CN114029621A - 激光-电弧复合焊接系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种激光‑电弧复合焊接系统，焊接装置包括主体骨架，主体骨架上设置有激光聚焦装置、第一调节机构、焊枪、第二调节机构以及运动机构连接组件；激光聚焦装置连接设置在第一调节机构上，第一调节机构连接设置在主体骨架上；运动机构连接组件连接设置在主体骨架上；焊枪连接设置在第二调节机构上，第二调节机构连接设置在主体骨架上；激光发光系统与激光聚焦装置通过光纤将相连接；控制系统连接激光发光系统、激光聚焦装置、第一调节机构、焊枪以及第二调节机构。本发明有利于减少焊接裂纹、提高焊缝力学性能，适合于多种高要求的焊接工艺。

Description

激光-电弧复合焊接系统

技术领域

本发明涉及焊接技术领域，具体地，涉及一种激光-电弧复合焊接系统，尤其 是一种将激光-电弧两种热源结合在一起的复合焊接装置。

背景技术

激光-弧复合焊接始于20世纪70年代末，但直到最近几年，由于工业生产的 需要，才逐步成为国际焊接界的关注焦点，并得到了广泛重视。目前，作为一种新 兴焊接技术，已先后进入了工业化应用阶段。

激光-电弧复合焊接的原理：激光与电弧同时作用于金属表面同一位置，焊缝 上方因激光作用而产生光致等离子云，等离子云对入射激光的吸收和散射会降低激 光能量利用率，外加电弧后，低温低密度的电弧等离子体使激光致等离子体被稀释， 激光能量传输效率提高；同时电弧对母材进行加热，使母材温度升高，母材对激光 的吸收率提高，焊接熔深增加。另外，激光熔化金属，为电弧提供自由电子，降低 了电弧通道的电阻，电弧的能量利用率也太高，从而使总的能量利用率提高，熔深 进一步增加。激光束对电弧还有聚焦、引导作用，使焊接过程中的电弧更加稳定。

激光-电弧复合焊接是将电弧与较小功率的激光配合一起从而获得大熔深的焊接方法。它将两种物理性质、能量传输机制截然不同的热源复合一起，共同作用于 工件表面，从而实现对工件进行加热完成焊接的过程，采用激光-电弧复合方式可 以充分的发挥两种热源的优势，弥补双方的不足，是一种新型、优质、高效、节能 的焊接方法。在同等条件下，激光-电弧复合焊比单一的激光焊或者电弧焊具有更 强的适应性，焊缝的成型性更好，其优点如下：1、提高了焊接接头的适应性，由 于电弧的作用降低了激光头间隙的装配精度要求，因此可以在较大的接头间隙下实 现焊缝；2、增加了焊缝的熔深，在激光的作用下电弧可以到达焊缝的深处，使得 熔深增加，其次由于电弧的作用会增大金属对激光的吸收率也是熔深增大的原因； 3、改善焊缝质量，减少焊接缺陷，激光的作用使得焊缝的加热时间变短，不易产 生晶粒过大而且使热影响区减小，改善焊缝组织性能，由于在电弧的作用下复合热 源能够减缓熔池的凝固时间，使得熔池的相变充分的进行，而且有利于气体的溢出， 能够有效地减少气孔、裂纹、咬边等焊接缺陷；4、增加焊接过程的稳定性，由于 激光的作用在熔池中会形成匙孔，它对电弧有吸引的作用，从而增加了焊接的稳定 性，而且匙孔会使电弧的根部压缩，从而增大电弧能量的利用率；5、提高生产效 率，降低生成成本，激光与电弧的相互作用会提高焊接速度，由于电弧的作用使得 用较小功率的激光器就能达到很好的焊接效果，与激光焊相比可以降低设备成本。

现在的激光-电弧符合焊接存在以下问题：1、硬件装置体积庞大，对狭小空间 无法进行有效焊接；2、硬件装置采用固定结构，不可灵活调节焊丝与激光焦距之 间的位置关系，对工艺影响较大；3、整套设备采用整体加工制造，一旦损坏需要 更换零部件众多，后期维护成本高，且只能专机专用，不可拆卸单独使用；4、控 制软件不统一不可通用。

公开号为CN108406118B的专利文献公开了一种激光-旋转电弧复合焊接系统及其复合焊接方法，所述焊接系统包括用于产生激光束的激光焊接部和用于产生电弧 的电弧焊接部；所述电弧焊接部包括可实现电弧旋转的TIG旋转电弧焊枪；所述TIG 旋转电弧焊枪包括圆筒形外壳、位于圆筒形外壳内壁的齿圈、圆筒形外壳内部通过 电动机驱动转动的主动齿轮、与所述主动齿轮和齿圈配合的从动齿轮；TIG旋转电 弧焊枪的钨极与从动齿轮的中心连接，电动机驱动主动齿轮转动时，从动齿轮绕主 动齿轮的转动带动钨极绕主动齿轮转动，从而形成旋转电弧；激光焊接部、电弧焊 接部和电动机的控制端均与集成控制中心相连。但是该专利文献仍然存在会产生较 多焊接裂纹，焊缝力学性能不佳的缺陷。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种激光-电弧复合焊接系统。

根据本发明提供的一种激光-电弧复合焊接系统，包括激光发光系统、焊接装置以及控制系统；

所述焊接装置包括主体骨架，所述主体骨架上设置有激光聚焦装置、第一调节机构、 焊枪、第二调节机构以及运动机构连接组件；

所述激光聚焦装置连接设置在所述第一调节机构上，所述第一调节机构连接设置在 所述主体骨架上；所述第一调节机构用于移动所述激光聚焦装置并对所述激光聚焦装置 进行固定；

所述运动机构连接组件连接设置在所述主体骨架上，所述运动机构连接组件用于连 接外部执行运动机构；

所述焊枪连接设置在所述第二调节机构上，所述第二调节机构连接设置在所述主体 骨架上；所述第二调节机构用于移动所述焊枪并对所述焊枪进行固定；

所述激光发光系统与所述激光聚焦装置通过光纤将相连接；所述控制系统连接所述 激光发光系统、激光聚焦装置、第一调节机构、焊枪以及第二调节机构。

优选的，所述第一调节机构包括第一主支架、第一固定架以及导向滑槽；

所述导向滑槽设置在所述第一主支架上，所述第一固定架通过所述导向滑槽沿 Z向滑动设置在所述第一主支架上；

所述激光聚焦装置固定设置在所述第一固定架上。

优选的，所述第一调节机构还包括锁紧装置；

所述锁紧装置设置在所述第一固定架上，所述锁紧装置用于将所述第一固定架固定在所述第一主支架上。

优选的，所述第二调节机构包括第二固定架、X向微调机构以及Y向微调机构；

所述第二固定架沿Z向滑动设置在所述第一主支架上，所述X向微调机构和所 述Y向微调机构设置在所述第二固定架上；

所述焊枪设置在所述X向微调机构和所述Y向微调机构上，所述焊枪通过所述 X向微调机构沿X向移动，所述焊枪通过所述Y向微调机构沿Y向移动。

优选的，所述第二调节机构还包括锁紧机构；

所述锁紧机构设置在所述第二固定架上，所述锁紧机构用于将所述焊枪固定在所述第二固定架上。

优选的，所述第二调节机构还包括标尺，所述标尺设置在所述第二固定架上。

优选的，所述运动架构连接组件为连接法兰，所述连接法兰通过螺栓和定位销 连接在外部执行运动机构上，所述连接法兰通过螺栓固定于所述主体骨架上。

优选的，所述激光聚焦装置通过螺栓固定于所述第一调节机构上，所述第一调 节机构通过螺栓固定于所述主体骨架上。

优选的，所述焊枪通过锁紧套、定位销固定于所述第二调节机构上。

优选的，所述第二调节机构通过定位销、螺栓固定于所述主体骨架上。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

1、本发明采用三自由度灵活组合，每个个体都可单独使用，本发明的激光发 光系统与焊枪可自由调节，方便工艺焊接调节；

2、本发明有利于减少焊接裂纹、提高焊缝力学性能。适合于多种高要求的焊 接工艺；

3、本发明的第一调节机构与第二调节机构配合使用，解决了激光焦点与熔池 的位置调节问题。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明的激光-电弧复合焊接系统的结构示意图；

图2为本发明的激光-电弧复合焊接系统的第一调节机构的结构示意图；

图3为本发明的激光-电弧复合焊接系统的第二调节机构的结构示意图一；

图4为本发明的激光-电弧复合焊接系统的第二调节机构的结构示意图二；

图5为本发明的激光-电弧复合焊接系统中光纤激光器图；

图6为本发明实施例激光-电弧复合焊接系统中系统总控示意图；

图7为本发明实施例激光-电弧复合焊接系统中为焊缝成型断面图。

图中示出：

运动机构连接组件1 第二调节机构5

激光聚焦装置2 第二固定架501

第一调节机构3 锁紧机构502

第一主支架301 标尺503

第一固定架302 X向微调机构504

导向滑槽303 Y向微调机构505

锁紧装置304 主体骨架6

焊枪4

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人 员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于 本发明的保护范围。

实施例1：

如图1～7所示，本实施例提供一种激光-电弧复合焊接系统，包括激光发光系统、焊接装置以及控制系统，焊接装置包括主体骨架6，主体骨架6上设置有激光聚焦装置 2、第一调节机构3、焊枪4、第二调节机构5以及运动机构连接组件1，激光聚焦装置 2连接设置在第一调节机构3上，第一调节机构3连接设置在主体骨架6上，第一调节 机构3用于移动激光聚焦装置2并对激光聚焦装置2进行固定，运动机构连接组件1连 接设置在主体骨架6上，运动机构连接组件1用于连接外部执行运动机构，焊枪4连接 设置在第二调节机构5上，第二调节机构5连接设置在主体骨架6上，第二调节机构5 用于移动焊枪4并对焊枪4进行固定，激光发光系统与激光聚焦装置2通过光纤将相连 接；控制系统连接激光发光系统、激光聚焦装置2、第一调节机构3、焊枪4以及第二 调节机构5。

运动架构连接组件为连接法兰，连接法兰通过螺栓和定位销连接在外部执行运动机构上，连接法兰通过螺栓固定于主体骨架6上。激光聚焦装置2通过螺栓固定 于第一调节机构3上，第一调节机构3通过螺栓固定于主体骨架6上。焊枪4通过 锁紧套、定位销固定于第二调节机构5上。第二调节机构5通过定位销、螺栓固定 于主体骨架6上。

第一调节机构3包括第一主支架301、第一固定架302以及导向滑槽303，导 向滑槽303设置在第一主支架301上，第一固定架302通过导向滑槽303沿Z向滑 动设置在第一主支架301上，激光聚焦装置2固定设置在第一固定架302上。第一调 节机构3还包括锁紧装置304，锁紧装置304设置在第一固定架302上，锁紧装置 304用于将第一固定架302固定在第一主支架301上。

第二调节机构5包括第二固定架501、X向微调机构504以及Y向微调机构505， 第二固定架501沿Z向滑动设置在第一主支架301上，X向微调机构504和Y向微 调机构505设置在第二固定架501上，焊枪4设置在X向微调机构504和Y向微调 机构505上，焊枪4通过X向微调机构504沿X向移动，焊枪4通过Y向微调机构 505沿Y向移动。第二调节机构5还包括锁紧机构502，锁紧机构502设置在第二 固定架501上，锁紧机构502用于将焊枪4固定在第二固定架501上。第二调节机 构5还包括标尺503，标尺503设置在第二固定架501上。

实施例2：

本领域技术人员可以将本实施例理解为实施例1的更为具体的说明。

本实施例提供一种将激光-电弧两种热源结合在一起的复合焊接装置，综合了激光 和电弧的各自优点。此装置包括激光发光系统、与运动机构连接的连接法兰、激光聚焦装置、激光聚焦装置的固定及Z向调节机构、焊枪、焊枪的固定及三维调节机构、主体 骨架、以及控制系统。激光聚焦装置的固定及Z向调节机构、焊枪的固定及三维调节机 构通过连接法兰组装于运动机构的连接机构上，便于运动机构的整体带动运行，通过激 光聚焦装置将激光聚焦于一点。

激光发光系统通过光纤将能量输入到激光聚焦装置内，激光聚焦装置通过螺栓固定 于固定及Z向调节机构，固定及Z向调节机构通过螺栓固定于主体骨架上；外部执行运动机构与连接法兰通过螺栓、定位销固定在一起，连接法兰通过螺栓固定于主体骨架上；焊枪使用锁紧套、定位销定位的方式固定于固定及三维调节机构上，固定及三维调节机 构通过定位销、螺栓固定于主体骨架上；控制系统通过信号线与激光发生系统、焊接电 源通信连接统一控制。激光发光系统用于激光的发光启停、对相应的功率指令做出功率 的相应调整。

激光聚焦装置用于光纤传到过来的激光进行聚焦处理，可对相应焦点位置进行调整； 焊接电源及焊枪电缆用于焊接熔池的形成，并对相应的熔池深度、宽度做出相应的调整； 激光聚焦装置的固定及Z向调节机构用于激光聚焦装置的固定，以及Z向的位置粗调、精调；焊枪的固定及三维调节机构用于焊枪系统的固定，以及X、Y、Z三个方向的精调 整；与运动机构连接的连接法兰用于整套设备与运动机构的可靠连接；控制系统用于激 光发光系统的监控及功率调整信号发出、焊接电源启停及故障信号的监控、运动系统的 监控，对整个系统起到了协调的作用。

激光聚焦装置的固定及Z向调节机构包括主支架、固定架、导向滑槽以及锁紧装置， 主支架与固定架采用内六角螺钉连接固定，导向滑槽与锁紧装置配合用于调节激光系统 的上下(Z向)高度。

焊枪的固定及三维调节机构包括主支架、固定架、锁紧机构、标尺、X向微调机构以及Y向微调机构，主支架与固定架采用内六角螺钉连接，将焊枪固定，三维微调机构 配合标尺对焊枪位置进行精准调节，锁紧机构用于在微调好后固定焊枪位置。

实施例3：

本领域技术人员可以将本实施例理解为实施例1的更为具体的说明。

如图2所示，本实施例提供了一种激光-电弧复合焊接系统，包括激光发光系统、激光聚焦装置、焊接电源及焊枪电缆、激光聚焦装置的固定及Z向调节机构、焊枪的固 定及三维调节机构、与运动机构连接的机构以及控制系统。

连接法兰通过与机器人或者机床等运动机构连接，实现整个机构的姿态调整以及运 行轨迹控制；激光聚焦装置的固定装置、焊枪的固定及三维调节机构组装于运动机构的连接机构上，便于运动机构的整体带动运行；通过激光聚焦装置将激光聚焦于一点；激 光聚焦装置的固定及Z向调节机构与焊枪的固定及三维调节机构配合使用，解决了激光 焦点与熔池的位置调节问题。

具体包括如下步骤：

S1、人工通过调整外部运动机构，使复合头的焊接姿态得到调整，达到理想的焊接倾角、光丝间距等姿态；

S2、人工通过调整外部运动机构，示教出焊接轨迹并记录在控制系统内部(如图6所示)；

S3、人工通过控制系统与激光器、焊接电源等的通信系统，添加所需的激光、电弧启动信号(如图4)；

S4、对激光功率控制软件、焊接电源参数调整，达到想要的焊接参数；

S5、启动焊接程序，完成复合焊接(如图6所示)。

本实施例以机器人带动激光-电弧复合焊接头为例，说明了激光-电弧复合焊接系统 的组成及工作原理，采用“机器人+焊接头”的方式，利用机器人的通信功能、自开激 光功率控制软件以及安全系统实现电弧激光复合焊接功能。

此外，本发明提供的装置不需要外部仪器和设备，实用性强，适合与多种场合的工业现场应用。

本发明有利于减少焊接裂纹、提高焊缝力学性能，适合于多种高要求的焊接工艺。

在本申请的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、 “竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”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申请和简化描述，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申请的 限制。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上 述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改， 这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的 特征可以任意相互组合。

Claims (10)

1.一种激光-电弧复合焊接系统，其特征在于，包括激光发光系统、焊接装置以及控制系统；

所述焊接装置包括主体骨架(6)，所述主体骨架(6)上设置有激光聚焦装置(2)、第一调节机构(3)、焊枪(4)、第二调节机构(5)以及运动机构连接组件(1)；

所述激光聚焦装置(2)连接设置在所述第一调节机构(3)上，所述第一调节机构(3)连接设置在所述主体骨架(6)上；所述第一调节机构(3)用于移动所述激光聚焦装置(2)并对所述激光聚焦装置(2)进行固定；

所述运动机构连接组件(1)连接设置在所述主体骨架(6)上，所述运动机构连接组件(1)用于连接外部执行运动机构；

所述焊枪(4)连接设置在所述第二调节机构(5)上，所述第二调节机构(5)连接设置在所述主体骨架(6)上；所述第二调节机构(5)用于移动所述焊枪(4)并对所述焊枪(4)进行固定；

所述激光发光系统与所述激光聚焦装置(2)通过光纤将相连接；所述控制系统连接所述激光发光系统、激光聚焦装置(2)、第一调节机构(3)、焊枪(4)以及第二调节机构(5)。

2.根据权利要求书1所述的激光-电弧复合焊接系统，其特征在于，所述第一调节机构(3)包括第一主支架(301)、第一固定架(302)以及导向滑槽(303)；

所述导向滑槽(303)设置在所述第一主支架(301)上，所述第一固定架(302)通过所述导向滑槽(303)沿Z向滑动设置在所述第一主支架(301)上；

所述激光聚焦装置(2)固定设置在所述第一固定架(302)上。

3.根据权利要求书2所述的激光-电弧复合焊接系统，其特征在于，所述第一调节机构(3)还包括锁紧装置(304)；

所述锁紧装置(304)设置在所述第一固定架(302)上，所述锁紧装置(304)用于将所述第一固定架(302)固定在所述第一主支架(301)上。

4.根据权利要求书1所述的激光-电弧复合焊接系统，其特征在于，所述第二调节机构(5)包括第二固定架(501)、X向微调机构(504)以及Y向微调机构(505)；

所述第二固定架(501)沿Z向滑动设置在所述第一主支架(301)上，所述X向微调机构(504)和所述Y向微调机构(505)设置在所述第二固定架(501)上；

所述焊枪(4)设置在所述X向微调机构(504)和所述Y向微调机构(505)上，所述焊枪(4)通过所述X向微调机构(504)沿X向移动，所述焊枪(4)通过所述Y向微调机构(505)沿Y向移动。

5.根据权利要求书4所述的激光-电弧复合焊接系统，其特征在于，所述第二调节机构(5)还包括锁紧机构(502)；

所述锁紧机构(502)设置在所述第二固定架(501)上，所述锁紧机构(502)用于将所述焊枪(4)固定在所述第二固定架(501)上。

6.根据权利要求书4所述的激光-电弧复合焊接系统，其特征在于，所述第二调节机构(5)还包括标尺(503)，所述标尺(503)设置在所述第二固定架(501)上。

7.根据权利要求书1所述的激光-电弧复合焊接系统，其特征在于，所述运动架构连接组件为连接法兰，所述连接法兰通过螺栓和定位销连接在外部执行运动机构上，所述连接法兰通过螺栓固定于所述主体骨架(6)上。

8.根据权利要求书1所述的激光-电弧复合焊接系统，其特征在于，所述激光聚焦装置(2)通过螺栓固定于所述第一调节机构(3)上，所述第一调节机构(3)通过螺栓固定于所述主体骨架(6)上。

9.根据权利要求书1所述的激光-电弧复合焊接系统，其特征在于，所述焊枪(4)通过锁紧套、定位销固定于所述第二调节机构(5)上。

10.根据权利要求书1所述的激光-电弧复合焊接系统，其特征在于，所述第二调节机构(5)通过定位销、螺栓固定于所述主体骨架(6)上。

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