一种焦点旋转和垂直振动的激光焊接装置的制造方法

文档序号:9656152阅读:436来源:国知局
一种焦点旋转和垂直振动的激光焊接装置的制造方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种焦点旋转和垂直振动的激光焊接装置,适合于金属材料的光纤激光焊接,属于激光焊接技术领域。
【背景技术】
[0002]激光焊接具有能量密度高,焊接速度快,焊缝深宽比大,接头性能好,焊接结构变形小等突出优点。随着工业激光器发展,特别是大功率光纤激光器的应用,使得激光焊接技术也得到了越来越广泛的应用。
[0003]对于激光深熔焊接,特别是铝合金材料,常出现焊接稳定性差,焊接气孔多的问题。激光焊接时,由于铝合金粘度小、表面张力小,激光作用下形成的深熔小孔不稳定,极易收缩和坍塌,导致焊接过程不稳定,液态金属也容易在熔池的剧烈搅动下飞出熔池,产生大量飞溅。熔池搅动剧烈和深熔小孔的不稳定,会导致小孔间歇性闭合,金属蒸汽和卷入的保护气在快速冷却的熔池中来不及逸出而形成气孔。仅通过改变激光焊接工艺参数难以改善铝合金激光焊接过程稳定性。
[0004]为改善激光焊接的稳定性,国内外的学者提出了双光束激光焊接。双光束激光焊接通常是在激光传输聚焦过程中,引入激光分束及聚焦器件,将单束激光分成双束激光进行焊接。在合适的光束间距下焊接,双激光形成一个大的深熔小孔,不易闭合且有利于金属蒸汽的排出,因而能改善激光焊接过程的稳定性及减少焊接气孔。但是由于对激光进行了分束,激光能量密度降低。所以双光束焊接虽然可有效稳定焊接过程,但焊缝熔深显著下降。
[0005]光束旋转或摆动的方法也被用于改善激光焊接过程稳定性和减少焊接气孔。研究表明,光束旋转的方法能改变激光光束的能量分布,增强深熔小孔的稳定性,从而能够改善激光焊接过程稳定性。激光焦点旋转时,深熔小孔随着焦点的旋转而旋转,对熔池具有显著的搅拌作用,同时焦点旋转改变了熔池的温度场和液态金属的流动,有利于熔池中气泡的逸出,因而焊缝中的气孔减少。但与双光束激光焊接类似,通过光束旋转或摆动的激光焊接方法获得的焊缝熔深也有明显地减小。
[0006]本装置在焦点旋转激光焊接的基础上增加垂直工件平面的焦点振动,在焦点旋转改善焊接过程稳定性的同时,通过焦点的垂直振动消除或减小焦点旋转对焊缝熔深的不利影响。

【发明内容】

[0007]本发明的目的是提供一种能够实现激光束(2)焦点水平旋转和垂直振动的光纤激光焊接装置。
[0008]本发明的技术方案如图1所示,
[0009]包括焊接工作头和焦点运动控制系统,焊接工作头通过楔形镜(25)的旋转实现激光焦点的水平旋转,通过聚焦透镜(39)的振动实现激光焦点的垂直振动,激光焦点运动路径为光先通过楔形镜(25)水平旋转(水平指平行工件平面的平面方向)然后再通过聚焦透镜(39)的焦点垂直振动(垂直指垂直工件平面的方向)的合运动路径;焦点运动控制系统用于水平旋转和垂直振动参数的设定和控制。
[0010]焦点水平旋转运动由楔形镜(25)的旋转运动产生,楔形镜安装在与其同心的从带轮(34)内,从带轮(34)的运动由主带轮(26)及齿形带(28)传输,其中,主带轮(26)的直径为从带轮(34)直径的1.5?3倍,可实现转速的提升。焦点水平旋转电机(30)驱动主带轮(26),通过从带轮(34)和楔形镜(25)的匀速运动,实现了激光束(2)的匀速旋转。
[0011]聚焦透镜(39)同楔形镜(25)同心安装,通过导轨(20)和滑块19保证其振动过程中轴线始终同楔形镜(25)同心,并且二者的垂直距离不大于40mm,以消除偏转光在聚焦透镜(39)表面的非对称分布带来的激光束聚焦能量分布不均匀,保证焊接质量。
[0012]焦点运动控制系统由焦点垂直振动电机驱动器(3)、焦点水平旋转电机驱动器
(5)及参数输入模块(HMI)⑷构成,通过在参数输入模块(HMI)⑷中设置参数,可对焦点水平旋转电机(30)及焦点垂直振动电机(18)的转速集成控制,实现焦点旋转和垂直振动。其频率在0?400Hz范围内连续可调。
[0013]进一步,焊接工作头的结构图如图2所示,包括架体(12)、镜筒(33)、准直单元
[14]、聚焦透镜(39)、楔形镜(25)、焦点水平旋转电机(30)、主带轮(26)、从带轮(34)、焦点垂直振动电机(18)、偏心轮(36)、连杆(35)、导轨(20)、滑块(19)、横向气帘(6)、保护喷嘴
(22);其中,焦点水平旋转电机安装座(27)固定在架体(12)上,焦点水平旋转电机(30)安装在焦点水平旋转电机安装座(27)上,主带轮(26)与焦点水平旋转电机(30)连接,齿形带(28)连接主带轮(26)及从带轮(34),从带轮(34)安装在镜筒(33)上,从动轴承(32)安装在镜筒(33)上,大螺母(31)安装在镜筒上部,大螺母(31)下部与从动轴承(32)接触,从动轴承(32)通过轴承支撑圈(29)固定在架体(12)上,楔形镜安装座(37)安装在镜筒(33)下部,楔形镜(25)安装在楔形镜安装座(37)上并通过压圈(24)固定,聚焦镜安装法兰(8)安装在架体12下部,焦点垂直振动电机安装座(15)固定在架体(12)侧部,焦点垂直振动电机法兰(16)安装在焦点垂直振动电机安装座(15)上,焦点垂直振动电机(18)安装在焦点垂直振动电机法兰(16)上,偏心轮(36)与焦点垂直振动电机(18)连接,连杆(35)的一端与偏心轮(36)连接,连杆(35)的另一端通过弹性销钉(10)固定在聚焦镜连接块(9)上,滑块(2块)(19)固定在聚焦镜连接块(9)上,滑块(2块)(19)安装在导轨(2条)(20)上且能在导轨(20)上滑动,导轨(2条)(20)安装在聚焦镜安装法兰(8)上,镜筒连接块(38)安装在聚焦镜连接块(9)上,聚焦透镜(39)安装在聚焦镜连接块(9)上并通过压圈(24)固定,准直单元安装座(13)固定在架体(12)上,准直单元(14)安装在准直单元安装座(13)上,横向气帘连接筒(21)通过连接板(7)安装在聚焦镜安装法兰(8)下部,横向气帘(6)安装在横向气帘连接筒(21)上,焊接工作头通过机械手连接块(11)安装在机械手或机床上。导轨(20)长度方向平行于聚焦透镜与楔形镜(25)的中轴线。
[0014]焦点运动控制系统包括焦点垂直(垂直工件表面)运动电机驱动器3、焦点水平旋转电机驱动器(5)及参数输入模块(HMI)⑷;其中焦点垂直振动电机驱动器(3)通过驱动线与焦点垂直振动电机(18)连接,焦点水平旋转电机驱动器(5)通过驱动线与焦点水平旋转电机(30)连接,参数输入模块(4)通过信号线连接焦点垂直振动电机驱动器(7)和焦点水平旋转电机驱动器(9)。
[0015]焦点水平旋转,由焦点水平旋转电机驱动器(5)驱动焦点水平旋转电机(30),通过主带轮(26)、齿形带(28)、从带轮(34)、镜筒(33)带动楔形镜(25)旋转实现;焦点垂直振动,由焦点垂直振动电机驱动器(3)驱动焦点垂直振动电机(18),通过偏心轮(36)、连杆
(35)、导轨(20)和滑块(19)将旋转运动转化为聚焦透镜(39)的直线振动实现。
[0016]本发明的有益效果是,使用本装置在优化的工艺参数下焊接时,焦点的旋转和垂直振动可有效稳定激光焊接过程,改善焊缝表面成形,减少激光焊接时的飞溅和气孔。同激光旋转或摆动焊接方法相比,本发明对熔深的不利影响较小。
【附图说明】
[0017]图1为焦点旋转和垂直振动激光焊接装置图。
[0018]图2为焦点旋转和垂直振动焊接头结构图,a为剖视图,b为左视图。
[0019]图3为焦点振动光路原理图。
[0020]图4为焦点振动焊接装置工作原理图,a为简易平面图,b为简易立体图。
[0021]其中:
[0022]1、焊件2、激光束3、焦点垂直振动电机驱动器4、参数输入模块(HMI) 5、焦点水平旋转电机驱动器6、横向气帘7、连接板8、聚焦镜安装法兰9、聚焦镜连接块10、弹性销钉11、连接块12、架体13、准直单元安装座14、准直单元15、焦点垂直振动电机安装座16、焦点垂直振动电机法兰17、保护罩18、焦点垂直振动电机19、滑块20、导轨21、横向气帘连接筒22、保护喷嘴23、喷嘴连接架24、压圈25、楔形镜26、主带轮27、焦点水平旋转电机安装座28、齿形带29、轴承支撑圈30、焦点水平旋转电机31、大锁母32、从动轴承33、镜筒34、从带轮35、连杆36、偏心轮37、楔形镜安装座38、镜筒连接块39、聚焦透镜40、焦平面。
【具体实施方式】
[0023]下面结合实施例对本发明做进一步说明,但本发明并不限于以下实施例。
[0024]实施例1
[0025]本发明的具体技术方案如图1-4所示,包括振动焊接工作头和焦点运动控制系统。焊接工作头包括架体12、镜筒33、准直单元14、聚焦透镜39、楔形镜25、焦点水平旋转电机30、主带轮26、从带轮34、焦点垂直振动电机18、偏心轮36、连杆
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