光纖傳輸雷射器焊接頭的製作方法

2023-10-06 14:21:09

專利名稱：光纖傳輸雷射器焊接頭的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及雷射焊接設備，具體地說是一種光纖傳輸雷射器焊接頭。
背景技術：
雷射焊接是一種新的焊接工藝。所謂的雷射焊接就是將高強度的雷射束輻射至金 屬表面，通過雷射與金屬的相互作用，使金屬熔化形成焊接。在雷射與金屬的相互作用過程 中，金屬熔化僅為其中一種物理現象。雷射焊接按其焊接功率密度(即雷射器輸出功率除 以光斑面積)又分雷射熱傳導焊接和雷射深熔焊。雷射熱傳導焊接是雷射束照射到工件表面，工件表面熱量通過熱轉到向內部擴 散，通過控制雷射功率等參數，使工件熔化，形成特定的熔池，隨著熔池的移動，熔池後的熔 化金屬迅速冷卻，而形成焊接。雷射深熔焊即當雷射光斑上的功率密度足夠大的(> 106W/cm2)光束照射下，材 料產生蒸發，形成小孔。這個充滿蒸汽的小孔猶如一個黑體，幾乎全部吸收入射光線的能 量，孔腔內平衡溫度達25000°C度左右。熱量從這個高溫孔腔外壁傳遞出來，使包圍著這個 孔腔的金屬熔化。小孔內充滿在雷射光束照射下金屬材料連續蒸發產生的高溫蒸汽，小孔 四壁包圍著熔融金屬，液態金屬四周即圍著固體材料。孔壁外液體流動和壁層表面張力與 孔腔內連續產生的蒸汽壓力相持並保持著動態平衡。光束不斷進入小孔，小孔外材料在連 續流動，隨著光束移動，小孔始終處於流動的穩定態。就是說，小孔和圍著孔壁的熔融金屬 隨著前導光束前進速度向前移動，熔融金屬填充進著小孔移開後留下的空隙並隨之冷凝， 焊縫於是形成。本實用新型以雷射焊接技術為理論依據，研製了光纖傳輸雷射器焊接頭。
實用新型內容本實用新型的目的在於提供一種在焊接過程中實現合理有效雷射焊接的光纖傳 輸雷射器焊接頭。該雷射器焊接頭可進行多種合金各種形式的雷射焊接。本實用新型的目的是通過以下技術方案來實現的本實用新型包括光纖連接機構、雷射光學準直機構、雷射光學聚焦機構、雷射光學 保護鏡機構及防飛濺保護氣機構，其中雷射光學準直機構的一端與光纖連接機構螺紋連 接，另一端與雷射光學聚焦機構的一端相連，雷射光學聚焦機構的另一端連接有雷射光學 保護鏡機構，在雷射光學保護鏡機構的下方設有防止焊接飛濺濺射到雷射光學保護鏡機構 的防飛濺保護氣機構；所述光纖連接機構發出的發散焊接雷射光束通過雷射光學準直機構 中的準直鏡變為平行光束，該平行光束通過雷射光學聚焦機構中的聚焦鏡聚焦成光斑，光 斑通過雷射光學保護鏡機構中的保護鏡照射到被焊材料上。其中在防飛濺保護氣機構的下方螺紋連接有同軸焊保護氣機構，該同軸焊保護 氣機構包括同軸設置的內套及外套，外套螺紋連接於內套的外部，內套為中空結構，在外套 與內套之間留有錐環形空間，保護氣由該錐環形空間的底部噴出；[0010]所述防飛濺保護氣機構的側壁上安裝有側向焊接保護氣機構，該側向焊接保護氣 機構包括固定塊及保護器噴嘴，其中保護器噴嘴的一端通過固定塊安裝在防飛濺保護氣機 構上，另一端向焊接接縫彎折；所述保護器噴嘴的一端接有保護氣氣源；所述雷射光學準直機構包括第一連接法蘭、準直主體外套、準直主體內套、準直鏡 鏡座、準直鏡、鏡座調整環及連接座，其中第一連接法蘭固接在準直主體外套的頂端，光纖 連接機構安裝在第一連接法蘭上；所述準直主體內套螺紋連接於準直主體外套的內部，準 直主體內套的底端與連接座螺紋連接，在準直主體外套與準直主體內套之間留有第一水冷 腔；在準直主體內套內部螺紋連接有準直鏡鏡座，準直鏡安裝在準直鏡鏡座上、通過與準直 主體內套螺紋連接的鏡座調整環螺紋鎖緊；所述雷射光學聚焦機構通過螺釘與雷射光學準直機構相連，雷射光學聚焦機構包 括焊接頭主體、聚焦鏡鏡座、聚焦鏡及鏡座鎖緊環，其中焊接頭主體內螺紋連接有水冷模 塊，聚焦鏡鏡座螺紋連接於水冷模塊內，在水冷模塊與聚焦鏡鏡座之間留有第二水冷腔；所 述聚焦鏡安裝在聚焦鏡鏡座上，在聚焦鏡鏡座的下方螺紋連接有鎖緊聚焦鏡的鏡座鎖緊 環；所述雷射光學保護鏡機構通過螺釘與雷射光學聚焦機構相連，雷射光學保護鏡機 構包括保護鏡上法蘭、保護鏡座、保護鏡下法蘭、鎖緊環、壓片及保護鏡，其中保護鏡上法蘭 通過螺釘與保護鏡下法蘭連接，保護鏡座安裝在保護鏡下法蘭上，所述保護鏡放置在保護 鏡座上，保護鏡通過其上方設置的螺紋連接於保護鏡座上的鎖緊環鎖緊，在鎖緊環與保護 鏡之間設有壓片；保護鏡上法蘭與保護鏡下法蘭上分別設有便於更換保護鏡的第一螺母及 第二螺母；所述防飛濺保護氣機構通過螺釘與雷射光學保護鏡機構相連，防飛濺保護氣機構 包括第二連接法蘭、防飛濺隔板及保護氣出口，其中防飛濺隔板及保護氣出口分別安裝在 第二連接法蘭的外側及內部。本實用新型的優點與積極效果為1.本實用新型的焊接雷射光斑能量分布均勻，焊接效果好。2.本實用新型可在輸入光纖直徑確定時，選配不同規格的準直鏡及聚焦鏡，從而 達到所需光斑大小。3.本實用新型在雷射光學準直機構及雷射光學聚焦機構中分別設置了循環的水 冷系統，避免了準直鏡及聚焦鏡因發生熱透鏡效應而導致焦點偏移。4.本實用新型的雷射光學保護鏡機構中的保護鏡可通過鬆開螺母快速插拔，便於 快速更換。5.本實用新型具有防飛濺保護氣機構，避免了光學鏡片在焊接時被飛濺的火星汙
^fe ο6.本實用新型還具有同軸焊保護氣機構及側向焊接保護氣機構，焊接時對焊縫的 保護效果好。7.本實用新型適用範圍廣，可用於多種工具機與機器人。
圖1為本實用新型的整體結構示意圖；[0024]圖2為圖1的側視圖；圖3為圖1中雷射光學準直機構的結構剖視圖；圖4為圖1中雷射光學聚焦機構的結構剖視圖；圖5為圖1中雷射光學保護鏡機構的結構剖視圖；圖6為圖1中防飛保護氣機構的結構剖視圖；圖7為圖1中同軸焊保護氣機構的結構剖視圖；圖8為圖1中側向焊接保護氣機構的結構剖視圖；其中1為光纖連接機構2為雷射光學準直機構，201為第一連接法蘭，202為準直主體外套，203為準直主 體內套，204為準直鏡鏡座，205為準直鏡，206為鏡座調整環，207為連接座，208為第一水冷 腔；3為雷射光學聚焦機構，301為焊接頭主體，302為聚焦鏡鏡座，303為聚焦鏡，304 為鏡座鎖緊環，305為第二水冷腔；4為雷射光學保護鏡機構，401為保護鏡上法蘭，402為保護鏡座，403為保護鏡下 法蘭，404為鎖緊環，405為壓片，406為保護鏡，407為第一螺母，408為第二螺母；5為防飛濺保護氣機構，501為第二連接法蘭，502為防飛濺隔板，503為保護氣出 Π ；6為同軸焊保護氣機構，601為內套，602為外套，603為錐環形空間；7為側向焊接保護氣機構，701為固定塊，702為保護器噴嘴；8為水冷系統，801為水冷模塊。
具體實施方式
以下結合附圖對本實用新型作進一步詳述。如圖1、圖2所示，本實用新型包括光纖連接機構1、雷射光學準直機構2、雷射光學 聚焦機構3、雷射光學保護鏡機構4、防飛濺保護氣機構5、同軸焊保護氣機構6、側向焊接保 護氣機構7及水冷系統8，其中雷射光學準直機構2的一端與光纖連接機構1螺紋連接，另 一端與雷射光學聚焦機構3的一端用內六角螺釘連接並用定位銷定位，密封圈密封防止灰 塵進入，雷射光學聚焦機構3的另一端用內六角螺釘連接有雷射光學保護鏡機構4，在雷射 光學保護鏡機構4的下方用內六角螺釘固接有防止焊接飛濺濺射到雷射光學保護鏡機構4 的防飛濺保護氣機構5，在防飛濺保護氣機構5的下方螺紋連接有同軸焊保護氣機構6，側 向焊接保護氣機構7用內六角螺釘連接於防飛濺保護氣機構5的側壁上。光纖連接機構1 發出的發散焊接雷射光束通過雷射光學準直機構2中的準直鏡變為平行光束，該平行光束 通過雷射光學聚焦機構3中的聚焦鏡聚焦成光斑，光斑通過雷射光學保護鏡機構4中的保 護鏡照射到被焊材料上。光纖連接機構1的工作情況決定了光纖輸出雷射器的輸出光束方 向是否偏斜，從而影響雷射焊接的全過程；光纖連接機構1的主要功能是確保雷射輸出光 纖插入機構後鎖緊光纖並且使光纖輸出光束與雷射光學準直機構2同軸。雷射光學準直機構2的主要功能是把光纖輸出的發散光束通過準直鏡改變為平 行光束，使雷射束能量平均分布，以減少光學鏡片熱集中與熱積累過大造成熱透鏡效應，並 在雷射光學準直光學鏡組外加水冷裝置，來防止熱透鏡效應的產生。如圖3所示，雷射光學準直機構2包括第一連接法蘭201、準直主體外套202、準直主體內套203、準直鏡鏡座204、 準直鏡205、鏡座調整環206及連接座207，其中第一連接法蘭201通過內六角螺釘固接在 準直主體外套2的頂端，光纖連接機構1螺紋連接在第一連接法蘭201上；所述準直主體 內套203螺紋連接於準直主體外套202的內部，準直主體內套203的底端與連接座207螺 紋連接，在準直主體外套202與準直主體內套203之間留有第一水冷腔208，該第一水冷腔 208為環形柱體，中間可注和冷卻水，以冷卻準直鏡；在準直主體內套203內部螺紋連接有 準直鏡鏡座204，準直鏡205安裝在準直鏡鏡座204上、通過與準直主體內套203螺紋連接 的鏡座調整環206螺紋鎖緊。雷射光學聚焦機構3的主要功能是把雷射光學準直機構2輸出的平行光束通過聚 焦鏡聚焦成所需直徑的光斑(即通過準直鏡與聚焦鏡的不同焦距配合來達到所需不同直 徑的光斑)。並在聚焦鏡外加水冷系統，來防止熱透鏡效應的產生。如圖4所示，雷射光學聚 焦機構3通過螺釘與雷射光學準直機構2相連，雷射光學聚焦機構3包括焊接頭主體301、 聚焦鏡鏡座302、聚焦鏡303及鏡座鎖緊環304，其中焊接頭主體301內螺紋連接有水冷模 塊801，聚焦鏡鏡座302螺紋連接於水冷模塊801內，在水冷模塊801與聚焦鏡鏡座302之 間留有第二水冷腔305 ；所述聚焦鏡303安裝在聚焦鏡鏡座302上，在聚焦鏡鏡座302的下 方螺紋連接有鎖緊聚焦鏡303的鏡座鎖緊環304。雷射光學保護鏡機構4的主要功能是防止焊接飛濺濺射到聚焦鏡。雷射光學保護 鏡機構的光學保護鏡裝夾裝置可快速換鏡，快速插拔，以便於換光學保護鏡。如圖5所示， 雷射光學保護鏡機構4包括保護鏡上法蘭401、保護鏡座402、保護鏡下法蘭403、鎖緊環 404、壓片405、保護鏡406、第一螺母407及第二螺母408，其中保護鏡上法蘭401通過螺釘 與保護鏡下法蘭403連接，保護鏡座402安裝在保護鏡下法蘭403上，所述保護鏡406放置 在保護鏡座402上，保護鏡406通過其上方設置的螺紋連接於保護鏡座402上的鎖緊環404 鎖緊，在鎖緊環404與保護鏡406之間設有壓片405 ；保護鏡上法蘭401與保護鏡下法蘭403 上分別設有便於更換保護鏡的第一螺母407及第二螺母408，需要更換保護鏡406時，鬆開 第一螺母407和第二螺母408，即可快速地將保護鏡406拉出，將新的保護鏡插入後再擰緊 第一螺母407和第二螺母408。防飛濺保護氣機構5的主要功能是防止焊接飛濺濺射到保護鏡，避免保護鏡造成 損傷；具體方法為用0. 6MPa 1. OMPa的乾淨壓縮空氣(無油、無水)，從保護氣出口線型 噴出，形成橫向高速線型空氣流以把飛濺物質吹散，防止焊接飛濺濺射到保護鏡。如圖6所 示，防飛濺保護氣機構5通過螺釘與雷射光學保護鏡機構4相連，防飛濺保護氣機構5包括 第二連接法蘭501、防飛濺隔板502及保護氣出口 503，其中防飛濺隔板502及保護氣出口 503分別安裝在第二連接法蘭501的外側及內部。在防飛濺保護氣機構5的下方螺紋連接有同軸焊保護氣機構6，同軸焊保護氣機 構6的主要功能是保護焊接接縫位置的基體材料，在焊接過程中與空氣中的氧氣接觸行成 氧化物質，而造成焊接接縫位置的力學性能及抗腐蝕性能的下降；具體方法為用惰性氣體 從同軸保護氣外套與同軸保護氣內套之間形成錐環形空間噴出(壓力0. IMI^a 1. OMI^a不 等)，以隔絕空氣中的氧氣來達到保護焊接接縫不被氧化的目的。同軸保護氣另一功能為 在一個面內焊接時，焊接頭任意方向焊接保護氣均能有效保護焊縫，因為保護氣輸出方式 為環形噴出。如圖7所示，同軸焊保護氣機構6包括同軸設置的內套601及外套602，外套602螺紋連接於內套601的外部，內套601為中空結構，在外套602與內套601之間留有錐 環形空間603，保護氣由該錐環形空間603的底部噴出。防飛濺保護氣機構5的側壁上安裝有側向焊接保護氣機構7，側向焊接保護氣機 構7的主要功能是保護焊接接縫位置的基體材料，在焊接過程中與空氣中的氧氣接觸行成 氧化物質，而造成焊接接縫位置的力學性能及抗腐蝕性能的下降；具體方法為用惰性氣體 從保護氣噴嘴噴出達到焊接焊縫以確保達到焊接位置。側向焊接保護氣機構方便配合不同 焦距的焊接頭，如不同焦距的焊接頭只需要換不同長度的保護氣噴嘴即可。如圖8所示，側 向焊接保護氣機構7包括固定塊701及保護器噴嘴702，其中保護器噴嘴702的一端通過固 定塊701安裝在防飛濺保護氣機構5上，另一端向焊接接縫彎折；所述保護器噴嘴702的一 端接有保護氣氣源。本實用新型的水冷系統8是間接冷卻雷射光學鏡片，使其不發生熱透鏡效應而導 致焦點偏移。雷射在透過雷射光學聚焦鏡時雖然大部分功率均被透過，但是還是有0.1 % 2%的功率沒有透過，而其熱量的積累達到造成熱透鏡效應而導致焦點偏移時就影響焊接 效果了，用水冷系統即可解決此現象；具體方法為通過圖3中準直主體外套202與準直主體 內套203形成的環形柱體空間(即第一水冷腔208)進行間接水冷準直鏡205，通過圖4中 水冷模塊801內的環形柱體空間(即第二水冷腔30 進行間接水冷聚焦鏡303。本實用新型的工作原理為由光纖連接機構1中的光纖輸出雷射器輸出雷射光束，該雷射光束為發散光束， 通過雷射光學準直機構2中的準直鏡205後變為平行光束；平行光束通過雷射光學聚焦機 構3中的聚焦鏡303聚焦成所需直徑的光斑，該光斑經過保護鏡406後照射到被焊接材料 上，進行焊接。本實用新型系統主要技術參數指標焊接頭總重量< 8KG ；承載最大雷射功率 6KW ；準直鏡焦距100mm 200_ ；聚焦鏡焦距150mm 68_ ；可配光纖直徑100μπι 1000 μ m ；防飛濺保護氣壓力< 1. OMPa ；防飛濺保護氣流量< 500L/min ；冷卻水流量< 2L/ min ；冷卻水壓力< 0. 5Mpa ；工作溫度5°C 55°C。本實用新型的光纖連接機構為市購產品，購置於瑞典0PP0SKANDAB公司，型號為 D1-93983。
權利要求1.一種光纖傳輸雷射器焊接頭，其特徵在於包括光纖連接機構(1)、雷射光學準直機 構O)、雷射光學聚焦機構(3)、雷射光學保護鏡機構(4)及防飛濺保護氣機構(5)，其中激 光光學準直機構(2)的一端與光纖連接機構(1)螺紋連接，另一端與雷射光學聚焦機構(3) 的一端相連，雷射光學聚焦機構(3)的另一端連接有雷射光學保護鏡機構G)，在雷射光學 保護鏡機構(4)的下方設有防止焊接飛濺濺射到雷射光學保護鏡機構(4)的防飛濺保護氣 機構(5)；所述光纖連接機構(1)發出的發散焊接雷射光束通過雷射光學準直機構O)中 的準直鏡變為平行光束，該平行光束通過雷射光學聚焦機構(3)中的聚焦鏡聚焦成光斑， 光斑通過雷射光學保護鏡機構(4)中的保護鏡照射到被焊材料上。
2.按權利要求1所述的光纖傳輸雷射器焊接頭，其特徵在於在防飛濺保護氣機構(5) 的下方螺紋連接有同軸焊保護氣機構(6)，該同軸焊保護氣機構(6)包括同軸設置的內套 (601)及外套(602)，外套(602)螺紋連接於內套(601)的外部，內套(601)為中空結構，在 外套(602)與內套(601)之間留有錐環形空間(603)，保護氣由該錐環形空間(603)的底部 噴出。
3.按權利要求1所述的光纖傳輸雷射器焊接頭，其特徵在於所述防飛濺保護氣機 構(5)的側壁上安裝有側向焊接保護氣機構(7)，該側向焊接保護氣機構(7)包括固定塊 (701)及保護器噴嘴(702)，其中保護器噴嘴(702)的一端通過固定塊(701)安裝在防飛濺 保護氣機構(5)上，另一端向焊接接縫彎折；所述保護器噴嘴(702)的一端接有保護氣氣 源。
4.按權利要求1、2或3所述的光纖傳輸雷射器焊接頭，其特徵在於所述雷射光學準 直機構( 包括第一連接法蘭001)、準直主體外套002)、準直主體內套003)、準直鏡鏡 座004)、準直鏡005)、鏡座調整環(206)及連接座007)，其中第一連接法蘭Q01)固接 在準直主體外套O)的頂端，光纖連接機構(1)安裝在第一連接法蘭O01)上；所述準直 主體內套(20 螺紋連接於準直主體外套O02)的內部，準直主體內套O03)的底端與連 接座(207)螺紋連接，在準直主體外套(20 與準直主體內套(20 之間留有第一水冷腔 (208)；在準直主體內套O03)內部螺紋連接有準直鏡鏡座004)，準直鏡(20 安裝在準 直鏡鏡座(204)上、通過與準直主體內套(20 螺紋連接的鏡座調整環(206)螺紋鎖緊。
5.按權利要求1、2或3所述的光纖傳輸雷射器焊接頭，其特徵在於所述雷射光學聚 焦機構( 通過螺釘與雷射光學準直機構( 相連，雷射光學聚焦機構( 包括焊接頭主 體(301)、聚焦鏡鏡座(302)、聚焦鏡(30 及鏡座鎖緊環(304)，其中焊接頭主體(301)內 螺紋連接有水冷模塊(801)，聚焦鏡鏡座(302)螺紋連接於水冷模塊(801)內，在水冷模 塊(801)與聚焦鏡鏡座(30 之間留有第二水冷腔(305)；所述聚焦鏡(30 安裝在聚焦 鏡鏡座(30 上，在聚焦鏡鏡座(302)的下方螺紋連接有鎖緊聚焦鏡(303)的鏡座鎖緊環 (304)。
6.按權利要求1、2或3所述的光纖傳輸雷射器焊接頭，其特徵在於所述雷射光學保 護鏡機構(4)通過螺釘與雷射光學聚焦機構(3)相連，雷射光學保護鏡機構(4)包括保護 鏡上法蘭G01)、保護鏡座002)、保護鏡下法蘭003)、鎖緊環004)、壓片(405)及保護鏡 006)，其中保護鏡上法蘭(401)通過螺釘與保護鏡下法蘭(403)連接，保護鏡座(402)安 裝在保護鏡下法蘭(403)上，所述保護鏡(406)放置在保護鏡座(402)上，保護鏡(406)通 過其上方設置的螺紋連接於保護鏡座(40 上的鎖緊環(404)鎖緊，在鎖緊環(404)與保護鏡(406)之間設有壓片(405)。
7.按權利要求6所述的光纖傳輸雷射器焊接頭，其特徵在於所述保護鏡上法蘭(401) 與保護鏡下法蘭(403)上分別設有便於更換保護鏡的第一螺母(407)及第二螺母008)。
8.按權利要求1、2或3所述的光纖傳輸雷射器焊接頭，其特徵在於所述防飛濺保護 氣機構(5)通過螺釘與雷射光學保護鏡機構(4)相連，防飛濺保護氣機構(5)包括第二連 接法蘭(501)、防飛濺隔板(502)及保護氣出口(503)，其中防飛濺隔板(502)及保護氣出 口(503)分別安裝在第二連接法蘭(501)的外側及內部。
專利摘要本實用新型涉及雷射焊接設備，具體地說是一種光纖傳輸雷射器焊接頭，包括光纖連接機構、雷射光學準直機構、雷射光學聚焦機構、雷射光學保護鏡機構及防飛濺保護氣機構，雷射光學準直機構的一端與光纖連接機構螺紋連接，另一端與雷射光學聚焦機構的一端相連，雷射光學聚焦機構的另一端連接有雷射光學保護鏡機構，在雷射光學保護鏡機構的下方設有防飛濺保護氣機構；光纖連接機構發出的發散焊接雷射光束通過雷射光學準直機構中的準直鏡變為平行光束，平行光束通過雷射光學聚焦機構中的聚焦鏡聚焦成光斑，光斑通過雷射光學保護鏡機構中的保護鏡照射到被焊材料上。本實用新型具有焊接效果好、保護鏡可快速更換、光學鏡片不會被汙染等優點。
文檔編號G02B27/09GK201913386SQ201020692649
公開日2011年8月3日 申請日期2010年12月30日 優先權日2010年12月30日
發明者唱麗麗, 孔光明, 王智超, 羅勇, 邱曉傑 申請人:瀋陽新松機器人自動化股份有限公司