一种激光-电弧复合焊枪的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明属于材料加工技术领域，具体的说是涉及一种激光-电弧复合焊枪。
【背景技术】
[0002]随着工业领域对减重与强度要求的日益提高，复杂结构件或大型结构件的比例越来越高，例如船舶曲面分段骨材、飞机“三明治”结构板材等等的应用越来越多。在复杂零件制造中，焊接和3D增材制造技术成为今后主要的加工手段。鉴于激光-电弧复合热源具有高效率、高性能、高自动化等特征，因此其在焊接和3D增材制造领域具有广阔的应用前景。但是，在激光-电弧复合焊接或者3D增材制造中，需要根据复杂零件的加工轨迹实时调整激光焦点和电弧电极空间姿态。同时，焊接过程中不可避免会产生大量金属颗粒飞溅，经常需要停机对光学系统进行清洁维护。
[0003]为了有效解决上述问题，本领域做了诸多尝试:如福建省维德科技有限公司开发一种激光复合焊接设备(CN201110203565.6)，其中涉及到激光焊枪与电弧焊枪空间位置的调整，但是该装置只能满足焊前激光焊枪和电弧焊枪相对位置直线调整，而难以满足焊接过程中激光焦点和电弧电极空间姿态的实时调整需求；如清华大学开发了一种激光-电弧同轴复合焊炬(CN03109130.X)，可以解决激光-电弧旁轴复合焊时因热源不对称带来的焊接质量受焊接方向影响的问题，但是由于电弧电极加工工艺复杂，难以实现商业化应用。
【发明内容】
[0004]鉴于已有技术存在的缺陷，本发明的目的是要提供一种激光-电弧复合焊枪，该焊枪具有四自由度调节和防焊接飞溅等功能，同时能够满足复杂零件焊接及3D增材制造的需求。
[0005]为了实现上述目的，本发明的技术方案:
[0006]一种激光-电弧复合焊枪，包括
[0007]三个分别沿着x、y、z三个直角坐标轴方向相互垂直布设的直线导轨机构，依次为X轴直线导轨机构、I轴直线导轨机构以及Z轴直线导轨机构；
[0008]固定于所述X轴直线导轨机构、y轴直线导轨机构以及Z轴直线导轨机构中任意一个直线导轨机构上的电弧焊枪；
[0009]其特征在于:
[0010]还包括齿轮副旋转调节机构；
[0011]该齿轮副旋转调节机构是由一组相互啮合的主动齿轮以及从动齿轮构成；其中，所述主动齿轮上固定激光焊枪，并使得所述激光焊枪的轴线与所述主动齿轮的轴线重合；所述从动齿轮上垂直固定上述三个直线导轨机构中任意一个直线导轨机构，并使得所述电弧焊枪在随着所述从动齿轮旋转过程中能够围绕着所述激光焊枪旋转。
[0012]进一步的，所述复合焊枪还设置有用于控制焊接飞溅运动路径的电磁防飞溅装置；所述电磁防飞溅装置为设置于所述激光焊枪下方，且位于所述激光焊枪的激光聚焦镜片及激光焦点之间的锥形电磁线圈，该锥形电磁线圈通以高频交变电流，通过该交变电流产生能够使得在焊接过程中所产生的焊接飞溅(金属颗粒等)内产生相应感应涡流的交变磁场，即可实现利用磁场与涡流之间的相互作用力控制焊接飞溅的运动路径，防止焊接飞溅对激光聚焦系统的污染。
[0013]优选的，所述锥形电磁线圈的形状可以为圆锥形以及方锥形中的任意一种；其所需的高频交变电流频率优选15?150KHz。
[0014]进一步优选的，所述锥形电磁线圈的线圈锥角为30°?120°，线圈匝数为5?500 匝。
[0015]同时所述锥形电磁线圈的冷却方式可以采用水冷或者空冷方式。
[0016]进一步的，所述直线导轨机构是指由步进电机或伺服电机驱动的滚珠丝杠副直线导轨机构；所述齿轮副旋转调节机构是指由步进电机或伺服电机驱动的齿轮副旋转调节机构。
[0017]进一步的，所述电弧焊枪可以以与水平线成45°或者75°的角度的方式固定于所述直线导轨机构上或者以可旋转固定的方式固定于所述直线导轨机构上。
[0018]进一步的，所述复合焊枪的激光与电弧采用旁轴复合的方式，所述激光可以采用固体激光、气体激光、半导体激光中的任意一种，所述电弧可以采用TIG、MIG、MAG以及等离子弧中的任意一种。
[0019]优选的，所述复合焊枪可以采用激光引导电弧的方式或者采用电弧引导激光的方式进行加工作业。
[0020]本发明的有益效果:本发明的激光-电弧复合热源焊枪可以通过三组步进电机或伺服电机驱动的滚珠丝杠副直线导轨机构和一组用步进电机或伺服电机驱动的齿轮副旋转调节机构实现四自由度精确控制，焊接过程中可利用焊缝跟踪系统实时监测焊缝形状及位置，采取CCD垂直对准工件，倾斜工作方式布置的激光器打出的激光经柱透镜形成一光片照射到工件上形成一条宽度很窄的光带，当该光带被工件反射或折射后经滤光片保留激光器发出的特定波长的光而滤除其他波长的光，最后进入CCD摄像机成像，把焊缝的形状位置转化成数字信号并反馈到焊枪调节装置，实现对激光焦点和电弧电极相对位置的实时调整，保证焊枪姿态满足加工需要；同时防焊接飞溅结构设计，可以大幅度降低激光聚焦系统清洁处理周期以及易损件更换频次，提高了加工制造的可持续性。基于上述设计要点，采用该焊枪不但能够实现复杂空间结构件的焊接，而且可以通过辅助送粉\丝机构可以满足复杂零件焊接及3D增材制造需求。
【附图说明】
[0021]图1为本发明所述的复合焊枪结构示意图；
[0022]图2为本发明所述的滚珠丝杠副直线调节机构结构示意图；
[0023]图3为本发明所述的齿轮副旋转调节机构结构示意图。
[0024]图中:1、滚珠螺母，2、滚珠丝杠，3、滚珠，4、主动齿轮，5、从动齿轮，6、驱动电机，7、激光焊枪，8、Z轴滚珠丝杠副直线调节机构，9、电弧焊枪，10、Y轴滚珠丝杠副直线调节机构，11、X轴滚珠丝杠副直线调节机构，12、防飞溅装置。
【具体实施方式】
[0025]为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图，对本发明进行进一步详细说明。
[0026]本发明改进在于:
[0027]通过三个沿X、y、z三个直角坐标轴方向相互垂直布设的由步进电机或伺服电机驱动的滚珠丝杠副直线导轨机构，实现激光焦点与电弧电极的空间位置可以沿X、1、z三个直角坐标轴方向精确调节；同时通过由步进电机或伺服电机驱动的齿轮副旋转调节机构使得电弧电极围绕激光束轴线在360°范围内自由旋转，实现四自由度的自由调节，进而实现焊枪空间位置和角度的任意调节，保证复杂形状焊缝的连续性焊接。
[0028]具体的，所述的激光-电弧复合焊枪包括:
[0029]三个分别沿着x、y、z三个直角坐标轴方向相互垂直布设的直线导轨机构，依次为X轴直线导轨机构、y轴直线导轨机构以及Z轴直线导轨机构；所述的直线导轨机构是指采用三个如图1所示的由步进电机或伺服电机驱动的滚珠丝杠副直线导轨机构使得激光焦点与电弧电极的空间位置可以沿x、y、z三个直角坐标轴方向精确调节；其中该滚珠丝杠副直线导轨机构是由滚珠螺母1、滚珠丝杠2以及滚珠3组成的用于实现回转运动与直线运动相互转换的丝杠副结构，其由电机驱动滚珠丝杠旋转，使得滚珠螺母I与滚珠丝杠2的相对位置以滚珠3为滚动体进行直线运动。
[0030]所述焊枪还采用如图2所示的一个由步进电机或伺服电机驱动的齿轮副旋转调节机构使得电弧电极围绕激光束轴线在360°范围内自由旋转，具体的该齿轮副旋转调节机构是由一组相互啮合的主动齿轮4以及从动齿轮5构成；
[0031]同时所述焊枪还包括:电弧焊枪9以及激光焊枪7 ;
[0032]所述电弧