CN1246117C - 激光－电弧同轴复合焊炬 - Google Patents
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Abstract
激光-电弧同轴复合焊炬，属于激光-电弧同轴复合焊接设备领域。为了解决现有技术中激光-电弧旁轴复合焊时因热源不对称带来的焊接质量受焊接方向影响的问题，同时避免复杂的电极加工工艺，本发明公开了一种激光-电弧同轴复合焊炬。焊炬端面具有一个光路孔径，内置一套光束变换系统和反射聚焦系统，还包括一个电弧焊电极。经所述焊炬光路孔径入射的激光经所述光束变换系统分成双光束或变换为环形光束，再经反射聚焦系统将所述双光束或环形光束聚焦；所述的电弧焊电极处于所述双光束或环形光束中间，且与所述聚焦系统射出的激光束同轴。本发明工件装配要求低，间隙适应性好，热源对称且更集中，焊接质量不受焊接方向影响。
Description
技术领域
本发明涉及激光和电弧复合焊接设备，尤其涉及一种激光—电弧同轴复合焊炬。
背景技术
激光焊接技术已经越来越广泛地应用在汽车、航空航天、国防工业、造船、海洋工程、核电设备等领域，所涉及的材料涵盖了几乎所有的金属材料。一般来说，激光焊接设备至少包括一台可输出一定激光功率的CO2或Nd:YAG激光器，光束传输系统(光路或光纤)，而焊接喷嘴或焊头则包括一个或一组聚焦反射镜或聚焦透镜，以便将激光束聚焦成很小的光斑，该光斑作用在待焊工件上以热导焊或深熔焊方式形成焊缝。在焊接过程中一般要通以辅助气体对熔池进行保护。虽然激光焊接具有能量密度高、变形小和焊接速度快的特点，但是激光焊接在实际应用中也存在诸如间隙适应性差、对焊前工件的加工装配要求高，易产生气孔、对焊缝的成分和组织控制困难等不足。
广泛应用于工业生产的气体保护电弧焊包括TIG(钨极惰性气体)、MIG(熔化极惰性气体)、MAG(金属极活性气体)以及等离子弧焊。这些焊接方法虽然能量密度低，焊接速度慢，但具有间隙适应性好、可通过焊丝改善焊缝成型和焊缝成分组织的特点。为此，目前在激光加工领域及焊接领域已经开发了一种激光和电弧混合的焊接方法，即激光—电弧复合焊，包括激光—TIG(或GTAW)、激光—MIG(或GMAW)、激光—等离子弧、激光—MAG等。其特点在于：
(1)可降低工件装配要求，间隙适应性好。
(2)有利于减小气孔倾向。
(3)可以实现在较低激光功率下获得更大的熔深和焊接速度。
(4)利用电弧焊的填丝可改善焊缝成分和性能，对焊接特种材料或异种材料有重要意义。
因此激光-电弧复合焊集合了激光焊接大熔深、高速度、小变形的优点，又具有间隙敏感性低、焊接适应性好的特点，是一种优质高效焊接方法。
然而，目前激光-电弧复合焊的技术和设备都是旁轴电弧辅助的激光焊，如图1所示，激光束3和电弧焊的电极5成一定角度，因此激光束3与电弧复合后在待焊工件表面产生一个非对称的焊接热源。其中在公开日为2001年12月12日公开号为CN1325778A的中国专利就涉及一种激光-电弧的旁轴混合焊接工艺。这种复合焊方法存在以下缺点：(1)热源为非对称性，焊接质量受焊接方向影响极大，即光束与电极须保持和焊接方向一致才能获得良好的焊缝，因此难以用于曲线或三维焊接；(2)电弧与激光聚焦光斑的相互位置关系对焊接过程稳定性影响大，在实际应用时不易保持稳定。
与此相反，如能实现图2所示的将激光束3和电极5同轴的焊接方法则可以克服以上缺点。因电极5位于激光束3的中心，激光光束与电弧为同轴，形成一种同轴对称的复合热源，焊接质量将不受焊接方向的影响，提高了焊接过程稳定性，并可方便地实现二维和三维焊接。
陈彦斌等在1995年12月发表于《焊接学报》第16卷第4期的文献“激光—电弧同轴复合焊接热源焊接”中，提到了一种激光—TIG同轴复合焊方法，其原理如图3所示，在钨极5中心加工一中心孔使激光束3从钨极中心通过。但这种方法必须加大钨极直径以便在钨极中心加工孔，导致钨极损耗过大，电流密度减小，电弧热源不集中；而且无法用于激光与MIG的复合焊接，因MIG焊时电极直径很小，必须连续送进，无法在中心钻孔使激光通过。
发明内容
本发明的目的在于解决现有技术中激光-电弧旁轴复合焊时因热源不对称带来的焊接质量受焊接方向影响的问题，同时避免复杂的电极加工工艺，提供一种新的激光—电弧同轴复合焊炬。
本发明公开了一种激光—电弧同轴复合焊炬，其端面具有一个光路孔径，内置一套光束变换系统和反射聚焦系统，还包括一个电弧焊电极，其特征在于：经所述焊炬光路孔径入射的激光经所述光束变换系统分成双光束或变换为环形光束，再经反射聚焦系统将所述双光束或环形光束聚焦；所述的电弧焊电极处于所述双光束或环形光束中间，且与所述聚焦系统射出的激光束同轴。
作为本发明的一种改进，所述激光—电弧同轴复合焊炬的光束变换系统包括至少一个可将入射激光分为两束激光的分光反射镜；所述的反射聚焦系统包括至少一个将分光后的两束激光聚焦的反射聚焦镜；所述焊炬的侧面设有一个电极伸入孔，所述电弧焊电极由所述的电极伸入孔伸入，并置于双光束的中心。
本发明的一种形式为：所述激光—电弧同轴复合焊炬的光束变换系统为一个可将入射激光分为两束激光的分光反射镜；所述的反射聚焦系统为两个分别置于所述分光反射镜两侧的对分光后的两束激光聚焦的抛物面反射聚焦镜或球面反射聚焦镜。
本发明的另一种形式为：所述激光—电弧同轴复合焊炬的光束变换系统为一个可将入射激光分为两束激光的分光反射镜；所述的反射聚焦系统为一个置于所述分光反射镜上方的带中心孔的对分光后的两束激光聚焦的抛物面反射聚焦镜或球面反射聚焦镜。
作为本发明的另一种改进，所述激光—电弧同轴复合焊炬的光束变换系统包括至少一个可将入射激光变换成环形光束的透镜，所述的反射聚焦系统包括至少一个可将所述环形光束聚焦的中心有小孔的反射聚焦镜；所述焊炬的端面设有一个与所述反射聚焦镜中心小孔同轴的电极伸入孔，所述电弧焊电极由电极伸入孔和反射聚焦镜的中心小孔插入，并置于环形光束的中心。
本发明的一种形式为：所述激光—电弧同轴复合焊炬的光束变换系统包括一个平面反射镜和一个回转体三棱镜，入射光束依次经平面反射镜反射和回转体三棱镜变换后出射环形光束；所述的反射聚焦系统为一个可将所述环形光束聚焦的中心有小孔的抛物面反射聚焦镜或球面反射聚焦镜。
本发明的另一种形式为：所述激光—电弧同轴复合焊炬的光束变换系统包括一个平面反射镜、一个回转体三棱镜和一个准直三棱镜，入射光束依次经平面反射镜反射、回转体三棱镜变换、准直三棱镜准直后出射平行环形光束；所述的反射聚焦系统为一个可将所述平行环形光束聚焦的中心有小孔的抛物面反射聚焦镜或球面反射聚焦镜。
本项发明的有益效果在于：
(1)与激光焊接相比可降低工件装配要求，间隙适应性好。
(2)与激光-电弧旁轴复合焊相比，热源对称且更集中，焊接质量不受焊接方向影响。
(3)可用于激光与MIG或MAG的同轴复合。
(4)有利于减小气孔倾向。
(5)可以实现在较低激光功率下获得更大的熔深和焊接速度。
(6)利用电弧焊的填丝可改善焊缝成分和性能，对焊接特种材料或异种材料有重要意义。
附图说明
图1为激光—电弧旁轴复合焊示意图。
图2为激光—电弧同轴复合焊示意图。
图3为一种激光—TIG同轴复合焊示意图。
图4为本发明中的激光—电弧同轴复合焊示意图。
图5a为本发明实施例一所述的双光束法激光—电弧同轴复合焊炬主示意图。
图5b为本发明实施例一所述的双光束法激光—电弧同轴复合焊炬侧面示意图。
图6为本发明实施例二所述的环形光束法激光—电弧同轴复合焊炬示意图。
具体实施方式
具体地讲，本项发明涉及一种将至少一束激光和一束电弧，特别是TIG和MIG电弧，混合在一起并获得同轴对称复合热源的激光—电弧同轴复合焊炬。使用该激光—电弧同轴复合焊炬进行焊接时，钨极或焊丝处于光束中心，激光束的中心对称轴和电弧的中心对称轴重合，并共同作用在待焊工件表面获得一个圆周对称的复合热源，以实现激光—电弧的同轴复合焊接，如图4所示。
为实现该发明所述的激光—电弧同轴复合焊炬，首先需要使用至少一台固体YAG或CO2激光器和可以传输激光束的光纤或光路，以及一台MIG或TIG或MAG焊设备。
实施例一：
图5a和图5b为根据本发明设计的一个实施例的主示意图和侧面示意图，该实施例利用双光束法实现激光与电弧的同轴复合。激光—电弧同轴复合焊炬4包括一个分光反射镜1和两个抛物面反射聚焦镜2。激光器输出的激光束3经焊炬4的光路孔径入射到分光反射镜1上，分光反射镜1将激光束分为两束激光，然后经过两个抛物面反射聚焦镜2将这两束激光聚焦在待焊工件7表面；同时电弧焊的电极5由焊炬侧面的电极伸入孔伸入，并置于双光束的中心，这样在焊接开始时，经聚焦后的激光束与电弧6共同作用在工件7表面，依靠这种同轴复合的激光—电弧混合热源实施焊接。
根据情况，上述两个抛物面反射聚焦镜可以用两个球面反射聚焦镜所代替。
本装置的另一种改进为：两个反射聚焦镜也可以被一个置于分光反射镜上方的带中心孔的反射聚焦镜所替代，该反射聚焦镜的中心孔允许激光束穿过直接作用在分光反射镜上，该反射聚焦镜使用抛物面反射聚焦镜或球面反射聚焦镜，可对分光后的两束激光聚焦。
实施例二：
图6为根据本发明设计的另一个实施例的示意图，该实施例利用环形光束法实现激光与电弧的同轴复合。该装置中的激光—电弧同轴复合焊炬4使用一个平面反射镜、两个三棱镜和一个反射聚焦镜。其中平面反射镜8将入射激光3反射到回转体三棱镜9，回转体三棱镜9将实心激光束变换成环形光束，并经另一个准直三棱镜10后变换成平行环形光束，再经带有小孔的抛物面反射聚焦镜2聚焦在待焊工件7表面。焊炬的端面设有一个与所述反射聚焦镜中心小孔同轴的电极伸入孔，TIG焊钨极或MIG/MAG焊电极5由电极伸入孔和反射聚焦镜的中心小孔插入，并置于环形光束的中心。在焊接开始时，经聚焦后的激光束与电弧6共同作用在工件7表面，依靠这种同轴复合的激光—电弧混合热源实施焊接。
根据情况，上述装置中也可以不采用准直三棱镜，直接将由回转体三棱镜射出的环形光束照射在带中心孔的抛物面反射聚焦镜上。
上述抛物面反射聚焦镜也可以使用一个带中心孔的球面反射聚焦镜代替。
本发明中的激光—电弧复合焊方法及焊接装置可以用于不同焊接位置，包括平焊、横焊、立焊和仰焊，此时在实施例一或实施例二中可适当增加或减少反射镜。
根据情况，利用上述任何一种激光—MIG或MAG同轴复合焊炬进行同轴添丝激光焊，此时不需要电弧，但填充金属也可以由光束中心送进。
Claims (7)
1.激光-电弧同轴复合焊炬，其端面具有一个光路孔径，内置一套光束变换系统和反射聚焦系统，还包括一个电弧焊电极，其特征在于：经所述焊炬光路孔径入射的激光经所述光束变换系统分成双光束或变换为环形光束，再经反射聚焦系统将所述双光束或环形光束聚焦；所述的电弧焊电极处于所述双光束或环形光束中间，且与所述聚焦系统射出的激光束同轴。
2.根据权利要求1所述的激光-电弧同轴复合焊炬，其特征在于：所述的光束变换系统包括至少一个可将入射激光分为两束激光的分光反射镜；所述的反射聚焦系统包括至少一个将分光后的两束激光聚焦的反射聚焦镜；所述焊炬的侧面设有一个电极伸入孔，所述电弧焊电极由所述的电极伸入孔伸入，并置于双光束的中心。
3.根据权利要求2所述的激光-电弧同轴复合焊炬，其特征在于：所述的光束变换系统为一个可将入射激光分为两束激光的分光反射镜；所述的反射聚焦系统为两个分别置于所述分光反射镜两侧的对分光后的两束激光聚焦的抛物面反射聚焦镜或球面反射聚焦镜。
4.根据权利要求2所述的激光-电弧同轴复合焊炬，其特征在于：所述的光束变换系统为一个可将入射激光分为两束激光的分光反射镜；所述的反射聚焦系统为一个置于所述分光反射镜上方的带中心孔的对分光后的两束激光聚焦的抛物面反射聚焦镜或球面反射聚焦镜。
5.根据权利要求1所述的激光-电弧同轴复合焊炬，其特征在于：所述的光束变换系统包括至少一个可将入射激光变换成环形光束的透镜，所述的反射聚焦系统包括至少一个可将所述环形光束聚焦的中心有小孔的反射聚焦镜；所述焊炬的端面设有一个与所述反射聚焦镜中心小孔同轴的电极伸入孔，所述电弧焊电极由电极伸入孔和反射聚焦镜的中心小孔插入，并置于环形光束的中心。
6.根据权利要求5所述的激光-电弧同轴复合焊炬，其特征在于：所述的光束变换系统包括一个平面反射镜和一个回转体三棱镜，入射光束依次经平面反射镜反射和回转体三棱镜变换后出射环形光束；所述的反射聚焦系统为一个可将所述环形光束聚焦的中心有小孔的抛物面反射聚焦镜或球面反射聚焦镜。
7.根据权利要求5所述的激光-电弧同轴复合焊炬，其特征在于：所述的光束变换系统包括一个平面反射镜、一个回转体三棱镜和一个准直三棱镜，入射光束依次经平面反射镜反射、回转体三棱镜变换、准直三棱镜准直后出射平行环形光束；所述的反射聚焦系统为一个可将所述平行环形光束聚焦的中心有小孔的抛物面反射聚焦镜或球面反射聚焦镜。
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