CN116140837A - 具有气流优化偏转器的激光焊接空气管理系统 - Google Patents

Abstract

提供了空气管理系统，用于使用偏转器优化激光焊接中的空气流。一种用于焊机的系统包括用于产生空气流的鼓风机。气室接收空气流，将其朝向工件引导，并限定面向工件的出口以将空气流朝向工件排出。与出口相邻的偏转器形成为从气室朝向工件会聚的锥形部分，并且由具有中立开口的成角度的壁限定。偏转器使空气流集中，以在空气流离开出口之后向空气流赋予速度增加，并且向空气流赋予朝向焊接区的有利方向分量，以及通过增加空气流的向下动量力来保护激光透镜，以消除飞溅物撞击透镜的可能性。

Description

具有气流优化偏转器的激光焊接空气管理系统

技术领域

本公开总体上涉及激光焊接，并且更具体地，涉及激光焊接中的气流管理和优化，以避免焊接区羽流排放的影响，从而对工件焊接质量产生积极影响。

背景技术

在激光焊接中，采用高密度光源来熔化待接合部件的材料。多个部件通常放置成彼此接触或在部件之间的接合界面处具有的间隙不超过小间隙。激光束通过焊接机穿过接合界面以将部件熔合在一起。在激光束与部件相交的点处，在加热区域中形成熔化的材料池，该熔化的材料池混合被接合的部件的材料。

在一些形式的激光焊接中，可以形成熔化的材料和金属蒸汽两者。金属蒸汽可以移位熔池中的熔化材料的区域，例如在激光束进入部件的点处。移位材料的区域可被称为锁孔。可能发生一些材料的蒸发，例如由于高密度激光能量将材料加热到沸点。当蒸发的材料离开材料表面时，产生反冲压力，其推动熔体表面引起位移。小颗粒可以以不透明材料的羽流的形式发射。羽流可以在激光束到工件的路线期间抑制激光束。金属蒸汽也可能聚集成较大尺寸的颗粒，当接近或超过激光束波长的尺寸时，可能显著衰减激光到达工件的功率。羽流的影响可能包括到达材料的激光功率的不一致性，这可能导致质量问题，例如激光穿透不足、飞溅和空腔。

因此，期望提供用于激光焊接的系统，其有效且高效地克服与羽流形成和其他排放相关联的影响。此外，结合附图和前述技术领域和背景技术，从随后的详细说明书和所附权利要求中，本发明其他期望的特征和特性将变得显而易见。

发明内容

在各种实施例中，提供了具有空气管理方面的系统，用于激光焊接以减少羽流形成动作的影响并用于利用偏转器优化气流。在多个实施例中，一种用于焊机的系统包括鼓风机以产生空气流。气室接收空气流，将其朝向工件引导，并限定面向工件的出口以将空气流朝向工件排出。与出口相邻的偏转器形成为从气室朝向工件会聚的锥形部分，并且由具有中立开口的成角度的壁限定。偏转器集中空气流，以在空气流离开出口之后将速度增加赋予空气流，并将有利方向分量赋予朝向焊接区的空气流。

在另外的实施例中，所述偏转器包括空气流所遵循的平滑表面，并且所述平滑表面被配置成减少空气流的湍流。

在另外的实施例中，偏转器的成角度的壁相对于竖直方向以在大约35至40度的范围内的角度设置。

在另外的实施例中，偏转器从靠近气室的顶部延伸到远离气室的底部，其中顶部整体径向地设置在开口内部。

在另外的实施例中，偏转器从靠近气室的顶部延伸到远离气室的底部，其中顶部整体径向地设置在开口外部。

在另外的实施例中，偏转器在从气室朝向工件的方向上具有大约三厘米的高度。

在另外的实施例中，偏转器通过增材制造形成，其中表面质量被配置为限制气流摩擦。

在另外的实施例中，焊机被配置成产生被配置成遵循一路径的激光束。气室是具有中立开口的环形气室。偏转器是环形偏转器，其中立开口围绕激光束的路径与气室的中立开口对准。

在另外的实施例中，偏转器通过气密接头接合到气室。

在另外的实施例中，焊机包括具有配置成接合工件的夹具的固定装置。焊接区被限定在夹具之间，并且偏转器被配置为将空气流集中并引导到夹具之间的点。

在多个另外的实施例中，焊机被配置成在焊接区处焊接工件。鼓风机经配置以产生空气流，且气室与鼓风机联接以接收空气流且将空气流引导朝向工件。所述气室限定环形出口，所述环形出口被配置成面向工件并将空气流朝向工件排出。偏转器设置在出口附近，并且形成为从靠近气室的顶部会聚到远离气室的底部的锥形部分。偏转器由具有中立开口的环形壁限定，以集中空气流，从而在空气流离开出口之后向空气流赋予速度增加，并向空气流赋予朝向焊接区的方向分量。

在另外的实施例中，偏转器包括邻近空气流的平滑表面。空气流遵循平滑表面，并且平滑表面减少空气流的湍流。

在另外的实施例中，偏转器的环形壁相对于竖直方向以大约35至40度范围内的角度设置，并且偏转器是轴对称的。

在另外的实施例中，偏转器的顶部整体径向地设置在开口内部。

在另外的实施例中，偏转器的顶部整体径向地设置在开口外部。

在另外的实施例中，偏转器具有从顶部到底部的不超过三厘米的高度。

在另外的实施例中，偏转器通过增材制造由刚性材料形成，其中表面质量被配置为限制气流摩擦。

在另外的实施例中，焊机产生被配置成遵循一路径的激光束。气室包括具有中立开口的环形气室。偏转器包括也具有中立开口的环形偏转器。中立开口围绕激光束的路径对准，并且偏转器比气室径向向内延伸得更远。

在另外的实施例中，偏转器通过气密接头接合到气室。气室与焊机间隔开一间隙，并且偏转器被配置成引起通过间隙的诱导流。

在多个其他实施例中，一种系统包括配置成在焊接区处焊接工件的焊机。鼓风机被配置成产生空气流。气室经配置以接收空气流且将空气流引导朝向工件。气室限定环形出口，所述环形出口被配置成面向工件并将空气流朝向工件排出。偏转器设置为邻近出口。偏转器形成为从气室朝向工件会聚的锥形部分。偏转器由具有中立开口的壁限定。壁相对于竖直方向以大约35至40度的角度设置。偏转器被配置成集中空气流，以在空气流离开出口之后向空气流赋予速度增加，并且向空气流赋予朝向焊接区的方向分量。焊机包括具有夹具的固定装置，所述夹具被配置成接合工件。焊接区被限定在夹具之间，并且偏转器被配置为将空气流集中并引导到夹具之间的点。

附图说明

在下文中将结合以下附图描述示例性实施例，其中相同的附图标记表示相同的元件，并且其中：

图1是根据各种实施例的激光焊接系统的示意图；

图2是根据各种实施例的图2的激光焊接系统的一部分的局部示意图，示出了气室和偏转器区域；

图3是根据各种实施例的大体上通过图2中所指示的线3-3截取的截面图；

图4是根据各种实施例的图2的激光焊接系统的一部分的局部示意图，示出了气室和偏转器区域；

图5是根据各种实施例的大体上通过图4中所指示的线5-5截取的截面图；以及

图6是根据各种实施例的图1的激光焊接系统的焊接工艺应用的图示。

具体实施方式

以下详细的说明书本质上仅仅是示例性的，并不旨在限制应用和用途。此外，不旨在受前述技术领域、背景技术、发明内容或以下详细说明书中呈现的任何明示或暗示的理论的约束。

如本文所公开的，提供了包括通过空气管理系统的气流优化的系统，该空气管理系统在激光焊接操作中产生生成的羽流管理气流。在多个实施例中，在焊机的激光束的源附近产生强制和诱导气流。偏转器集中气流，增加气流的速度，赋予气流大小强的方向矢量，并抵消气流干扰影响。偏转器有效且高效地减少了在焊接区上方产生的羽流和其他排放物的影响。所产生的流动流分布一致地将羽流移动远离焊接区，避免了由于羽流效应引起的激光能量损失，并改善了焊接质量。在多个实施例中，偏转器被配置为锥形部分，例如锥形会聚喷嘴。偏转器减少气流湍流并限定有效的气流方向。所产生的气流增强了对激光器光学透镜的保护，并且还增加了朝向焊接区的气流的量和大小，以使更多的羽流远离焊接区移动。已经证明了来自焊接区域的质量流速增加高达25％的改进。结果包括焊接质量的改善。

参考图1，示出了焊接系统20，其采用产生优化的生成气流以用于优质焊接生产的方面。通常，焊接系统20包括焊接机22、空气管理系统24和工件28。焊接机22可以是各种类型的焊机中的任何一种，并且在当前实施例中是激光焊接机。因此，焊接机22包括光源30、反射器32、光学器件34、电源36和控制器38。光源30由电源36和控制器38供电和控制，以将光产生到谐振腔40中。光被扩展，然后被反射器32反射通过光学器件34，以作为聚焦到工件28处的点的集中光束42出现。焊接机22被配置成使光束沿着指定的焊接路线在工件28上移动。空气管理系统24可以包括设置在激光光学器件34下方的气流模块25。在实施例中，光学器件和气流模块可以由机器人臂/台架系统26保持。在诸如汽车应用的某些实施例中使用的激光功率可以在1kW至10kW的范围内。生成器可以被配置为站立在地板上的独立设备，其中光纤将激光从激光生成器输送到激光光学器件34以用于激光焊接。

光束42指向工件28，并且因此穿过经受空气运动和污染物暴露的空气空间。工件28可以是多个部件，例如用于在接合界面44处接合。光束42指向接合界面44，从而产生熔池50。在当前实施例中，采用锁孔型激光焊接。当高能量密度光束42沿着接合界面44横穿时，熔池50发展。被光束直接击中的表面材料加热到蒸发点并蒸发。当金属蒸汽离开表面时，它产生反冲压力，该反冲压力迫使下面的熔体离开，形成深且窄的腔，称为穿透熔融材料的锁孔52。可能发生近表面等离子体发射54，并且粒子可能流出焊池50和锁孔52，从而形成羽流56。羽流56可以抑制光束42到达工件28。已经发现，羽流56的特性可能与周围气流速度和方向有关。已经进一步发现，焊接机22的靠近焊池50的固定装置产生加剧羽流56的影响的气流轮廓。例如，用于保持工件28以便在接合界面44处保持可接受的间隙尺寸的夹具60、62可以产生将羽流56引导到光束42的路径中的气流矢量。另外，诸如夹具60、62的固定装置可以阻挡或重定向使羽流56集中的气流。还已经发现，来自羽流56的光束阻尼可能导致工件28处的变化的激光功率降低。即使在采用监控时，控制器38也可能无法进行改变以补偿这些变化。因此，一致地维持锁孔52可能不可能导致增加飞溅物、羽流排放的关闭和打开，并且可能导致焊接质量降低。除了羽流56对光束42的阻尼之外，飞溅物可能使焊接机22的光学器件34模糊或损坏，因此是不期望的。

因此，为了减少羽流56的影响，当前实施例采用空气管理系统24来产生优化的气流轮廓，以有效地将羽流56移出光束42的路径，包括克服任何影响，诸如由夹具60、62引起的那些影响。空气管理系统24通常包括鼓风机72、气室74和偏转器76。鼓风机72产生递送到气室74的加压气流。鼓风机72可以具有各种结构，例如马达驱动的鼠笼式离心风机或其他布置。气室74可以是封闭的环形构造，并且可以在光束42离开光学器件34的出口附近完全围绕光束42。气室74具有中立开口78，光束42可以穿过该中立开口78。加压气流与通过间隙78吸入的诱导气流一起通过偏转器76以流80朝向工件28排出。流80被优化以将羽流56分散到光束42的路径之外并远离焊接区，从而减少或消除不想要的羽流56影响。例如，流80被生成为具有足够速度和均匀定向强度的矢量，以重定向羽流56。此外，流80被引导到相对小的感兴趣区域上，这可以增加空气流80的向下动量力并克服气流扰动，例如由固定或湍流引起的气流扰动。结果，为光学器件34提供了免受污染的保护，并且焊接区中的气流被有益地引导以用于更好质量的激光焊接。

参考图2，示意图示出了空气管理系统24的面向工件28的区域(即，图1的空气管理系统24的底部)。鼓风机72通过管道82将气流引导到气室74中。气室74通常是具有中立开口79的环形形状。另外参考图3，气室74限定腔室84，管道82将气流引导到腔室84中，并且气室74包括指向工件28的出口86。在当前实施例中，出口86呈环形槽的形式，气流通过该环形槽大致向下朝向工件28引导。偏转器76在出口86附近并且在其底表面88处或附近附接到气室74或与气室74一体地形成。

偏转器76成形为由环形壁90限定的锥形部分，并且可以被描述为锥形会聚喷嘴，其具有与气室74的中立开口79对准的开放中心89。偏转器76由具有内表面92和外表面94的环形壁90由相对薄的材料形成。偏转器76的底部96具有比偏转器76的顶部98更小的直径，从而将空气流80拉向光束42。在该实施例中，偏转器76设置在底表面88的略上方，使得出口86设置在偏转器76的径向外侧。因此，离开出口86的空气流80沿着偏转器76的外表面94通过。当流80通过偏转器76的底部96时，额外的诱导气流100被抽吸通过间隙78，从而加入流80。

将偏转器76定位在气室74的底部处或附近使顶部98邻近出口86的内部102并且靠近气室74定位。偏转器76的底部96相对于顶部98远离气室定位。这使得出口86的区域从其内部102到其外部104完全打开并且一直到工件28不受阻碍。偏转器76靠近出口86优化了偏转器在流80被引导到工件28时限定流80的特性的能力。通过在偏转器76的顶部98与气室74之间提供气密接头106来改善这种能力。此外，通过偏转器76产生优化的气流，偏转器76具有从顶部98到底部96的三厘米或大约三厘米的高度108，并且具有轴对称形状以产生轴对称流80。选择高度108以最小化由于壁90上的摩擦引起的气流损失。偏转器76的材料被选择为具有限制摩擦并提供层流的表面质量，其中空气有效地流动并且速度平滑地增加穿过边界层。偏转器76的材料可以是塑料、金属或聚合物，其表现出平滑的内表面92以减少湍流，并且表现出足够刚性的形式以在施加空气流的情况下保持形状。在多个实施例中，偏转器76可以通过使用增材制造工艺打印来经济地制造。

参考图4和图5，示出了偏转器76的替代布置。在该构造中，偏转器设置成壁90的顶部98在底表面88处，从出口86的外部104径向向外并且邻近出口86的外部104。偏转器76的其他属性与图2和图3的布置的属性相同或相似。偏转器76再次成形为锥形会聚喷嘴，其中立开口89与气室74的中立开口79对准。偏转器76由具有内表面92和外表面94的环形壁90由相对薄的材料形成。偏转器76的底部96具有比偏转器76的顶部98更小的直径，从而将空气流80朝向光束42引导。在该实施例中，偏转器76设置在底表面88处，使得出口86设置在偏转器76的径向内侧。因此，离开出口86的空气流80沿着偏转器76的内表面92通过。当流80穿过偏转器76时，额外的诱导气流100被抽吸通过间隙78，从而结合到流80中。

将偏转器76定位在气室74的底部使顶部98邻近出口86的外部104定位。这将偏转器76定位成在出口86的从其内部102到其外部104的区域与工件28之间。偏转器76靠近出口86优化了偏转器在流80被引导到工件28时限定流80的特性的能力。通过在偏转器76的顶部98与气室74之间提供气密接头106来改善这种能力。此外，通过偏转器76产生优化的气流，偏转器76具有从顶部98到底部96的三厘米或大约三厘米的高度108，并且具有轴对称形状以产生轴对称流80。选择高度108以最小化由于壁90上的摩擦引起的气流损失。偏转器76的材料被选择为提供层流，其中空气在边界层上有效且平稳地增加速度流动。该材料可以是塑料、金属或聚合物，表现出平滑的内表面92以减少湍流，并且具有足够刚性的形式以在施加的空气流下保持形状。同样，偏转器76可以通过使用增材制造工艺打印来经济地制造。

参考图6，焊接机22具有包括夹具60和62的固定装置110。焊接区112限定在夹具60和62之间以及工件28处。偏转器76的内部(图2-3)和外部(图4-5)位置都以优化的方式将空气流80引导到焊接区112。在每种情况下，偏转器76比气室74径向向内延伸得更远。具体地，流80在夹具60和62之间并且沿着和围绕光束42被引导。通过包括偏转器76，已经证明了来自焊接区域的质量流速的高达25％的增益。偏转器76的壁90是成角度的/锥形的，使得其相对于竖直方向116以角度114设置。角度114围绕偏转器76的周边是一致的，并且可以相对于竖直方向116在35度至40度(35°至40°)的大小范围内。在一实施例中，流80被优化成具有三十七度半(37.5°)的角度114。已经发现这些参数有效地分散和重定向羽流56远离焊接区112并离开光束42的路径。

因此，系统包括具有气流管理系统的激光焊机，该气流管理系统有效地避免羽流和飞溅效应，从而产生高质量的焊接。可以在焊机的激光束的源附近产生强制和诱导的气流。偏转器集中所产生的气流，增加速度并将强方向矢量赋予气流大小。克服了诸如湍流的气流扰动影响，以减少在焊接区上方产生的羽流的影响。气流管理系统将气流增强并引导到焊接部位上并将羽流移开。提供了输入到工件中的一致的激光能量和一致的焊接质量。

虽然在前述详细说明书中已经呈现了至少一个示例性实施例，但是应当理解，存在大量的变型。还应当理解，一个或多个示例性实施例仅是示例，并不旨在以任何方式限制本公开的范围、适用性或配置。相反，前述详细说明书将为本领域技术人员提供用于实现一个或多个示例性实施例的方便的路线图。应当理解，在不脱离如所附权利要求及其法律等同物中阐述的本公开的范围的情况下，可以对元件的功能和布置进行各种改变。

Claims (10)

1.一种用于焊机的系统，所述焊机被配置成在焊接区处焊接工件，所述系统包括：

鼓风机，所述鼓风机被配置成产生空气流；

气室，所述气室被配置成接收所述空气流并将所述空气流朝向所述工件引导，所述气室限定出口，所述出口被配置成面向所述工件并将所述空气流朝向所述工件排出；

偏转器，所述偏转器邻近所述出口设置，所述偏转器形成为从所述气室朝向所述工件会聚的锥形部分，所述偏转器由具有中立开口的成角度的壁限定，

其中，所述偏转器被配置成集中所述空气流，以在所述空气流离开所述出口之后向所述空气流赋予速度增加，并且向所述空气流赋予朝向所述焊接区的方向分量。

2.根据权利要求1所述的系统，其中，所述偏转器包括所述空气流所遵循的平滑表面，所述平滑表面构造成减少所述空气流的湍流。

3.根据权利要求1所述的系统，其中，所述偏转器的所述成角度的壁相对于竖直方向以大约35至40度的范围内的角度设置。

4.根据权利要求1所述的系统，其中，所述偏转器从靠近所述气室的顶部延伸到远离所述气室的底部，其中，所述顶部整体径向地设置在所述开口内部。

5.根据权利要求1所述的系统，其中，所述偏转器从靠近所述气室的顶部延伸到远离所述气室的底部，其中，所述顶部整体径向地设置在所述开口的外部。

6.根据权利要求1所述的系统，其中，所述偏转器在从所述气室朝向所述工件的方向上具有大约三厘米的高度。

7.根据权利要求1所述的系统，其中，所述偏转器通过增材制造形成，其中表面质量被配置为限制气流摩擦。

8.根据权利要求1所述的系统，其中：

所述焊机被配置成产生激光束，所述激光束被配置成遵循一路径，

所述气室包括具有第一中立开口的环形气室，

所述偏转器包括具有第二中立开口的环形偏转器，并且

所述第一中立开口和第二中立开口围绕所述激光束的路径对准。

9.根据权利要求1所述的系统，其中，所述偏转器通过气密接头接合到所述气室。

10.根据权利要求1所述的系统，其中：

所述焊机包括固定装置，所述固定装置具有配置成接合所述工件的第一夹具和配置成接合所述工件的第二夹具，

所述焊接区被限定在所述第一夹具与所述第二夹具之间，并且

所述偏转器被配置成将所述空气流集中并引导到所述第一夹具与所述第二夹具之间的点。

Images