CN1152764C - 薄板激光切割—焊接组合工艺及其设备 - Google Patents

Abstract

薄板激光切割-焊接组合工艺及其设备，属于激光加工技术，用于解决大幅面金属薄板的高精度无变形激光拼焊问题。该工艺步骤为：由激光加工头先切割待焊接的一侧坯板，再沿同一加工直线切割另一侧坯板，卸下激光加工头的切割喷嘴，将两侧坯板对中拼接并自动补偿切缝损失后由同一激光加工头沿与切割相同加工直线进行焊接。其设备包括Y轴、激光加工头、导光系统、激光器、辅助料架、数控系统、坯板定位机构、对中拼接机构，所述激光加工头为切割-焊接聚焦头，因此该设备还具有切焊转换机构。本发明设备紧凑、经济，提高了激光器使用率，可用于汽车、建筑等金属薄板结构制造领域的大幅面薄板无变形拼焊制造。

Description

薄板激光切割——焊接组合工艺及其设备

技术领域

本发明属于激光加工技术，特别涉及利用激光对金属板材进行切割、焊接的工艺和设备。

背景技术

激光拼焊金属坯板具有高焊速、无变形、焊缝狭小、接头性好和易于自动化的特点，世界各主要汽车制造厂家在轿车车身制造中，用激光拼焊成轿车各种复盖件坯板，然后整体冲压成型，以优化用材、减轻重量、简化冲压工艺，从而降低费用。但是，由于激光焊加热点细小，且无焊丝添加金属填充缝隙，因此对于待接板边的直线度和端面质量要求极高，以确保对接板间隙极小，否则无法保证接头质量。目前国际上通常采用的方法是：(1)焊前用高精剪预加工，如美国VIL公司开发的汽车坯板激光拼焊系统即包括高精剪床+激光焊机，设备造价昂贵。(2)采用普通剪床加工板边，但在焊接过程中用压力滚轮压填对缝间隙，如瑞士Soudronic公司，但其技术复杂，价格昂贵。(3)采用双光束熔填间隙来解决间隙问题，如加拿大AWS公司，但需要两台激光器，而且必须是可用光纤耦合的YAG激光器，也增加了设备投入。

发明内容

本发明提出一种薄板激光切割——焊接组合工艺及其设备，用于解决大幅面金属薄板的高精度无变形激光拼焊问题。

本发明的薄板激光切割——焊接组合工艺，其步骤为：(1)待焊接的一侧坯板进到加工位置后，用夹具夹紧，由带有切割喷嘴的激光加工头沿直线前移切割，切割完毕，该侧坯板退回；(2)待焊接的另一侧坯板进到同一加工位置，用夹具夹紧，由同一激光加工头沿同一加工直线后退切割，切割完毕，该侧坯板退回；(3)切焊转换机构卸下激光加工头的切割喷嘴；(4)经切割的两侧坯板由对中拼接机构补偿切缝损失对中拼缝，激光加工头沿与切割相同加工直线前移进行激光焊接；(5)焊接完毕，松开两侧夹具，对中拼接机构退回原位，卸下工件。

所述的薄板激光切割——焊接组合工艺，其进一步的特征为夹具夹紧后，至焊接完毕前始终处于夹紧状态；切割喷嘴卸下后，即打开激光加工头的保护气帘、直至再装上切割喷嘴。

所述的薄板激光切割——焊接组合工艺，进行激光切割时，可以使用氮气、氩气或氧气；激光焊接时可以使用氩气保护；保护气帘可以使用氮气或压缩空气。

本发明用于薄板激光切割——焊接的设备，包括Y轴、激光加工头、导光系统、激光器、辅助料架、数控系统、辅助料架分置Y轴下方两侧，Y轴由横梁、伺服电机和丝杠、导轨构成，激光器将激光经光路传到位于Y轴上的导光系统、导光系统光路连接Y轴上的激光加工头，设备运行由数控系统控制，其特征在于：(1)所述激光加工头为切割——焊接聚焦头，包括聚焦透镜和镜座，镜座内腔上部放置聚焦透镜、下部内置有与其嵌合滑动的导向筒，切割喷嘴旋于导向筒下部内螺旋；(2)辅助料架之间，Y轴下方设置液压缸驱动的坯板定位机构；(3)坯板定位机构端部设置由拨叉和拨叉驱动机构组成的切焊转换机构；(4)辅助料架下方，坯板定位机构两侧设置由左钳口和右钳口组成的对中拼接机构、分别由步进电机和滚珠丝杠驱动；(5)对中拼接机构的左、右钳口上分置左、右坯板夹紧机构，由液压缸驱动。

所述的用于薄板激光切割——焊接的设备，其进一步特征在于切割——焊接聚焦头导向筒内孔上部为圆锥形、内孔下部依次为倒圆锥形和螺纹螺旋面，所述切割喷嘴内孔为圆锥形，切割喷嘴外表面中部为环绕凸台、上面对称开有两个缺口，环绕凸台以上为倒圆锥形、尺寸与导向筒内孔下部倒圆锥形拟合。

所述的用于薄板激光切割——焊接的设备，所述导向筒内孔下部可以与气帘座相连通，切割——焊接聚焦头镜座可以通过铰链连接焊接辅助气管。

所述的用于薄板激光切割——焊接的设备，其更进一步的特征在于切焊转换机构中：(1)筒状拨叉套于导向杆，由锥销固定，拨叉端部有径向对称凸起部分，其径向距离与切割喷嘴环绕凸台两个缺口对应，拨叉外套有套筒，其端部有径向对称向心凸出的勾块，勾块径向距离与拨叉凸起部分径向距离相等；(2)拨叉驱动机构包括水平液压缸和垂直液压缸，水平液压缸的活塞杆推动齿条，齿条与固定于导向杆的齿轮啮合，垂直液压缸的活塞杆与升降板相连，升降板嵌入导向杆的环槽中。

上述的用于薄板切割——焊接的设备，所述升降板上可以固定有导向键、滑动嵌入套筒表面的轴向键槽中。

本发明的工艺及其设备中，由于薄板切割与焊接采用同一聚焦镜及其光路，且对中机构在步进电机驱动下自动补偿切缝损失，避免了光路切换误差，使加工轨迹的重复精度大大提高。由于同一台激光加工头在同一加工位置完成切——焊拼接过程，无需精剪预加工，其切割板边质量完全达到拼焊要求，不仅使设备简化，而且提高了激光器的使用率。其生产出的拼焊坯板尺寸、成型和质量，完全达到国际上采用精剪预加工、压填对缝间隙、双光束熔填间隙技术生产坯板的相同水平，而整套设备更为紧凑、经济，成本下降数倍。

本方法及设备可用于汽车、建筑等金属薄板结构制造领域中，等厚或不等厚，同种或不同种材质、镀层的大幅面金属薄板无变形拼焊制造。

附图说明

图1为本发明加工设备示意图；

图2为本发明加工设备对中拼接机构示意图；

图3为切割——焊接聚焦头结构示意图；

图4为切焊转换机构的切换拨叉部分示意图；

图5为切焊转换机构的拨叉驱动机构示意图；

图6表示换下激光切割喷嘴的过程；

图7表示装上激光切割喷嘴的过程。

具体实施方式

以下结合附图解释本发明的具体实施方式。图1所示的设备由坯板定位机构1、Y轴2、液压系统3、导光系统4、切割——焊接聚焦头5、切焊转换机构7、右钳口6、左钳口8、坯板夹紧机构9、辅助料架10、数控系统11和激光器12组成，13是坯板。

图2进一步描述本发明坯板对中拼接机构，由右钳口6和左钳口8组成，分别由步进电机14和滚珠丝杠15驱动，右、左钳口上分别置有右、左坯板夹紧机构9，由液压缸16驱动。

图3表明切割——焊接聚焦头5的详细结构：喷嘴21的外表面中部环绕凸台上对称开有两个缺口b，喷嘴上部是定位锥面，对称装着两个锥销22，喷嘴21通过锥销22旋紧在导向筒24的螺旋面上，使其上部定位锥面与导向筒24的内锥面紧密配合，达到密封效果。两块半环23嵌入导向筒24上的沉割槽中，同时通过螺钉与调节螺母33相连，调节螺母33通过螺纹与镜座25相连，圆柱销31穿过镜座25进入导向筒24的键槽中，限制导向筒24的周向转动；旋转调节螺母33可使导向筒24带动喷嘴21上下移动，从而调节喷嘴21下部小孔与激光聚焦点的相对位置，32为锁紧螺圈。聚焦透镜26由定位件27固定在镜座25内，焊接辅助气管28和焊接辅助气喷嘴36连通焊接辅助气管座29，后者由销轴固定在镜座25上，可绕销轴中心线旋转，由于扭力弹簧的作用，焊接辅助气管座29受逆时针力矩作用，使其上的限位螺钉30压在镜座25上，当切割——焊接聚焦头移动到切换位置时，由于挡块作用，焊接辅助气管座29顺时针偏转，让开一定的空间，便于喷嘴21进行切换；一旦切割——焊接聚焦头离开切换位置时，焊接辅助气管座29则脱离挡块，逆时针旋转，回复原位，使焊接辅助气喷嘴36指向焊接工作区域。

焊接保护气管35连通焊接保护气帘座34，后者连通导向筒24，当喷嘴21换下后，立即接通焊接保护气，焊接保护气帘座则产生气帘，保护聚焦透镜26不受污染。

图4表示切焊转换机构的切换拨叉部分：拨叉37套于导向杆38，由定位锥销39固定，拨叉端部有径向对称的凸起，其径向距离与图3中喷嘴21的中部环绕凸台上两个缺口b对应，从而形成拨叉的两个凹下部分d；拨叉37处套有套筒40，其端部由螺钉连接两径向对称向心凸出的勾块41，轴用挡圈42卡在拨叉37上限制套筒40的向下移动。从俯视角度看，拨叉37的对称凸起部分通常与勾块41重合，即拨叉37的凹下部分α与勾块41成90°夹角。导向键43固定在拨叉驱动机构的升降板上，以滑动配合嵌入套筒40的键槽中，限制套筒40的周向转动。导向杆38的环槽44容纳前述升降板嵌入。

图5为块焊转换机构的拨叉驱动机构示意图，水平液压缸45的活塞杆46通过接头47推动齿条48，齿条48的往复运动供齿轮49通过键50带动导向杆38以及拨叉37转动。图5中51为水平限位开关，52为水平限位螺钉，53为水平液压缸壳体，垂直液压缸54的活塞杆55与升降板56相连，升降板56嵌入前述导向杆38的环槽44中，可使导向杆38及拨叉37上下移动，57为升降限位螺钉，58为升降限位开关。

图6表示换下激光切割喷嘴的过程。

如图6(a)所示，切割焊接聚焦头移动到切换位置，切换拨叉与切割焊接聚焦头同轴，拨叉上的凸起部分和套筒上的勾块都对准激光切割喷嘴的中部环绕凸台缺口，切换拨叉开始作上升运动；

图6(b)切换拨叉上升到位后，拨叉上的凸起部分插入喷嘴的中部环绕凸台缺口，套筒上的勾块穿过喷嘴的中部环绕凸台缺口位于喷嘴的中部环绕凸台上方，拨叉逆时针旋转90°，套筒受导向键的限制，仍处在原来位置；

图6(c)拨叉逆时针旋转到位后，喷嘴上的两个锥销脱离导向筒内孔下部的螺纹螺旋面，处于螺旋面的两边对称的缺口处，使其上部定位锥面与导向筒的定位锥面松开，喷嘴中部环绕凸台的无缺口部位处于套筒上的勾块之下，切换拨叉开始作下降运动；

图6(d)切换拨叉下降，套筒上的勾块通过喷嘴中部环绕凸台的无缺口部位带动喷嘴下移，完成换下激光切割喷嘴的工作，接通焊接保护气，焊接保护气帘座则产生保护气帘，使聚焦透镜26不受污染，此时切割焊接聚焦头便可用于焊接。

图7为装上激光切割喷嘴的过程

如图7(a)所示，切割焊接聚焦头移动到切换位置，切换拨叉与切割焊接聚焦头同轴，喷嘴上的两个锥销对准切割焊接聚焦头导向筒内孔下部螺旋面的缺口处，切换拨叉开始作上升运动。

图7(b)，切换拨叉升到位后，喷嘴上的两个锥销穿过切割焊接聚焦头导向筒内孔下部螺旋面的缺口，处于螺旋面旋入高度，拨叉顺时针旋转90°，套筒受导向键的限制，仍处于原来位置；

图7(c)拨叉顺时针旋转到位后，喷嘴上的两个锥销旋入导向筒内孔下部的螺纹螺旋面上，在螺旋面作用力的作用下，喷嘴上部定位锥面与导向筒的定位内锥面紧密配合，达到密封效果，喷嘴中部的环绕凸台的缺口部位处于套筒上的勾块之下，切换拨叉开始作下降运动；

图7(d)切换拨叉下降，套筒上的勾块穿过喷嘴中部环绕凸台的缺口下移，完成了装上激光切割喷嘴的工作，关闭焊接保护气，打开切割辅气，此时切割焊接聚焦头便可用于切割。

本发明用于轿车车身底板的拼焊时，底板材料可为镀锌汽车用钢板，板厚0.8mm，由两块1.6米×1.9米的板拼焊成3.2米×1.9米的大幅面底板，拼焊宽度为1.9米。用激光切边时，CO₂激光功率1.5千瓦，切割速度4.5米/分，采用氮气作为切割气，气体压力4.8Bar；激光焊接时，CO₂激光功率2.0千瓦，焊接速度5米/分，保护气氩气，流量25升/分，保护气帘用压缩空气。

Claims (8)

1.薄板激光切割——焊接组合工艺，其步骤为：

(1)待焊接的一侧坏板进到加工位置后，用夹具夹紧，由带有切割喷嘴的激光加工头沿直线前移切割，切割完毕，该侧坏板退回；

(2)待焊接的另一侧坯板进到同一加工位置，用夹具夹紧，由同一激光加工头沿同一加工直线后退切割，切割完毕，该侧坯板退回；

(3)切换转换机构卸下激光加工头的切割喷嘴；

(4)经切割的两侧坯板由对中拼接机构对中拼缝，激光加工头沿与切割相同加工直线前移进行激光焊接；

(5)焊接完毕，松开两侧夹具，对中拼接机构退回原位，卸下工件。

2.如权利要求1所述的薄板激光切割——焊接组合工艺，其特征为夹具夹紧后，至焊接完毕前始终处于夹紧状态；切割喷嘴卸下后，即打开激光加工头的保护气帘、直至再装上切割喷嘴。

3.如权利要求2所述的薄板激光切割——焊接组合工艺，其特征为进行激光切割时，使用氮气、氩气或氧气；激光焊接时使用氩气保护；保护气帘使用氮气或压缩空气。

4.用于薄板激光切割和焊接组合加工的设备，包括Y轴、激光加工头、导光系统、激光器、辅助料架和数控系统、辅助料架分置Y轴下方两侧，Y轴由模具、伺服电机和丝杠、导轨构成，激光器将激光经光路传到位于Y轴上的导光系统、导光系统光路连接Y轴上的激光加工头，设备运行内数控系统控制，其特征在于：

(1)所述激光加工头为切割——焊接聚焦头，包括聚焦透镜和镜座，镜座内腔上部放置聚焦透镜、下部内置有与其嵌合滑动的导向筒，切割喷嘴旋于导向筒下部内螺旋；

(2)辅助料架之间，Y轴下方设置液压缸驱动的坯板定位机构；

(3)坯板定位机构端部设置由拨叉和拨叉驱动机构组成的切焊转换机构；

(4)辅助料架下方，坯板定位机构两侧设置由左钳口和右钳口组成的对中拼接机构、分别由步进电机和滚珠丝杠驱动；

(5)对中拼接机构的左、右钳中上分置左、右坯板夹紧机构，由液压丝驱动。

5.如权利要求4所述的用于薄板激光切割和焊接组合加工的设备，其特征在于切割——焊接聚焦头导向筒内孔上部为圆锥形、内孔下部依次为倒圆锥形和螺纹螺旋面，所述切割喷嘴内孔为圆锥形，切割喷嘴外表面中部为环绕凸台、上面对称开有两个缺口，环绕凸台以上为倒圆锥形、尺寸与导向筒内孔下部倒圆锥形拟合。

6.如权利要求5所述的用于薄板激光切割和焊接组合加工的设备，其特征在于所述导向筒内孔下部与气帘座相连通，切割——焊接聚焦头镜座通过铰链连接焊接辅助气管。

7.如权利要求5或6所述的用于薄板激光切割和焊接组合加工的设备，其特征在于切焊转换机构中：

(1)筒状拨叉套于导向杆，由锥销固定，拨叉端部有经向对称凸起部分，其径向距离与切割喷嘴环绕凸台两个缺口对应，拨叉外套有套筒，其端部有径向对称向心凸出的勾块，勾块径向距离与拨叉凸起部分径向距离相等；

(2)拨叉驱动机构包括水平液压缸和垂直液压缸，水平液压缸的活塞杆推动齿条，齿条与固定于导向杆的齿轮啮合，垂直液压缸的活塞杆与升降板相连，升降板嵌入导向杆的环槽中。

8.如权利要求7所述的用于薄板激光切割和焊接组合加工的设备，其特征在于所述升降板上固定有导向键、滑动嵌入套筒表面的轴向键槽中。

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