CN116810156A - 一种双激光-电弧复合焊接装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种双激光‑电弧复合焊接装置及方法，其技术方案要点包括：一对激光器、一个激光器旋转组件、激光器升降臂、两个激光器角度调节组件、一个焊机、一个焊枪、一个焊接工作台、一个送丝机构。其方法主要是：利用激光器高度调节装置和激光器角度调节装置控制激光器的三维空间位置，实现多角度、多方位的焊接。双激光具有结合两种相同或不同激光的优势，利用激光对电弧的稳定作用和电弧促进激光能量吸收的作用，结合形成双激光‑电弧复合焊接热源，作用在目标焊接工件的同一熔池内，完成对目标工件的焊接。该方法柔性、灵活、高效，焊接深度可达30mm以上，且不易出现焊接时的飞溅现象，焊接后的焊缝规整、均匀、美观。

Description

一种双激光-电弧复合焊接装置及方法

技术领域

本发明涉及高强钢及钛合金中厚板焊接技术领域，具体涉及一种双激光-电弧复合焊接装置及方法。

背景技术

高强钢及钛合金在化工、冶金、军工等诸多领域中得到广泛应用，其应用的制造工艺也日益完善。诸如常用的压力容器钢板、船用高强钢等材料的厚度一般在6-30mm范围之内，常用的钛合金板厚度一般在10-20mm范围之内。采用传统的焊条电弧焊、药芯焊丝电弧焊等焊接技术，在上述板材的焊接期间暴露出焊接变形量过大、热影响区太大、焊接缺陷较多、成型效率低等问题。选用激光电弧复合焊技术，完美兼容了电弧、激光两类热源的优点。激光可以增加焊缝熔深，降低电弧电阻与提升能量实际利用率的作用；电弧可以快速加热母材和有效填充焊缝金属，从而起到提高焊缝合金元素含量的作用。激光-电弧复合焊技术可以保证焊缝成型较好，还可以在很大程度上提高焊接效率，该技术备受科研界和工业界的广泛关注。

在中国专利[CN110465741A]中提出了一种同轴双激光电弧复合焊接装置及方法，该装置巧妙地采用了反射镜，将两束激光最终聚焦在同一轴线上，并结合了MAG焊，但是该方法在激光器角度调节上存在一定限制，无法实现柔性复合焊接，在对一些焊接部处于产品侧边的物品来说，需要时常对产品的放置角度进行调整，造成焊接时较为麻烦，因此在工业应用中具有很大的局限性。

因此，提供一种可以实现多方位、多角度调节的双激光-电弧复合焊接装置及方法，成为当前复合焊焊接技术领域亟待解决的技术问题。

发明内容

为了解决以上问题，本发明提供一种双激光-电弧复合焊接装置及方法，以解决或部分解决现有技术中焊接中厚板时存在的焊接深度不足的问题。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案：一种双激光-电弧复合焊接装置，包括焊接工作台，所述焊接工作台上方设置有安装架，所述安装架上设置有垂直焊接工作台表面的焊枪以及角度可与焊枪相倾斜的一对激光器，一对所述激光器与安装架之间设置有调节机构；所述调节机构包括一对可上下滑动的升降臂，所述升降臂与激光器之间通过角度调节组件活动连接，所述角度调节组件用于调节激光器激光束的入射角度，所述升降臂与安装架之间通过旋转组件转动连接，所述旋转组件用于调节激光器相对焊接工作台的方位。

本发明还进一步设置为：所述升降臂包括滑动设置于旋转组件上的支撑架以及转动设置于旋转组件上的驱动齿轮，所述支撑架上设置有与驱动齿轮啮合的齿条。

本发明还进一步设置为：所述角度调节组件包括转动设置于升降臂一端的转动盘，所述激光器转动设置于转动盘上。

本发明还进一步设置为：所述旋转组件包括转动连接于安装架上的一对转动件，一对所述转动件间隔设置且之间设置有离合机构，所述离合机构能够使一对转动件可相向转动、同步转动或者单独转动；还包括驱动一对转动件转动的驱动件。

本发明还进一步设置为：一对所述转动件分别为上套筒与下套筒，所述上套筒外设置有固定齿环，所述下套筒上设置有可与固定齿环相配合的同步齿环，所述下套筒内侧还转动连接有换向齿轮，所述换向齿轮与下套筒内壁的齿圈相互啮合且换向齿轮与下套筒之间可相对转动；所述离合机构包括滑动设置于安装架上的控制筒，所述控制筒与安装架之间通过所述控制筒可连接固定齿环与同步齿环或者换向齿轮与固定齿环。

本发明还进一步设置为：所述控制筒套设于上套筒与下套筒之间，所述控制筒上端设置有与固定齿环相啮合且可相对滑动的连接齿环，所述控制筒下端设置有可与同步齿环相啮合的卡齿；所述控制筒下端还设置有滑动设置于下套筒内侧的连接部，所述连接部上设置有可与换向齿轮相啮合的齿轮。

本发明还进一步设置为，所述控制筒与安装架之间设置有锁止机构，所述锁止机构包括周向设置于安装架周侧的三个环槽，三个环槽分别对应控制筒的三个档位，由上至下分别用于实现一对激光器之间的同步转动、单独转动或者相向转动；还包括弹性设置于控制筒内壁且与环槽卡接配合的锁珠。

一种双激光-电弧复合焊接装置的焊接方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1：焊接前，将待焊工件表面进行打磨清洗，完成后将待焊工件固定在焊接工作台上；

步骤2：连接安装所有焊接设备与装置，确保激光器、焊枪及调节机构安装牢固稳定，同时确保调节机构的上下、左右以及周向方向的移动或旋转动作均可以正常执行。

步骤3：启动所有设备，分别获取一对激光器的激光束；

步骤4：旋转激光器的旋转组件，将两台激光器主体位置转动到目标位置；

步骤5：控制激光器的升降臂，分别对两束激光进行上下位置的调整；

步骤6：将焊枪中的焊丝伸出一定的伸长量，直至接触到待焊接焊缝，并确保其焊丝竖直方向上垂直于工作台；

步骤7：使用激光器的角度调节组件调节激光束的入射角度，使两个激光束的光斑聚焦于步骤6中焊丝与焊接焊缝的接触点；

步骤8：回抽焊机中的焊丝至焊接时需要的干伸长，然后开始焊接。

本发明还进一步设置为：所述电弧采用熔化极MIG焊或熔化极MAG焊。

本发明还进一步设置为：所述双激光可以为两种相同或不同的激光种类。

综上所述，本发明的有益效果：

1.本发明采用激光电弧复合焊接，综合利用了激光焊接和电弧焊接的优势，激光对电弧有稳定作用，同时电弧可以促进激光能量吸收，既能够保证飞溅少、熔池稳定，又能极大程度地减少焊缝背面成型差、出现咬边、未熔合等缺陷，相比于传统焊接方式，采用本发明的焊接方式焊接效率更高，得到的焊缝更加规整、均匀、美观，并且焊接强度更高。

2.本发明采用的激光电弧复合焊接为双激光复合单电弧模式，焊缝熔深与焊缝宽度可控性更强，相同或不同的双激光的组合可以满足不同的焊接需求，且焊接功率上限高于现有的绝大部分激光电弧复合焊，可以最大程度地提升焊接深度，最大焊接深度可达30mm以上；

3.本发明通过升降臂、角度调节组件以及旋转组件，可实现激光器的多方位、多角度焊接，双激光能够在方位、高度、角度上进行高精度无级调节，增加了焊接的灵活性和柔性，能够满足多种情况下的焊接需求，同时实现了双激光光斑焦点与熔化极电弧焊滴之间的精准调整，解决了传统激光电弧复合焊接时，离焦量难以确定，焊接精度不足等缺点，并且旋转组件中，离合器的设置能够实现两个激光器的同步、相向或者单独转动，从而可以根据使用者的需要对两个激光器的方位进行快速的调节，调节更加的方便快捷。

4.本发明的结构中，由于激光器与水平方向为非垂直关系，具有一定夹角，相较于传统的激光器焊接方法，本发明在焊接时无需倾斜待焊工件，即可避免激光器镜片因受激光束反射而受损的缺点。

附图说明

图1为本发明的双激光-电弧复合焊接装置示意图。

图2为图1的局部放大图。

图3为图2的局部放大图。

图4为上套筒与下套筒分离状态示意图。

图5为上套筒与下套筒同步转动连接示意图。

图6为实施例1的双激光-电弧复合焊接工作原理图。

附图标记：1-焊接工作台；2-安装架；3-焊枪；4-激光器；5-升降臂；51-支撑架；52-驱动齿轮；53-齿条；6-角度调节组件；61-转动盘；7-旋转组件；71-上套筒；72-下套筒；73-固定齿环；74-同步齿环；75-换向齿轮；8-离合机构；81-控制筒；82-连接齿环；83-连接部；84-齿轮；9-环槽；10-锁珠；11-焊机；12-送丝机构。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，但不作为对本发明的限定。本发明涵盖任何由权利要求定义的在本发明的精髓和范围上做的替代、修改、等效方法以及方案。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作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。

需要说明的是，在以下各实施例中未做具体说明的部分，比如激光器、焊枪、焊机、送丝机构等的具体结构和安装连接方法，均为本领域技术人员所公知的现有技术，在此不进行赘述。

如图1-6所示，本发明公开了一种双激光-电弧复合焊接装置，包括设置于焊接工作台1上方的安装架2，所述安装架2上设置有连接焊机11的焊枪3，以及转动设置于焊枪3周侧的一对激光器4，一对激光器4通过调节机构实现与安装架2的连接；调节机构包括转动设置于安装架周侧的旋转组件7，旋转组件7连接有升降臂5，升降臂5的下端通过角度调节组件连接有激光器；从而能够对激光器的方位、高度以及激光的入射角度进行精准的调节，方便使用者对产品的焊接。

升降臂5包括转动设置于旋转组件上的驱动齿轮52，驱动连接有电机，所述电机与设备的控制模块连接，因此能够实现对驱动齿轮52正反转的控制，所述旋转组件上还上下滑动设置有支撑架51，支撑架51上固定连接有与驱动齿轮52相啮合的齿条53，在齿条的带动下能够通过支撑架51带动激光器上下移动，从而实现对激光器高度的调节。

升降臂5的下端通过轴承转动连接有转动盘61，转动盘61内侧设置有齿环，所述升降臂5上设置有与齿环相互啮合且连接有电机的齿轮，齿轮的转动能够带动齿环转动，最终实现对激光器朝向的调节；而转动盘61的下方设置有可以上下摆动的激光器，从而能够实现对激光器上下角度的调节，进而控制激光器的入射角度，其中激光器通过转轴与转动盘61连接，且转轴连接有电机。

如图2-3以及5所示，所述旋转组件7包括一对转动设置于安装架2周侧的上套筒71与下套筒72，所述上套筒71外设置有固定齿环73，所述下套筒72上设置有可与固定齿环73相配合的同步齿环74，还包括设置于上套筒71与下套筒72之间且与安装架转动连接的控制筒81，控制筒81可上下滑动，且控制筒上端设置有与固定齿环73相啮合且可相对上下滑动的连接齿环82，连接齿环82与固定齿环齿环始终啮合；如图5所示，所述下套筒下端还设置有卡齿，所述卡齿在控制筒81上下移动的过程中，可以与同步齿环74实现卡接，从而完成固定齿环与同步齿环的相互连接，实现上套筒与下套筒的同步转动；从而在使用者完成两个激光器的焦点对齐校准后，当产品需要焊接的位置方位发生改变后，使用者不需要重新对激光器的两个焦点进行重新的调整；而是通过旋转组件即可改变焦点的方位，使得调整更加的方便快捷。

而如图2-3所示，所述下套筒72内侧壁上设置有环槽，所述环槽内转动连接有一对安装块，所述安装块之间通过转轴连接有换向齿轮75，所述换向齿轮75与安装架之间通过连接杆固定连接；所述换向齿轮75与下套筒72内壁的齿圈相互啮合且换向齿轮75与下套筒72之间可相对转动；所述控制筒81下端设置有滑动设置于下套筒72内侧的筒状的连接部83，所述连接部83的周侧设置有可与换向齿轮75相啮合的齿轮84，当控制筒滑动至如图4所示的状态时，所述连接部83上的齿轮84会与换向齿轮75相啮合，从而实现固定齿轮与齿圈76之间的连接啮合，当上套筒转动时，通过换向齿轮75以及齿圈76，从而会带动下套筒反向转动，实现上套筒与下套筒之间的相向转动；当使用者需要实现两个激光机对T型结构件的两侧进行同步焊接加工时，能够控制原本位于初始位置的两个激光器相向转动，让两个激光器能够对称位于T型结构件的两侧，让工作人员在对两个激光器的焦点位置进行校准时，只需要调节其中一侧方位即可，从而减少了工作量，让方位调节更加的方便快捷。

而如图4所示，当控制筒位于中间档位时，控制筒与下套筒之间不存在啮合连接关系，从而可以单独的控制上套筒或下套筒的转动，让两个激光器位于不同的方位实现对产品的焊接。

所述控制筒81与安装架2之间设置有锁止机构，所述锁止机构包括周向设置于安装架2周侧的三个环槽9，三个环槽9分别对应控制筒81的三个档位，由上至下分别用于实现一对激光器4之间的同步转动、单独转动或者相向转动；还包括弹性设置于控制筒81内壁且与环槽9卡接配合的锁珠10。

通过上述结构，使用者能够方便的对激光器的高度、方位以及光束的入射角度进行精准的控制调节，从而让一对激光器能够适应不同形状、大小、焊接位置的产品，从而让使用者不需要对产品的夹持方式，放置位置进行调整，方便了操作使用。

实施例1

其中激光器可以一个选取光纤激光器，另一个选取CO2激光，焊接工件选取板厚为25mm的440MPa级船用高强钢，电弧选取MAG焊电弧，保护气选取Ar95％+O25％。

步骤1：焊接前需要对待焊工件进行预处理，将待焊工件表面使用角磨机进行打磨，然后使用95％工业酒精清洗表面，去除油污锈迹，完成预处理后将待焊工件通过焊接工作台的夹具固定在焊接工作台上；

步骤2：连接安装所有焊接设备与装置，确保激光器和焊机及各调节装置安装牢固稳定，同时确保各调节装置的上下、左右等方向的移动或旋转动作均可以正常执行。

步骤3：启动所有设备，分别获取光纤激光器的激光束和CO2激光器的激光束；

步骤4：调节旋转组件，将两台激光器主体位置转动到MAG焊机同侧位置，调整两激光器相对焊枪的水平方向上的夹角为15°；

步骤5：驱动激光器高度调节装置的驱动齿轮转动，调整激光器的高度位置；

步骤6：使用送丝机构将焊枪中的焊丝伸出一定的干伸长量，直至接触到待焊接焊缝，并确保其焊丝竖直方向上垂直于工作台；

步骤7：根据光纤激光器的激光束和CO2激光器的激光束的光斑位置，使用激光器角度调节组件，调整激光束的入射角度，使两个激光束的光斑聚焦于步骤6中焊丝与待焊工件接触点，以保证在焊接时双激光束的光斑与MAG焊机输出的熔滴复合，共同作用在焊接目标上的同一熔池，同时调节离焦量为2mm；

步骤8：回抽焊机中的焊丝至焊接时需要的干伸长；

步骤9：开启MAG焊机及送丝机构，将光纤激光和CO2激光的光斑焦点聚焦于MAG焊机的熔滴处，并作用于焊接目标上产生熔池。然后将该焦点依次通过待焊接工件的所有待焊接焊缝，完成整个焊接任务。

实施例2

其中激光器一个选取CO2激光器，另一个激光器选取YAG激光器，焊接工件选取板厚为20mm的TC4钛合金板，电弧选取MIG氩弧焊电弧，保护气为纯度99.9％以上的氩气。

步骤1：焊接前需要对待焊工件进行预处理，将待焊工件表面使用角磨机进行打磨，然后使用95％工业酒精清洗表面，去除油污锈迹，完成预处理后将待焊工件通过焊接工作台的夹具固定在焊接工作台上；

步骤2：连接安装所有焊接设备与装置，确保激光器和焊机及各调节装置安装牢固稳定，同时确保各调节装置的上下、左右等方向的移动或旋转动作均可以正常执行。

步骤3：启动所有设备，分别获取CO2激光器的激光束和YAG激光器的激光束；

步骤4：控制旋转组件，将两台激光器主体位置转动到MIG焊机同侧位置，调整两激光器相对焊枪的水平方向上的夹角为15°，然后旋紧激光器旋转装置的紧固螺栓；

步骤5：驱动升降臂的驱动齿轮，调整激光器的高度位置；

步骤6：使用送丝机构将焊枪中的焊丝伸出一定的干伸长量，直至接触到待焊接焊缝，并确保其焊丝竖直方向上垂直于工作台；

步骤7：根据CO2激光器的激光束和YAG激光器的激光束的光斑位置，使用激光器角度调节装置，调整激光束的入射角度，使两个激光束的光斑聚焦于步骤6中焊丝与待焊工件接触点，以保证在焊接时双激光束的光斑与MIG焊机输出的熔滴复合，共同作用在焊接目标上的同一熔池，同时调节离焦量为0.8mm；

步骤8：回抽焊机中的焊丝至焊接时需要的干伸长；

步骤9：开启MIG焊机及送丝机构，将CO2激光器的激光束和YAG激光器的激光束的光斑焦点聚焦于MIG焊机的熔滴处，并作用于焊接目标上产生熔池。然后将该焦点依次通过待焊接工件的所有待焊接焊缝，完成整个焊接任务。

尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的设计构思之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种双激光-电弧复合焊接装置，包括焊接工作台(1)，所述焊接工作台(1)上方设置有安装架(2)，其特征在于，所述安装架(2)上设置有垂直焊接工作台(1)表面的焊枪(3)以及角度可与焊枪(3)相倾斜的一对激光器(4)，一对所述激光器(4)与安装架(2)之间设置有调节机构；所述调节机构包括一对可上下滑动的升降臂(5)，所述升降臂(5)与激光器(4)之间通过角度调节组件(6)活动连接，所述角度调节组件(6)用于调节激光器(4)激光束的入射角度，所述升降臂(5)与安装架(2)之间通过旋转组件(7)转动连接，所述旋转组件(7)用于调节激光器(4)相对焊接工作台(1)的方位。

2.根据权利要求1所述的一种双激光-电弧复合焊接装置，其特征在于：所述升降臂(5)包括滑动设置于旋转组件(7)上的支撑架(51)以及转动设置于旋转组件(7)上的驱动齿轮(52)，所述支撑架(51)上设置有与驱动齿轮(52)啮合的齿条(53)。

3.根据权利要求1所述的一种双激光-电弧复合焊接装置，其特征在于：所述角度调节组件(6)包括转动设置于升降臂(5)一端的转动盘(61)，所述激光器(4)转动设置于转动盘(61)上。

4.根据权利要求1所述的一种双激光-电弧复合焊接装置，其特征在于：所述旋转组件(7)包括转动连接于安装架(2)上的一对转动件，一对所述转动件间隔设置且之间设置有离合机构(8)，所述离合机构(8)能够使一对转动件可相向转动、同步转动或者单独转动；还包括驱动一对转动件转动的驱动件。

5.根据权利要求4所述的一种双激光-电弧复合焊接装置，其特征在于：一对所述转动件分别为上套筒(71)与下套筒(72)，所述上套筒(71)外设置有固定齿环(73)，所述下套筒(72)上设置有可与固定齿环(73)相配合的同步齿环(74)，所述下套筒(72)内侧还转动连接有换向齿轮(75)，所述换向齿轮(75)与下套筒(72)内壁的齿圈(76)相互啮合且换向齿轮(75)与下套筒(72)之间可相对转动；所述离合机构(8)包括滑动设置于安装架(2)上的控制筒(81)，所述控制筒(81)与安装架(2)之间通过所述控制筒(81)可连接固定齿环(73)与同步齿环(74)或者换向齿轮(75)与固定齿环(73)。

6.根据权利要求5所述的一种双激光-电弧复合焊接装置，其特征在于：所述控制筒(81)套设于上套筒(71)与下套筒(72)之间，所述控制筒(81)上端设置有与固定齿环(73)相啮合且可相对滑动的连接齿环(82)，所述控制筒(81)下端设置有可与同步齿环(74)相啮合的卡齿；所述控制筒(81)下端还设置有滑动设置于下套筒(72)内侧的连接部(83)，所述连接部(83)上设置有可与换向齿轮(75)相啮合的齿轮(84)。

7.根据权利要求6所述的一种双激光-电弧复合焊接装置，其特征在于，所述控制筒(81)与安装架(2)之间设置有锁止机构，所述锁止机构包括周向设置于安装架(2)周侧的三个环槽(9)，三个环槽(9)分别对应控制筒(81)的三个档位，由上至下分别用于实现一对激光器(4)之间的同步转动、单独转动或者相向转动；还包括弹性设置于控制筒(81)内壁且与环槽(9)卡接配合的锁珠(10)。

8.根据权利要求1-7中任一所述的一种双激光-电弧复合焊接装置的焊接方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1：焊接前，将待焊工件表面进行打磨清洗，完成后将待焊工件固定在焊接工作台(1)上；

步骤2：连接安装所有焊接设备与装置，确保激光器(4)、焊枪(3)及调节机构安装牢固稳定，同时确保调节机构的上下、左右以及周向方向的移动或旋转动作均可以正常执行。

步骤3：启动所有设备，分别获取一对激光器(4)的激光束；

步骤4：旋转激光器(4)的旋转组件(7)，将两台激光器(4)主体位置转动到目标位置；

步骤5：控制激光器(4)的升降臂(5)，分别对两束激光进行上下位置的调整；

步骤6：将焊枪(3)中的焊丝伸出一定的伸长量，直至接触到待焊接焊缝，并确保其焊丝竖直方向上垂直于工作台；

步骤7：使用激光器(4)的角度调节组件(6)调节激光束的入射角度，使两个激光束的光斑聚焦于步骤6中焊丝与焊接焊缝的接触点；

步骤8：回抽焊机中的焊丝至焊接时需要的干伸长，然后开始焊接。

9.根据权利要求8所述的一种双激光-电弧复合焊接装置的焊接方法，其特征在于：所述电弧采用熔化极MIG焊或熔化极MAG焊。

10.根据权利要求8所述的一种双激光-电弧复合焊接装置的焊接方法，其特征在于：所述双激光可以为两种相同或不同的激光种类。