可手持操作的激光焊接枪的制作方法
【专利说明】
[0001] 本公开的背景
技术领域
[0002] 本公开涉及用于产生焊缝的可手持操作的焊接枪领域，并且具体地涉及设置有光 纤激光器的可手持操作的焊接枪。更具体地，本公开涉及配置有耐用的轻量的构造的改进 的激光束传输系统、有效的焊接残渣驱散系统和焊缝控制系统。
【背景技术】
[0003] 焊接通常作为组装方法使用，用于将多个金属部件或板状材料接合到一起形成一 个组件。传统的焊接方法是方便可用的并且包括例如弧焊和电阻点焊。完全在最近，激光 焊接得到发展并且相比多种传统形式的焊接激光焊接被证实具有数个优点。例如，激光束 的精确聚焦使得能量能够聚集，从而能够在更少的热量引入工件周围部分的情况下提供更 快速的焊接。
[0004] 精确的自动或手动的激光焊接可以在具有尚精度的工业激光器部件上执彳丁，同时 消除了对复杂加工材料的潜在的热损害和热应力的危险。已知的激光点焊和激光缝焊枪包 括高精度组件、压力敏感的密封组件以及其它专门设计的组件。因此，如下面讨论的，激光 焊接器的设计是不简单的并且提供一些结构上的挑战。
[0005] 这些挑战中的一个包括具有复杂几何形状的工件的焊接。例如，汽车的车身面板 被传输至焊接站，在该焊接站中，利用夹紧系统夹持车身面板同时执行焊接操作。由于一些 待焊接的部件的构造，由于空间范围可能限制可用于必要的操作以及夹紧和焊接装置的合 适的功能的空间大小，所以不能使用某些夹紧和焊接装置。为了使生产率和效率最大化，根 据夹紧和焊接装置的构造、速度和成本，必须在一个焊接站中利用几个不同构造的夹紧和 焊接装置。这样的方法可能使效率降低并且增加成本。
[0006] 因此，需要具有基本上减少了对多个枪的需要的结构、紧凑的、轻量化的、耐用的 可手持操作的激光焊接枪。
[0007] 另一个挑战与通常用于焊接的激光组态相关：0)2和Nd :YAG。两个激光组态在人 眼不可见的、电磁辐射光谱的红外范围中运行。
[0008] NchYAG在大约1.06微米的波长中运行。该波长被传导材料非常好地吸收，其具 有对于大多数金属通常大约20%至30%的反射率。另一方面，0) 2激光器的远红外（10.6 微米）输出波长对于大多数金属具有大约80 %至90 %的初始反射率，但是可以方便地供给 比Nd :YAG激光器的最高输出功率大得多的10, 000瓦的功率。
[0009] 上述的两种激光器类型的特征在于较大的物理尺寸。例如，CO2系统可能占据一个 普通的房间以实现需要的高功率。所述激光器类型之间的另一个共性是较低的墙壁插头效 率，即从电能转化为光能的较低的转化效率。
[0010] 因此，还需要带有具有紧凑和高效结构的激光器构造的可手持操作的激光焊接 枪。 toon] 又一挑战由已知的机器操作的光纤激光焊接器呈现，其涉及来自焊接区域的焊接 残渣对光学头的保护窗的冲击，该焊接残渣可能严重损坏容纳在该光学头中的光学器件。 为了应付该问题，加压喷射空气以高速并且横切于通道的纵向轴线的方式被引入到激光头 下游的光导通道中。由于该喷射与光传播方向成角度地被引入，所以其被叫做交叉式喷射。
[0012] 然而，该交叉式喷射还与几个困难相关联。第一，由于高速，所以交叉式喷射在通 道内形成涡流。该涡流又在中心通道区域与通道边缘之间产生了压力梯度。在中心区域中 的压力较低的情况下，焊接残渣沿该区域累积并且相对容易地损坏保护窗。该交叉式喷射 的又一不期望的结果是压力梯度负面地影响激光束。此外，交叉式喷射还伴随有高噪声水 平。
[0013] 因此，还需要克服上述问题的激光头保护系统。
[0014] 又一挑战来源于焊接残渣在焊接区域附近以及特别是在已知的具有两臂式夹紧 结构的焊接系统的支撑臂中的累积。该残渣累积不利于焊接的质量并且还损坏焊接器的 臂。
[0015] 结果，还需要配置有用于从焊接区域去除焊接残渣的系统的基于激光的可手持操 作的焊接枪。
[0016] 另一挑战为缺乏对焊缝质量的控制。然而，焊缝质量如果不是焊接过程的最重要 的参数，也是最重要的参数之一。
[0017] 因此，还需要配置有用于基于焊缝质量自动调节激光器输出的系统的可手持操作 的激光焊接枪。
【发明内容】
[0018] 结构上，本公开的可手持操作的激光焊接枪插入在大尺寸轴承内并且通过滑轮组 件的组合悬置在外部导轨上。结果，焊接枪能够被操作以围绕其纵向轴线旋转、朝向待焊接 工件直线地运动、围绕垂直于纵向轴线延伸的竖直轴线旋转、并且围绕横向于纵向轴线和 竖直轴线延伸的枢转轴线倾斜。本公开的枪构造有结构部件以及这些部件的不同组合，其 解决了所有上述的需求。下面将立即简要地公开一些这些特征，并且其与其它特征一起将 在本公开的具体说明中进一步详细地讨论。
[0019] 解决了交叉式喷射的问题的一个特征包括将加压空气流引入光导通道中。使加压 空气流进入平行于其纵向轴线的通道中。在下文中被称为"上方喷射"的所述传输技术实 际上消除了中心区域与外围区域之间的压力梯度。结果，流向光学头的保护窗的小颗粒或 残渣被第一流有效地驱赶返回，其增加了保护窗的寿命并且不会影响光束质量。此外，通过 使用所公开的上方喷射的构造显著地降低了与交叉式喷射结构相伴的高水平的噪声。
[0020] 根据另一特征，除上方喷射之外，去除相对大的焊接残渣并且平行于上方喷射流 动的第二空气流横穿隧道。在隧道内产生负压的栗引导大量的周围空气以较低的速度平行 于上方喷射地进入隧道的上游端。由于从隧道中驱散两个气流的出口接近焊接区域定位， 所以气流通过出口带走不同大小的焊接残渣。
[0021] 另一特征包括发射引导至枪的激光束的高功率光纤激光源。具有被输出保护窗保 护的光束聚焦光学器件的光学头安装至枪上并且接收被进一步聚焦在待焊接工件上的激 光束。优选地，光纤激光器被用来输出具有大约500微米的射束点的kW级的多模光束。可 替代地，如有必要，激光源可以被构造为以基本上单模的方式发射光束。
[0022] 根据另一特征，枪被构造有沿枪的纵向轴线延伸的中心支撑柱。各种组件安装至 该支撑柱上，以便限定运动闭合回路，在该运动闭合回路中，柱接收由所述组件产生的负 荷。与现有技术相反，本公开的构造在负荷产生组件与支架之间具有有限数量的中间部件。 因此，本公开的枪被构造为具有轻质的刚性结构。
[0023] 根据另一特征，连接至支架的组件中的一个包括夹紧系统，该夹紧系统可被操作 以夹紧和夹持待焊接的工件。夹紧系统可以具有一个臂的构造或两个臂的构造，在该两个 臂的构造中，两个臂中的一个可以被可操作地从支撑柱上解开。
[0024] 两个构造的共同之处是被致动以沿也安装至支撑柱的导向轨道滑动的可移动臂。 当外部夹持装置一起支撑工件时会发生不必夹紧两个或多个工件，此时可以使用一个臂的 构造。
[0025] 又一特征涉及上述公开的两个臂的构造，其中静止的L形臂设置有内部通道，在 该内部通道中，可以产生负压以去除在焊接操作期间累积的焊接残渣。可替代地或除了使 通道真空化之外，下部臂还可以具有可移除的底部，以使得操作者能够手动清除该累积的 残渣。
[0026] 根据另一特征，静止臂还设置有光电检测器，该光电检测器可被操作以检测通过 焊缝泄露的光。根据检测的通过焊缝传播的激光辐射的功率，确定焊缝的质量，并且如有必 要，调整激光器输出功率。
【附图说明】
[0027] 通过下面结合附图的具体说明，本公开的装置的上述特征以及其它特征将变得更 加显而易见，其中：
[0028] 图1是可手持操作的激光焊接枪的典型布置的一般示意图；
[0029] 图2和图3示意性地示出了用于在不同平面中移动本公开的激光枪的各个组件；
[0030] 图4A是完全组装好的本公开的枪的轴测图；
[0031] 图4B是不带壳体组件的本公开的枪的轴测图；
[0032] 图4C是图4A-4B的本公开的枪与从焊接区域退回到初始的原位置的可移动抓取 臂一起示出的一侧的侧视图；
[0033] 图4D是图4A-4B的本公开的枪与被一起带到抓取焊接位置的两个抓取臂一起示 出的另一侧的侧视图；
[0034] 图4E是图4A-4C的本公开的枪的俯视图；
[0035] 图5A是本公开的枪的侧视示意图；
[0036] 图5B是本公开的枪的封闭的运动系统的示意图；
[0037] 图6A是可移动臂的高视角侧视图；
[0038] 图6B是具有图6A的组装好的臂的枪的视图；
[0039] 图6C是图6A的臂的俯视图；
[0040] 图7A是设置有安全机构的图6A的可移动臂的视图，该安全机构能够操作以监测 臂与前方工件之间的期望的接触并且指示臂本身的结构完整性；
[0041] 图7B是图示安全机构的操作的电路图；
[0042] 图7C-7D分别压力端工件的正交视图和侧视图；
[0043] 图8是本公开的枪的静止臂的轴测图；
[0044] 图9是图示自动焊接的本公开的枪的操作原则的简化的方框图；
[0045] 图10是图示本公开的可手持操作的激光枪的操作原则的流程图。
【具体实施方式】
[0046] 现在将详