在我国经济飞速发展的今天，焊管产量居世界首位。但纵观焊管产业，我国不锈钢管焊接仍然多数采用的是传统的手工氩弧焊[4]。这种工艺效率较低，焊接后还需要采用矫正、补焊等工序来保证质量，且设备规模大等缺点[5]。综合这些问题，本设计由激光特点出发，制造出传统工艺所无法达到的高焊接速度、高生产率，并具有较低成本的简易设备。

1) 能量密度高 高功率激光束经聚焦后,焦斑直径很小,因此功率密度很高,可达105 ～108 W/ cm2 ,比电弧焊(5 ×102～104 W/ cm2 ) 要高出几个数量级,能焊接高硬度、高脆性及高熔点、高强度的材料。

2) 焊接质量高　激光焊接时通过小孔效应,能获得较大的焊接深度(深宽比可达2～12) ,且焊缝的组织致密、强度高。

3) 热影响区和变形区都很小　激光焊接加热及冷却速度极高,其结晶速度比一般熔焊的高几十倍,热影响区很小,材料变形小,无需后续工序处理。

4) 可焊接不同材料的组合　可对高熔点、高热导率、物理性质差异较大的异种或同种金属材料进行焊接。

5) 激光焊接是无接触加工　没有工具损耗和工具调换等问题。

6) 激光可通过玻璃焊接处于真空容器内的工件及处于复杂结构内部位置的工件。

7) 激光束易于导向、聚焦,实现各方向变换　激光束能量可精密控制,移动速度可调,可以进行多种焊接加工。

8) 激光焊接系统具有高的柔性　与CAD/ CAM或机器人联合组成的焊接系统可形成多功能的激光加工系统,焊接速度快,功效高,易于实现自动化。

自从20世纪六十年代初，CO2、YAG等激光器诞生后，他们在焊接领域的应用潜力便一起了人们的极大关注，因此激光技术很快就在焊接领域得到了应用。早期的应用是采用脉冲固体激光器，对薄小零件进行点焊和缝焊，属热导焊。直到70年代，特别是近十几年来，随着高功率激光器的出现，激光深融焊得到了迅速的发展。

在工业发达的国家，激光焊接技术早已成熟，大量用于汽车、钢铁、航天航空、电子等领域。

国内目前激光焊接工艺正从实验室逐步应用于工业生产，先后完成了变速箱双联齿轮、热轧硅钢片、双金属锯条的焊接等一批具有较高水平的激光焊接工艺研究课题，是我国激光焊接的应用日益扩展[7]。

(一) 数控机床焊管机

摘要：本实用新型提供一种数控激光焊管机，包括主机、数控操作台、激光器、光路系统、焊接头、气动及水冷机组、卷管生产线平台，其特征在于：主机包括立柱、悬臂、焊接头；所述立柱包括箱型体，箱箱型体通过螺钉固定在底座板上，立柱上安装竖直驱动装置；悬臂与竖直驱动装置的丝杠螺母连接，可沿立柱上下移动；悬臂内安装横向驱动装置，溜板连接在横向驱动装置上，焊接头固定在溜板上，焊接头可沿悬臂横向移动；光路系统由激光器横向经过立柱上方向下垂直于悬臂，再由悬臂至焊接头；悬臂下方安放卷管生产线平台及5-8组卷管辊子组件，卷管生产线平台上装有走管测速装置。

结构示意图：

综合分析：本实用新型为数控激光焊管机结构，包括主机、数控操作台、激光器、光路系统、气动及水动水冷机组等等多个部件组成。其优点：可以高效率的完成焊接作业，与上下工序连接流畅，焊口部分可以有效地提供保护，提高焊接质量，自动化程度高等。缺点为：结构较为复杂，生产成本较高。

(二) 焊管机 （B21C 37/08）

摘要：一种焊管机，特别是能一次完成成品管外表面最终抛光工序的焊管机。现有焊管机需将管坯切断后送至专用抛光机上抛光，效率低，成本高。本实用新型主要有机架、动力装置、成型轮辊、焊接装置、焊瘤平整装置、精整辊、切断装置构成。在切断装置前增设了抛光装置，省去了将管转运至抛光机和从抛光机上取下的时间，且提高了抛光效率。

结构示意图：

综合分析：此发明为一个可以一次完成抛光的焊管机，大大降低了工业成本，提高了效率，使多个工序一次完成。优点：多种工序一并完成，提高效率，降低工作成本。缺点：整体系统没有关联性，进而可靠性不易保证。如果某一部分失去作用容易引发系统故障。

(三) 焊管机组的等刚性机架

摘要：本发明属于焊管生产线机组设备，特别涉及一种焊管机组的等刚性机架：包括底座、机架和驱动轧辊的传动装置。其特征在于：在底座上排列装设三个以上的等刚性机架，所述的每个等刚性机架由机架、上水平辊机构、上水平辊调节机构、滑座、托板、液压缸、下水平辊机构、下水平辊机构调节机构、侧立辊机构和侧立辊机构组成，本发明不仅设计合理，机构紧凑，即采用侧向推出实现换辊操作的过程自动化，又机架手里均匀，而且具有劳动强度低，换辊快捷，节省换辊时间，提高生产效率，便于安装制造、维修，成本低，操作安全以及使用十分方便等优点。

结构示意图：

综合分析：本实用新型为焊管机组的等刚性机架，可以方便的更换轮毂。对本次设计的夹具设计有一定的启发作用。优点：定位准确，可以方便更换轮辊。缺点：换辊的操作复杂，不安全，机构复杂，体大量重，不便于制造、安装和维修，制造成本高。本次设计可以根据此专利来设计夹具。遵循设计原则，减少夹具的制造成本及复杂程度。

1) 机身整体机构设计 本次设计以激光为能源的焊管机，因此机身整体构造较为复杂，激光能源冷却系统庞大。

解决办法：将整体结构分为三部分：激光发生器，焊接工作台，控制台。

三者连接关系如下：

2) 激光发生器的选择 激光发生器分为Nd:YAG和CO2激光发生器，其中CO2激光激发产生的光束波长为10.6μm，普通玻璃透镜不能适用该波长的激光，会加大本次设计的成本。另外YAG激光可以通过光纤传播，因此本次设计选用YAG激光。

解决办法：选用YAG激光器应用光纤与工作台连接，使两者连接简便，易于管理。

3) 夹具设计 本次设计采用直线焊接的方法，故夹具设计应具有自进给的能力。

解决办法：参考专利（三）的方法设计。

1、 备用方案设计

1) 采用工件不动，激光器运动的方式 本设计思想是通过改变反射镜的位子来焊接管材。这样做的好处是可以更好的焊接重量较大的工件。实现激光移动较为方便，便于操作。缺点是行动行程较短，不利于连续焊接。

2) 采用工件移动，激光不动的方式 本设计思想是通过夹具运动带动工件运动。这样做的好处是可以连续焊接，方便长管焊接。缺点是重量大的工件惯性较大，应用不利于应用此方案。

根据本方案以加工轻型长管为主，对比以上方案的优缺点，最后选择第二种方案。

2、 选定方案结构简图

3、 主要结构

本设计由工作台、激光发生器、控制台组成。其中，工作台包括：立柱，悬臂，激光器，激光反射回路，夹具、保护气装置等；激光发生器包括：液体冷却系统，激光发生装置等。

4、 结构原理

此结构本着工件运动原则，应用带滚轮的夹具可以使工件延一个方向匀速运动。悬臂和立柱中步进电机带丝杠运动，可以使激光头运动，便于工件的安装。并且在悬臂中有激光反射镜，用来调整激光方向。激光发射器选用Nd:YAG型，故应用光纤与工作台连接。工作台内有单片机，可以控制激光器和工作台运动。

5、 基本参数

电源：交流输入电压：220V；

整体外形(工作台初始位置)：高:1450mm 宽：1100mm

可加工工件直径：φ15mm-φ150mm

悬臂、立柱可移动距离：悬臂：200mm，立柱：300mm

激光器：Nd:YAG激光器，波长1.06μm；

保护气体：氩气

控制器：MCS-51单片机

3月27日 ~ 4月3日：总装图设计开始