一种可变摆动频率和幅度的手持激光焊接头

本发明涉及一种可变摆动频率和幅度的手持激光焊接头，属激光焊接设备技术领域。

背景技术：

手持式激光焊接替代传统工作台式激光焊接，其优点是：克服工作台行程空间的局限性，可满足多种角度、多种位置工件的焊接，使用更灵活方便，尤其适用于室内外各种焊缝、器材的点焊，在机械、汽车、化工、光电信息等领域和日常生活中获得了越来越广泛的应用。手持式激光焊接机的关键是手持激光焊接头，从实现的功能看，它是一种激光外光路设备，通过光纤与激光器关联，由光学镜片对激光进行准直聚焦和调节，将高能量的激光对材料进行微区加热，使材料融化并形成特定熔池，以达到焊接的目的。

手持激光焊接头有多种结构形式，最简单的结构是将传统台式激光焊接头小型化，并增加手持握把构成，如发明专利《一种手持式激光焊接的方法及装置》（cn101862902a）和《一种手持激光焊接枪》（cn109877451a）就是典型的这种结构。为了便于手持和移动，发明专利《一种手持式激光焊接头》（cn110238512a）将激光输入光纤接头集成到握把中，便于操作，其有益效果是可提高使用舒适度。随着激光焊接技术应用的拓展，研究发现：激光摆动焊相比普通激光焊技术可增大熔池的流动、细化焊缝晶粒，并显著提高焊缝的强度和韧性，同时还有利于提高匙孔的稳定性，减少或抑制气孔的产生，增大熔合区的宽度，提高焊缝坡口的间隙适应性。因此，激光摆动焊已成为激光焊接中的主流技术，正在逐步取代传统的激光焊接技术。上述类型的手持激光焊接头虽然实现了手持激光焊接的基本功能，但无法实现摆动焊接。发明专利《一种轻型手持式激光摆动焊接头》（cn110293316a）公开了利用振镜实现手持式激光摆动焊接，其不足之处是：振镜的体积较大，一只振镜仅能实现单一方向的光束摆动，不能达到光束轨迹为圆或椭圆的摆动焊接效果。利用转动楔形镜或倾斜的光路偏转透镜的方法也可实现光束轨迹为圆的摆动，但需要使用空心轴高速电机或磁体，如发明专利《一种激光焊接头及激光焊接设备》（cn109834386a）和《一种手持激光摆动焊接枪》（cn201911421300.6）等公开的技术，这类手持式激光摆动焊接头，虽可实现光束轨迹为圆的摆动焊接，但空心轴高速电机或磁体的使用既增加了光路调节难度，又会降低长时间工作的可靠性，且摆动幅度调节需要更换部件，不能实现自由调节，不能适应不同缝宽工件的焊接要求。因此，为了克服现有手持焊接头的不足，适应不同焊接材料和焊接工件的需求，实现光束轨迹摆动焊接效果，开发摆动频率和幅度可调的高可靠性手持激光焊接头，还需要不断探索新的技术。

技术实现要素：

本发明的目的是针对背景技术所述问题，设计一种可变摆动频率和幅度的结构紧凑型手持激光焊接头，所述手持激光焊接头具有光路调节简便、使用舒适、操作灵活、安全可靠等优点，可适应不同材料和工件的激光摆动焊接。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种可变摆动频率和幅度的手持激光焊接头，包括：准直单元、摇摆和反射单元、驱动控制单元、可变摆动幅度单元、聚焦单元、手持焊接头外壳、电气通路单元；所述准直单元、摇摆和反射单元、驱动控制单元、可变摆动幅度单元、聚焦单元、手持焊接头外壳、电气通路单元均集成于所述手持焊接头外壳内；所述手持焊接头外壳呈手枪状，手持焊接头外壳包括：手持握把、枪身、枪管、焊嘴。

所述准直单元包括：准直镜片、准直器镜筒，准直单元用于将光纤头输出的点发散激光转变成平行光束，实现高能激光从激光器到手持激光焊接头的耦合。

所述摇摆和反射单元包括：摇摆电机、反射镜，所述反射镜与摇摆电机输出轴连接，摇摆电机驱动反射镜可在一定频率和角度下摆动，实现出射光束轨迹的摆动焊接。

所述驱动控制单元包括：出光开关和驱动控制电路，驱动控制单元用于控制摇摆电机的摆动频率和激光出射。所述出光开关为安装于手持握柄上的轻触开关，该种结构可满足手持操作的人体工程学设计、方便舒适；所述驱动控制电路包括：嵌入式中央处理器cpu，驱动控制电路集成于手持焊接头外壳内，仅引出电源线，大大减小了接线数量，提高了电气的安全可靠性。

所述聚焦单元包括：聚焦凸镜和保护镜，聚焦单元用于接收来自反射镜的激光，并通过聚焦凸镜使手持焊接头出射激光聚焦于待焊接工件需加热的位置，使待焊工件材料融化并形成特定熔池，实现焊接。

所述可变摆动幅度单元包括：伸缩机构，所述聚焦单元设置于伸缩机构上，所述伸缩机构用于调节并定位聚焦凸镜与反射镜之间的距离，当旋转所述伸缩机构使聚焦凸镜与反射镜之间的距离增加时，手持焊接头出射激光的摆动幅度随之增加，反之则减小。从附图1所示的本发明一种可变摆动频率和幅度的手持激光焊接头光路原理图可知，当准直后的激光以α角入射到摆动角度为θ的反射镜后，反射的激光经焦距为f的聚焦凸镜聚焦，聚焦后光斑的摆动幅度r由关系式确定。驱动所述旋转伸缩机构，改变聚焦凸镜与反射镜之间的距离d时，摆动幅度r即可在一定范围内连续调节，以适应不同缝宽和形状的工件焊接需求。

所述反射镜单元由合金底座表面上镀高反射膜构成，自下至上依次为：反射镜底座、镀cr层一、镀au层、镀cr层二、镀sio2玻璃层、介质膜层，其中反射镜底座为4j42合金材质，其中反射膜表面加工成与反射镜底座底面呈θ角的倾斜表面。

进一步地，所述电气通路单元包括：水、电、气接头，电气通路单元用于与外部接通控制电源、保护气体、冷却水。

进上步地，所述准直单元位于手持握把内，所述出光开关为安装于手持握柄上的轻触开关；所述摇摆和反射单元、驱动控制单元安装于枪身内，所述可变摆动幅度单元安装于枪管内，枪管的前端为焊嘴；所述准直单元与可变摆动幅度单元和聚焦单元在光路上可垂直；所述手持握柄与可变摆动幅度单元安装方向呈105°夹角；所述手持握柄端部设置有保护气体入口，保护气体能直接从焊嘴处喷出。

进一步地，所述手持激光焊接头内还设置有散热单元，所述散热单元包括水冷散热和气冷散热两部分；所述水冷散热部分包括：冷却水进出口、水路管道以及，

由准直器和准直器安装腔体之间构成的间隙，水冷进出口设置于准直镜筒接近光纤接入端的一端的上侧面；

所述气冷散热部分包括：气冷通道，设定所述气冷通道依次为：手持握柄端部保护气体气路接入口、手持握柄内的管道、摇摆电机固定腔体、伸缩机构固定筒体中设置的管路、焊嘴。

进一步地，所述光纤入口、控制电源接口、保护气体接口、冷却水进出接口，均设置于手持握柄端部。

本发明一种可变摆动频率和幅度的手持激光焊接头将所有手持激光焊接头功能单元集成安装于一体，使手持激光焊接头的结构紧凑。将所述准直单元置于手持握把中，准直单元与可变摆动幅度单元和聚焦单元在光路上可垂直，但握把与可变摆动幅度单元和聚焦单元安装方向成105°，使整体外形结构符合人体工程学设计，提高使用舒适度。外壳中嵌入保护气体的通路，保护气体能直接从焊嘴处喷出，无需另接额外的气路。同时，这种气路设计，可实现散热作用。电路连接包括激光输出开关、摇摆频率调节的通路等也集成于外壳中，使手持激光焊接头外形简洁，结构紧凑，提高使用的方便性和安全性。

本发明的有益效果是：

（1）本发明的手持激光焊接头可同时实现摆动频率和幅度的连续调节，摇摆和反射单元通过摇摆电机驱动反射镜可在一定频率和角度下摆动，实现出射光束轨迹为圆或椭圆的摆动，具有更广泛的焊接材料和焊接工件适应性。

（2）本发明的手持激光焊接头将激光焊接头的光路、电路和气路等功能单元集成于一体，并将光路和手持握把的角度分别设计，既满足光路光学功能要求，又符合人体工程学设计，使手持激光焊接头的外形简洁、结构紧凑、光路调节简单，使用方便、舒适，安全可靠性高。

（3）本发明通过设置的水冷、气路散热，实现准直握把、摇摆机构、伸缩等单元的实时冷却，同时表面的红外反射设计可有效减少焊接时的辐射加热，既防止了握把温度升高，又保护了内部各功能部件，提高使用寿命。

（4）本发明将独特的气路设计与光路镜片设计相结合，既有利于散热，又可防止焊接时烟尘进入光路空间形成污染，有效解决了因污染导致的光学元件损坏和输出激光功率下降，提高焊接品质。

附图说明

图1是一种可变摆动频率和幅度的手持激光焊接头光路原理图；

图2是本发明实施例“一种可变摆动频率和幅度的手持激光焊接头”中的反射镜结构图；

图3是本发明实施例“一种可变摆动频率和幅度的手持激光焊接头”主视图；

图4是图3爆炸视图；

图5是图3内部切面图。

附图中的标记说明：

1—光纤输入激光、2—准直单元、3—反射镜、4—摇摆电机、5—驱动控制单元、6—聚焦单元。α—准直激光入射角、θ—反射镜摆动角度、d—聚焦凸镜与反射镜的距离、f—聚焦凸镜的焦距、r—摆动幅度。

201—准直镜片、202—准直器镜筒、203—冷却水进出口、204—光纤接口；

301—反射镜底座、302—镀cr层一、303—镀au层、304—镀cr层二、305—镀sio2玻璃层、306—介质膜层；

402—固定卡座一、403—固定卡座二、404—固定螺丝环；

501—摆动驱动控制单元、502—摆动频率调节单元、503—出光开关；

601—聚焦镜片、602—伸缩镜筒、603—保护镜片、604—伸缩固定筒、605—伸缩紧固螺母、606—焊嘴；

701—手持握把、702—摇摆和反射单元以及驱动控制单元安装腔、703—保护气体气路接口、704—电路接口、705—准直器安装腔、706—气体通孔。

具体实施方式

以下结合附图对本发明实施例作进一步说明，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制，凡在本发明的精神和原则之内所做的任何修改、等同替换或改进等，均应包含在本发明的权利要求范围之内，本技术方案中未详细述及的，均为公知技术。

如图1所示，本发明一种可变摆动频率和幅度的手持激光焊接头所依据的光路原理是：当准直后的激光以α角入射到摆动角度为θ的反射镜后，反射的激光经焦距为f的凸镜聚焦，聚焦后光斑的摆动幅度r由关系式确定。改变距离d，摆动幅度r即可在一定范围内连续调节，以适应不同缝宽和形状的工件焊接需求。

如图2所示，为在摇摆电机驱动下可摇摆反射镜剖面结构图，反射镜由合金底座表面上镀高反射膜构成，自下至上依次为：反射镜底座301、镀cr层一302、镀au层303、镀cr层二304、镀sio2玻璃层305、介质膜层306，其中反射镜底座301为4j42合金材质，图2中，所述反射膜表面加工成与水平面呈θ角的倾斜表面。

如图3~5所示，本发明所述一种可变摆动频率和幅度的手持激光焊接头，包括：准直单元、摇摆和反射单元、驱动控制单元、可变摆动幅度单元、聚焦单元、手持焊接头外壳、电气通路单元；所述准直单元、摇摆和反射单元、驱动控制单元、可变摆动幅度单元、聚焦单元、手持焊接头外壳、电气通路单元均集成于所述手持焊接头外壳内；所述手持焊接头外壳呈手枪状，手持焊接头外壳包括：手持握把、枪身、枪管、焊嘴，所述准直单元2设置有用于聚焦光纤头发射激光的准直镜片201；用于固定准直镜片201的准直器镜筒202，准直器镜筒202两端相对设置有激光入射端和激光出射端，光纤从光纤接口204接入，准直器镜筒202中，同时开有水冷管路，所述水冷管路用于水冷降温，203为水冷循环水出入接口。

反射镜3和摇摆电机4集成于一体，本发明实施例中，所述摇摆电机4选用日本产高速转动的无刷静音电机或压电超声马达，可通过驱动控制按一定转速转动或震动，其工作完全不同于只能在很小的角度范围转动的振镜电机。反射镜3和摇摆电机4通过固定卡座一402和固定卡座二403固定，固定好后，反射镜3的表面与准直单元2出射的激光成45度夹角。反射镜3由4j42合金底座301、镀cr层一302、镀au层303、镀cr层二304、镀sio2玻璃层305和介质膜层306构成，本发明实施例中，所述镀sio2玻璃层305的厚度设定为≥10μm。

驱动控制单元5包括摆动驱动控制单元501、摆动频率调节单元502和控制焊接头发射激光的出光开关503。摆动驱动控制单元501在摆动频率调节单元502的调节下输出一定频率的驱动电压信号至摇摆电机4，驱动摇摆电机4在一定频率下带动反射镜3摆动，从而使焊接头输出的激光按此频率摆动。摆动驱动控制单元501、摆动频率调节单元502和出光开关503都集成固定于手持焊接头中。

可变摆动幅度聚焦单元6包括：聚焦镜片601、伸缩镜筒602、保护镜片603、伸缩固定筒604、伸缩紧固螺母605、焊嘴606。从反射镜3反射镜面发射出的平行激光，经聚焦镜片601聚焦于焊嘴606出口处，形成焊接激光光斑。当改变伸缩镜筒602的位置时，可改变聚焦镜片601与反射单元3反射镜之间的距离d，使输出摆动激光光斑的幅度发生改变，实现手持激光焊接头的摆动幅度可变的功能。伸缩镜筒602、伸缩固定筒604和焊嘴606表面抛光并镀ag，提高表面的红外反射，这种表面设计可有效减少焊接时的辐射加热，既防止了握把温度升高，又保护了内部温度过高损伤各功能部件，提高使用寿命。

手持焊接头外壳包括：手持握把701、摇摆和反射单元以及驱动控制单元安装腔702、保护气体气路接口703、电路704接口、准直器安装腔705、气体通孔706。准直器安装腔705完全嵌入手持握把701中，摇摆和反射单元以及驱动控制单元安装腔702内部为空腔，所述空腔用于安装伸缩镜筒602、伸缩固定筒604、反射镜3和摇摆电机4，气体通孔706位于摇摆和反射单元以及驱动控制单元安装腔702内的内壁。伸缩固定筒604与伸缩镜筒602通过螺纹相连后置于摇摆和反射单元以及驱动控制单元安装腔702的外部。手持握把701与驱动控制单元安装腔702按人体工程学设计成105°角，手持握把设计成曲面形状，符合人体工程学设计。准直器安装腔705与驱动控制单元安装腔702设计成90°角，形成入射角α为45°角的入射光路，即反射镜3的表面与准直单元2出射的激光成45°角。这种光路角度和握把角度分开设计，既满足光学要求，又兼顾了手握部件的人体工程学要求，整体手持激光焊接头的外形简洁、结构紧凑，使用方便、舒适。

需要说明的是，本发明实施例中的光路构成为：激光光纤从光纤接入口204接入到准直器镜筒202的激光入射端，从光纤中发出的激光进入准直连接筒202内，经过准直镜片201准直处理后，从出射端出射平行激光。从准直单元2出射的平行光经反射镜3反射，进入到可变摆动幅度的聚焦单元6中，由聚焦镜片601聚焦为焊接光斑后，再从焊嘴606射出，进而对待焊接件进行焊接。当摇摆电机4带动反射镜3在一定频率下摆动时，输出焊接光斑跟随摆动。

本实施例中，水冷散热部分包括冷却水进出口203和水路管道，以及由准直单元2与准直器安装腔705之间的构成间隙，冷却水进出口203设置于准直镜筒202接近光纤接入端的一端的上侧面。水路管道两端分别连接冷却水进出口203，水路管道贴近准直镜片201处设置有管路，形成循环冷却水路用于冷却准直镜片201和手持握把701。

进一步地，本实施例中，气冷散热部分中，保护气体从手持握把701上的保护气体气路接口703接入，经手持握把701内的管路进入摇摆电机4和固定卡座二403所在的腔中，在由摇摆和反射单元以及驱动控制单元安装腔702和伸缩固定筒604壁之间的管路进入伸缩镜筒604，从焊嘴606中喷出，用于保护焊接点。由于气路经过手持握把701、摇摆电机4和固定卡座二403所在的摇摆和反射单元以及驱动控制单元安装腔702、伸缩镜筒602、伸缩固定筒604和焊嘴606，气体流动可以带走热量，从而实现对摇摆电机4和手持握把701等的有效降温。同时，气路设计也有效的阻止焊接产生的烟尘进入到伸缩镜筒602光路空间造成污染，从而有效解决了因污染导致的光学元件损坏和输出激光功率下降，提高焊接品质。

进一步地，本实施例中，摆动驱动控制单元501、摆动频率调节单元502和控制焊接头出射激光的出光开关503之间的电路连接，通过手持握把701与摇摆和反射单元以及驱动控制单元安装腔702内的通孔，由导线连接在一起，由电路接口704接口从手持握把701下部引出。同时，出光开关503与焊嘴606相连，当焊嘴606与待焊接的焊接件接触时，出光开关503启动，实现激光输出控制。否则，即使按动该开关，也无激光输出，防止在无焊接操作时输出激光，保障安全。

进一步地，本实施例中，所有光、电、气、水接口都位于手持握把701末端，与外部总机连接方便，也使本发明手持激光焊接头结构紧凑、外形简洁、连接规整，安全可靠。

以上所述实施例仅表达了本发明的具体实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。