專利名稱：大功率激光旋轉掃描焊接方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種用于焊接鋁、鈦合金等的大功率激光旋轉掃描焊接方法。
背景技術：
以小孔效應為理論基礎的激光深熔焊接，與傳統(tǒng)的TIG焊、MIG焊相比以高能量密度，較低的熱能量輸入，焊縫窄、熱影響區(qū)小，變形小等優(yōu)點越來越受到人們的關注，而且焊接時不需要真空裝置，因此激光焊接具有質量高、精度高、速度高的特點，是一種高效能的焊接方法?，F有的大功率激光焊接方法，通常采用光束直線掃描的方法進行焊接，其不足有對被焊接的工件裝配間隙要求高，被焊接邊的加工精度高，焊接激光束對準兩工件之間的縫隙的要求高，在實際焊接過程中常常是難以保證的。激光與焊接材料之間的熱作用方式使得某些材料(如鈦合金)焊縫正面產生咬邊缺陷，影響焊接接頭的力學性能，特別是接頭疲勞性能。此外激光焊接過程中，由于熔池體積非常小，冷卻速度極快，熔池中的雜質和氣體來不及逸出而滯留在焊縫金屬中形成夾雜和氣孔等缺陷，影響焊接接頭的質量。激光焊對焊件裝配間隙要求較高，因聚焦光斑直徑一般小于0.25mm，如果裝配間隙大于0.25mm，當光斑對準間隙中線時光束便穿過間隙而不能使焊件熔化。要求裝配間隙小于0.25mm，在實際生產中很難保證，如飛機中央翼下壁板對接焊縫長度達2.5米，過高的對接精度要求將會對實際生產帶來困難。為此美國的C.J.Dawes先生于1985年研制了一種低功率(800W)偏心回旋光束激光焊并研制了光束回旋裝置，該裝置在激光焊光路上設置一個偏轉鏡片，利用鏡片的偏轉方法來實現激光束的旋轉，此種焊接方法使激光焦斑在不改變原尺寸和形狀的條件下偏離原中心0.5mm，在焊接過程中激光焦斑便以0.5mm的半徑做回旋掃描運動，此時激光束做旋轉運動，而被焊工件保持不動。由于采用偏轉鏡片達到光束的旋轉，因此，限制了激光的功率，僅適用在小功率的點焊中。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的是，提供一種能夠進行長焊縫、大功率焊接的旋轉掃描焊接方法。本發(fā)明的技術解決方案是，以大功率摻釹釔鋁石榴石(Nd3+:YAG)激光機器人焊接系統(tǒng)為基礎，通過機器人使激光束產生旋轉，由另一直線傳動軸帶動被焊接的工件作直線運動，兩個運動結合形成激光旋轉掃描焊接。在機械臂前端的接口上安裝一個轉接件，轉接件的下端卡裝焊接頭夾持件，夾持件將焊接頭夾緊，隨機械臂運動；機械臂采用連續(xù)運行方式，在機器人原有的控制系統(tǒng)中，編寫了一個使機械臂做圓周運動的控制程序，首先，將機械臂從任意位置移動至預焊接起點，然后，以先運行前一個半圓再運行后一個半圓的方式，使機械臂以半徑為0.5mm～1.5mm、以2m/min～6m/min的線速度進行旋轉掃描；同時，工作平臺以100mm/min～500mm/min的速度做直線運動，從而使得激光相對于工件以100mm/min～500mm/min的速度前行，光束的掃描軌跡是上述兩種運動的疊加，在工件上得到的是螺旋線。被焊接工件裝夾在由電機驅動的可直線移動的平臺上，電機通過聯(lián)軸器與滾珠絲杠連接，滾珠絲杠的兩端各接一個軸承，螺母一方面由螺栓固定在工作臺的背面，另一方面與絲杠組成傳動副，將絲杠的轉動傳遞為工作平臺的直線移動，平臺以0.5m/min～1.5m/min的速度沿導軌做直線移動。本發(fā)明的優(yōu)點本發(fā)明用于焊接的激光的功率在1000W以上，由于本發(fā)明采用了焊接頭和工件都運動，焊接頭固定在機器人上，由機器人帶動做圓周運動，使得激光光點在焊縫寬度方向加寬；被焊接的工件固定在一維移動工作臺上，由絲杠驅動做直線運動，實現焊縫長度方向的移動。這兩個運動結合的應用，使得激光光束作用點的范圍擴大，降低對焊接材料過高的裝配精度要求，減緩了焊接區(qū)的溫度梯度，既能解決焊縫正面的咬邊問題，還能延長熔池凝固時間，配合激光束旋掃時的攪拌作用，利于熔池中雜質和氣體的浮出，減少焊縫金屬中的夾雜和氣孔的缺陷，提高焊接接頭質量。


圖1為本發(fā)明激光焊接頭與機械臂連接結構示意圖；圖1.a為本發(fā)明激光焊接頭與機械臂連接結構主視示意圖；圖1.b為本發(fā)明激光焊接頭與機械臂連接結構俯視示意圖；圖2為本發(fā)明移動工作臺的結構示意圖；圖3為本發(fā)明轉接件的三面視圖，a為右視圖，b為主視圖，c為左視圖；圖4為本發(fā)明焊接頭夾持件的三面視圖，a為左視圖，b為主視圖，c為頂視圖。
具體實施例方式在大功率摻釹釔鋁石榴石(Nd3+:YAG)激光機器人焊接系統(tǒng)的基礎上，在機械臂前端的接口1上接裝一個轉接件2，轉接件2的下端套接一個由上夾持件3和下夾持件6組成的焊接頭夾持件，上夾持件3與下夾持件6夾持在光纖接收及聚焦組件4上，激光束經90°折射鏡5折射后，在聚焦鏡7聚焦后，穿過透鏡防護玻璃8后形成激光束9，此時使激光焊接頭與機器人的機械臂緊固成一體，利用機器人原有的控制系統(tǒng)，再編寫一個使機械臂在做直線運動的同時也做旋轉運動的控制程序，此程序為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。
機械臂執(zhí)行此程序時采用連續(xù)運行方式，機器人就可以在一個位置連續(xù)不斷的作半徑為0.5mm的圓周運動。程序段01采用MoveL指令，使機器人從任意位置作直線運動到達p10點；程序段02采用MoveC指令，利用三點定圓的原理，運行圓周的前一個半圓；程序段03運行圓周的后一個半圓。指令v100表示機器人的移動速度為100mm/min。使機械臂以半徑為0.5mm～1.5mm、以2m/min～6m/min的線速度進行旋轉掃描；同時，工作平臺以100mm/min～500mm/min的速度做直線運動，從而使得激光相對于工件以100mm/min～500mm/min的速度前行，光束的掃描軌跡是上述兩種運動的疊加，在工件上得到的是螺旋線。被焊接工件被安裝在一個作直線運動的工作平臺13上，此工作臺13是一個由數控系統(tǒng)控制、伺服電機驅動的精密直線移動工作臺，電機10通過聯(lián)軸器11與滾珠絲杠15連接，滾珠絲杠15的兩端各接一個軸承12，螺母14一方面由螺栓固定在工作臺13的背面，另一方面與絲杠15組成傳動副，將絲杠15的轉動傳遞為工作臺13在導軌16上的直線移動，由此工作臺運動來帶動工件作直線移動，從而實現對工件的焊接。
權利要求
1.一種大功率激光旋轉掃描焊接方法，其特征是，利用激光焊接機器人，將激光焊接頭安裝在機器人的機械臂上，在機器人原有的控制系統(tǒng)中，加裝一個使機械臂做圓周運動的控制程序使激光束產生旋轉；被焊接工件卡裝在由直線傳動軸帶動的工作平臺上作直線運動，兩個運動結合形成激光旋轉掃描焊接。
2.根據權利要求1所述的大功率激光旋轉掃描焊接方法，其特征是，機械臂采用連續(xù)運行方式，在機器人原有的控制系統(tǒng)中，加裝編寫一個使機械臂做圓周運動的控制程序，首先，將機械臂從任意位置移動至預焊接起點，然后，以先運行前一個半圓再運行后一個半圓的方式，使機械臂以半徑為0.5mm-1.5mm、以2m/min～6m/min的線速度進行旋轉掃描，同時，工作平臺以100mm/min～500mm/min的速度做直線運動，從而使得激光相對于工件以100mm/min～500mm/min的速度前行，光束的掃描軌跡是上述兩種運動的疊加，在工件上得到的是螺旋線。
3.根據權利要求1所述的大功率旋轉掃描焊接方法，其特征是，被焊接工件卡裝在由電機(10)驅動的可直線移動的平臺(13)上，電機(10)通過聯(lián)軸器(11)與滾珠絲杠(15)連接，螺母(14)一方面由螺栓固定在工作臺(13)的背面，另一方面與絲杠(15)組成傳動副，將絲杠(15)的轉動傳遞為工作平臺(13)的直線移動，平臺(13)以0.5m/min～1.5m/min的速度做直線移動。
4.根據權利要求2所述的大功率旋轉掃描焊接方法，其特征是，使機械臂在做直線運動的同時也做旋轉運動的控制程序，此程序為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
本發(fā)明涉及一種用于焊接鋁、鈦合金等的大功率激光旋轉掃描焊接方法。以大功率激光機器人焊接系統(tǒng)為基礎，通過機器人使激光束產生旋轉，由另一直線傳動軸帶動被焊接的工件作直線運動，兩個運動結合形成激光旋轉掃描焊接。本發(fā)明用于焊接的激光功率在1000W以上，由于本發(fā)明采用了焊接頭和工件都運動，焊接頭固定在機器人上，由機器人帶動做圓周運動，使得激光光點在焊縫寬度方向加寬；被焊接的工件固定在一維移動工作臺上，由絲杠驅動做直線運動，實現焊縫長度方向的移動。這兩個運動結合的應用，使得激光光束作用點的范圍擴大，降低對焊接材料過高的裝配精度要求，減緩了焊接區(qū)的溫度梯度，既能解決焊縫正面的咬邊問題，還能延長熔池凝固時間。
文檔編號B25J13/00GK1559743SQ20041000633
公開日2005年1月5日 申請日期2004年2月26日 優(yōu)先權日2004年2月26日
發(fā)明者鞏水利, 巴瑞章, 陳俐, 邱麗華, 姚偉 申請人:中國航空工業(yè)第一集團公司北京航空制造工程研究所, 中國航空工業(yè)第一集團公司北京航空制