CN202639649U - 一种激光焊接加工头 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种激光焊接加工设备，具体地说是一种激光焊接加工头。包括从上至下依次连接的光纤接口模块、光束准直模块、光束聚焦模块、保护镜模块、气刀模块及保护气喷嘴模块，其中光纤接口模块、光束准直模块、光束聚焦模块、保护镜模块及气刀模块上均设有可通过光束的中央通道，所述光束准直模块内依次设有扩束透镜和准直透镜，所述光束聚焦模块内设有聚焦透镜，所述保护镜模块为带锁销的抽屉式结构，所述气刀模块的侧壁上设有能喷射气流的气刀，所述保护气喷嘴模块的喷嘴与焊接部位的光斑对应。本实用新型提高了激光焊接工艺过程的稳定性和加工质量。

Description

一种激光焊接加工头

技术领域

本实用新型涉及一种激光焊接加工设备，具体地说是一种激光焊接加工头。

背景技术

激光焊接是以激光作为热源进行焊接，激光焊接具有焊缝深宽比大、热影响区窄、焊接速度快、焊接线能量低、焊接变形小、聚焦后的光斑直径小和能量密度高等特点，因而被广泛的应用于机械、汽车、造船、航空航天、钢铁、海洋工程、零件表面修复等工业领域，获得了日益广泛的应用。

激光焊接头是激光焊接设备的重要组成部分，焊接头的结构直接影响着焊接的效果。现有的激光焊接头在使用过程中存在一些问题，影响了激光焊接工艺的实施和其稳定性。首先，现有的激光焊接头的光学系统通常采用准直——聚焦式，光纤出口位于准直镜焦点处，这样准直镜上的通光口径通常较小，镜片只有中间的一个较小范围内承受较高密度的激光能量，这样镜片中心与周边的温度梯度较大，变形比较严重，特别在10KW以上的激光焊接中，变形现象更为显著。而如果采用一片大焦距透镜对激光束准直的办法，将使加工头的尺寸大大增加，其制造精度和工况的适应性将受到一定限制；其次，一个问题是气刀的设计，在激光焊接过程中，气刀的作用是将激光焊接工艺产生的烟尘和飞溅物吹离光轴，从而保证保护镜片和光学系统不被污染，保证激光焊接可以长时间的实施。但由于之前的气刀设计是：气刀上方与保护镜相连，下方则是相对自由的空间，这样，下方的保护气体多，上面的少，这样就在气刀产生的高速气体两侧形成了一个压力差，将高速气体吹向保护镜一侧。同时，气刀的高速气流使得光轴部位的产生了一个负压区，按照一般的设计，这个负压区将把熔池附近的保护气体沿光轴吸入到高速气流的位置，这样熔池附近的保护气体又把保护范围外的空气吸到熔池附近，导致保护气氛不纯，影响焊接工艺质量，这个问题在同轴保护气模式下尤为严重；最后，在激光焊接加工头中，为了便于更换保护镜，通常将保护镜设计为抽屉式的。而现有的激光焊接头由于设计、零件制造精度、装配精度等因素的影响，使保护镜抽屉与保护镜座之间的配合很难达到一个理想的松紧关系，即使可以达到，也需要比较复杂的修配过程。

实用新型内容

针对上述问题，本实用新型的目的在于提供一种激光焊接加工头。该激光焊接加工头提高了激光焊接工艺过程的稳定性和加工质量。

为了实现上述目的，本实用新型采用以下技术方案：

一种激光焊接加工头，包括从上至下依次连接的光纤接口模块、光束准直模块、光束聚焦模块、保护镜模块、气刀模块及保护气喷嘴模块，其中光纤接口模块、光束准直模块、光束聚焦模块、保护镜模块及气刀模块上沿轴线均设有可通过光束的中央通道，所述光束准直模块内依次设有扩束透镜和准直透镜，所述光束聚焦模块内设有聚焦透镜，所述气刀模块的侧壁上设有能喷射气流的气刀，所述保护气喷嘴模块的喷嘴与焊接部位的光斑对应。

所述气刀喷射的气流与光轴垂直。所述气刀两侧分别设有辅助气体入口，所述辅助气体入口处设置过滤网。

所述保护镜模块为带锁销的抽屉式结构，包括保护镜座、保护镜抽屉、保护镜及保护镜锁销，其中保护镜座及保护镜抽屉的中心均设有所述中央通孔，所述保护镜座的侧面设有与中央通孔相垂直、并与中央通孔相连通的通孔，该通孔内设置所述保护镜抽屉，所述保护镜抽屉的外侧面设有能锁死保护镜抽屉的所述保护镜锁销，所述保护镜放置在保护镜抽屉内，所述保护镜的上面设有保护镜压圈，所述保护镜压圈上面设有上压圈，所述上压圈通过弹性柱塞与保护镜压圈连接。所述保护镜锁销包括锁销盒、锁销及锁扣盒，其中锁销位于锁销盒内、并且一端设有销轴，所述锁扣盒上对应于锁销一端的销轴设有凹槽，所述锁销盒与所述聚焦模块连接。所述保护镜座与保护镜抽屉的底面接触处设有导向垫片。

所述保护气喷嘴模块为同轴保护气模块或侧向保护气模块，所述同轴保护气模块通过连接块与气刀模块的底部连接。所述同轴保护气模块包括内芯和外套，其中内芯与外套内壁螺纹连接，所述内芯和外套之间留有能通过保护气体的间隙。所述内芯外壁上设有使保护气体能够顺畅流动的平面和凹槽。所述内芯的上端内壁上设有增阻圈。

本实用新型的优点及有益效果是：

1.本实用新型的光学系统采用扩束-准直-汇聚的方式。首先利用一个正透镜将光束初步放大，然后设置另一正透镜对光束进行准直，主要是利用前一透镜折射光线的反向延长线与后一透镜的物方交点重合的原理，实现光束的准直。这样在保证镜片尺寸的同时可以使镜片的通光孔径达到一个合理的范围，保证镜片受热均匀；然后对准直后的光束进行聚焦，实施激光焊接工艺。

2.本实用新型的保护镜模块设计为带锁销抽屉式结构；保护镜压圈采用压块式结构，利用弹性球和卡槽结构固定，对镜片的夹紧力可控，安装方便；保护镜抽屉与保护镜座之间采用高分子材料导向，有利于保证保护镜抽屉与保护镜座之间的装配精度和重复定位精度。同时大大降低了了对加工制造和装配的要求，使得保护镜抽屉推拉自如，密封良好。

3.本实用新型在气刀的上下两侧均留有对称的辅助气体入口，保证气流方向与光轴方向垂直。另外在辅助气体入口处设置过滤网，以此过滤掉焊接工艺中的烟尘，保证气刀经长时间使用后仍能保证理想的状态。

4.本实用新型通过更换保护气喷嘴模块，实现侧向保护和同轴保护两种气焊接模式的转换。

附图说明

图1为本实用新型具有侧向保护模块的整体示意图；

图2为图1的左视图；

图3为本实用新型具有同轴保护模块的整体示意图；

图4为本实用新型的系统光路图；

图5为本实用新型的ZEMAX仿真聚焦光斑图；

图6为本实用新型的保护镜锁销结构示意图；

图7为本实用新型的保护镜模块结构示意图；

图8为本实用新型的气刀模块结构示意图；

图9为本实用新型的同轴保护模块的结构示意图；

图10为图9中同轴保护模块内芯的整体示意图。

其中：1为光纤接口，2为光纤座，3为调节螺钉，4为准直模块，5为聚焦模块，6为保护镜模块，601为锁销盒，602为锁销，603为锁扣盒，604为上压圈，605为弹性柱塞，606密封圈，607为保护镜抽屉，608为导向垫片，609为保护镜压圈，610为保护镜，611为密封圈，612为保护镜座，7为气刀模块，701为进气口，702为上侧辅助气体进气口，703为气刀，704为下侧辅助气体进气口，705为过滤网，8为侧向保护气模块，9为同轴保护气模块，901为连接块，902为外套，903为内芯，904为增阻圈，10、11、12、13、14、15为水冷接口，16、17为气刀接口，18、19为同轴保护气进气口，A为扩束透镜，B为准直透镜，C为聚焦透镜，a、b为光线，c为光斑。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型作进一步描述。

如图1～3所示，本实用新型包括从上至下依次连接的光纤接口模块、光束准直模块4、光束聚焦模块5、保护镜模块6、气刀模块7及保护气喷嘴模块，其中光纤接口模块、光束准直模块4、光束聚焦模块5、保护镜模块6及气刀模块7上均设有可通过光束的中央通道。所述光纤接口模块采用进口QBH光纤接口1，光纤接口1通过螺纹固定于带水冷接口10、11的光纤座2上，为保证光学系统的同轴性，光纤接口1的中心位置可通过四个调节螺钉3进行调节。光束准直模块4内依次设有扩束透镜A和准直透镜B，光束准直模块4上设有水冷接口12、13。光束聚焦模块5内设有聚焦透镜C，光束聚焦模块5上设有水冷接口14、15。光束的聚焦准直系统由扩束透镜A、准直透镜B和聚焦透镜C组成，其焦距分别为125mm、175mm、175mm。在实际的应用中具体的参数为：激光功率为6KW，光纤直径为400μm，数值孔径为0.22。经过光纤传输的光线a、经过扩束透镜A和准直透镜B准直形成光线b，再经过聚焦透镜C形成光斑c，光斑c的尺寸为1mm，如图4所示。本实用新型的光学系统采用先扩束再准直的方式，使镜片上的通过孔径和能量分布尽量均匀并充满镜片的整个截面。最后用聚焦透镜C将激光束汇聚成直径约为1mm的光斑c。这样通过扩束、准直、汇聚三组镜头配合使用，保证整个光路上光斑尺寸的合理分布，提高光学系统的热稳定性。如图5所示，ZEMAX仿真聚焦光斑图中：d为物高200μm视场的光斑；e为零视场的光斑；f为物高-200μm视场的光斑。

如图6、图7所示，保护镜模块6为带锁销的抽屉式结构。保护镜模块6包括保护镜座612、保护镜抽屉607、保护镜610及保护镜锁销，其中保护镜座612及保护镜抽屉607的中心均设有中央通孔，所述保护镜座612的侧面设有与中央通孔相垂直、并与中央通孔相连通的通孔，该通孔内设置保护镜抽屉607，保护镜抽屉607的外侧面设有能锁死保护镜抽屉607的所述保护镜锁销。保护镜610放置在保护镜抽屉607里，保护镜610的上面设有保护镜压圈609，保护镜压圈609采用压块式结构，即通过弹性球和保护镜座612上的卡槽结构固定。保护镜610和保护镜压圈609之间设有密封圈611。保护镜压圈609上设有上压圈604，上压圈604通过弹性柱塞605与保护镜压圈609连接，即上压圈604上均布有六个与其螺纹连接的弹性柱塞605，弹性柱塞605的带有弹性球的一端与保护镜压圈609上的卡槽卡固连接，利用弹性柱塞605的弹力保证保护镜抽屉607进入保护镜座612后能够平稳固定，并且对保护镜610的夹紧力可通过调整弹性柱塞605来控制；保护镜座612与保护镜抽屉607的底面之间设有采用高分子(即POM)材料制成的导向垫片608，导向垫片608保证保护镜抽屉607的抽拉流畅，有利于保证保护镜抽屉607与保护镜座612之间的装配精度和重复定位精度；所述保护镜锁销与保护镜抽屉607之间设有密封圈606，保护镜锁销包括锁销盒601、锁销602及锁扣盒603，其中锁销602位于锁销盒601内、并且一端设有销轴，锁扣盒603上对应于锁销602一端的销轴设有凹槽，锁销盒601与聚焦模块5固定连接。通过拉出/压入锁销盒601内的锁销602、使其脱开/进入锁扣盒603内部的凹槽，实现保护镜抽屉607的打开/锁死。锁扣盒603内部的凹槽设计有一定的角度，用来提供一定的压紧力保证保护镜抽屉607定位精度和压紧密封圈606防止烟尘进入光学系统。

如图8所示，气刀模块7的侧壁上设有能喷射保护气流的气刀703。气刀703的一端置于气刀模块7的外侧、并且该端设有进气口701，气刀703的另一端置于气刀模块7的内部、并所喷射的保护气流与光轴垂直，将激光焊接工艺产生的烟尘和飞溅物吹离光轴，从而保证保护镜610和光学系统不被污染。气刀703的上、下两侧对称设有上侧辅助气体进气口702和下侧辅助气体进气口704，用以保证气刀703所喷射的保护气流始终与光轴垂直。所述辅助气体入口处设置过滤网705，用以过滤焊接工艺中的烟尘，保证气刀703经长时间使用后仍能保证理想的状态。气刀模块7的设计有效减少了辅助气体沿光轴由高速气体产生的负压吸入气刀703，因而保证熔池部位保护气氛的纯净。

所述保护气喷嘴模块为同轴保护气模块9或侧向保护气模块8，侧向保护气模块8安装在保护镜模块6的外侧壁上，侧向保护气模块8的喷嘴对准焊接部位的光斑c，如图1和图2所示。

如图9、图10所示，同轴保护气模块9通过连接块901与气刀模块7的底部连接，同轴保护气模块9的上端两侧对称设置同轴保护气进气口18和19。同轴保护气模块9包括内芯903和外套902，其中内芯903与外套902内壁螺纹连接，内芯903和外套902之间留有能通过保护气体的间隙，保护气体从该间隙吹向焊接区域。内芯903外壁螺纹上对称设有两个平面，内芯903的下部均布有四个凹槽，这些平面和凹槽使保护气体能够顺畅的流动。内芯903上端内壁用钎焊固定有增阻圈904，当内芯903内壁附近的气体向上流动时，由于增阻圈904的阻碍而形成涡流，这个涡流使得辅助气体从上下两侧进气比较容易，而从光轴进气阻力较大，减小了沿光轴被吸上来的气体，保证熔池部位保护气氛的纯净，确保激光焊接质量。

Claims (10)

1.一种激光焊接加工头，其特征在于：包括从上至下依次连接的光纤接口模块、光束准直模块(4)、光束聚焦模块(5)、保护镜模块(6)、气刀模块(7)及保护气喷嘴模块，其中光纤接口模块、光束准直模块(4)、光束聚焦模块(5)、保护镜模块(6)及气刀模块(7)上沿轴线均设有可通过光束的中央通道，所述光束准直模块(4)内依次设有扩束透镜(A)和准直透镜(B)，所述光束聚焦模块(5)内设有聚焦透镜(C)，所述气刀模块(7)的侧壁上设有能喷射气流的气刀(703)，所述保护气喷嘴模块的喷嘴与焊接部位的光斑对应。

2.按权利要求1所述的激光焊接加工头，其特征在于：所述气刀(703)喷射的气流与光轴垂直。

3.按权利要求2所述的激光焊接加工头，其特征在于：所述气刀(703)两侧分别设有辅助气体入口，所述辅助气体入口处设置过滤网(705)。

4.按权利要求1所述的激光焊接加工头，其特征在于：所述保护镜模块(6)为带锁销的抽屉式结构，包括保护镜座(612)、保护镜抽屉(607)、保护镜(610)及保护镜锁销，其中保护镜座(612)及保护镜抽屉(607)的中心均设有所述中央通孔，所述保护镜座(612)的侧面设有与中央通孔相垂直、并与中央通孔相连通的通孔，该通孔内设置所述保护镜抽屉(607)，所述保护镜抽屉(607)的外侧面设有能锁死保护镜抽屉(607)的所述保护镜锁销，所述保护镜(610)放置在保护镜抽屉(607)内，所述保护镜(610)的上面设有保护镜压圈(609)，所述保护镜压圈(609)上面设有上压圈(604)，所述上压圈(604)通过弹性柱塞(605)与保护镜压圈(609)连接。

5.按权利要求4所述的激光焊接加工头，其特征在于：所述保护镜锁销包括锁销盒(601)、锁销(602)及锁扣盒(603)，其中锁销(602)位于锁销盒(601)内、并且一端设有销轴，所述锁扣盒(603)上对应于锁销(602)一端的销轴设有凹槽，所述锁销盒(601)与所述聚焦模块(5)连接。

6.按权利要求4所述的激光焊接加工头，其特征在于：所述保护镜座(612)与保护镜抽屉(607)的底面接触处设有导向垫片(608)。

7.按权利要求1所述的激光焊接加工头，其特征在于：所述保护气喷嘴模块为同轴保护气模块(9)或侧向保护气模块(8)，所述同轴保护气模块(9)通过连接块(901)与气刀模块(7)的底部连接。

8.按权利要求7所述的激光焊接加工头，其特征在于：所述同轴保护气模块(9)包括内芯(903)和外套(902)，其中内芯(903)与外套(902)内壁螺纹连接，所述内芯(903)和外套(902)之间留有能通过保护气体的间隙。

9.按权利要求8所述的激光焊接加工头，其特征在于：所述内芯(903)外壁上设有使保护气体能够顺畅流动的平面和凹槽。

10.按权利要求8或9所述的激光焊接加工头，其特征在于：所述内芯(903)的上端内壁上设有增阻圈(904)。

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