CN110666355A - 一种焊枪头、激光电弧复合焊装置和方法 - Google Patents
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Abstract
本申请实施例提供一种焊枪头、激光电弧复合焊装置和方法，涉及焊接技术领域。该焊枪头包括焊枪体、导电嘴及钨极组件。焊枪体开设有喷嘴口，导电嘴设置于焊枪体内，钨极组件连接于导电嘴且开设有穿设孔。激光电弧复合焊装置包括脉冲激光器、TIG电弧焊机及焊枪头。脉冲激光器包括激光镜头，且用于提供脉冲激光，TIG电弧焊机与导电嘴电连接且用于提供电源。脉冲激光器产生的脉冲激光能够穿过穿设孔从喷嘴口射出，钨极组件在TIG电弧焊机作用下产生电弧，且脉冲激光位于电弧的中心位置。该复合焊方法将脉冲激光和电弧进行复合，且脉冲激光束穿过电弧的中心位置，降低能耗，增加可达性，增强能量利用率，提高焊接效率。
Description
技术领域
本申请涉及焊接技术领域，具体而言，涉及一种焊枪头、激光电弧复合焊装置和方法。
背景技术
随着全球资源日益紧张，降低能耗节约成本对工业化生产显得越来越重要。
激光焊具有热源能量密度高，熔透能力强的优点，但是连续激光的单激光焊的能量利用率极低；电弧焊具有工艺设备简单，技术成熟的优点，但是焊接效率不高。
发明内容
本申请的目的包括，例如，提供了一种焊枪头、激光电弧复合焊装置和方法，其能够将脉冲激光焊和TIG电弧焊进行复合，增强能量利用率，增加可达性，提高焊接效率。
本申请的实施例可以这样实现：
第一方面，本申请实施例提供一种焊枪头，包括焊枪体、导电嘴及钨极组件；
所述焊枪体用于与脉冲激光器的激光镜头连接且开设有喷嘴口，所述导电嘴设置于所述焊枪体内且用于与TIG电弧焊机电连接，所述钨极组件连接于所述导电嘴且开设有穿设孔；
所述脉冲激光器产生的脉冲激光从所述激光镜头发出后能够穿过所述穿设孔从所述喷嘴口射出，同时，所述TIG电弧焊机提供电源通过所述导电嘴能够传递至所述钨极组件，以使所述钨极组件产生电弧且从所述喷嘴口释放。
在可选的实施方式中，所述钨极组件包括钨极体和夹持件，所述钨极体包括固定连接的第一钨极和第二钨极，所述第二钨极相对于所述第一钨极靠近于所述喷嘴口，所述夹持件夹持于所述第一钨极且连接于所述导电嘴的内腔中，所述第二钨极远离所述第一钨极的一端沿激光发射方向的横截面直径逐渐减小，所述穿设孔沿所述钨极体的轴向开设。
第二方面，本申请实施例提供一种激光电弧复合焊装置，包括脉冲激光器、TIG电弧焊机及前述实施方式任意一项所述的焊枪头；
所述脉冲激光器包括激光镜头，所述激光镜头固定设置于所述焊枪头背离所述喷嘴口的一端且用于提供脉冲激光，所述TIG电弧焊机与所述导电嘴电连接且用于提供电源，所述脉冲激光器发射的脉冲激光通过所述激光镜头穿过所述钨极组件的穿设孔从所述喷嘴口射出，同时，所述TIG电弧焊机通过所述导电嘴与所述钨极组件电连接，以使所述钨极组件产生电弧从所述喷嘴口射出。
在可选的实施方式中，所述钨极组件包括钨极体，所述穿设孔沿所述钨极体的轴向开设且为圆形孔，所述钨极体在所述TIG电弧焊机的作用下能够产生电弧，所述脉冲激光器产生的脉冲激光能够从所述穿设孔的中心位置射出，以使脉冲激光位于电弧的中心位置。
第三方面，本申请实施例提供一种激光电弧复合焊方法，包括焊接步骤：
对待焊接件的其中一个部位同时进行激光焊和电弧焊，且激光束穿过电弧的中心位置。
在可选的实施方式中，所述激光为脉冲激光。
在可选的实施方式中，所述电弧为TIG电弧。
在可选的实施方式中，在所述焊接步骤之前包括参数设定步骤：
设定脉冲激光器的单脉冲能量、脉冲宽度及脉冲频率，设定TIG电弧焊机的电流参数、电压参数、焊枪角度、钨极内径、焊接速度以及保护气体流量。
在可选的实施方式中，在所述参数设定步骤之前还包括准备步骤：
对待焊接件进行焊前清理、装配及定位。
在可选的实施方式中，所述焊接步骤和所述参数设定步骤之间还包括路径设定步骤：
编辑机器手的行走路径，以确定复合焊接的起点和终点。
本申请实施例的有益效果包括，例如：
由于钨极组件开设有用于脉冲激光射出的穿设孔，导电嘴与TIG电弧焊机电连接，以使TIG电弧焊机提供的电源通过导电嘴传递至钨极组件。钨极组件在TIG电弧焊机的作用下能够产生电弧，脉冲激光器产生的脉冲激光能够从钨极组件的穿设孔射出，以使脉冲激光位于电弧的中心位置，实现脉冲激光与TIG电弧同轴复合焊。由于脉冲激光比连续激光的平均功率低，并且光电转化效率高，因此能耗低，能量利用率高；焊枪头可达性好，焊接效率高；总焊接的热输入小，电弧稳定，焊接质量好。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本申请的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1为本申请实施例提供的激光电弧复合焊装置的示意图；
图2为本申请实施例提供的激光电弧复合焊装置中焊枪头的示意图。
图标：100-激光电弧复合焊装置；01-待焊接件；10-焊枪头；11-喷嘴口；12-焊枪体；121-送丝管；122-保护气出气口；123-保护气罩；13-导电嘴；14-夹持件；15-钨极体；152-第一钨极；153-第二钨极；155-穿设孔；20-脉冲激光器；21-激光器本体；22-激光镜头；23-脉冲激光束；30-TIG电弧焊机；40-保护气瓶；45-保护气管；50-送丝机；60-机器手。
具体实施方式
为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本申请实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
因此，以下对在附图中提供的本申请的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请的范围，而是仅仅表示本申请的选定实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
在本申请的描述中，需要说明的是，若出现术语“上”、“下”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该申请产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。
此外，若出现术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请的实施例中的特征可以相互结合。
实施例
本申请实施例提供了一种激光电弧复合焊装置100，该激光电弧复合焊装置100用于对待焊接件01进行复合焊，从而提高焊接效率和焊接质量。该激光电弧复合焊装置100包括焊枪头10，焊枪头10用于对脉冲激光和TIG电弧进行结合，以使脉冲激光和TIG电弧同时从焊枪头10的喷嘴口11射出，且脉冲激光束位于TIG电弧的中心位置。
现有的激光焊具有热源能量密度高，熔透能力强的特点。但是也存在材料对激光的吸收率低，尤其有色金属比如铝合金，从而导致激光焊的能量利用率极低；电弧焊的工艺设备简单，技术成熟。但是存在焊接热输入较大，焊接变形大，从而导致电弧焊焊接效率不高的弊端。本申请将脉冲激光焊和TIG电弧焊两种焊接方式进行复合，从而可以充分发挥两者各自的优势，是一种很有发展前景的焊接方法。
下面对本实施例提供的激光电弧复合焊装置100的各个部件的具体结构和相互之间的对应关系进行详细说明。
图1为本申请提供的激光电弧复合焊装置100的示意图，图2为本申请提供的激光电弧复合焊装置100中焊枪头10的示意图。
请参照图1和图2所示，激光电弧复合焊装置100包括脉冲激光器20、TIG电弧焊机30及焊枪头10。
脉冲激光器20包括激光器本体21和激光镜头22，激光镜头22与激光器本体21电连接，激光镜头22固定设置于焊枪头10的尾部，用于提供脉冲激光。
TIG电弧焊机30与焊枪头10的导电嘴13电连接，且用于为钨极组件提供电源。通过焊枪头10，使得脉冲激光器20发射的脉冲激光束23通过激光镜头22从焊枪头10的喷嘴口11射出，与此同时，TIG电弧焊机30提供电源，通过导电嘴13与钨极组件电连接，以使钨极组件放电产生电弧，且脉冲激光束23位于电弧的中心位置。
一般情况下，激光源可以选择连续激光和脉冲激光两种，由于连续激光在光电转化效率方面明显远低于脉冲激光，连续激光的能量利用率不高。从而限制了连续激光电弧复合焊接技术在实际生产中的推广应用。
当采用大功率的连续激光电弧同轴复合焊，存在以下问题：1、大功率连续激光能量利用效率低；2、大功率激光反射强，容易烧损钨极；3、热输入大，焊接变形和残余应力大，导致接头组织和性能差。
所以，本申请提供的激光电弧复合焊装置100中采用的激光源为脉冲激光，故选用脉冲激光器20。
下面对焊枪头10进行详细介绍。
请参照图2所示，焊枪头10包括焊枪体12、导电嘴13及钨极组件。焊枪体12开设有喷嘴口11，导电嘴13设置于焊枪体12内，钨极组件连接于导电嘴13且开设有穿设孔155。其中，焊枪体12远离喷嘴口11的一端用于和激光镜头22连接提供脉冲激光束23，导电嘴13用于和TIG电弧焊机30电连接提供电弧。从而使得脉冲激光器20产生的脉冲激光束23从激光镜头22发出后能够穿过钨极组件的穿设孔155从焊枪体12的喷嘴口11射出，与此同时，TIG电弧焊机30提供电源，且通过导电嘴13与钨极组件电连接，钨极组件放电产生电弧，且脉冲激光束23位于电弧的中心位置。
激光电弧复合焊复合方式包括旁轴复合和同轴复合。旁轴复合为激光和电弧的位置呈一前一后的方式进行复合，其结构简单。但是，旁轴复合焊在焊接过程中，必须保持激光和电弧两种热源在同一条直线上。针对复杂空间位置进行来回焊接时可达性不高，通常要等焊枪运行到其他位置调整好位置后才能继续进行焊接，从而大大降低了焊接效率。
当采用小功率的脉冲激光电弧旁轴复合焊时，往往存在如下问题：1、电弧和激光位置呈前后分布，激光诱导效率有待提高；2、电弧焊枪和激光镜头的位置呈前后设置，导致复合焊枪结构尺寸大，灵活性和可达性不好；3、激光和电弧复合后的热源形状尺寸不规则，增加了研究激光和电弧作用机理的难度；4、激光产生的匙孔受电弧压力不对称，容易造成匙孔坍塌，造成熔池不稳定，进而影响焊接质量。
故本申请提供的激光电弧复合焊装置100中的焊枪头10采用同轴复合焊的形式，以使脉冲激光束23正好穿过电弧的中心位置。另外，选用小功率的脉冲激光器20，实现小功率激光电弧复合同轴焊。
具体的，导电嘴13为空心圆柱状结构，导电嘴13的中心轴线沿激光的发射方向延伸，钨极组件连接于导电嘴13的内腔中，钨极组件的穿设孔155采用圆孔，且穿设孔155的中心轴线与导电嘴13的中心轴线重合，以使得脉冲激光束23正好从电弧的中心位置发射出来。
进一步地，沿激光发射的方向，激光镜头22射出的脉冲激光束23与电弧呈对称分布。使得该焊枪头10可用于金属材料薄板的超高速焊接，还可以实现小功率的激光焊透中厚板的金属材料。
由于脉冲激光束23在电弧的中心位置，脉冲激光对电弧的吸引和压缩作用更显著，热源能量密度更高，激光匙孔效应更强，熔透能力更高，脉冲激光和电弧同轴复合的协同效果远高于脉冲激光和电弧旁轴复合的方式。
进一步地，钨极组件包括钨极体15和夹持件14，上述的穿设孔155沿轴向开设于钨极体15，夹持件14夹持于钨极体15的外侧壁，且夹持件14固定连接于导电嘴13的内腔中。
在本实施例中，夹持件14与导电嘴13螺纹连接，导电嘴13与焊枪体12螺纹连接。
TIG电弧焊机30提供电源，电流通过导电嘴13与钨极组件电连接，钨极组件放电产生电弧，脉冲激光器20产生的脉冲激光束23从钨极组件的穿设孔155射出，使得电弧压力作用于激光匙孔的正上方，激光匙孔受到的电弧压力对称均匀，从而匙孔的开口尺寸更大，匙孔也更加稳定，由此可以减少匙孔不稳造成的工艺性气孔，增强熔池流动的稳定性，有利于提高焊接速度。
进一步地，钨极体15基本为柱状结构且包括固定连接的第一钨极152和第二钨极153，第二钨极153相对于第一钨极152靠近于焊枪体12的喷嘴口11的一端。
第一钨极152为圆柱状结构，夹持件14夹持于第一钨极152的外侧壁，第二钨极153远离第一钨极152的一端为圆台状结构。钨极体15分为第一钨极152和第二钨极153固定连接的方式，当由于使用时间久需要修复、更换钨极体15时，只需要更换位于前端的第二钨极153，第一钨极152可不需更换，从而节省成本，且更换第二钨极153操作方便，实用性强。
其中，第二钨极153远离第一钨极152的一端沿激光发射方向的横截面直径逐渐减小。穿设孔155沿钨极体15的轴向开设，且穿设孔155的中心轴线与第一钨极152的中心轴线重合。第一钨极152的外径尺寸为固定尺寸，钨极体15的内径尺寸可以根据工艺需要进行选择。
在本实施例中，钨极体15的外径尺寸为8mm，内径尺寸为2～6mm。
进一步地，焊枪体12靠近喷嘴口11的一端还设置有保护气罩123，保护气罩123沿激光发射方向的横截面尺寸逐渐减小，以使保护气罩123呈现收缩的趋势。焊枪体12上还开设有保护气出气口122，用于通过保护气瓶40向焊枪头10提供保护气，从而冷却钨极体15和保护熔池。
与此相对应的，本申请提供的激光电弧复合焊装置100还包括保护气瓶40。保护气瓶40通过保护气管45连接于焊枪体12的保护气出气口122，从而使保护气瓶40内的保护气体从保护气出气口122喷出，可以对焊接中的钨极体15进行冷却，同时保护焊接熔池。
进一步地，焊枪体12还设置有送丝管121，送丝管121位于焊枪体12的内腔中且朝向喷嘴口11的方向延伸，该送丝管121用于对送丝机50输送的焊丝进行导向，以使焊丝顺利输送至喷嘴口11的焊接位置。
可选的，在具体焊接时，可以根据实际情况选择填丝焊和自熔焊两种方式，本申请不做限制。
与此相对应的，本申请提供的激光电弧复合焊装置100还包括送丝机50。焊枪体12上设置有送丝管121，送丝机50将焊丝穿过送丝管121输送至焊枪头10的喷嘴口11，从而根据焊接需求选择焊接方式进行焊接。
本申请提供的激光电弧复合焊装置100由于脉冲激光和电弧采用同轴对称结构，可以作360°旋转的任意位置变化，减少了旁轴复合焊接时每条焊缝焊前焊枪和脉冲激光束23位置调整工序，从而增加了焊枪头10的可达性，还可实现复杂空间位置焊接中各种焊接顺序，减轻了工作量，消除了工作误差，缩短焊前准备时间，进而提高焊接效率。
进一步地，本申请提供的激光电弧复合焊装置100还包括控制器和机器手60。控制器与机器手60电连接，焊枪头10固定设置于机器手60，通过机器手60带动焊枪头10的运动，控制器用于控制机器手60的行走速度和行走路径，进而控制焊枪头10的焊接速度和焊接路径。
请继续参照图1所示，焊枪头10与脉冲激光器20的激光镜头22用螺杆固定，在螺杆具体锁紧固定之前，先前后左右移动焊枪头10，确保脉冲激光束23顺利穿过钨极体15的穿设孔155，脉冲激光器20将焊接所需的小功率脉冲激光由光纤传输到激光镜头22，通过激光镜头22从焊枪头10的穿设孔155射出，TIG电弧焊机30提供电源。
该激光电弧复合焊装置100提供的复合热源更加对称，有利于对脉冲激光和电弧的交互作用机理进行分析；利用脉冲激光具有单脉冲峰值，功率高而平均输出功率低，光电转化效率高，单位长度焊缝能耗低；且单脉冲能量高，熔深大，可用于小功率激光焊接薄板和中厚板；总焊接热输入小，热影响区窄，焊接变形小，残余应力小，接头强度高；能够针对薄板和例如0.5mm的超薄板；另外，激光功率小，激光反射造成的钨极组件烧损小。
本申请提供的激光电弧复合焊装置100的复合焊方法包括焊接步骤：对待焊接件01的其中一个部位同时进行激光焊和电弧焊，且脉冲激光束23穿过电弧的中间位置。
具体的，激光为脉冲激光，电弧为TIG电弧。
具体包括以下步骤：
一、准备步骤，焊前清理待焊接件01的待焊接位置，对待焊接件01进行装配及定位。
二、参数设定步骤，根据待焊接材料的类型和厚度选择脉冲激光器20的激光参数，例如，激发电流(100～200A)、脉冲宽度(0.5～5ms)、脉冲频率(10～50hz)、单脉冲能量等；同时选择TIG电弧焊机30的电源参数，例如，电弧电流值(100～300A)、电压值(20～60V)、焊枪角度等；另外，选择其他工艺参数，例如，离焦量(-5～5mm)、钨极内径(1～5mm)、焊接速度以及保护气体流量大小(10～30L/min)等。
三、路径设定步骤，通过控制器编辑机器手60的行走路径，确定焊接起点位置和焊接终点位置。
四、启动焊接，焊枪头10在机器手60的作用下对待焊接件01进行焊接。
本申请实施例提供的焊枪头10、激光电弧复合焊装置100和方法具有的有益效果是：
脉冲激光和电弧同轴复合焊接，热源能量密度更高，激光匙孔效应更强，熔透能力更高，匙孔受电弧压力对称均匀，匙孔更加稳定，提高熔池流动的稳定性，增强能量利用率；总焊接热输入小，焊接变形小，残余应力小，焊枪头10可以做任意位置的变化，增加了焊枪的可达性，减少工作量，消除工作误差，缩短焊前准备时间，提高焊接效率。
以上所述，仅为本申请的具体实施方式，但本申请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申请揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。
Claims (10)
1.一种焊枪头，其特征在于，包括焊枪体、导电嘴及钨极组件；
所述焊枪体用于与脉冲激光器的激光镜头连接且开设有喷嘴口，所述导电嘴设置于所述焊枪体内且用于与TIG电弧焊机电连接，所述钨极组件连接于所述导电嘴且开设有穿设孔；
所述脉冲激光器产生的脉冲激光从所述激光镜头发出后能够穿过所述穿设孔从所述喷嘴口射出，同时，所述TIG电弧焊机提供电源通过所述导电嘴能够传递至所述钨极组件，以使所述钨极组件产生电弧且从所述喷嘴口释放。
2.根据权利要求1所述的焊枪头，其特征在于，所述钨极组件包括钨极体和夹持件，所述钨极体包括固定连接的第一钨极和第二钨极，所述第二钨极相对于所述第一钨极靠近于所述喷嘴口，所述夹持件夹持于所述第一钨极且连接于所述导电嘴的内腔中，所述第二钨极远离所述第一钨极的一端沿激光发射方向的横截面直径逐渐减小，所述穿设孔沿所述钨极体的轴向开设。
3.一种激光电弧复合焊装置，其特征在于，包括脉冲激光器、TIG电弧焊机及权利要求1或2所述的焊枪头；
所述脉冲激光器包括激光镜头，所述激光镜头固定设置于所述焊枪头背离所述喷嘴口的一端且用于提供脉冲激光，所述TIG电弧焊机与所述导电嘴电连接且用于提供电源，所述脉冲激光器发射的脉冲激光通过所述激光镜头穿过所述钨极组件的穿设孔从所述喷嘴口射出，同时，所述TIG电弧焊机通过所述导电嘴与所述钨极组件电连接，以使所述钨极组件产生电弧从所述喷嘴口射出。
4.根据权利要求3所述的激光电弧复合焊装置，其特征在于，所述钨极组件包括钨极体，所述穿设孔沿所述钨极体的轴向开设且为圆形孔，所述钨极体在所述TIG电弧焊机的作用下能够产生电弧，所述脉冲激光器产生的脉冲激光能够从所述穿设孔的中心位置射出，以使脉冲激光位于电弧的中心位置。
5.一种激光电弧复合焊方法，其特征在于，包括焊接步骤：
对待焊接件的其中一个部位同时进行激光焊和电弧焊，且激光束穿过电弧的中心位置。
6.根据权利要求5所述的激光电弧复合焊方法，其特征在于，所述激光为脉冲激光。
7.根据权利要求5所述的激光电弧复合焊方法，其特征在于，所述电弧为TIG电弧。
8.根据权利要求5所述的激光电弧复合焊方法，其特征在于，在所述焊接步骤之前包括参数设定步骤：
设定脉冲激光器的单脉冲能量、脉冲宽度及脉冲频率，设定TIG电弧焊机的电流参数、电压参数、焊枪角度、钨极内径、焊接速度以及保护气体流量。
9.根据权利要求8所述的激光电弧复合焊方法，其特征在于，在所述参数设定步骤之前还包括准备步骤：
对待焊接件进行焊前清理、装配及定位。
10.根据权利要求8所述的激光电弧复合焊方法，其特征在于，所述焊接步骤和所述参数设定步骤之间还包括路径设定步骤：
编辑机器手的行走路径，以确定复合焊接的起点和终点。
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