旋转双焦点激光TIG复合焊接头的研制.doc

旋转双焦点激光TIG复合焊接头的研制近年来，在激光-电弧复合焊接几何参数、激光聚焦位置及能量参数的优化与选择、热源相互作用机理、保护气体对接头性能的影响、坡口形貌对焊接工艺的影响、熔池的流动特性和复合焊接熔滴过渡力学行为等方面的研究使激光-电弧复合焊接技术得到了很大程度的发展。但是到目前为止，对于激光-电弧复合焊接专用设备的研制与其实际应用还存在很大差距。本课题对激光-电弧复合焊接头设计结构、气体保护模式和特点进行了深入探讨，设计出了旋转双焦点激光-TIG复合焊接气体保护结构，并对气体保护效果进行了分析。 　　激光-电弧复合焊接加工头设计方案 　　激光以其显著特点使得焊接技术成为先进制造技术中的一种，并在航空航天、汽车制造和造船等行业得到广泛应用，它也是先进连接技术的重点发展方向之一。随着铝、钛合金在尖端武器装备研制和航空制造业中的广泛应用，传统焊接方法已不能满足实际生产的需求。常规的激光焊接由于各种因素影响，有一定局限性，特别是焊接铝、钛合金，使激光的利用率降低，而且难以实现大熔深和厚板材的焊接。所以通过新型焊接头及保护装置的研制，使激光更适应铝、钛合金的焊接，对于提高一个国家的尖端武器装备研制和航空水平，具有非常重要的意义。 　　1 激光-电弧旁轴复合结构 　　由于激光-MIG电弧复合焊接存在送丝与熔滴过渡等问题，绝大多数企业都是采用旁轴复合方式进行焊接。德国库格勒公司生产的复合焊接头采用反射式、直接水冷的易更换光学元件，用于加工的激光功率可超过40kW；奥地利Fronius公司生产的激光-MIG复合焊接头几何尺寸小，可以确保焊接的可达性，尤其是应用于焊接车身时。此外该接头还具有良好的可拆卸性，便于安装到机器人上，焦距和焊炬也具有可调功能，调整精度为0.1mm。 　　弗罗纽斯国际有限公司所申请的激光混合式焊接过程的装置具有指示器，借助指示器可以从预定位置起沿X、Y和Z方向相互调节各部件相互间的位置，并采用横向吹高压气体的方式来保护激光头免遭碎屑的损伤等。 　　2 激光-电弧同轴复合结构 　　我国哈尔滨工业大学的陈彦宾教授采用空心钨极的方法实现了激光与TIG电弧的同轴复合。电弧在空心钨极的尖端产生，激光束从钨极中心穿过环状电弧到达工件表面，其复合原理如图所示。同轴复合时激光从电弧中心穿过，因而没有焊接方向性的问题，这尤其适合于三维零件的焊接。同轴复合的焊接头调节虽然没有旁轴那么复杂，但是钨极孔径的大小、钨极尖端与工件的距离都对焊接质量有较大的影响，而且钨极尖端的烧损会严重影响环状电弧的形状，影响焊接过程的稳定性和焊缝形状。深圳市星鸿艺激光科技有限公司激光打标机，激光焊接机,深圳激光打标机,东莞激光打标机 　　清华大学张旭东提出圆形分布同轴对称复合热源的方法，采用分光镜将入射激光分为2束对称分布的光束，MIG焊电极由双光束中间送入。由于双光束是非封闭的，电极的引入可以避开光束传输路径。聚焦系统将双光束从电极两侧对称地聚焦在焊丝送进方向前端的同一位置，在焊丝不影响光束传输的情况下实现激光与电弧同轴。该方法存在的不足是分光后每束光束本身与电弧具有一定夹角，双光束的对称轴与电弧轴线很难实现重合，焊丝的送给对光束传播有很大影响等。 　　近年来的研究表明，复合焊接头设计结构都有着自身的不足之处。在有效地改善焊接适应性，改善焊缝成形的基础上，对旋转双焦点激光复合焊头的研究有着重要的实际意义。 　　旋转双焦点激光复合焊接加工头 　　激光-电弧旁轴复合焊接时容易受到电弧焊枪倾角、激光与电弧中心间距、焊枪高低以及激光与电弧相互位置等因素的影响。对于旋转激光-TIG电弧旁轴复合焊接方法，除了常规激光-电弧复合焊接的影响因素外，激光的焦点旋转时不能与TIG焊枪相互干涉，即保证一定的运动空间，也是必须要考虑的。本课题组研究了旋转双焦点激光-TIG电弧旁轴复合焊接方法，并设计了用于两热源相互复合的焊接头。该焊接头的设计从组成上可分为2部分：旋转双焦点激光焊接头和TIG电弧夹持部分。 　　1 旋转双焦点激光焊接头 　　旋转双焦点激光焊接头主要是在目前常规CO2激光焊接头的基础上，改变激光的聚焦方式，研究如何产生2个焦点并使这2个焦点按一定的规律旋转。由于CO2气体激光无法通过光纤传输，只能利用各种反射镜进行传输，所以光路的柔韧性远不及利用光纤进行传输的方式。因此结合该课题的研究基础，要实现大功率CO2激光器旋转双焦点的焊接目的，该焊接头的光路应采用屋脊式反射镜作为分光镜、离轴抛物面镜反射系统。在旋转机构中，直流电机为焊接头的旋转提供动力，通过偏心机构使焊接头反射镜部分绕垂直入射的激光束旋转，反射腔的左右2部分通过直线轴承连接在一起，由于偏心机构的存在使得反射腔在绕主轴旋转的同时其右半部分沿水平方向左右晃动，这样反射腔整体绕主轴的旋转运动与右侧沿水平