一种激光焊接与激光喷丸一体化的复合加工装置

本发明涉及激光加工领域，尤其涉及一种激光焊接与激光喷丸一体化的复合加工装置。

背景技术：

1、在当今竞争激烈的全球市场中，提高工业效率和工业质量成为了企业和国家追求的目标。在汽车、航空航天、造船、电子器件等领域，焊接扮演着重要角色。通过焊接，可以将金属部件组装成各种结构、设备，满足社会和市场的需求。激光焊接是一种利用激光束对材料进行焊接的高精密焊接技术，它具有能量密度高，热影响区小，焊接速度快等优点，激光焊接的加入既提高了工业效率，也提高了产品质量。但对于整个焊接件，最易发生断裂和失效的部位是焊接接头，焊接件接头性能的好坏影响到整个部件的性能，焊接接头的失效形式主要有腐蚀，疲劳断裂，裂纹，磨损。接头表面为薄弱区域，接头失效通常起始于表面，所以接头表面的组织和性能直接影响到接头的整体性能。激光喷丸技术是一种先进的表面强化技术，金属材料通过激光喷丸处理可以细化表层晶粒，使得材料的表面发生塑性变形，得到理想的组织结构和残余应力分布，提高金属材料的抗疲劳强度和抗腐蚀能力。如何对焊接接头表面进行激光喷丸受到了越来越多的关注与研究。

2、目前，对与焊接接头表面进行激光喷丸的研究主要有：现有技术提出了一种对焊缝表面的激光冲击强化方法，该技术根据焊缝的波纹分布，采用多激光束多方向汇合的方式对焊缝表面进行无吸收层强化；现有技术提出了一种可实现水下激光焊接和喷丸的组合装置，该技术可应用于在水下激光焊接和激光喷丸交替或连续作业，结构巧妙，易于操作。现有技术还提出了一种基于激光冲击强化的铝合金搅拌摩擦焊对接接头强韧化方法，该技术采用不同的激光冲击强化参数对不同区域进行激光冲击强化，对接头局部性能均匀性、大幅度提高接头屈服强度、提高接头整体延伸率。

3、尽管上述研究对于焊接接头表面进行激光喷丸问题具有较好的促进作用，但仍需要在以下新问题上获得突破：当前对于焊缝接头表面的激光冲击强化方式是在焊接接头形成之后再对接头表面进行强化，这种情况下，金属焊接接头易形成氧化层，在激光喷丸前需进行预处理，增加了工序，降低了生产效率；当前对于焊接接头进行激光喷丸时多数没有使用吸收层和约束层，这使得冲击后的焊缝表面质量不均匀，精度降低。

技术实现思路

1、针对现有技术中存在的不足，本发明提供了一种集激光焊接与激光喷丸于一体的复合加工装置，将激光焊接装置和激光喷丸装置共同安装在机械臂装夹组件上，使得激光焊接装置和激光喷丸装置能够同步移动。在激光焊接装置和激光喷丸装置之间加入两个喷枪，上一侧的喷枪喷出黑漆至未喷丸的焊缝上作为吸收层，下一侧的喷枪喷出水流冲洗焊缝表面的杂质，水流流入左侧水槽中，控制系统根据移动装置的移动速度和工作台倾斜角度控制注水系统控制注水量，让水槽中的水面刚好漫过喷丸点作为激光喷丸的约束层，水面与激光喷丸点同步上升，实现冲击后的焊缝表面质量均匀，精度高的要求；并且加入了一套水循环利用装置，使得此工艺用水可以循环利用。

2、本发明是通过以下技术手段实现上述技术目的的。

3、一种激光焊接与激光喷丸一体化的复合加工装置，包括移动装置、激光焊接-喷丸组件、水槽、注水系统、工作台面和控制系统；

4、所述激光焊接-喷丸组件包括激光焊接装置、机械臂装夹组件和激光喷丸装置；所述激光焊接装置和激光喷丸装置安装在机械臂装夹组件上；所述机械臂装夹组件与移动装置连接，用于带动激光焊接装置和激光喷丸装置沿加工面移动；

5、所述水槽的一个倾斜面上设有与倾斜面平行的工作台面，所述工作台面放置待加工工件；所述注水系统用于向水槽内注水；

6、所述控制系统根据移动装置参数控制注水系统的注水量，用于使水槽内水平面与激光喷丸装置的加工点重合。

7、进一步地，所述激光焊接装置前端安装保护气体输出装置，用于在焊接过程中提供保护气体。

8、进一步地，所述激光喷丸装置与激光焊接装置之间安装黑漆喷射管，用于在焊缝表面喷涂黑色吸收层。

9、进一步地，所述注水系统包括注水口、抽水泵和蓄水池；所述注水口位于激光喷丸装置与激光焊接装置之间；所述水槽、蓄水池、抽水泵和注水口构成闭环回路；所述注水口对准焊缝表面用于去除杂质和在焊缝表面形成约束层。

10、进一步地，所述激光焊接与激光喷丸一体化的复合加工装置还设有污水处理装置，在水槽与蓄水池之间设有污水处理装置，用于过滤废水中的残渣。

11、一种激光焊接与激光喷丸一体化的复合加工装置的加工方法，包括如下步骤：

12、激光焊接装置和激光喷丸装置之间的间距为s，所述激光焊接装置对应的加工位置为焊接初始点；

13、所述移动装置带动激光焊接装置在焊接初始点开始焊接，焊接过程中保护气体输出装置输出保护气体；同时注水系统根据移动装置的速度和间距s，控制水槽内的注水量；

14、黑漆喷射管对已焊接的焊缝表面喷涂黑色吸收层；

15、当激光喷丸装置到焊接初始点时，水槽内的水平面与焊接初始点重合，激光喷丸装置对焊缝喷丸加工；注水系统根据移动装置的速度和水槽的倾斜面角度，控制水槽内的注水量，使水槽内水平面与激光喷丸装置的加工点重合。

16、进一步地，控制系统根据移动装置的速度和间距s，控制注水系统向水槽内匀速注水的注水流量q，具体为：

17、t时刻的匀速注水流量q为：

18、

19、式中：t1为激光喷丸装置运动到焊接初始点b的时间：s为激光焊接装置与激光喷丸装置之间的间距；v为机械臂带动激光焊接装置的运动速度；m为焊接初始点b与水槽槽壁的水平距离；l为预加工工件长度；α°为工作台与地面的夹角；c为水槽宽度。

20、进一步地，控制系统根据移动装置的速度和水槽的倾斜面角度，控制注水系统向水槽内加速注水的注水流量q(t)，具体为：

21、t时刻的注水流量q(t)为：

22、q(t)＝sinα·c·v·[v·(t-t1)·cosα+m](t1＜t≤t1+t2)

23、t2为激光喷丸装置从焊接初始点b加工工件运行时间：

24、本发明的有益效果在于：

25、1.本发明所述的激光焊接与激光喷丸一体化的复合加工装置，通过机械臂装夹组件将激光焊接装置和激光喷丸装置装夹在一起，实现激光焊接装置和激光喷丸装置的同步移动。

26、2.本发明所述的激光焊接与激光喷丸一体化的复合加工装置，通过控制注水速度，让水槽中的水面在进行激光喷丸时始终刚好漫过喷丸点，作为激光喷丸的约束层，水面与激光喷丸点同步上升，有效提高喷丸效率，实现冲击后的焊缝表面质量均匀，精度高的要求。

27、3.本发明所述的激光焊接与激光喷丸一体化的复合加工装置，通过设置污水处理装置，对于已经使用的工艺用水进行过滤，处理过的水可以循环使用。

技术特征：

1.一种激光焊接与激光喷丸一体化的复合加工装置，其特征在于，包括移动装置、激光焊接-喷丸组件、水槽(11)、注水系统、工作台面(9)和控制系统；

2.根据权利要求1所述的激光焊接与激光喷丸一体化的复合加工装置，其特征在于，所述激光焊接装置(4)前端安装保护气体输出装置(6)，用于在焊接过程中提供保护气体。

3.根据权利要求1所述的激光焊接与激光喷丸一体化的复合加工装置，其特征在于，所述激光喷丸装置(5)与激光焊接装置(4)之间安装黑漆喷射管(7)，用于在焊缝表面喷涂黑色吸收层。

4.根据权利要求1所述的激光焊接与激光喷丸一体化的复合加工装置，其特征在于，所述注水系统包括注水口(8)、抽水泵(15)和蓄水池(14)；所述注水口(8)位于激光喷丸装置(5)与激光焊接装置(4)之间；所述水槽(11)、蓄水池(14)、抽水泵(15)和注水口(8)构成闭环回路；所述注水口(8)对准焊缝表面用于去除杂质和在焊缝表面形成约束层。

5.根据权利要求4所述的激光焊接与激光喷丸一体化的复合加工装置，其特征在于，还设有污水处理装置(13)，在水槽(11)与蓄水池(14)之间设有污水处理装置(13)，用于过滤废水中的残渣。

6.一种根据权利要求1-5任一项所述的激光焊接与激光喷丸一体化的复合加工装置的加工方法，其特征在于，包括如下步骤：

7.根据权利要求6所述的激光焊接与激光喷丸一体化的复合加工装置的加工方法，其特征在于，控制系统根据移动装置的速度和间距s，控制注水系统向水槽(11)内匀速注水的注水流量q，具体为：

8.根据权利要求7所述的激光焊接与激光喷丸一体化的复合加工装置的加工方法，其特征在于，控制系统根据移动装置的速度和水槽(11)的倾斜面角度，控制注水系统向水槽(11)内加速注水的注水流量q(t)，具体为：

技术总结
本发明提供了一种激光焊接与激光喷丸一体化的复合加工装置，包括移动装置、激光焊接‑喷丸组件、水槽、注水系统、工作台面和控制系统；所述激光焊接‑喷丸组件包括激光焊接装置、机械臂装夹组件和激光喷丸装置；所述激光焊接装置和激光喷丸装置安装在机械臂装夹组件上；所述机械臂装夹组件与移动装置连接，用于带动激光焊接装置和激光喷丸装置沿加工面移动；所述水槽的一个倾斜面上设有与倾斜面平行的工作台面；所述注水系统用于向水槽内注水；所述控制系统控制注水量，使水槽内水平面与激光喷丸加工点重合。本装置可以实现激光喷丸与激光焊接的同步移动，水面与激光喷嘴同步上升，有效提高喷丸效率，冲击后的焊缝表面质量均匀，精度要求高。

技术研发人员：黄昊添,任旭东,李天庆,陈兰,张新洲,朱江,潘知瑶
受保护的技术使用者：江苏大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15