CN216938934U - 一种适用于空间闭合曲线激光焊接的同轴气氛保护装置 - Google Patents

Abstract

一种适用于空间闭合曲线激光焊接的同轴气氛保护装置，该装置从上到下依次设有：连接法兰、X/Y/Z方向调整模块、冷却光筒、抽拉式保护镜架、同轴保护气筒、水冷喷嘴和TCP盖帽；冷却光筒分为内筒和外筒两部分，其中内筒设有螺旋水路结构，外筒设有冷却水入口和冷却水出口；冷却光筒下端与Z调整块相连；Z调整块中设有保护镜仓，用于容纳安装有保护镜片的抽拉式保护镜托架；Z调整块下部与冷却喷嘴连接，导向保护气筒穿过Z调整块内部并插入冷却喷嘴中，导向保护气筒外壁与冷却喷嘴内壁之间留有间隙；圆锥形TCP盖帽通过螺纹连接于冷却喷嘴一端。该装置可解决现有技术中存在的普通气氛保护对焊道表面成形质量及防氧化效果不佳和焊接头过热等问题。

Description

一种适用于空间闭合曲线激光焊接的同轴气氛保护装置

技术领域

本实用新型涉及激光加工技术领域，特别提供一种适用于空间闭合曲线激光焊接的同轴焊道气氛保护装置。

背景技术

近年来，由于激光加工技术的迅猛发展，越来越多的激光加工技术被应用到工业领域以替代传统的加工手段。激光以其极具特色的优势在现代工业加工技术领域开始不断的展露头脚，激光焊接以其速度快、焊缝窄、焊接深度大、热变形小等特点开始逐步替代传统焊接方式。

随着工业机器人的普及，自动化激光焊接在各种复杂工况下的应用越来越多，由于激光焊接是一种极热极冷的加工方式，且激光扫描速度极快，故对加工过后的焊道防氧化保护显得极为重要。传统的保护方式多以侧向吹气、拖尾长吹气等方式进行焊道保护，但对于闭合性曲线焊道，则需要选择光气同轴型气氛保护。同轴气氛保护可以保证激光在焊接空间闭合曲线焊道时，对熔池和焊道进行抗氧化保护。

通常的同轴焊接保护头只是将工作气体从焊嘴排出，由于缺少导向系统，保护气容易在喷嘴附近产生湍流，使焊点上表面气体氧含量增加，降低抗氧化效果。在实际的激光焊接过程中，由于反射造成的热积累会导致光学镜片产生热透镜效应，热透镜效应将导致焦平面的偏移，从而导致焊接质量的不稳定。焊接中的飞溅也可造成激光焊接头内腔的污染，而且通常情况下，保护镜片距离聚焦镜较近，容易造成连带污染，而聚焦镜的损伤会造成不菲的经济损失。

实用新型内容

为了解决上述技术问题，本实用新型提供了一种适用于空间闭合曲线激光焊接的同轴气氛保护装置，针对实际工程条件，在焊接头中加入水冷、二次保护镜片、多向调节模块等，旨在解决在以空间多自由度机器人为执行机构且激光照射方向为非垂直于加工平面的空间闭合曲线激光焊接时，因激光照射角度随着焊接方向不断改变的实时调整而导致的普通气氛保护对焊道表面成形质量及防氧化效果不佳，和连续长时间焊接时因光反射造成的焊接头过热的问题。该装置同时具备了多级水冷、X/Y/Z三维调整、二级保护镜、同轴气氛保护，焦距调整量化、保护帽以及机器人TCP辅助校准的功能。

本发明技术方案如下：

一种适用于空间闭合曲线激光焊接的同轴气氛保护装置，其特征在于，所述装置为筒状结构，从上到下依次设有：连接法兰1、X/Y/Z方向调整模块、冷却光筒4、抽拉式保护镜架、导向保护气筒18、水冷喷嘴和TCP盖帽10，其中：

X/Y/Z方向调整模块由X方向调整块2、Y方向调整块3和Z调整块组成，X方向调整块2和Y方向调整块3位于连接法兰1与冷却光筒4之间；

冷却光筒4分为内筒41和外筒42两部分，其中内筒41设有螺旋水路结构，外筒42设有冷却水入口5和冷却水出口13，且冷却水入口5位置低于冷却水出口13；冷却光筒4下端与Z调整块相连；

Z调整块由Z锁紧套筒6和Z方向调整光筒7组成，其中Z锁紧套筒 6分上、下两部分，两者通过螺钉组合在一起，且Z锁紧套筒6上、下两部分之间留有保护镜仓16，用于容纳抽拉式保护镜托架24，抽拉式保护镜托架24上设有保护镜压板22、保护镜片23和保护镜架拉杆25，保护镜片23 通过保护镜压板22固定在抽拉式保护镜托架24上；Z方向调整光筒7为筒状结构，其下部设有螺纹，用于连接冷却喷嘴8，导向保护气筒18穿过Z 方向调整光筒7内部并插入冷却喷嘴8中，导向保护气筒18外壁与冷却喷嘴8内壁之间留有间隙；Z方向调整光筒7侧壁设有保护气接口21；

圆锥形TCP盖帽10通过螺纹连接于冷却喷嘴8一端。

作为优选的技术方案：

所述连接法兰1设有导向直口圆台与侧面密封槽，可与设有圆形内筒结构的激光聚焦头26进行密封配合，并通过螺钉连接进行安装固定。

X方向调整块2和Y方向调整块3均设有长条形槽口，用于螺钉连接固定并进行单向偏置调整，且X方向调整块2和Y方向调整块3上均设有单向调整导轨槽和导向导轨，以保证其在调整方向的准确性。

所述Z调整块上还设有Z套筒锁紧卡箍17。

Z方向调整光筒7外壁设有标尺。

保护镜片23口径比激光聚焦头26中的上级保护镜片口径减少>10％。

冷却喷嘴8侧壁设有喷嘴冷却水接口9。

冷却喷嘴8与Z方向调整光筒7之间，和/或冷却喷嘴8与喷嘴冷却水接口9之间设有喷嘴密封圈19。

冷却光筒4的内筒41和外筒42之间设有一个或多个冷却光筒密封圈 12。

连接法兰1与激光聚焦头26之间设有法兰密封圈11。

本实用新型针对实际工程条件，在焊接头中加入水冷、二次保护镜片、多向调节模块、气体导向系统以及TCP辅助校准等。

其中水冷结构对长时间工作的焊接装置有良好的防热变形保护作用，并消除保护镜片的热透镜效应。

二次保护镜片将原有保护镜片在此隔离，减小镜片尺寸的同时也减小了气氛保护的容纳空间，在降低镜片消耗成本和气体使用成本上有着不错的经济效益。

X/Y/Z调节模块可以独立单向调整气氛保护喷嘴与激光和焊道的相对位置，且Z调整模块为带有标尺的移动套筒，有助于工艺参数方面的量化。

气体导向系统可将高纯度的惰性气体送到焊点附近，并在焊点上空形成均匀的覆盖性气体，可以极大的降低焊点周围的氧气含量，减小由金属蒸汽形成的等离子云对深熔焊接的干扰，从而提升焊接质量。

盖帽加TCP辅助校准的设计令激光头在不使用时防止粉尘污染有着极佳的效果，而TCP点的精确测量对机器人在焊接过程中的轨迹控制有着显著的帮助。

附图说明

图1本实用新型所述装置结构示意图。

图2本实用新型所述装置剖视图(一)。

图3本实用新型所述装置剖视图(二)。

图4本实用新型所述装置爆炸图。

图5本实用新型所述装置安装在激光聚焦头上的结构示意图。

图6本实用新型所述装置应用状态示意图。

附图标记：1、连接法兰，2、X方向调整块，3、Y方向调整块，4、冷却光筒，5、冷却水入口，6、Z锁紧套筒，7、Z方向调整光筒，8、冷却喷嘴，9、喷嘴冷却水接口，10、TCP盖帽，11、法兰密封圈，12、冷却光筒密封圈，13、冷却水出口，16、保护镜仓，17、Z套筒锁紧卡箍，18、导向保护气筒，19、喷嘴密封圈，21、保护气接口，22、保护镜压板，23、保护镜片，24、抽拉式保护镜托架，25、保护镜架拉杆，26、激光聚焦头， 41、内筒，42、外筒。

具体实施方式

本发明中所述x、y、z轴方向均针对于本发明说明书附图所示，并不限制本发明的实际操作方向。

实施例1

如图1-4所示，本实用新型提出的装置用于需要用闭合曲线进行激光焊接的工件焊接，所述装置为筒状结构，从上到下依次设有：连接法兰1、 X/Y/Z方向调整模块、冷却光筒4、抽拉式保护镜架、导向保护气筒18、水冷喷嘴和TCP盖帽10，其中：

所述连接法兰1设有导向直口圆台与侧面密封槽，可与设有圆形内筒结构的激光聚焦头26进行密封配合，并通过螺钉连接进行安装固定。

X/Y/Z方向调整模块由X方向调整块2、Y方向调整块3和Z调整块组成，X方向调整块2和Y方向调整块3位于连接法兰1与冷却光筒4之间；X方向调整块2和Y方向调整块3均设有长条形槽口，用于螺钉连接固定并进行单向偏置调整，且X方向调整块2和Y方向调整块3上均设有单向调整导轨槽和导向导轨，以保证其在调整方向的准确性。

冷却光筒4分为内筒41和外筒42两部分，其中内筒41设有螺旋水路结构，目的是加长冷却水路循环路程长度，增加冷却水在冷却光筒内的驻留时间，以增强冷却效果；外筒42设有冷却水入口5和冷却水出口13，冷却水循环方向具有指向性，按着逆光路输出方向(即与激光出射方向相反) 进行循环冷却以保证最佳冷却效果，因此冷却水入口5位置低于冷却水出口13；冷却光筒4下端与Z调整块相连。

Z调整块采用了套筒加锁紧结构设计，其调整目的在于调整本装置喷嘴与加工工件之间的距离，以防止距离过近或过远导致的飞溅污染或保护效果不佳，具体由Z锁紧套筒6和Z方向调整光筒7组成，其中Z锁紧套筒 6分上、下两部分，两者通过螺钉组合在一起，且Z锁紧套筒6上、下两部分之间留有保护镜仓16，用于容纳抽拉式保护镜托架24；Z方向调整光筒 7为筒状结构，其下部设有螺纹，用于连接冷却喷嘴8，Z方向调整光筒7 外壁设有标尺，可以精确调整喷嘴与焦点的距离，以保证工艺参数的具体量化；导向保护气筒18穿过Z方向调整光筒7内部并插入冷却喷嘴8中，导向保护气筒18外壁与冷却喷嘴8内壁之间留有间隙，通过间隙设计形成有效流道，将保护气体定向的由喷嘴送至焊道表面；Z方向调整光筒7侧壁设有保护气接口21，Z调整块上还设有Z套筒锁紧卡箍17。

抽拉式保护镜托架24上设有保护镜压板22、保护镜片23和保护镜架拉杆25，保护镜片23通过保护镜压板22固定在抽拉式保护镜托架24上；二级保护镜采用抽拉式设计，由于其安装位置距离激光焦平面较近，保护镜片的通光口径相比上级保护镜片减少>10％，从而降低了耗材的制造和采购成本，同时降低了上级保护镜片的损耗，有助于焊接经济成本的降低。

冷却喷嘴8侧壁设有喷嘴冷却水接口9，冷却喷嘴8具备水冷降温功能，防止由于焊接时的激光反射造成的喷嘴过热，且可以进行长时间的出光焊接而不担心长时间的激光反射造成的光纤过热报警。

TCP盖帽10通过螺纹连接于冷却喷嘴8一端，在设备停机不使用时起到防尘作用；且TCP盖帽10成圆锥设计，其顶点可通过Z方向调整光筒7 将其与激光焦点位置重合，可辅助机器人进行TCP点的TOOLS坐标的测量校准。

冷却喷嘴8与Z方向调整光筒7之间，和冷却喷嘴8与喷嘴冷却水接口9之间均设有喷嘴密封圈19。

冷却光筒4的内筒41和外筒42之间分别设有三个冷却光筒密封圈12。

连接法兰1与激光聚焦头26之间设有法兰密封圈11。

使用方式：

将该装置通过螺钉固定于激光聚焦头26上，利用引导光并通过调整 X/Y方向调整块，在冷却喷嘴8出口处用标靶纸将激光光轴调整至装置的几何中心。将冷却水管按进出方向分别接入到冷却光筒4和冷却喷嘴8对应位置上，水流量保持在10～20L/min，温度控制在25±0.5℃。将保护气通过气管连接到保护气接口21上，保护气流量10L/min～30L/min，保护气仅可使用惰性气体或干燥空气(无水无油)。装好保护镜片23，保护镜片23 镀有定波长增透膜(透射率>99.9％)，将抽拉式保护镜托架24通过导向口推入到保护镜仓16中，保证抽拉式保护镜托架24外壁与调整光筒外壁平齐。将TCP盖帽10安装到冷却喷嘴8上，通过调节Z方向调整光筒7，并根据其上标尺精确调整冷却喷嘴8与工件表面的距离，调整范围：±5mm，调整到位后，利用Z锁紧套筒6上的Z套筒锁紧卡箍17将其锁紧。然后通过操作机器人将TCP点的测量数据存入到机器人系统中，完成机器人TCP 点的校准。TCP点校准完成后，将TCP盖帽10由冷却喷嘴8处拆下，此时本装置安装调试结束，可根据焊接工艺调整激光参数进行激光焊接。本实用新型适用于长焦距激光聚焦头，激光工作距离：500mm≥Working distance≥250mm。

上述实施例只为说明本实用新型的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本实用新型的内容并据以实施，并不能以此限制本实用新型的保护范围。凡根据本实用新型精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。

此外，本文省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本实用新型的概念。

Claims (10)

1.一种适用于空间闭合曲线激光焊接的同轴气氛保护装置，其特征在于，所述装置为筒状结构，从上到下依次设有：连接法兰(1)、X/Y/Z方向调整模块、冷却光筒(4)、抽拉式保护镜架、导向保护气筒(18)、水冷喷嘴和TCP盖帽(10)，其中：

X/Y/Z方向调整模块由X方向调整块(2)、Y方向调整块(3)和Z调整块组成，X方向调整块(2)和Y方向调整块(3)位于连接法兰(1)与冷却光筒(4)之间；

冷却光筒(4)分为内筒(41)和外筒(42)两部分，其中内筒(41)设有螺旋水路结构，外筒(42)设有冷却水入口(5)和冷却水出口(13)，且冷却水入口(5)位置低于冷却水出口(13)；冷却光筒(4)下端与Z调整块相连；

Z调整块由Z锁紧套筒(6)和Z方向调整光筒(7)组成，其中Z锁紧套筒(6)分上、下两部分，两者通过螺钉组合在一起，且Z锁紧套筒(6)上、下两部分之间留有保护镜仓(16)，用于容纳抽拉式保护镜托架(24)，抽拉式保护镜托架(24)上设有保护镜压板(22)、保护镜片(23)和保护镜架拉杆(25)，保护镜片(23)通过保护镜压板(22)固定在抽拉式保护镜托架(24)上；Z方向调整光筒(7)为筒状结构，其下部设有螺纹，用于连接冷却喷嘴(8)，导向保护气筒(18)穿过Z方向调整光筒(7)内部并插入冷却喷嘴(8)中，导向保护气筒(18)外壁与冷却喷嘴(8)内壁之间留有间隙；Z方向调整光筒(7)侧壁设有保护气接口(21)；

圆锥形TCP盖帽(10)通过螺纹连接于冷却喷嘴(8)一端。

2.按照权利要求1所述适用于空间闭合曲线激光焊接的同轴气氛保护装置，其特征在于：所述连接法兰(1)设有导向直口圆台与侧面密封槽。

3.按照权利要求1所述适用于空间闭合曲线激光焊接的同轴气氛保护装置，其特征在于：X方向调整块(2)和Y方向调整块(3)均设有长条形槽口，用于螺钉连接固定并进行单向偏置调整，且X方向调整块(2)和Y方向调整块(3)上均设有单向调整导轨槽和导向导轨。

4.按照权利要求1所述适用于空间闭合曲线激光焊接的同轴气氛保护装置，其特征在于：所述Z调整块上还设有Z套筒锁紧卡箍(17)。

5.按照权利要求1所述适用于空间闭合曲线激光焊接的同轴气氛保护装置，其特征在于：Z方向调整光筒(7)外壁设有标尺。

6.按照权利要求1所述适用于空间闭合曲线激光焊接的同轴气氛保护装置，其特征在于：保护镜片(23)口径比激光聚焦头(26)中的上级保护镜片口径减少>10％。

7.按照权利要求1所述适用于空间闭合曲线激光焊接的同轴气氛保护装置，其特征在于：冷却喷嘴(8)侧壁设有喷嘴冷却水接口(9)。

8.按照权利要求7所述适用于空间闭合曲线激光焊接的同轴气氛保护装置，其特征在于：冷却喷嘴(8)与Z方向调整光筒(7)之间，和/或冷却喷嘴(8)与喷嘴冷却水接口(9)之间设有喷嘴密封圈(19)。

9.按照权利要求1所述适用于空间闭合曲线激光焊接的同轴气氛保护装置，其特征在于：冷却光筒(4)的内筒(41)和外筒(42)之间设有一个或多个冷却光筒密封圈(12)。

10.按照权利要求1所述适用于空间闭合曲线激光焊接的同轴气氛保护装置，其特征在于：连接法兰(1)与激光聚焦头(26)之间设有法兰密封圈(11)。

Images