可手持操作的激光焊接槍的制作方法
【專利說明】
[0001] 本公開的背景
技術(shù)領(lǐng)域
[0002] 本公開涉及用于產(chǎn)生焊縫的可手持操作的焊接槍領(lǐng)域，并且具體地涉及設(shè)置有光 纖激光器的可手持操作的焊接槍。更具體地，本公開涉及配置有耐用的輕量的構(gòu)造的改進(jìn) 的激光束傳輸系統(tǒng)、有效的焊接殘渣驅(qū)散系統(tǒng)和焊縫控制系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0003] 焊接通常作為組裝方法使用，用于將多個金屬部件或板狀材料接合到一起形成一 個組件。傳統(tǒng)的焊接方法是方便可用的并且包括例如弧焊和電阻點(diǎn)焊。完全在最近，激光 焊接得到發(fā)展并且相比多種傳統(tǒng)形式的焊接激光焊接被證實(shí)具有數(shù)個優(yōu)點(diǎn)。例如，激光束 的精確聚焦使得能量能夠聚集，從而能夠在更少的熱量引入工件周圍部分的情況下提供更 快速的焊接。
[0004] 精確的自動或手動的激光焊接可以在具有尚精度的工業(yè)激光器部件上執(zhí)彳丁，同時 消除了對復(fù)雜加工材料的潛在的熱損害和熱應(yīng)力的危險。已知的激光點(diǎn)焊和激光縫焊槍包 括高精度組件、壓力敏感的密封組件以及其它專門設(shè)計的組件。因此，如下面討論的，激光 焊接器的設(shè)計是不簡單的并且提供一些結(jié)構(gòu)上的挑戰(zhàn)。
[0005] 這些挑戰(zhàn)中的一個包括具有復(fù)雜幾何形狀的工件的焊接。例如，汽車的車身面板 被傳輸至焊接站，在該焊接站中，利用夾緊系統(tǒng)夾持車身面板同時執(zhí)行焊接操作。由于一些 待焊接的部件的構(gòu)造，由于空間范圍可能限制可用于必要的操作以及夾緊和焊接裝置的合 適的功能的空間大小，所以不能使用某些夾緊和焊接裝置。為了使生產(chǎn)率和效率最大化，根 據(jù)夾緊和焊接裝置的構(gòu)造、速度和成本，必須在一個焊接站中利用幾個不同構(gòu)造的夾緊和 焊接裝置。這樣的方法可能使效率降低并且增加成本。
[0006] 因此，需要具有基本上減少了對多個槍的需要的結(jié)構(gòu)、緊湊的、輕量化的、耐用的 可手持操作的激光焊接槍。
[0007] 另一個挑戰(zhàn)與通常用于焊接的激光組態(tài)相關(guān)：0)2和Nd :YAG。兩個激光組態(tài)在人 眼不可見的、電磁輻射光譜的紅外范圍中運(yùn)行。
[0008] NchYAG在大約1.06微米的波長中運(yùn)行。該波長被傳導(dǎo)材料非常好地吸收，其具 有對于大多數(shù)金屬通常大約20%至30%的反射率。另一方面，0) 2激光器的遠(yuǎn)紅外（10.6 微米）輸出波長對于大多數(shù)金屬具有大約80 %至90 %的初始反射率，但是可以方便地供給 比Nd :YAG激光器的最高輸出功率大得多的10, 000瓦的功率。
[0009] 上述的兩種激光器類型的特征在于較大的物理尺寸。例如，CO2系統(tǒng)可能占據(jù)一個 普通的房間以實(shí)現(xiàn)需要的高功率。所述激光器類型之間的另一個共性是較低的墻壁插頭效 率，即從電能轉(zhuǎn)化為光能的較低的轉(zhuǎn)化效率。
[0010] 因此，還需要帶有具有緊湊和高效結(jié)構(gòu)的激光器構(gòu)造的可手持操作的激光焊接 槍。 toon] 又一挑戰(zhàn)由已知的機(jī)器操作的光纖激光焊接器呈現(xiàn)，其涉及來自焊接區(qū)域的焊接 殘渣對光學(xué)頭的保護(hù)窗的沖擊，該焊接殘渣可能嚴(yán)重?fù)p壞容納在該光學(xué)頭中的光學(xué)器件。 為了應(yīng)付該問題，加壓噴射空氣以高速并且橫切于通道的縱向軸線的方式被引入到激光頭 下游的光導(dǎo)通道中。由于該噴射與光傳播方向成角度地被引入，所以其被叫做交叉式噴射。
[0012] 然而，該交叉式噴射還與幾個困難相關(guān)聯(lián)。第一，由于高速，所以交叉式噴射在通 道內(nèi)形成渦流。該渦流又在中心通道區(qū)域與通道邊緣之間產(chǎn)生了壓力梯度。在中心區(qū)域中 的壓力較低的情況下，焊接殘渣沿該區(qū)域累積并且相對容易地?fù)p壞保護(hù)窗。該交叉式噴射 的又一不期望的結(jié)果是壓力梯度負(fù)面地影響激光束。此外，交叉式噴射還伴隨有高噪聲水 平。
[0013] 因此，還需要克服上述問題的激光頭保護(hù)系統(tǒng)。
[0014] 又一挑戰(zhàn)來源于焊接殘渣在焊接區(qū)域附近以及特別是在已知的具有兩臂式夾緊 結(jié)構(gòu)的焊接系統(tǒng)的支撐臂中的累積。該殘渣累積不利于焊接的質(zhì)量并且還損壞焊接器的 臂。
[0015] 結(jié)果，還需要配置有用于從焊接區(qū)域去除焊接殘渣的系統(tǒng)的基于激光的可手持操 作的焊接槍。
[0016] 另一挑戰(zhàn)為缺乏對焊縫質(zhì)量的控制。然而，焊縫質(zhì)量如果不是焊接過程的最重要 的參數(shù)，也是最重要的參數(shù)之一。
[0017] 因此，還需要配置有用于基于焊縫質(zhì)量自動調(diào)節(jié)激光器輸出的系統(tǒng)的可手持操作 的激光焊接槍。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0018] 結(jié)構(gòu)上，本公開的可手持操作的激光焊接槍插入在大尺寸軸承內(nèi)并且通過滑輪組 件的組合懸置在外部導(dǎo)軌上。結(jié)果，焊接槍能夠被操作以圍繞其縱向軸線旋轉(zhuǎn)、朝向待焊接 工件直線地運(yùn)動、圍繞垂直于縱向軸線延伸的豎直軸線旋轉(zhuǎn)、并且圍繞橫向于縱向軸線和 豎直軸線延伸的樞轉(zhuǎn)軸線傾斜。本公開的槍構(gòu)造有結(jié)構(gòu)部件以及這些部件的不同組合，其 解決了所有上述的需求。下面將立即簡要地公開一些這些特征，并且其與其它特征一起將 在本公開的具體說明中進(jìn)一步詳細(xì)地討論。
[0019] 解決了交叉式噴射的問題的一個特征包括將加壓空氣流引入光導(dǎo)通道中。使加壓 空氣流進(jìn)入平行于其縱向軸線的通道中。在下文中被稱為"上方噴射"的所述傳輸技術(shù)實(shí) 際上消除了中心區(qū)域與外圍區(qū)域之間的壓力梯度。結(jié)果，流向光學(xué)頭的保護(hù)窗的小顆?；?殘渣被第一流有效地驅(qū)趕返回，其增加了保護(hù)窗的壽命并且不會影響光束質(zhì)量。此外，通過 使用所公開的上方噴射的構(gòu)造顯著地降低了與交叉式噴射結(jié)構(gòu)相伴的高水平的噪聲。
[0020] 根據(jù)另一特征，除上方噴射之外，去除相對大的焊接殘渣并且平行于上方噴射流 動的第二空氣流橫穿隧道。在隧道內(nèi)產(chǎn)生負(fù)壓的栗引導(dǎo)大量的周圍空氣以較低的速度平行 于上方噴射地進(jìn)入隧道的上游端。由于從隧道中驅(qū)散兩個氣流的出口接近焊接區(qū)域定位， 所以氣流通過出口帶走不同大小的焊接殘渣。
[0021] 另一特征包括發(fā)射引導(dǎo)至槍的激光束的高功率光纖激光源。具有被輸出保護(hù)窗保 護(hù)的光束聚焦光學(xué)器件的光學(xué)頭安裝至槍上并且接收被進(jìn)一步聚焦在待焊接工件上的激 光束。優(yōu)選地，光纖激光器被用來輸出具有大約500微米的射束點(diǎn)的kW級的多模光束?？?替代地，如有必要，激光源可以被構(gòu)造為以基本上單模的方式發(fā)射光束。
[0022] 根據(jù)另一特征，槍被構(gòu)造有沿槍的縱向軸線延伸的中心支撐柱。各種組件安裝至 該支撐柱上，以便限定運(yùn)動閉合回路，在該運(yùn)動閉合回路中，柱接收由所述組件產(chǎn)生的負(fù) 荷。與現(xiàn)有技術(shù)相反，本公開的構(gòu)造在負(fù)荷產(chǎn)生組件與支架之間具有有限數(shù)量的中間部件。 因此，本公開的槍被構(gòu)造為具有輕質(zhì)的剛性結(jié)構(gòu)。
[0023] 根據(jù)另一特征，連接至支架的組件中的一個包括夾緊系統(tǒng)，該夾緊系統(tǒng)可被操作 以夾緊和夾持待焊接的工件。夾緊系統(tǒng)可以具有一個臂的構(gòu)造或兩個臂的構(gòu)造，在該兩個 臂的構(gòu)造中，兩個臂中的一個可以被可操作地從支撐柱上解開。
[0024] 兩個構(gòu)造的共同之處是被致動以沿也安裝至支撐柱的導(dǎo)向軌道滑動的可移動臂。 當(dāng)外部夾持裝置一起支撐工件時會發(fā)生不必夾緊兩個或多個工件，此時可以使用一個臂的 構(gòu)造。
[0025] 又一特征涉及上述公開的兩個臂的構(gòu)造，其中靜止的L形臂設(shè)置有內(nèi)部通道，在 該內(nèi)部通道中，可以產(chǎn)生負(fù)壓以去除在焊接操作期間累積的焊接殘渣?？商娲鼗虺耸?通道真空化之外，下部臂還可以具有可移除的底部，以使得操作者能夠手動清除該累積的 殘渣。
[0026] 根據(jù)另一特征，靜止臂還設(shè)置有光電檢測器，該光電檢測器可被操作以檢測通過 焊縫泄露的光。根據(jù)檢測的通過焊縫傳播的激光輻射的功率，確定焊縫的質(zhì)量，并且如有必 要，調(diào)整激光器輸出功率。
【附圖說明】
[0027] 通過下面結(jié)合附圖的具體說明，本公開的裝置的上述特征以及其它特征將變得更 加顯而易見，其中：
[0028] 圖1是可手持操作的激光焊接槍的典型布置的一般示意圖；
[0029] 圖2和圖3示意性地示出了用于在不同平面中移動本公開的激光槍的各個組件；
[0030] 圖4A是完全組裝好的本公開的槍的軸測圖；
[0031] 圖4B是不帶殼體組件的本公開的槍的軸測圖；
[0032] 圖4C是圖4A-4B的本公開的槍與從焊接區(qū)域退回到初始的原位置的可移動抓取 臂一起示出的一側(cè)的側(cè)視圖；
[0033] 圖4D是圖4A-4B的本公開的槍與被一起帶到抓取焊接位置的兩個抓取臂一起示 出的另一側(cè)的側(cè)視圖；
[0034] 圖4E是圖4A-4C的本公開的槍的俯視圖；
[0035] 圖5A是本公開的槍的側(cè)視示意圖；
[0036] 圖5B是本公開的槍的封閉的運(yùn)動系統(tǒng)的示意圖；
[0037] 圖6A是可移動臂的高視角側(cè)視圖；
[0038] 圖6B是具有圖6A的組裝好的臂的槍的視圖；
[0039] 圖6C是圖6A的臂的俯視圖；
[0040] 圖7A是設(shè)置有安全機(jī)構(gòu)的圖6A的可移動臂的視圖，該安全機(jī)構(gòu)能夠操作以監(jiān)測 臂與前方工件之間的期望的接觸并且指示臂本身的結(jié)構(gòu)完整性；
[0041] 圖7B是圖示安全機(jī)構(gòu)的操作的電路圖；
[0042] 圖7C-7D分別壓力端工件的正交視圖和側(cè)視圖；
[0043] 圖8是本公開的槍的靜止臂的軸測圖；
[0044] 圖9是圖示自動焊接的本公開的槍的操作原則的簡化的方框圖；
[0045] 圖10是圖示本公開的可手持操作的激光槍的操作原則的流程圖。
【具體實(shí)施方式】
[0046] 現(xiàn)在將詳