本发明涉及一种激光窄间隙焊接头，属于激光加工领域。
背景技术：
在核电、石油化工、船舶、海洋工程等工业领域应用到大量的厚壁结构，在这些结构的制造过程中焊接是其中最关键的工序之一，同时焊接又是决定生产效率的关键环节。对于大型精密结构的厚板焊接，由于对焊缝质量、焊缝外形尺寸、焊接变形等的严格要求，通常会选择窄间隙焊，目前窄间隙焊的主要方式是窄间隙tig和窄间隙mig，但是这两种窄间隙电弧焊存在热输入大、焊接结构应力变形严重、间隙宽导致金属填充量大、焊接效率过低等明显不足。随着大功率激光器技术日新月异的发展和激光加工技术越来越广泛的普及，激光焊在厚板领域的扩展将是大势所趋。与传统的电弧焊相比，激光的功率密度至少大一个数量级且激光光束外形尺寸精确可控，焊件坡口尺寸可控制到电弧的二分之一，由此导致的直接结果是焊缝热输入量、焊接变形以及金属填充量大为减小，生产效率随之大为提高。焊接界通常认为间隙尺寸小于5mm的窄间隙焊可称为超窄间隙焊接，因此激光窄间隙焊完全可称为超窄间隙焊。目前世界范围内激光窄间隙焊是焊接领域的研究热点。在激光窄间隙焊中焊接头是对焊接过程和焊接质量影响除激光器之外的最关键因素，但是目前仍没有一款专用于激光窄间隙焊的焊接头出现。因此，研制一款适用于激光窄间隙焊的新型焊接头十分必要。
技术实现要素：
本发明激光窄间隙焊接头主要由焊接头基体、光束传输与转换模块、送丝模块、气体保护模块、横向气帘和烟气抽排模块及ccd监测模块等部分组成。
一种激光窄间隙焊焊接头，其特征在于：焊接头包括光学准直模块(1)、聚焦镜(2)、保护镜(5)、气体保护模块(3)、送丝模块(4)、ccd观测模块(8)、横向气帘(6)、烟气排出管道(7)、送丝位置调节装置(9)、机器人适配器(10)、基体(11)、传输光纤(12)、气体保护喷嘴位置调节结构(13)；基体(11)为空腔结构且基体底部腔体部分两侧各开一窗口，与大气相通；其中传输光纤(12)接头与准直模块(1)相连，准直模块(1)和聚焦镜(2)同轴螺纹连接，保护镜(5)镜坐布置在聚焦镜(2)下方并固定在基体(11)底部腔体上，保护镜(5)嵌入在保护镜座中；基体(11)底部腔体下方设置横向气帘(6)，横向气帘(6)排出的超音速空气及烟气经导流进入基体的空心纵臂，气体向上并通过烟气排出管道(7)最终排出，直接接入烟气净化设备，准直模块(1)被环抱于基体上横臂位置；ccd观测模块(8)布置在基体(11)底部右侧，与焊接头竖直方向偏转10°～45°，气体保护模块(3)通过位置调节结构(13)与ccd观测模块(8)相连；送丝模块(4)安装在焊接头左侧，送丝嘴调节装置(9)通过纵横两维燕尾槽调节结构安装于基体左下方，与气体保护模块(3)相对；机器人适配器(10)位于基体(11)后侧。
送丝嘴和气体保护喷嘴均能在上下、左右和前后方向移动；送丝嘴和光学焦点位置同步协调运动，以保证光束和焊丝的相对位置固定；位置的调节靠啮合的齿轮和齿条移动两个燕尾槽来实现。
旁轴ccd观测模块带有照明装置，并且显示器直接安装在焊接头上以方便观测间隙内的具体形貌。
横向气帘超音速气流在保护光学镜片不受污染的同时借助其产生负压吸走焊接区烟尘。
气体保护喷嘴喷出气流包括主保护气和尾部保护气，主保护气由圆管喷出而尾部保护气由矩形通道喷出，矩形通道喷口宽度3～10mm，长宽比为6～15。
光学系统独立于焊接头其它结构，能独立安装或拆卸。
焊接头基体结构如图2所示，其主要功能是安装固定焊接头的其它各功能模块，并将焊接头连接到机械手或机床等运动机构上。焊接头基体结构整体呈，其左侧主要布置送丝装置，包括焊枪端部送丝机、导丝管、导丝嘴等。右上位置主要布置光束传输与聚焦模块，所有光学装置同轴并通过螺纹连接，从上往下依此是光纤、准直器、聚焦镜、保护镜。光学装置的固定是通过基体的右上部半圆环和另一个与之相对应的半圆环合抱以及基体的右侧腰部平台来固定的，中间留出的空间方便聚焦镜调节。基体右下底面安装横向超音速气帘，如图6所示，经过拉瓦尔喷管结构加速至超音速的气流横向吹过保护镜下方，将焊接烟尘和飞溅吹离光路，使保护镜片免受污染。与此同时，超音速气流产生的抽吸作用将焊接头下方、侧方的烟尘也一并抽入并在导向机构的作用下进入焊接头基体的空腔。这种结构的另外一个附带的有利因素是：气流在空腔内的超音速流动还可为整个焊接头降温。
焊接头送丝模块包括了送丝机、导丝弯管、导丝嘴和送丝位置精密调节机构，如图5所示。送丝位置的调节主要由两个相互垂直的燕尾槽滑动机构的相对滑动来实现，其中控制上下的燕尾槽通过螺钉与焊接头基体(11)连接固定，控制左右运动的燕尾槽设置在控制上下的燕尾槽块体的下端，当位置调节好后可通过燕尾槽两侧的紧定螺钉锁紧。
气体保护装置是由气体保护喷嘴和喷嘴位置调节机构两部分组成。气体保护喷嘴气流包括主保护气和尾部保护气，主保护气由圆管通道喷出而尾部保护气由矩形尾罩通道喷出，矩形尾罩喷口宽度3～10mm，长宽比为6～15，目的是让喷口喷出的气流更大范围的保护间隙内的熔池及高温区金属。气体保护装置的头部位置设置与燕尾槽配合的滑块机构实现喷嘴位置调节。
ccd监测系统由ccd、焊缝照明及显示器构成，如图8所示。ccd安装于布置在焊接头光轴与气体保护喷嘴装置之间的ccd安装腔体内部，与激光束轴线呈10～45°夹角。显示器可布置在运动机构末端也可安装于控制台，或者直接布置两台显示器(一台用于前端调试一台用于焊接程序自动执行过程)。焊前和焊接过程中ccd监测系统均可在观测并记录焊接区域的形貌，并可实时通过显示器显示。为保证拍摄画面的清晰程度，在ccd检测模块的对侧(送丝模块)设置照明装置。
本发明的优点和积极效果是：激光束焦点位置、焊丝对中精度、喷嘴位置精确可调；矩形喷嘴对处于窄间隙内的熔池和高温金属保护效果良好；横向气帘在保护光学镜片免受污染的同时利用其负压抽吸焊接烟尘；显示器直接安装在焊接头上方的旁轴ccd观测系统可方便观测间隙内的焊缝形貌以及焊丝、光斑的作用位置。本发明的目的在于提供一种一体化激光窄间隙焊接工作头。
附图说明
图1激光窄间隙焊接头；
图2激光窄间隙焊接头基体；
图3激光窄间隙焊接头基体部分示意图；
图4横向气帘及烟气抽排过程示意图；
图5送丝位置调整装置示意图；
图6ccd监测模块示意图；
图7气体保护装置示意图；
图8保护气体通道示意图；
图9机械手适配器及显示器安装位置示意图；
图10百毫米级厚板的激光窄间隙焊缝横截面图。
具体实施方式1：
本发明提出了一种激光窄间隙焊接头，主要组成包括：光学准直模块(1)、聚焦镜(2)、保护镜(5)、气体保护模块(3)、送丝模块(4)、ccd观测模块(8)、横向气帘(6)、烟气排出管道(7)、送丝位置调节装置(9)、机器人适配器(10)、基体(11)、传输光纤(12)、气体保护喷嘴位置调节结构(13)。其中传输光纤(12)接头与准直模块(1)相连，准直模块(1)和聚焦镜(2)同轴螺纹连接，保护镜(5)镜坐布置在聚焦镜(2)下方并固定在基体(11)底部腔体上，保护镜(5)嵌入在保护镜坐中。基体(11)底部腔体下方安装横向气帘(6)，横向气帘(6)排出的超音速空气及烟气经导流进入基体的空心纵臂，气体向上并通过烟气排出管道(7)最终排出，可直接接入烟气净化设备，基体底部腔体部分两侧各开一个窗口与大气相通。准直模块(1)被环抱固定于基体上横臂部分。ccd观测模块(8)布置在基体(11)底部右侧，与焊接头竖直方向偏转10°～45°，气体保护模块(3)通过位置调节结构(13)与ccd观测模块(8)相连。送丝模块(4)安装在焊接头左侧，送丝嘴调节装置(9)通过纵横两维燕尾槽调节结构安装于基体左下方，与气体保护模块(3)相对。机器人适配器(10)位于基体(11)底部后侧。
具体实施方式2：
与实施例1不同的是：焦点位置、焊丝位置、保护气嘴位置通过在运动机构侧方设置电机系统进行自动控制。