專利名稱：激光－電弧同軸復合焊炬的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及激光和電弧復合焊接設(shè)備，尤其涉及熔化極惰性氣體弧焊(MIG或MAG)的復合焊接設(shè)備。
廣泛應用于工業(yè)生產(chǎn)的氣體保護電弧焊包括TIG(鎢極惰性氣體)、MIG(熔化極惰性氣體)、MAG(金屬極活性氣體)以及等離子弧焊。這些焊接方法雖然能量密度低，焊接速度慢，但具有間隙適應性好、可通過焊絲改善焊縫成型和焊縫成分組織的特點。為此，目前在激光加工領(lǐng)域及焊接領(lǐng)域已經(jīng)開發(fā)了一種激光和電弧混合的焊接方法，即激光-電弧復合焊，包括激光-TIG(或GTAW)、激光-MIG(或GMAW)、激光-等離子弧、激光-MAG等。其特點在于(1)可降低工件裝配要求，間隙適應性好。
(2)有利于減小氣孔傾向。
(3)可以實現(xiàn)在較低激光功率下獲得更大的熔深和焊接速度。
(4)利用電弧焊的填絲可改善焊縫成分和性能，對焊接特種材料或異種材料有重要意義。
因此激光-電弧復合焊集合了激光焊接大熔深、高速度、小變形的優(yōu)點，又具有間隙敏感性低、焊接適應性好的特點，是一種優(yōu)質(zhì)高效焊接方法。
然而，目前激光-電弧復合焊的技術(shù)和設(shè)備都是旁軸電弧輔助的激光焊，如

圖1所示，激光束3和電弧焊的電極5成一定角度，因此激光束3與電弧復合后在待焊工件表面產(chǎn)生一個非對稱的焊接熱源。其中在
公開日為2001年12月12日公開號為CN1325778A的中國專利就涉及一種激光-電弧的旁軸混合焊接工藝。這種復合焊方法存在以下缺點(1)熱源為非對稱性，焊接質(zhì)量受焊接方向影響極大，即光束與電極須保持和焊接方向一致才能獲得良好的焊縫，因此難以用于曲線或三維焊接；(2)電弧與激光聚焦光斑的相互位置關(guān)系對焊接過程穩(wěn)定性影響大，在實際應用時不易保持穩(wěn)定。
與此相反，如能實現(xiàn)圖2所示的將激光束3和電極5同軸的焊接方法則可以克服以上缺點。因電極5位于激光束3的中心，激光光束與電弧為同軸，形成一種同軸對稱的復合熱源，焊接質(zhì)量將不受焊接方向的影響，提高了焊接過程穩(wěn)定性，并可方便地實現(xiàn)二維和三維焊接。
陳彥斌等在1995年12月發(fā)表于《焊接學報》第16卷第4期的文獻“激光-電弧同軸復合焊接熱源焊接”中，提到了一種激光-TIG同軸復合焊方法，其原理如圖3所示，在鎢極5中心加工一中心孔使激光束3從鎢極中心通過。但這種方法必須加大鎢極直徑以便在鎢極中心加工孔，導致鎢極損耗過大，電流密度減小，電弧熱源不集中；而且無法用于激光與MIG的復合焊接，因MIG焊時電極直徑很小，必須連續(xù)送進，無法在中心鉆孔使激光通過。
本發(fā)明公開了一種激光-電弧同軸復合焊炬，其端面具有一個光路孔徑，內(nèi)置一套光束變換系統(tǒng)和反射聚焦系統(tǒng)，還包括一個電弧焊電極，其特征在于經(jīng)所述焊炬光路孔徑入射的激光經(jīng)所述光束變換系統(tǒng)分成雙光束或變換為環(huán)形光束，再經(jīng)反射聚焦系統(tǒng)將所述雙光束或環(huán)形光束聚焦；所述的電弧焊電極處于所述雙光束或環(huán)形光束中間，且與所述聚焦系統(tǒng)射出的激光束同軸。
作為本發(fā)明的一種改進，所述激光-電弧同軸復合焊炬的光束變換系統(tǒng)包括至少一個可將入射激光分為兩束激光的分光反射鏡；所述的反射聚焦系統(tǒng)包括至少一個將分光后的兩束激光聚焦的反射聚焦鏡；所述焊炬的側(cè)面設(shè)有一個電極伸入孔，所述電弧焊電極由所述的電極伸入孔伸入，并置于雙光束的中心。
本發(fā)明的一種型式為所述激光-電弧同軸復合焊炬的光束變換系統(tǒng)為一個可將入射激光分為兩束激光的分光反射鏡；所述的反射聚焦系統(tǒng)為兩個分別置于所述分光反射鏡兩側(cè)的對分光后的兩束激光聚焦的拋物面反射聚焦鏡或球面反射聚焦鏡。
本發(fā)明的另一種型式為所述激光-電弧同軸復合焊炬的光束變換系統(tǒng)為一個可將入射激光分為兩束激光的分光反射鏡；所述的反射聚焦系統(tǒng)為一個置于所述分光反射鏡上方的帶中心孔的對分光后的兩束激光聚焦的拋物面反射聚焦鏡或球面反射聚焦鏡。
作為本發(fā)明的另一種改進，所述激光-電弧同軸復合焊炬的光束變換系統(tǒng)包括至少一個可將入射激光變換成環(huán)形光束的透鏡，所述的反射聚焦系統(tǒng)包括至少一個可將所述環(huán)形光束聚焦的中心有小孔的反射聚焦鏡；所述焊炬的端面設(shè)有一個與所述反射聚焦鏡中心小孔同軸的電極伸入孔，所述電弧焊電極由電極伸入孔和反射聚焦鏡的中心小孔插入，并置于環(huán)形光束的中心。
本發(fā)明的一種型式為所述激光-電弧同軸復合焊炬的光束變換系統(tǒng)包括一個平面反射鏡和一個回轉(zhuǎn)體三棱鏡，入射光束依次經(jīng)平面反射鏡反射和回轉(zhuǎn)體三棱鏡變換后出射環(huán)形光束；所述的反射聚焦系統(tǒng)為一個可將所述環(huán)形光束聚焦的中心有小孔的拋物面反射聚焦鏡或球面反射聚焦鏡。
本發(fā)明的另一種型式為所述激光-電弧同軸復合焊炬的光束變換系統(tǒng)包括一個平面反射鏡、一個回轉(zhuǎn)體三棱鏡和一個準直三棱鏡，入射光束依次經(jīng)平面反射鏡反射、回轉(zhuǎn)體三棱鏡變換、準直三棱鏡準直后出射平行環(huán)形光束；所述的反射聚焦系統(tǒng)為一個可將所述平行環(huán)形光束聚焦的中心有小孔的拋物面反射聚焦鏡或球面反射聚焦鏡。
本項發(fā)明的有益效果在于(1)與激光焊接相比可降低工件裝配要求，間隙適應性好。
(2)與激光-電弧旁軸復合焊相比，熱源對稱且更集中，焊接質(zhì)量不受焊接方向影響。
(3)可用于激光與MIG或MAG的同軸復合。
(4)有利于減小氣孔傾向。
(5)可以實現(xiàn)在較低激光功率下獲得更大的熔深和焊接速度。
(6)利用電弧焊的填絲可改善焊縫成分和性能，對焊接特種材料或異種材料有重要意義。
圖2為激光-電弧同軸復合焊示意圖。
圖3為一種激光-TIG同軸復合焊示意圖。
圖4為本發(fā)明中的激光-電弧同軸復合焊示意圖。
圖5a為本發(fā)明實施例一所述的雙光束法激光-電弧同軸復合焊炬主示意圖。
圖5b為本發(fā)明實施例一所述的雙光束法激光-電弧同軸復合焊炬?zhèn)让媸疽鈭D。
圖6為本發(fā)明實施例二所述的環(huán)形光束法激光-電弧同軸復合焊炬示意圖。
為實現(xiàn)該發(fā)明所述的激光-電弧同軸復合焊炬，首先需要使用至少一臺固體YAG或CO2激光器和可以傳輸激光束的光纖或光路，以及一臺MIG或TIG或MAG焊設(shè)備。
根據(jù)情況，上述兩個拋物面反射聚焦鏡可以用兩個球面反射聚焦鏡所代替。
本裝置的另一種改進為兩個反射聚焦鏡也可以被一個置于分光反射鏡上方的帶中心孔的反射聚焦鏡所替代，該反射聚焦鏡的中心孔允許激光束穿過直接作用在分光反射鏡上，該反射聚焦鏡使用拋物面反射聚焦鏡或球面反射聚焦鏡，可對分光后的兩束激光聚焦。
根據(jù)情況，上述裝置中也可以不采用準直三棱鏡，直接將由回轉(zhuǎn)體三棱鏡射出的環(huán)形光束照射在帶中心孔的拋物面反射聚焦鏡上。
上述拋物面反射聚焦鏡也可以使用一個帶中心孔的球面反射聚焦鏡代替。
本發(fā)明中的激光-電弧復合焊方法及焊接裝置可以用于不同焊接位置，包括平焊、橫焊、立焊和仰焊，此時在實施例一或?qū)嵤├锌蛇m當增加或減少反射鏡。
根據(jù)情況，利用上述任何一種激光-MIG或MAG同軸復合焊炬進行同軸添絲激光焊，此時不需要電弧，但填充金屬也可以由光束中心送進。
權(quán)利要求
1.激光-電弧同軸復合焊炬，其端面具有一個光路孔徑，內(nèi)置一套光束變換系統(tǒng)和反射聚焦系統(tǒng)，還包括一個電弧焊電極，其特征在于經(jīng)所述焊炬光路孔徑入射的激光經(jīng)所述光束變換系統(tǒng)分成雙光束或變換為環(huán)形光束，再經(jīng)反射聚焦系統(tǒng)將所述雙光束或環(huán)形光束聚焦；所述的電弧焊電極處于所述雙光束或環(huán)形光束中間，且與所述聚焦系統(tǒng)射出的激光束同軸。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的激光-電弧同軸復合焊炬，其特征在于所述的光束變換系統(tǒng)包括至少一個可將入射激光分為兩束激光的分光反射鏡；所述的反射聚焦系統(tǒng)包括至少一個將分光后的兩束激光聚焦的反射聚焦鏡；所述焊炬的側(cè)面設(shè)有一個電極伸入孔，所述電弧焊電極由所述的電極伸入孔伸入，并置于雙光束的中心。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的激光-電弧同軸復合焊炬，其特征在于所述的光束變換系統(tǒng)為一個可將入射激光分為兩束激光的分光反射鏡；所述的反射聚焦系統(tǒng)為兩個分別置于所述分光反射鏡兩側(cè)的對分光后的兩束激光聚焦的拋物面反射聚焦鏡或球面反射聚焦鏡。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的激光-電弧同軸復合焊炬，其特征在于所述的光束變換系統(tǒng)為一個可將入射激光分為兩束激光的分光反射鏡；所述的反射聚焦系統(tǒng)為一個置于所述分光反射鏡上方的帶中心孔的對分光后的兩束激光聚焦的拋物面反射聚焦鏡或球面反射聚焦鏡。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的激光-電弧同軸復合焊炬，其特征在于所述的光束變換系統(tǒng)包括至少一個可將入射激光變換成環(huán)形光束的透鏡，所述的反射聚焦系統(tǒng)包括至少一個可將所述環(huán)形光束聚焦的中心有小孔的反射聚焦鏡；所述焊炬的端面設(shè)有一個與所述反射聚焦鏡中心小孔同軸的電極伸入孔，所述電弧焊電極由電極伸入孔和反射聚焦鏡的中心小孔插入，并置于環(huán)形光束的中心。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的激光-電弧同軸復合焊炬，其特征在于所述的光束變換系統(tǒng)包括一個平面反射鏡和一個回轉(zhuǎn)體三棱鏡，入射光束依次經(jīng)平面反射鏡反射和回轉(zhuǎn)體三棱鏡變換后出射環(huán)形光束；所述的反射聚焦系統(tǒng)為一個可將所述環(huán)形光束聚焦的中心有小孔的拋物面反射聚焦鏡或球面反射聚焦鏡。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的激光-電弧同軸復合焊炬，其特征在于所述的光束變換系統(tǒng)包括一個平面反射鏡、一個回轉(zhuǎn)體三棱鏡和一個準直三棱鏡，入射光束依次經(jīng)平面反射鏡反射、回轉(zhuǎn)體三棱鏡變換、準直三棱鏡準直后出射平行環(huán)形光束；所述的反射聚焦系統(tǒng)為一個可將所述平行環(huán)形光束聚焦的中心有小孔的拋物面反射聚焦鏡或球面反射聚焦鏡。
全文摘要
激光－電弧同軸復合焊炬，屬于激光－電弧同軸復合焊接設(shè)備領(lǐng)域。為了解決現(xiàn)有技術(shù)中激光－電弧旁軸復合焊時因熱源不對稱帶來的焊接質(zhì)量受焊接方向影響的問題，同時避免復雜的電極加工工藝，本發(fā)明公開了一種激光－電弧同軸復合焊炬。焊炬端面具有一個光路孔徑，內(nèi)置一套光束變換系統(tǒng)和反射聚焦系統(tǒng)，還包括一個電弧焊電極。經(jīng)所述焊炬光路孔徑入射的激光經(jīng)所述光束變換系統(tǒng)分成雙光束或變換為環(huán)形光束，再經(jīng)反射聚焦系統(tǒng)將所述雙光束或環(huán)形光束聚焦；所述的電弧焊電極處于所述雙光束或環(huán)形光束中間，且與所述聚焦系統(tǒng)射出的激光束同軸。本發(fā)明工件裝配要求低，間隙適應性好，熱源對稱且更集中，焊接質(zhì)量不受焊接方向影響。
文檔編號B23K28/02GK1446661SQ03109130
公開日2003年10月8日 申請日期2003年4月4日 優(yōu)先權(quán)日2003年4月4日
發(fā)明者張旭東, 陳武柱 申請人:清華大學