CN115555722B - 激光焊接机械臂、焊接机器人和焊接方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了激光焊接机械臂、焊接机器人和焊接方法，涉及激光复合焊接技术领域，包括激光发射器、安装机架、变速器、叶轮空压组件、摩擦焊接头和电主轴，激光发射器发射激光束，穿过空心主轴和激光发射孔，扫描母材上需要焊接的位置；主轴启动，通过转子带动空心主轴转动，空心主轴同时带动齿圈和摩擦棒转动；激光焊接机械臂带动机架移动，使得摩擦棒与焊缝接触并摩擦生热，同时激光发射器提高发射激光束的能量，此外齿圈通过行星齿轮使得空气压缩盘加快转动，产生的强气流通过吹气喷头喷出，清理掉焊线上的焊渣和氧化物。本发明设计合理，效果显著，解决了现有技术中由于激光焊接工艺熔池小，冷却速度快而导致出现焊接缺陷的问题。

Description

激光焊接机械臂、焊接机器人和焊接方法

技术领域

本发明涉及激光复合焊接工艺和设备技术领域，具体涉及激光焊接机械臂、焊接机器人和焊接方法。

背景技术

激光焊接是激光材料加工技术应用的重要方面之一，主要原理是利用高能量密度的激光束作为热源使工件熔化，形成特定的熔池，由于其独特的优点，已成功应用于微、小型零件的精密焊接中。

然而，激光焊接工艺也并非没有问题，在激光焊接的过程中，难免会出现一些缺陷或次品，举例如下；

一、焊接飞溅

激光焊接产生的飞溅严重影响焊缝的表面质量，会污染和损坏镜片。一般表现为：激光焊接完成后，材料或工件表面出现许多金属颗粒，附着在材料或工件表面；

飞溅原因：激光束打在母材上形成光压，将部分母材击飞形成飞溅或者被加工材料或工件表面未清洗干净，有油渍或污染物，也可能是镀锌层挥发造成的。

二、裂纹

连续激光焊接产生的裂纹主要是热裂纹，如晶体裂纹、液化裂纹等。

产生裂纹的原因：主要是由于母材预热不达标，致使焊缝未完全凝固前的收缩力过大所致。

三、造口

焊缝表面气孔（造口）是激光焊接中比较容易出现的缺陷。

气孔产生的原因：激光焊接熔池深而窄，会导致冷却速度很快，由此致使液态熔池中产生的气泡不能在焊缝凝固前完全排出，从而形成造口的焊接缺陷。

由此，为解决上述存在的问题，我方结合搅拌摩擦焊接工艺与激光焊接工艺，提出新的技术方案，从而来弥补目前激光焊接在工艺以及设备上的不足。

发明内容

为此，本发明提供激光焊接机械臂、焊接机器人和焊接方法，以解决现有技术中由于激光焊接工艺熔池小，冷却速度快而导致出现焊接缺陷的问题。

为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

根据本发明的第一方面，

本发明提供了激光焊接机械臂，包括激光发射器、安装机架、变速器、叶轮空压组件、摩擦焊接头和电主轴，所述激光发射器螺接固定在安装机架的一端，所述安装机架的另一端设置有变速器，所述变速器动力输入端与电主轴同轴传动连接，所述电主轴设置在安装机架内，所述激光发射器发射的激光束依次穿过电主轴、变速器和摩擦焊接头，所述摩擦焊接头与电主轴同轴传动连接，所述电主轴位于叶轮空压组件的轴线处，所述叶轮空压组件与变速器动力输出端同轴传动连接。

进一步的，所述电主轴包括转子、水冷机壳、定子和空心主轴，所述安装机架内设置有水冷机壳，所述水冷机壳内设置有定子，所述定子设置在转子外侧，所述转子固定设置在空心主轴上，所述空心主轴一端与激光发射器连通，所述空心主轴的另一端与摩擦焊接头连通。

进一步的，所述安装机架包括第一轴承组件、机架、安装座和第二轴承组件，所述空心主轴同时插设在第一轴承组件和第二轴承组件上，所述第一轴承组件和第二轴承组件分别固定在机架的两端，所述机架底部与安装座螺接固定。

进一步的，所述变速器包括端盖、行星齿轮、齿圈和固定套筒，所述空心主轴插设在端盖中心处，所述端盖与固定套筒螺接固定，所述固定套筒内设有若干行星齿轮，若干所述行星齿轮与齿圈啮合传动连接，所述齿圈与空心主轴同轴传动连接。

进一步的，所述叶轮空压组件包括中心齿轮、空气压缩盘、吹气喷头和导气通道，若干所述行星齿轮与中心齿轮啮合传动连接，所述中心齿轮与空气压缩盘同轴传动连接，所述空气压缩盘与吹气喷头焊接固定，所述吹气喷头设置有若干与空气压缩盘连通的导气通道。

进一步的，所述空气压缩盘包括漩涡槽、中心孔和盘体，所述盘体上周向设置有若干漩涡槽，若干所述漩涡槽与若干导气通道一一对应且连通，所述盘体中心处设置有中心孔，所述中心孔与空心主轴连通。

进一步的，所述摩擦焊接头包括激光发射孔、摩擦棒、弹簧和搅拌针，所述中心孔与激光发射孔连通，所述激光发射孔设置在摩擦棒轴线处，所述摩擦棒端部插设有搅拌针，所述搅拌针端部设置有与摩擦棒相抵的弹簧。

根据本发明的第二方面，

本发明公开了激光焊接机器人，应用如上所述的激光焊接机械臂，还包括第一臂肘、第一关节、回转关节、第二臂肘、第二关节和回转台，所述安装座与回转关节同轴传动连接，所述回转关节与第一臂肘的一端铰接，所述第一臂肘的另一端与第一关节铰接，所述第一关节与第二臂肘的一端铰接，所述第二臂肘的另一端与第二关节铰接，所述第二关节与回转台同轴传动连接。

进一步的，所述第一关节、回转关节、第二关节和回转台上均设置有伺服电机和减速器，且所述回转台上设置有RS-485通信接口。

根据本发明的第三方面，

本发明公开了激光焊接方法，应用如上所述的激光焊接机器人或权利要求中所述的激光焊接机械臂，包括如下步骤；

S1、激光发射器发射激光束，穿过空心主轴和激光发射孔，扫描母材上需要焊接的位置；

S2、电主轴启动，通过转子带动空心主轴转动，空心主轴同时带动齿圈和摩擦棒转动；

S3、激光焊接机械臂带动机架移动，使得摩擦棒与焊缝接触并摩擦生热，同时激光发射器提高发射激光束的能量，加快母材熔化，此外齿圈通过行星齿轮使得空气压缩盘加快转动，产生的强气流通过吹气喷头喷出，清理掉焊线上的焊渣和氧化物。

本发明具有如下优点：

1、本技术方案将激光发射器、电主轴和摩擦焊接头同轴布置，使得激光束可以穿过摩擦棒，从而利用激光辐射使得母材熔融速度得到提高，并提高焊接速度和焊接深度，同时摩擦棒可以有效将工件上的油渍或污染物清理掉，并且由于激光束位于摩擦棒内部，因此也可以防止由于激光光压造成焊接飞溅的问题。

2、由于摩擦棒高速与母材高速转动产生大量热量，因此可以给母材充分的预热时间，并且形成的熔池宽度要比激光焊接熔池大，由此可以显著减少出现焊接裂纹的情况，并且对激光焊接中比较容易出现的焊缝表面气孔（造口）的问题，也会得到显著改善。

3、 由于结合采用摩擦搅拌焊接的方式，因此在焊接完成后，一般不会在工件上留下焊接痕迹，从而保证焊接外观质量，同时由于通过变速器带动叶轮空压组件转动，继而产生的强气流作用在焊缝上，不仅可以清理掉焊渣以及母材上的高温氧化物，同时也可以加快工件冷却速度，降低工件热变形的程度，并且利用叶轮空压组件转动高速旋转所产生的回转效应，还能显著提高摩擦焊接头的稳定性，从而进一步提高焊接质量。

附图说明

为了更清楚地说明本发明的实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对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，下面描述中的附图仅仅是示例性的，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，还可以根据提供的附图引伸获得其它的实施附图。

本说明书所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。

图1为本发明提供的激光焊接机械臂和焊接机器人总装立体图；

图2为本发明提供的焊接机械臂俯视图的剖切位置B-B；

图3为本发明提供的图2的B-B处剖视图；

图4为本发明提供的安装机架立体图；

图5为本发明提供的摩擦焊接头立体图；

图6为本发明提供的叶轮空压组件立体图；

图7为本发明提供的的空气压缩盘立体图；

图8为本发明提供的变速器立体图；

图9为本发明提供的激光焊接机械臂的立体爆炸视图；

图中：1激光发射器；2安装机架；21第一轴承组件；22机架本体；23安装座；24第二轴承组件；3变速器；31端盖；32行星齿轮；33齿圈；34固定套筒；4叶轮空压组件；41中心齿轮；42空气压缩盘；421漩涡槽；422中心孔；423盘体；43吹气喷头；44导气通道；5摩擦焊接头；51激光发射孔；52摩擦棒；53弹簧；54搅拌针；6电主轴；61转子；62水冷机壳；63定子；64空心主轴；7第一臂肘；8第一关节；9回转关节；10第二臂肘；11第二关节；12回转台。

具体实施方式

以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效，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。

实施例1

本发明公开了激光焊接机械臂，如图1、图2和图3，包括一个可发射高能激光束的激光发射器1，激光发射器1螺接固定在安装机架2的一端，以便于激光束穿过安装机架2，如图3所示。安装机架2内设有电主轴6，电主轴6作为动力装置与摩擦焊接头5同轴传动连接，从而带动摩擦焊接头5高速转动。安装机架2的另一端设置有变速器3，激光发射器1穿过电主轴6和变速器3与摩擦焊接头5连通，变速器3的动力输入端与电主轴6传动连接，变速器3的动力输出端与叶轮空压组件4同轴传动连接，由此通过变速器3来提高叶轮空压组件4的转速，通过叶轮空压组件4产生强气流吹到焊缝表面，清理到焊接和母材上的氧化物。电主轴6位于叶轮空压组件4的轴线处，而摩擦焊接头5位于变速器3的轴线处，变速器3与电主轴6同轴布置且连通，由此使得激光束可以从摩擦焊接头5轴线处射出，打在母材的焊缝处，使得母材的温度得到快速提升，从而与摩擦焊接头5一起同步进行焊接。

根据本发明提供的一个具体实施例，安装机架2内设置有水冷机壳62，水冷机壳62内设置有过水槽，可以注入冷却液，从而降低定子63和转子61的温度，避免线圈绕组由于温度过高而损坏。水冷机壳62内设置有定子63，定子63设置在转子61外侧，转子61固定设置在空心主轴64上，从而可以带动空心主轴64高速旋转。空心主轴64一端与激光发射器1连通，空心主轴64的另一端与摩擦焊接头5连通，由此可以使得激光穿过空心主轴64照射在焊缝上，此外空心主轴64也会带动摩擦焊接头5高速转动，通过摩擦焊接头5与母材接触摩擦生热，由于现有的摩擦搅拌焊接工艺普遍存在焊接温度低，升温慢的缺点，在此基础上使得激光束穿过摩擦焊接头5照射在母材焊线上，可有效克服目前摩擦搅拌焊接工艺存在的缺陷。

根据本发明提供的一个具体实施例，安装机架2包括第一轴承组件21、机架本体22、安装座23和第二轴承组件24，如图3，空心主轴64同时插设在第一轴承组件21和第二轴承组件24上，第一轴承组件21和第二轴承组件24分别固定在机架本体22的两端，通过第一轴承组件21和第二轴承组件24起到支撑作用，以保证空心主轴64持续稳定转动。机架本体22底部与安装座23螺接固定，安装座23主要起到与机械臂的连接作用，从而在机架本体22移动时保持稳定。

根据本发明提供的一个具体实施例，变速器3包括一个安装在第二轴承组件24上的端盖31以及互相啮合传动连接的行星齿轮32和齿圈33，如图8所示。端盖31的中心处插设有空心主轴64，空心主轴64带动齿圈33转动，齿圈33内侧与四个行星齿轮32啮合传动，四个行星齿轮32安装在固定套筒34内，以起到为行星齿轮32和中心齿轮41传动的作用，而中心齿轮41的齿径要小于齿圈33的齿径，在中心齿轮41和齿圈33的线速度相同的情况下，就会使得中心齿轮41的角速度得到提升，变速器3的原理，类似行星齿轮减速器的反向使用，由此可以有效提高叶轮空压组件4的转速，从而产生强气流清理焊线上的焊渣和氧化物，同时也可以加快焊线凝固，提高焊接效率。

根据本发明提供的一个具体实施例，叶轮空压组件4包括中心齿轮41、空气压缩盘42、吹气喷头43和导气通道44，若干行星齿轮32与中心齿轮41啮合传动连接，如图6所示，中心齿轮41与空气压缩盘42同轴传动连接，由此带动空气压缩盘42高速转动。空气压缩盘42与吹气喷头43焊接固定，空气压缩盘42高速旋转利用离心力将使空气压缩形成强气流，而吹气喷头43设置有若干与空气压缩盘42连通的导气通道44，由此使得强气流穿过导气通道44喷射到母材焊线上，从而起到清理焊线表面的作用，同时，也可以为位于吹气喷头43轴线处的摩擦棒52起到降温作用。

根据本发明提供的一个具体实施例，空气压缩盘42包括漩涡槽421、中心孔422和盘体423，如图6和图7所示，盘体423上周向设置有若干漩涡槽421，若干漩涡槽421与若干导气通道44一一对应且连通。当盘体423转动时，空气沿漩涡槽421向内压缩流动，由此使得压缩空气通过导气通道44从吹气喷头43喷出。由于盘体423中心处设置有中心孔422，中心孔422与空心主轴64连通，由此可以使得激光束穿过空气压缩盘42，进入到摩擦焊接头5，从而提高焊接效率。

根据本发明提供的一个具体实施例，摩擦焊接头5包括激光发射孔51、摩擦棒52、弹簧53、搅拌针54，中心孔422与激光发射孔51连通，由此可以使得激光束穿过激光发射孔51照射在焊缝上。激光发射孔51设置在摩擦棒52轴线处，属于同轴布置，摩擦棒52端部插设有搅拌针54，搅拌针54端部设置有与摩擦棒52相抵的弹簧53，当摩擦棒52与母材接触摩擦一端时间后，由母材会由于温度升高而逐步软化，因此搅拌针54在弹簧53弹力的作用下会伸出并进入到母材的组织内，搅拌并打乱原有的母材之间的晶体结构，使其加速扩散，从而将工件焊接融合在一起，并且在激光束照射下会极大的缩短母材融化的时间，从而提高焊接效率，很好的弥补了摩擦焊接升热慢，温度低的缺陷，并且由于摩擦棒52与母材之间摩擦生热，可以给予母材充分预热时间，并能拓展熔池的宽度，从而避免出现连续激光焊接产生的热裂纹的问题。

实施例2

本发明公开了激光焊接机器人，应用如上的激光焊接机械臂，还包括第一臂肘7、第一关节8、回转关节9、第二臂肘10、第二关节11和回转台12，安装座23与回转关节9同轴传动连接，回转关节9与第一臂肘7的一端铰接，第一臂肘7的另一端与第一关节8铰接，第一关节8的第二臂肘10的一端铰接，第二臂肘10的另一端与第二关节11铰接，第二关节11与回转台12同轴传动连接。

根据本发明公开的一个具体实施例，第一关节8、回转关节9、第二关节11和回转台12上均设置有伺服电机和减速器，减速器为谐波减速器或rv减速器，且回转台12上设置有RS-485通信接口，以便于操控机械臂。

实施例3

本发明公开了激光焊接方法，应用如上所述的激光焊接机器人和激光焊接机械臂，包括如下步骤；

S1、激光发射器1发射激光束，穿过空心主轴64和激光发射孔51，扫描母材上需要焊接的位置；

S2、电主轴6启动，通过转子61带动空心主轴64转动，空心主轴64同时带动齿圈33和摩擦棒52转动；

S3、激光焊接机械臂带动机架本体22移动，使得摩擦棒52与焊缝接触并摩擦生热，同时激光发射器1提高发射激光束的能量，加快母材融化，此外齿圈33通过行星齿轮32使得空气压缩盘42转速提高，从而产生的强气流通过吹气喷头43喷出，清理掉焊线上的焊渣和氧化物。

本发明实施例的使用过程如下：

激光发射器1发射激光束，穿过空心主轴64和激光发射孔51，扫描母材上需要焊接的位置；电主轴6启动，通过转子61带动空心主轴64转动，空心主轴64同时带动齿圈33和摩擦棒52转动；激光焊接机械臂带动机架本体22移动，使得摩擦棒52与焊缝接触并摩擦生热，同时激光发射器1提高发射激光束的能量，加快母材融化，此外齿圈33通过行星齿轮32使得空气压缩盘42加快转动，产生的强气流通过吹气喷头43喷出，清理掉焊线上的焊渣和氧化物。

虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施例对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。

Claims (4)

1.激光焊接机械臂，其特征在于，包括激光发射器（1）、安装机架（2）、变速器（3）、叶轮空压组件（4）、摩擦焊接头（5）和电主轴（6），所述激光发射器（1）螺接固定在安装机架（2）的一端，所述安装机架（2）的另一端设置有变速器（3），所述变速器（3）动力输入端与电主轴（6）同轴传动连接，所述电主轴（6）设置在安装机架（2）内，所述激光发射器（1）发射的激光束依次穿过电主轴（6）、变速器（3）和摩擦焊接头（5），所述摩擦焊接头（5）与电主轴（6）同轴传动连接，所述电主轴（6）位于叶轮空压组件（4）的轴线处，所述叶轮空压组件（4）与变速器（3）动力输出端同轴传动连接；

所述电主轴（6）包括转子（61）、水冷机壳（62）、定子（63）和空心主轴（64），所述安装机架（2）内设置有水冷机壳（62），所述水冷机壳（62）内设置有定子（63），所述定子（63）设置在转子（61）外侧，所述转子（61）固定设置在空心主轴（64）上，所述空心主轴（64）一端与激光发射器（1）连通，所述空心主轴（64）的另一端与摩擦焊接头（5）连通；

所述安装机架（2）包括第一轴承组件（21）、机架本体（22）、安装座（23）和第二轴承组件（24），所述空心主轴（64）同时插设在第一轴承组件（21）和第二轴承组件（24）上，所述第一轴承组件（21）和第二轴承组件（24）分别固定在机架本体（22）的两端，所述机架本体（22）底部与安装座（23）螺接固定；

所述变速器（3）包括端盖（31）、行星齿轮（32）、齿圈（33）和固定套筒（34），所述空心主轴（64）插设在端盖（31）中心处，所述端盖（31）与固定套筒（34）螺接固定，所述固定套筒（34）内设有若干行星齿轮（32），若干所述行星齿轮（32）与齿圈（33）啮合传动连接，所述齿圈（33）与空心主轴（64）同轴传动连接；

所述叶轮空压组件（4）包括中心齿轮（41）、空气压缩盘（42）、吹气喷头（43）和导气通道（44），若干所述行星齿轮（32）与中心齿轮（41）啮合传动连接，所述中心齿轮（41）与空气压缩盘（42）同轴传动连接，所述空气压缩盘（42）与吹气喷头（43）焊接固定，所述吹气喷头（43）设置有若干与空气压缩盘（42）连通的导气通道（44）；

所述空气压缩盘（42）包括漩涡槽（421）、中心孔（422）和盘体（423），所述盘体（423）上周向设置有若干漩涡槽（421），若干所述漩涡槽（421）与若干导气通道（44）一一对应且连通，所述盘体（423）中心处设置有中心孔（422），所述中心孔（422）与空心主轴（64）连通；

所述摩擦焊接头（5）包括激光发射孔（51）、摩擦棒（52）、弹簧（53）和搅拌针（54），所述中心孔（422）与激光发射孔（51）连通，所述激光发射孔（51）设置在摩擦棒（52）轴线处，所述摩擦棒（52）端部插设有搅拌针（54），所述搅拌针（54）端部设置有与摩擦棒（52）相抵的弹簧（53）。

2.激光焊接机器人，应用如权利要求1中所述的激光焊接机械臂，其特征在于，还包括第一臂肘（7）、第一关节（8）、回转关节（9）、第二臂肘（10）、第二关节（11）和回转台（12），所述安装座（23）与回转关节（9）同轴传动连接，所述回转关节（9）与第一臂肘（7）的一端铰接，所述第一臂肘（7）的另一端与第一关节（8）铰接，所述第一关节（8）与第二臂肘（10）的一端铰接，所述第二臂肘（10）的另一端与第二关节（11）铰接，所述第二关节（11）与回转台（12）同轴传动连接。

3.如权利要求2所述的激光焊接机器人，其特征在于，所述第一关节（8）、回转关节（9）、第二关节（11）和回转台（12）上均设置有伺服电机和减速器，且所述回转台（12）上设置有RS-485通信接口。

4.激光焊接方法，应用如权利要求1中所述的激光焊接机械臂或权利要求3中所述的激光焊接机器人，其特征在于，包括如下步骤；

S1、激光发射器（1）发射激光束，穿过空心主轴（64）和激光发射孔（51），扫描母材上需要焊接的位置；

S2、电主轴（6）启动，通过转子（61）带动空心主轴（64）转动，空心主轴（64）同时带动齿圈（33）和摩擦棒（52）转动；

S3、激光焊接机械臂带动机架本体（22）移动，使得摩擦棒（52）与焊缝接触并摩擦生热，同时激光发射器（1）提高发射激光束的能量，加快母材熔化，此外齿圈（33）通过行星齿轮（32）使得空气压缩盘（42）加快转动，产生的强气流通过吹气喷头（43）喷出，清理掉焊线上的焊渣和氧化物。

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