一种激光-电弧同轴复合加工装置、加工系统及加工方法制造方法及图纸

一种激光

【技术实现步骤摘要】
一种激光
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电弧同轴复合加工装置、加工系统及加工方法


[0001]本专利技术涉及金属焊接和增材制造领域，具体涉及一种激光
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电弧同轴复合加工装置、加工系统及加工方法。

技术介绍

[0002]激光
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电弧复合加工利用激光与电弧的协同作用，具有改善熔道成形质量，提高沉积效率，优化组织性能，抑制缺陷等诸多优点，因而正逐渐成为金属焊接及增材制造领域的研究热点。传统地，激光与电弧的复合方法多采用旁轴复合，即激光束与电弧构成一特定的矢量方向，如专利CN107283061A、CN108393587B、CN104400226B公开了激光
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电弧复合加工制造方法均采用该方式。旁轴复合结构简单，技术要求较低，是目前普遍使用的一种激光
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电弧复合加工方法。但旁轴复合存在方向性，即在加工过程中须保持行进方向与激光
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电弧的矢量方向一致，才能得到最佳的复合效果。在实际生产过程中，由于构件几何形状以及焊接路径等往往存在诸多差异，加工时的行走路径通常复杂多变，使用旁轴复合的方法存在诸多的加工限制，通常需要使用变位机进行辅助，或者设计特殊的辅助转向装置等，增加了设备复杂性。
[0003]随着增材制造行业的快速发展，由焊接领域中发展而来的旁轴复合方法所存在的限制逐渐被越来越多的研究及从业人员所认识。为了突破旁轴复合所带来的限制，已有相关人员研究了激光
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电弧同轴复合的加工方法。专利CN107999963B和CN108500491A均采用分光棱镜将单束激光分为两束或多束激光后再由反射镜和聚光镜重新聚焦后，在多束激光中间区域放置焊枪，最终构成以焊丝为轴、激光在外围均等分布的多激光束与电弧进行同轴复合。这种方法对光路设计的要求较低，但最终形成的是围绕焊丝均等分布的多个点状光斑，其激光能量在光斑处较高，而在围绕焊丝的同半径圆周上则为不均等分布或间断分布，并不是完全的无方向性的解决方案。
[0004]专利CN1446661A公开了一种激光－电弧同轴复合焊炬。该装置使用一个平面反射镜、两个三棱镜和一个反射聚焦镜。其中平面反射镜将入射激光反射到回转体三棱镜，回转体三棱镜将实心激光束变换成环形光束，并经另一个准直三棱镜后变换成平行环形光束，再经带有小孔的抛物面反射聚焦镜聚焦在待焊工件表面。然而，由于该装置中的回转体三棱镜为凹透镜。凹透镜对光线有发散作用，通过光心的光线，经过透镜后方向不变。经平面反射镜反射来的实心激光束经回转体三棱镜光心后形成一条中心光线(由于存在加工误差实际上会形成一小束光线)。目前，激光器正在向高功率方向发展，高功率激光器的功率可达6000～10000W，部分超高功率激光器输出激光功率可达30000～100000W。当激光束的能量非常强时，中心光束的能量也会非常高，中心光束会直接打在设备表面，长时间的使用会导致设备损坏，进而影响设备的使用寿命。
[0005]针对上述问题，本专利技术通过设计激光
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电弧同轴复合加工装置。提出一种无方向性的激光
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电弧复合增材制造方法，在无需变位机等其他辅助设备的条件下，实现复杂构件的激光
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电弧复合加工。

技术实现思路

[0006]本专利技术的目的是为了解决现有的激光
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电弧同轴复合的加工方法中，实心激光束经起分散光线作用的回转体三棱镜光心后形成一条中心光束，该中心光束会直接打在设备表面，存在易造成焊枪或激光头等设备损坏，降低设备使用寿命的问题，进而提供一种激光
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电弧同轴复合加工装置、加工系统及加工方法。
[0007]本专利技术的技术方案是：
[0008]一种激光
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电弧同轴复合加工装置，它包括激光头13和弧焊装置，激光头13包括L型激光镜筒体和激光分光系统，L型激光镜筒体包括水平段、弯折段和竖直段，水平段、弯折段和竖直段由前至后顺次连通并连为一体，激光分光系统包括锥形分光镜131、分光反射镜132、放大透镜133、折转反射镜134、准直透镜135、聚焦透镜136和同轴安装窗口137，L型激光镜筒体的弯折段倾斜设置有折转反射镜134，L型激光镜筒体的竖直段内部由上至次依次设置有水平布置的准直透镜135和聚焦透镜136，折转反射镜134、准直透镜135和聚焦透镜136中心均加工有中心孔，折转反射镜134、准直透镜135和聚焦透镜136由上至下依次同轴布置，同轴安装窗口137为圆筒状结构，同轴安装窗口137沿竖直方向由上至下依次穿过折转反射镜134、准直透镜135和聚焦透镜136的中心孔并连为一体，L型激光镜筒体的水平段内部由前至后依次设置有竖直同轴布置的分光反射镜132、锥形分光镜131和放大透镜133，分光反射镜132的中心加工有分光反射镜中心孔，锥形分光镜131的尖端朝向分光反射镜132，锥形分光镜131和放大透镜133端面中心处通过刚性连接柱连接，弧焊装置包括焊枪22和焊丝23，焊枪22前端插装在同轴安装窗口137内部，焊枪22的焊枪喷嘴221穿过同轴安装窗口137下端并延伸至激光头13外部，焊枪喷嘴221前端安装有焊丝23。
[0009]进一步地，锥形分光镜131采用圆锥形结构的反射镜，锥形分光镜131的圆锥面为反射镜面。
[0010]进一步地，分光反射镜132为空心圆台形结构，分光反射镜132的上底面中心开设有分光反射镜中心孔，分光反射镜132的下底面为反射镜面。
[0011]进一步地，分光反射镜132的分光反射镜中心孔直径小于锥形分光镜131的底面直径，锥形分光镜131的底面直径均小于分光反射镜132的下底面直径和放大透镜133的镜面直径。
[0012]进一步地，分光反射镜132和折转反射镜134的反光镜面为平面或弧形面。
[0013]进一步地，放大透镜133和准直透镜135采用平凸透镜或棱镜。
[0014]进一步地，聚焦透镜136采用凸透镜。
[0015]进一步地，锥形分光镜131的底面中心加工有锥形分光镜连接螺纹孔，放大透镜133中心加工有放大透镜连接螺纹孔，刚性连接柱两端均加工有外螺纹，刚性连接柱两端分别与放大透镜133和放大透镜133螺旋连接。
[0016]一种包括具体实施方式八所述的激光
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电弧同轴复合加工装置的激光
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电弧同轴复合加工系统，激光
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电弧同轴复合加工系统包括激光加工系统1、弧焊系统2、焊枪固定装置3、待加工工件4、工作台5和六轴机器人，待加工工件4水平设置在工作台5上表面上，待加工工件4通过夹具与工作台5连接，六轴机器人设置在工作台5侧部，激光加工系统1包括激光器11、光纤12和激光头13，激光头13位于待加工工件4上方，激光头13通过连接件安装在六轴机器人的末端，激光头13通过光纤12与激光器11连接，弧焊系统2包括焊机21、弧焊装
置、焊枪连接管路24和焊机地线25，弧焊装置的焊枪22通过焊枪固定装置3安装在激光本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种激光
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电弧同轴复合加工装置，其特征在于：它包括激光头(13)和弧焊装置，激光头(13)包括L型激光镜筒体和激光分光系统，L型激光镜筒体包括水平段、弯折段和竖直段，水平段、弯折段和竖直段由前至后顺次连通并连为一体，激光分光系统包括锥形分光镜(131)、分光反射镜(132)、放大透镜(133)、折转反射镜(134)、准直透镜(135)、聚焦透镜(136)和同轴安装窗口(137)，L型激光镜筒体的弯折段倾斜设置有折转反射镜(134)，L型激光镜筒体的竖直段内部由上至次依次设置有水平布置的准直透镜(135)和聚焦透镜(136)，折转反射镜(134)、准直透镜(135)和聚焦透镜(136)中心均加工有中心孔，折转反射镜(134)、准直透镜(135)和聚焦透镜(136)由上至下依次同轴布置，同轴安装窗口(137)为圆筒状结构，同轴安装窗口(137)沿竖直方向由上至下依次穿过折转反射镜(134)、准直透镜(135)和聚焦透镜(136)的中心孔并连为一体，L型激光镜筒体的水平段内部由前至后依次设置有竖直同轴布置的分光反射镜(132)、锥形分光镜(131)和放大透镜(133)，分光反射镜(132)的中心加工有分光反射镜中心孔，锥形分光镜(131)的尖端朝向分光反射镜(132)，锥形分光镜(131)和放大透镜(133)端面中心处通过刚性连接柱连接，弧焊装置包括焊枪(22)和焊丝(23)，焊枪(22)前端插装在同轴安装窗口(137)内部，焊枪(22)的焊枪喷嘴(221)穿过同轴安装窗口(137)下端并延伸至激光头(13)外部，焊枪喷嘴(221)前端安装有焊丝(23)。2.根据权利要求1所述的激光
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电弧同轴复合加工装置，其特征在于：锥形分光镜(131)采用圆锥形结构的反射镜，锥形分光镜(131)的圆锥面为反射镜面。3.根据权利要求2所述的激光
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电弧同轴复合加工装置，其特征在于：分光反射镜(132)为空心圆台形结构，分光反射镜(132)的上底面中心开设有分光反射镜中心孔，分光反射镜(132)的下底面为反射镜面。4.根据权利要求3所述的激光
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电弧同轴复合加工装置，其特征在于：分光反射镜(132)的分光反射镜中心孔直径小于锥形分光镜(131)的底面直径，锥形分光镜(131)的底面直径均小于分光反射镜(132)的下底面直径和放大透镜(133)的镜面直径。5.根据权利要求4所述的激光
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电弧同轴复合加工装置，其特征在于：分光反射镜(132)和折转反射镜(134)的反光镜面为平面或弧形面。6.根据权利要求5所述的激光
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电弧同轴复合加工装置，其特征在于：放大透镜(133)和准直透镜(135)采用平凸透镜或棱镜。7.根据权利要求6所述的激光
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电弧同轴复合加工装置，其特征在于：聚焦透镜(136)采用凸透镜。8.根据权利要求7所述的激光
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电弧同轴复合加...

【专利技术属性】
技术研发人员：姜梦，陈曦，马生翀，陈彦宾，雷正龙，李炳尘，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：