[发明专利]一种同轴激光焊接工作头

说明书

技术领域

本发明涉及同轴激光工作头，适用于薄壁平面/曲面激光焊接以及激光热导焊工艺领域，尤其涉及一种同轴激光焊接工作头。 

技术背景

激光焊接具有能量密度高、焊接速度快、工艺可控性好、接头性能好、焊接结构变形小等突出优点。根据焊接原理的不同，可分为激光热导焊和激光深熔焊接。激光热导焊主要依靠激光的热作用熔化金属，其工艺特点为熔池稳定、焊接深度及焊接速度不高；激光深熔焊接主要依靠高的激光能量密度在金属表面形成深熔小孔，其工艺特点为焊接速度快、焊接深宽比大，随着激光功率密度的增加焊接深度也随之增加，同时光致等离子体愈发严重。随着工业激光器发展，激光焊接技术得到了越来越广泛得应用，尤其在大量应用搭接焊接工艺的薄壁构件激光焊接制造领域中，更是大量取代电阻点焊工艺等传统焊接工艺。在薄壁构件激光焊接工艺中，其显著特点为焊缝深度不高（小于3mm），焊缝位置为二维或三维空间曲面。在激光深熔焊接工艺中，保护喷嘴是用来控制光致等离子体及保护熔池的必要焊接部件。传统的旁轴保护喷嘴其喷嘴中心同激光轴心夹角一般为30°～50°，其所占空间较大，所以在曲面焊接或者狭窄空间焊接过程中，旁轴保护喷嘴同焊接压紧工装和其他相关结构部件容易发生尺寸干涉，而影响激光焊接工艺得可靠实施。另外，旁轴保护喷嘴的激光焊接工艺各向异性（激光热导焊和激光深熔焊）严重，不利于三维焊接工艺的稳定性和可靠性。 

同轴保护喷嘴由于其轴心同激光束为同轴结构，所以其在工件表面位置空间尺寸紧凑。另外，由于同轴保护喷嘴光致等离子体控制气体及熔池保护气体同激光束为同轴关系，所以焊接效果具有各向同性的显著特点。随着激光焊接技术在薄壁构件及三维零件焊接制造中的不断推广应用，愈发需要研制焊接效果优异的同轴焊接工作头。为提高激光焊接技术的焊接质量，本发明提出一种同轴激光焊接工作头，该工作头能很好的保证了激光焊接工作中的同轴性并且拓宽了激光焊接技术的应用范畴。 

发明内容

本发明目的在于提供一种同轴激光焊接工作头，该工作头可提供同轴保护效果适用于薄壁构件平面/曲面焊接、复杂工装系统及各向同性的激光焊接同轴工作头。 

为实现上述目的，本发明采用的技术方案为一种同轴激光焊接工作头，该激光焊接工作头由焊接头主体、柱面反射镜组件、聚焦镜组件、紧凑宽幅面超音速气帘组件、锁母、连接管、同轴保护喷嘴组件、平面反射镜组件构成；光束传播及聚焦光路通过设计相关零部件尺寸，完成对入射准平行光的反射，并成形聚焦光束；焊接头主体的作用除了用来安装相关组件外，另一个作用是提供焊接工作头需要的压缩空气进口、焊接工作气进口、冷却水进口/出口；紧凑宽幅面超音速气帘组件的作用是在聚焦镜组件下方形成一个超音速气帘，以保护聚焦透镜不受焊接烟尘及飞溅的污染；聚焦镜组件除了聚焦激光束外，另一个作用是其将焊接工作头主体提供的压缩空气呈360°全角度输送至聚焦透镜表面，达到冷却聚焦透镜的目的，以消除焊接过程中由于热积累导致的热效应引起激光焦点位置变化而导致焊接 工艺不稳定；连接管的作用是根据聚焦透镜焦距的尺寸需要固定同轴保护喷嘴，并将焊接头主体提供的焊接工作气提供给同轴保护喷嘴；同轴保护喷嘴组件的作用是将焊接工作气均匀化并呈同激光束为同轴状态输送给焊接工件表面，达到控制光致等离子体和保护熔池的目的。 

与传统激光焊接工作头相比，本发明具有以下优点： 

1、聚焦镜组件利用光腔内的压缩空气对聚焦透镜进行全角度（360°）风冷，消除热效应对聚焦透镜输出焦距影响的作用。 

2、同轴保护喷嘴实现输出同激光束为非环形的同轴效果焊接工作气以达到同时控制光致等离子体和保护焊接熔池的作用。 

3、紧凑宽幅面超音速气帘采用双进气通道以实现紧凑充气腔条件下宽幅面超音速均匀气帘输出的作用。 

附图说明

图1为同轴焊接工作头结构示意图； 

图2为同轴焊接工作头剖面图（同轴焊接工作头中心剖面图）； 

图3为同轴焊接工作头光路传输示意图； 

图4为平面反射镜组结构示意图； 

图5为柱面反射镜组结构示意图； 

图6为聚焦镜组件结构示意图（聚焦镜组件结构中心剖面图）； 

图7为超音速气帘组件结构示意图（超音速气帘俯视图）； 

图8为超音速气帘中心剖视图； 

图9为超音速气帘A-A剖视图； 

图10为同轴焊接保护喷嘴结构示意图（同轴焊接保护喷嘴装配剖面 图）；