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，需保证聚焦透镜39与楔形镜25的垂直距离不大于40mm，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，焊接工作头通过连接块11安装在机械手或机床上。焦点运动控制系统包括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)4 ;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。
[0026]焊接工作头工作时的光路图如图3所示。入射激光通过楔形镜25后发生角度偏转，其偏移角度同楔形镜楔角有关，偏转光束通过聚焦透镜39后在焦平面40上偏移一定距离。楔形镜25旋转时，焦点在焦平面40上做半径为r的圆周运动。聚焦透镜39上下振动，则焦点也随之做等距离的上下振动。由几何光学可以推导出焦点偏移距离，即焦点旋转半径与光学元件参数的关系式:
[0027]r = f (η-1) Θ ⑴
[0028]式中，η为楔形镜25的折射率、Θ为楔形镜25的楔角，f为聚焦透镜39的焦距。焦点的旋转半径可以通过更换不同楔角的楔形镜来调节。
[0029]焦点旋转的频率可由焦点水平旋转电机30的转速确定，其关系式如下:
[0030]Fxy= F Mir^r；, (2)
[0031 ] 式中，Fxy为焦点的旋转频率，F ^为焦点水平旋转电机30的旋转频率，r 1与r 2分别为主带轮26和从带轮34的半径。
[0032]本焊接工作头采用偏心轮36、连杆35、及滑块19将焦点垂直振动电机18的旋转转化为近似简谐运动的直线振动。振幅为偏心轮36上的焦点垂直振动电机18和连杆35的两轴间距，频率与焦点垂直振动电机18的旋转频率相等，即
[0033]Az= a (3)
[0034]Fz= FM2 (4)
[0035]式中，4为焦点垂直振动振幅，a为偏心轮的偏心距，FZS焦点垂直振动频率，FM2为焦点垂直振动电机18的旋转频率。
[0036]焦点振动焊接装置的工作原理图如图4所示。点0为不放入楔形镜25且聚焦透镜39位于振幅零点位置时的焦点位置。如图4a所示，当焦点水平旋转电机30不工作，焦点垂直振动电机18以转速nM1旋转时，偏心轮36、连杆35、滑块19将电机的转动转化为滑块19在导轨20上的上下振动，通过与滑块19连接在一起的聚焦镜连接块9和镜筒连接块38将滑块19的振动传递给聚焦透镜39，此时焦点做近似简谐运动的振动，其频率为Fz =nM2/60，点B、C分别为焦点振动的最高和最低位置。此即焦点的垂直振动，结合焊接速度，焦点的运动路径近似正弦曲线。放入楔形镜25后，焦点位置偏移到点A。如图4b所示，当焦点垂直振动电机18不工作，而焦点水平旋转电机30以转速nM1旋转时，将带动主带轮26旋转，通过齿形带28将旋转传递给从带轮34，从带轮34通过镜筒33带动楔形镜25旋转，此时焦点在焦平面上做频率为Fxy= nMiri/60r2的圆周运动。此即焦点的水平旋转，结合焊接速度，焦点的运动路径为平行工件平面的螺旋运动。当焦点垂直振动电机18及焦点水平旋转电机30共同工作时，焦点的运动为水平旋转与垂直振动的合运动。焦点的振动频率可通过焦点运动控制系统进行调控。参数输入模块4可设定焦点的振动频率，焦点水平旋转电机驱动器5和焦点垂直振动电机驱动器3将其转化为电机的输入电压，以此控制焦点水平旋转电机30和焦点垂直振动电机18的旋转频率，通过传动装置控制楔形镜25的旋转频率和聚焦透镜39的振动频率，从而使焦点按照设定的频率进行旋转和垂直振动。焦点的振动频率在0?400Hz范围内连续可调。
[0037]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
[0038]以上所述，仅为本发明较佳的【具体实施方式】，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭示的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。
【主权项】
1.一种焦点旋转和垂直振动的激光焊接装置，其特征在于，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)水平旋转然后再通过聚焦透镜(39)的焦点垂直振动的合运动路径；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。2.根据权利要求1所述的一种焦点旋转和垂直振动的激光焊接装置，其特征在于:焦点水平旋转运动由楔形镜(25)的旋转运动产生，楔形镜安装在与楔形镜同心的从带轮(34)内，从带轮(34)的运动由主带轮(26)及齿形带(28)传输；焦点水平旋转电机(30)驱动主带轮(26)，带动从带轮(34)和楔形镜(25)的匀速运动，实现了激光束(2)的匀速旋转。3.根据权利要求2所述的一种焦点旋转和垂直振动的激光焊接装置，其特征在于:主带轮(26)的直径为从带轮(34)直径的1.5?3倍，实现转速的提升。4.根据权利要求2所述的一种焦点旋转和垂直振动的激光焊接装置，其特征在于??聚焦透镜(39)同楔形镜(25)同心安装，聚焦透镜(39)通过导轨(20)和滑块(19)保证聚焦透镜(39)振动过程中聚焦透镜(39)的中轴线始终同楔形镜(25)同心；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(19)固定在聚焦镜连接块(9)上，滑块(19)安装在导轨(20)上且能在导轨(20)上滑动，导轨(20)长度方向平行于聚焦透镜与楔形镜(25)的中轴线； 并且聚焦透镜(39)同楔形镜(25) 二者的中心垂直距离不大于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。5.根据权利要求1所述的一种焦点旋转和垂直振动的激光焊接装置，其特征在于:所述的焦点运动控制系统主要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，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。
【专利摘要】本发明涉及一种焦点旋转和垂直振动的激光焊接装置，属于激光焊接技术领域。本发明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的旋转实现激光焦点的水平旋转(平行工件平面)，通过聚焦透镜的振动实现激光焦点的垂直振动(垂直工件平面)，激光焦点运动路径为焦点水平旋转和垂直振动的合运动路径，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。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。
【IPC分类】B23K26/046, B23K26/24
【公开号】CN105414748
【申请号】CN201510907252
【发明人】武强, 官祥威, 肖荣诗
【申请人】北京工业大学
【公开日】2016年3月23日
【申请日】2015年12月9日