹透镜B、环形支撑架。
所述凹透镜A、单面凸透镜、环形平面透镜、凹透镜B对激光束的透射率为99.9％。
所述平面反射镜、抛物面反射镜对激光束的反射率为99.9％。
所述凹透镜A将环形激光束直径放大，第一，通过单面凸透镜将扩散型环形光束转变为平行环形光束；第二，平行环形光束依次通过两个环形平面透镜到达平面反射镜；第三，平面反射镜再将激光束反射至抛物面反射镜；第四，由抛物面反射镜将环形激光进行聚集；第五，光束到达凹透镜B，最终输出光斑形状为环形的激光束。
所述环形平面透镜嵌于环形支撑架内部，两个环形平面透镜保证环形激光束准直透过。
所述抛物面反射镜的旋转角度一方面由角度监测器与连接线传递至控制系统；另一方面受到控制系统控制，控制面板设置旋转角度并将指令传达至角度监测器与旋转架，最终实现抛物面反射镜角度设置，即实现环形激光束直径的设置。
可选地，所述光内送丝系统用于实现光丝同轴焊接，保证焊缝的成型质量，包括：焊丝架、推拉式滚轮、焊丝矫直器、焊枪、升降滑轨、充电电池、焊枪稳定环、耐高温焊嘴、焊丝。
所述焊丝矫直器位于焊枪内部，由五个沿着焊丝方向施力的球型滚轮组成，用于调整焊丝的垂直度。
所述焊枪通过升降滑轨实现上下移动，焊枪升降与送丝指令由控制面板通过无线信号进行发布，并由充电电池实现电力驱动。
所述焊枪稳定环用于固定焊枪的位置，耐高温焊嘴位于焊枪下部，一方面可承受激光束的高温，另一方面用于保证焊接过程焊丝垂直向下送丝。
本发明的另一个目的在于提出一种基于环形光斑同轴送丝的激光焊接方法，成本低、定位精度高、操作简便。
为达到此目的，本发明采用以下技术方案：
一种基于环形光斑同轴送丝的激光焊接方法，采用上述激光焊接装置，包括如下步骤：
第一，安装光内送丝系统的充电电池，确保充电电池电量充足；
第二，松开多头螺纹，打开光丝同轴焊接头，将焊丝安装于焊丝架上；
第三，焊丝安装完毕，确保焊丝推拉过程顺畅，拧紧多头螺纹；
第四，放置待焊工件，通过升降滑轨将焊枪移动至合适的工作高度，并通过控制推拉式滚轮将焊丝尖端推拉至待焊工件表面；
第五，打开控制系统与激光器，根据所需环形光斑直径尺寸，在控制面板上设置旋转架与抛物面反射镜的角度；
第六，根据焊接需求，通过控制面板设置焊接路径、激光功率、焊接速度、送丝速度等焊接参数；
第七，控制面板开启激光器出光指令，激光系统与光内送丝系统根据控制系统设置的焊接参数实施光丝同轴焊接作业；
第八，焊接完成，依次关闭控制系统与激光系统，并停止光内送丝系统内充电电池供电。
本发明有益效果为：本发明提供的基于环形光斑同轴送丝的激光焊接装置，通过集成激光系统、环形光束控制系统、光内送丝系统、焊接保护气系统，能够实现复杂结构的高精度远程激光填丝焊接，光丝耦合行为稳定、焊接距离范围增大、定位精度高、操作简便，提高了复杂焊接结构的激光焊接过程稳定性，并极大程度地缩短了激光焊接过程中调焦、定位与示教等操作的时间。
附图说明
图1是本发明实施例提供的一种基于环形光斑同轴送丝的激光焊接装置的结构示意图；
图2是本发明实施例提供的环形光斑自动调焦系统的俯视示意图；
图3是本发明实施例提供的光内送丝系统的结构示意图；
图中，
1-控制系统；11-控制柜；12-控制器；13-连接线；
2-激光系统；21激光器；22光纤；23环形激光束；
3-环形光束控制系统；31-凹透镜A；32-单面凸透镜；33-环形平面透镜；34-平面反射镜； 35-旋转架；36-支撑耳片；37-角度监测器；38-抛物面反射镜；39-凹透镜B；310-环形支撑架；
4-光内送丝系统；41-焊丝架、42-推拉式滚轮；43-焊丝矫直器；44-焊枪；45-升降滑轨； 46-充电电池；47-焊枪稳定环；48-耐高温焊嘴；49-焊丝；
5-焊接保护气系统；51-倒置吊环；52-保护气管；53-保护气；
6-光丝同轴焊接头；7-多头螺纹；
具体实施方式
为使本发明解决的技术问题、采用的技术方案和达到的技术效果更加清楚，下面将结合附图对本发明实施例的技术方案做进一步的详细描述，显然，所描述的实施例仅仅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。
在本实施例的描述中，术语“上”、“下”、“左”、“右”等方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述和简化操作，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。
下面结合附图并通过具体实施方式进一步说明本发明的技术方案。
如图1所示，一种基于环形光斑同轴送丝的激光焊接装置包括控制系统1、激光系统2、环形光束控制系统3、光内送丝系统4、焊接保护气系统5、光丝同轴焊接头6；所述控制系统1通过信号连接线连接激光系统2与环形光束控制系统3，通过无线通信连接光内送丝系统4，包括：控制柜11、控制器12、连接线13；激光系统2用于输出激光，包括：激光器 21、光纤22、环形激光束23。焊接保护气系统5用于对光丝同轴焊接过程实施保护，包括：倒置吊环51、保护气管52、保护气53；光丝同轴焊接头6用于安装环形光束控制系统3、光内送丝系统4与焊接保护气系统5，并实施光丝同轴激光焊接作业。
如图1与2所示，环形光束控制系统3用于控制环形激光束的光斑直径尺寸，包括：凹透镜A31、单面凸透镜32、环形平面透镜33、平面反射镜34、旋转架35、支撑耳片36、角度监测器37、抛物面反射镜38、凹透镜B39、环形支撑架310。
如图3所示，光内送丝系统4用于实现光丝同轴焊接，保证焊缝的成型质量，包括：焊丝架41、推拉式滚轮42、焊丝矫直器43、焊枪44、升降滑轨45、充电电池46、焊枪稳定环47、耐高温焊嘴48、焊丝49。
本实施例中，焊接结构为尺寸为200mm×400mm×80mm的2219铝合金厚板对接结构，其中，80mm为板材的厚度，400mm为焊缝的长度，坡口形式为V型坡口，钝边为4mm，坡口角度为30°。在其他实施例中，焊接结构可以为其他尺寸。
本实施例中，激光系统2内的激光器21通过光纤22输出光斑尺寸为圆形的激光束，再通过偏光镜将圆形光束转换为环形激光束。在其他实施例中，圆形激光束也可通过其他方式转换为环形激光束。
本实施例中，如图1所示，环形光束转换系统3通过凹透镜A31将环形激光束直径放大，第一，通过单面凸透镜32将扩散型环形光束转变为平行环形光束；第二，平行环形光束依次通过两个环形平面透镜33到达平面反射镜34；第三，平面反射镜34再将激光束反射至抛物面反射镜38；第四，由抛物面反射镜38将环形激光进行聚集；第五，光束到达凹透镜B39，最终输出光斑形状为环形的激光束。
环形平面透镜33嵌于环形支撑架310内部，两个环形平面透镜33保证环形激光束准直透过。抛物面反射镜38固定于旋转架35上，抛物面反射镜38与旋转架35通过支撑耳片36 固定于光丝同轴焊接头6上，并且可绕着支撑耳片36进行旋转，从而改变环形激光束的直径尺寸。抛物面反射镜38的旋转角度一方面由角度监测器37与连接线传递至控制系统1；另一方面受到控制系统1控制，控制面板12设置旋转角度并将指令传达至角度监测器37与旋转架35，最终实现抛物面反射镜38角度设置，即实现环形激光束直径的设置。
可选地，光内送丝系统4通过支撑架310固定于光丝同轴焊接头6内部。焊丝矫直器43 位于焊枪44内部，由五个沿着焊丝方向施力的球型滚轮组成，用于调整焊丝的垂直度。焊枪 44通过升降滑轨45实现上下移动，焊枪44升降与送丝指令由控制面板12通过无线信号进行发布，并由充电电池46实现电力驱动。焊枪稳定环47用于固定焊枪44的位置，耐高温焊嘴48位于焊枪44下部，一方面可承受激光束的高温，另一方面用于保证焊接过程焊丝垂直向下送丝。在本实施例中，焊丝选用直径为1.2mm的ER2319铝铜合金焊丝，送丝速度设置为5m/min。在其他实施例中，焊丝可以为其他牌号与尺寸，焊丝的直径范围为1.0～2.0mm。
可选地，焊接保护气系统5通过倒置吊环51安装于光丝同轴焊接头6上，根据焊接位置对焊接过程实施保护。在本实施例中，焊接保护气系统5安装于右侧的倒置吊环51上，焊接保护气体采用纯度为99.99％的氩气。在其他实施例中，根据焊接路径及保护气的需求，可安装于其他位置，焊接保护气可根据焊材需求选用其他惰性气体。
可选地，光丝同轴焊接头6可通过多头螺纹7实现上下连接，松开多头螺纹7，上下分离光丝同轴焊接头6，可实现光内送丝系统4中焊丝49的更换。光丝同轴焊接头6可KUKA机器人的机械臂上，并与控制系统1、激光系统2进行集成，通过控制面板12设置焊接路径。在本实施例中，焊接路径设置为直线，由焊缝一端到另一端，焊接入射角度为80°。在其他实施例中，光丝同轴焊接头6可安装于其他型号的机器人或安装于机床上，焊接路径与焊接头旋转角度可根据实际焊接需求进行设置。
本实施例还提供了一种基于环形光斑同轴送丝的激光焊接方法，采用上述的激光焊接装置，包括如下步骤：
第一，安装光内送丝系统4的充电电池46，确保充电电池电量充足；
第二，松开多头螺纹7，打开光丝同轴焊接头6，将焊丝49安装于焊丝架41上；
第三，焊丝安装完毕，确保焊丝推拉过程顺畅，拧紧多头螺纹；
第四，放置待焊工件，通过升降滑轨将焊枪移动至合适的工作高度，并通过控制推拉式滚轮42将焊丝49尖端推拉至待焊工件表面；
第五，打开控制系统1与激光器21，根据所需环形光斑直径尺寸，在控制面板12上设置旋转架35与抛物面反射镜36的角度；
第六，根据焊接需求，通过控制面板12设置焊接路径、激光功率、焊接速度、送丝速度等焊接参数；
第七，控制面板12开启激光器21出光指令，激光系统2与光内送丝系统4根据控制系统1设置的焊接参数实施光丝同轴焊接作业；
第八，焊接完成，依次关闭控制系统1与激光系统2，停止光内送丝系统4内充电电池 46供电。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为了清楚说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所述领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其他不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式给予穷举。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，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种基于环形光斑同轴送丝的激光焊接装置，其特征在于，包括：
控制系统(1)通过信号连接线连接激光系统(2)与环形光束控制系统(3)，通过无线通信连接光内送丝系统(4)，包括：控制柜(11)、控制面板(12)、连接线(13)；
所述激光系统(2)用于输出环形激光束(23)；
所述环形光束控制系统(3)用于控制环形激光束(23)的光斑直径尺寸，环形激光束依次透过凹透镜A(31)、单面凸透镜(32)、环形平面透镜(33)，经平面反射镜(34)、抛物面反射镜(38)反射，透过凹透镜B(39)，对待焊位置进行焊接；
所述抛物面反射镜(38)固定于旋转架(35)上，抛物面反射镜(38)与旋转架(35)通过支撑耳片(36)固定于光丝同轴焊接头(6)上，并可绕着支撑耳片(36)进行旋转；
所述光内送丝系统(4)通过支撑架(310)固定于光丝同轴焊接头(6)内部，焊丝(49)放置于焊丝架(41)，经推拉式滚轮(42)、焊丝矫直器(43)送至焊枪(44)中的耐高温焊嘴(48)，进行焊接作业；
焊接保护气系统(5)用于对光丝同轴焊接过程实施保护，通过倒置吊环(51)安装于光丝同轴焊接头(6)上，根据焊接位置对焊接过程实施保护；
所述光丝同轴焊接头(6)可通过多头螺纹(7)实现上下连接，松开多头螺纹(7)，上下分离光丝同轴焊接头(6)，可实现光内送丝系统(4)中焊丝(49)的更换；
所述光丝同轴焊接头(6)可安装于机床或机械臂上，并与控制系统(1)、激光系统(2)进行集成，通过控制面板(12)实现焊接路径、焊接入射角度信号的设置；
所述环形光束控制系统(3)包括：凹透镜A(31)、单面凸透镜(32)、环形平面透镜(33)、平面反射镜(34)、旋转架(35)、支撑耳片(36)、角度监测器(37)、抛物面反射镜(38)、凹透镜B(39)、环形支撑架(310)；
所述凹透镜A(31)、单面凸透镜(32)、环形平面透镜(33)、凹透镜B(39)对激光束的透射率为99.9％；
所述平面反射镜(34)、抛物面反射镜(38)对激光束的反射率为99.9％；
所述凹透镜A(31)将环形激光束直径放大，第一，通过单面凸透镜(32)将扩散型环形光束转变为平行环形光束；第二，平行环形光束依次通过两个环形平面透镜(33)到达平面反射镜(34)；第三，平面反射镜(34)再将激光束反射至抛物面反射镜(38)；第四，由抛物面反射镜(38)将环形激光进行聚集；第五，光束到达凹透镜B(39)，最终输出光斑形状为环形的激光束；
所述环形平面透镜(33)嵌于环形支撑架(310)内部，两个环形平面透镜(33)保证环形激光束准直透过；
所述抛物面反射镜(38)的旋转角度一方面由角度监测器(37)与连接线传递至控制系统(1)；另一方面受到控制系统(1)控制，控制面板(12)设置旋转角度并将指令传达至角度监测器(37)与旋转架(35)，最终实现抛物面反射镜(38)角度设置，即实现环形激光束直径的设置。
2.根据权利要求1所述的一种基于环形光斑同轴送丝的激光焊接装置，其特征在于：所述激光系统(2)包括：激光器(21)、光纤(22)、环形激光束(23)；
所述激光器(21)通过光纤(22)输出光斑尺寸为圆形的激光束，再通过偏光镜将圆形光束转换为环形激光束(23)。
3.根据权利要求1所述的一种基于环形光斑同轴送丝的激光焊接装置，其特征在于：光内送丝系统(4)用于实现光丝同轴焊接，保证焊缝的成型质量，包括：焊丝架(41)、推拉式滚轮(42)、焊丝矫直器(43)、焊枪(44)、升降滑轨(45)、充电电池(46)、焊枪稳定环(47)、耐高温焊嘴(48)、焊丝(49)；
所述焊丝矫直器(43)位于焊枪(44)内部，由五个沿着焊丝方向施力的球型滚轮组成，用于调整焊丝的垂直度；
所述焊枪(44)通过升降滑轨(45)实现上下移动，焊枪(44)升降与送丝指令由控制面板(12)通过无线信号进行发布，并由充电电池(46)实现电力驱动；
所述焊枪稳定环(47)用于固定焊枪(44)的位置，耐高温焊嘴(48)位于焊枪(44)下部，一方面可承受激光束的高温，另一方面用于保证焊接过程焊丝垂直向下送丝。
4.一种基于环形光斑同轴送丝的激光焊接方法，其特征在于，采用如权利要求1-3中所述任意一种所述激光焊接装置，包括如下步骤：
第一，安装光内送丝系统(4)的充电电池(46)，确保充电电池电量充足；
第二，松开多头螺纹(7)，打开光丝同轴焊接头(6)，将焊丝(49)安装于焊丝架(41)上；
第三，焊丝安装完毕，确保焊丝推拉过程顺畅，拧紧多头螺纹；
第四，放置待焊工件，通过升降滑轨将焊枪移动至合适的工作高度，并通过控制推拉式滚轮(42)将焊丝(49)尖端推拉至待焊工件表面；
第五，打开控制系统(1)与激光器(21)，根据所需环形光斑直径尺寸，在控制面板(12)上设置旋转架(35)与抛物面反射镜(36)的角度；
第六，根据焊接需求，通过控制面板(12)设置焊接路径、激光功率、焊接速度、送丝速度焊接参数；
第七，控制面板(12)开启激光器(21)出光指令，激光系统(2)与光内送丝系统(4)根据控制系统(1)设置的焊接参数实施光丝同轴焊接作业；
第八，焊接完成，依次关闭控制系统(1)与激光系统(2)，停止光内送丝系统(4)内充电电池(46)供电。
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