专利名称：大功率激光旋转扫描焊接方法
技术领域：
本发明涉及一种用于焊接铝、钛合金等的大功率激光旋转扫描焊接方法。
背景技术：
以小孔效应为理论基础的激光深熔焊接，与传统的TIG焊、MIG焊相比以高能量密度，较低的热能量输入，焊缝窄、热影响区小，变形小等优点越来越受到人们的关注，而且焊接时不需要真空装置，因此激光焊接具有质量高、精度高、速度高的特点，是一种高效能的焊接方法。现有的大功率激光焊接方法，通常采用光束直线扫描的方法进行焊接，其不足有对被焊接的工件装配间隙要求高，被焊接边的加工精度高，焊接激光束对准两工件之间的缝隙的要求高，在实际焊接过程中常常是难以保证的。激光与焊接材料之间的热作用方式使得某些材料(如钛合金)焊缝正面产生咬边缺陷，影响焊接接头的力学性能，特别是接头疲劳性能。此外激光焊接过程中，由于熔池体积非常小，冷却速度极快，熔池中的杂质和气体来不及逸出而滞留在焊缝金属中形成夹杂和气孔等缺陷，影响焊接接头的质量。激光焊对焊件装配间隙要求较高，因聚焦光斑直径一般小于0.25mm，如果装配间隙大于0.25mm，当光斑对准间隙中线时光束便穿过间隙而不能使焊件熔化。要求装配间隙小于0.25mm，在实际生产中很难保证，如飞机中央翼下壁板对接焊缝长度达2.5米，过高的对接精度要求将会对实际生产带来困难。为此美国的C.J.Dawes先生于1985年研制了一种低功率(800W)偏心回旋光束激光焊并研制了光束回旋装置，该装置在激光焊光路上设置一个偏转镜片，利用镜片的偏转方法来实现激光束的旋转，此种焊接方法使激光焦斑在不改变原尺寸和形状的条件下偏离原中心0.5mm，在焊接过程中激光焦斑便以0.5mm的半径做回旋扫描运动，此时激光束做旋转运动，而被焊工件保持不动。由于采用偏转镜片达到光束的旋转，因此，限制了激光的功率，仅适用在小功率的点焊中。
发明内容
本发明的目的是，提供一种能够进行长焊缝、大功率焊接的旋转扫描焊接方法。本发明的技术解决方案是，以大功率掺钕钇铝石榴石(Nd3+:YAG)激光机器人焊接系统为基础，通过机器人使激光束产生旋转，由另一直线传动轴带动被焊接的工件作直线运动，两个运动结合形成激光旋转扫描焊接。在机械臂前端的接口上安装一个转接件，转接件的下端卡装焊接头夹持件，夹持件将焊接头夹紧，随机械臂运动；机械臂采用连续运行方式，在机器人原有的控制系统中，编写了一个使机械臂做圆周运动的控制程序，首先，将机械臂从任意位置移动至预焊接起点，然后，以先运行前一个半圆再运行后一个半圆的方式，使机械臂以半径为0.5mm～1.5mm、以2m/min～6m/min的线速度进行旋转扫描；同时，工作平台以100mm/min～500mm/min的速度做直线运动，从而使得激光相对于工件以100mm/min～500mm/min的速度前行，光束的扫描轨迹是上述两种运动的叠加，在工件上得到的是螺旋线。被焊接工件装夹在由电机驱动的可直线移动的平台上，电机通过联轴器与滚珠丝杠连接，滚珠丝杠的两端各接一个轴承，螺母一方面由螺栓固定在工作台的背面，另一方面与丝杠组成传动副，将丝杠的转动传递为工作平台的直线移动，平台以0.5m/min～1.5m/min的速度沿导轨做直线移动。本发明的优点本发明用于焊接的激光的功率在1000W以上，由于本发明采用了焊接头和工件都运动，焊接头固定在机器人上，由机器人带动做圆周运动，使得激光光点在焊缝宽度方向加宽；被焊接的工件固定在一维移动工作台上，由丝杠驱动做直线运动，实现焊缝长度方向的移动。这两个运动结合的应用，使得激光光束作用点的范围扩大，降低对焊接材料过高的装配精度要求，减缓了焊接区的温度梯度，既能解决焊缝正面的咬边问题，还能延长熔池凝固时间，配合激光束旋扫时的搅拌作用，利于熔池中杂质和气体的浮出，减少焊缝金属中的夹杂和气孔的缺陷，提高焊接接头质量。
图1为本发明激光焊接头与机械臂连接结构示意图；图1.a为本发明激光焊接头与机械臂连接结构主视示意图；图1.b为本发明激光焊接头与机械臂连接结构俯视示意图；图2为本发明移动工作台的结构示意图；图3为本发明转接件的三面视图，a为右视图，b为主视图，c为左视图；图4为本发明焊接头夹持件的三面视图，a为左视图，b为主视图，c为顶视图。
具体实施例方式在大功率掺钕钇铝石榴石(Nd3+:YAG)激光机器人焊接系统的基础上，在机械臂前端的接口1上接装一个转接件2，转接件2的下端套接一个由上夹持件3和下夹持件6组成的焊接头夹持件，上夹持件3与下夹持件6夹持在光纤接收及聚焦组件4上，激光束经90°折射镜5折射后，在聚焦镜7聚焦后，穿过透镜防护玻璃8后形成激光束9，此时使激光焊接头与机器人的机械臂紧固成一体，利用机器人原有的控制系统，再编写一个使机械臂在做直线运动的同时也做旋转运动的控制程序，此程序为01 MoveL p10，v100，z1，tool0；02 MoveC offs(p10，0.5，0.5，0)，offs(p10，1，0，0)，v100，z1，tool0；03 MoveC offs(p10，0.5，-0.5，0)，p10，v100，z1，tool0。
机械臂执行此程序时采用连续运行方式，机器人就可以在一个位置连续不断的作半径为0.5mm的圆周运动。程序段01采用MoveL指令，使机器人从任意位置作直线运动到达p10点；程序段02采用MoveC指令，利用三点定圆的原理，运行圆周的前一个半圆；程序段03运行圆周的后一个半圆。指令v100表示机器人的移动速度为100mm/min。使机械臂以半径为0.5mm～1.5mm、以2m/min～6m/min的线速度进行旋转扫描；同时，工作平台以100mm/min～500mm/min的速度做直线运动，从而使得激光相对于工件以100mm/min～500mm/min的速度前行，光束的扫描轨迹是上述两种运动的叠加，在工件上得到的是螺旋线。被焊接工件被安装在一个作直线运动的工作平台13上，此工作台13是一个由数控系统控制、伺服电机驱动的精密直线移动工作台，电机10通过联轴器11与滚珠丝杠15连接，滚珠丝杠15的两端各接一个轴承12，螺母14一方面由螺栓固定在工作台13的背面，另一方面与丝杠15组成传动副，将丝杠15的转动传递为工作台13在导轨16上的直线移动，由此工作台运动来带动工件作直线移动，从而实现对工件的焊接。
权利要求
1.一种大功率激光旋转扫描焊接方法，其特征是，利用激光焊接机器人，将激光焊接头安装在机器人的机械臂上，在机器人原有的控制系统中，加装一个使机械臂做圆周运动的控制程序使激光束产生旋转；被焊接工件卡装在由直线传动轴带动的工作平台上作直线运动，两个运动结合形成激光旋转扫描焊接。
2.根据权利要求1所述的大功率激光旋转扫描焊接方法，其特征是，机械臂采用连续运行方式，在机器人原有的控制系统中，加装编写一个使机械臂做圆周运动的控制程序，首先，将机械臂从任意位置移动至预焊接起点，然后，以先运行前一个半圆再运行后一个半圆的方式，使机械臂以半径为0.5mm-1.5mm、以2m/min～6m/min的线速度进行旋转扫描，同时，工作平台以100mm/min～500mm/min的速度做直线运动，从而使得激光相对于工件以100mm/min～500mm/min的速度前行，光束的扫描轨迹是上述两种运动的叠加，在工件上得到的是螺旋线。
3.根据权利要求1所述的大功率旋转扫描焊接方法，其特征是，被焊接工件卡装在由电机(10)驱动的可直线移动的平台(13)上，电机(10)通过联轴器(11)与滚珠丝杠(15)连接，螺母(14)一方面由螺栓固定在工作台(13)的背面，另一方面与丝杠(15)组成传动副，将丝杠(15)的转动传递为工作平台(13)的直线移动，平台(13)以0.5m/min～1.5m/min的速度做直线移动。
4.根据权利要求2所述的大功率旋转扫描焊接方法，其特征是，使机械臂在做直线运动的同时也做旋转运动的控制程序，此程序为01 MoveL p10，v100，z1，tool0；02 MoveC offs(p10，0.5，0.5，0)，offs(p10，1，0，0)，v100，z 1，tool 0；03 MoveC offs(p10，0.5，-0.5，0)，p10，v100，z1，tool0。
全文摘要
本发明涉及一种用于焊接铝、钛合金等的大功率激光旋转扫描焊接方法。以大功率激光机器人焊接系统为基础，通过机器人使激光束产生旋转，由另一直线传动轴带动被焊接的工件作直线运动，两个运动结合形成激光旋转扫描焊接。本发明用于焊接的激光功率在1000W以上，由于本发明采用了焊接头和工件都运动，焊接头固定在机器人上，由机器人带动做圆周运动，使得激光光点在焊缝宽度方向加宽；被焊接的工件固定在一维移动工作台上，由丝杠驱动做直线运动，实现焊缝长度方向的移动。这两个运动结合的应用，使得激光光束作用点的范围扩大，降低对焊接材料过高的装配精度要求，减缓了焊接区的温度梯度，既能解决焊缝正面的咬边问题，还能延长熔池凝固时间。
文档编号B25J13/00GK1559743SQ20041000633
公开日2005年1月5日 申请日期2004年2月26日 优先权日2004年2月26日
发明者巩水利, 巴瑞章, 陈俐, 邱丽华, 姚伟 申请人:中国航空工业第一集团公司北京航空制造工程研究所, 中国航空工业第一集团公司北京航空制