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在我國經濟飛速發展的今天，焊管產量居世界首位。但縱觀焊管產業，我國不銹鋼管焊接仍然多數采用的是傳統的手工氬弧焊[4]。這種工藝效率較低，焊接后還需要采用矯正、補焊等工序來保證質量，且設備規模大等缺點[5]。綜合這些問題，本設計由激光特點出發，制造出傳統工藝所無法達到的高焊接速度、高生產率，并具有較低成本的簡易設備。

1) 能量密度高 高功率激光束經聚焦后,焦斑直徑很小,因此功率密度很高,可達105 ～108 W/ cm2 ,比電弧焊(5 ×102～104 W/ cm2 ) 要高出幾個數量級,能焊接高硬度、高脆性及高熔點、高強度的材料。

2) 焊接質量高　激光焊接時通過小孔效應,能獲得較大的焊接深度(深寬比可達2～12) ,且焊縫的組織致密、強度高。

3) 熱影響區和變形區都很小　激光焊接加熱及冷卻速度極高,其結晶速度比一般熔焊的高幾十倍,熱影響區很小,材料變形小,無需后續工序處理。

4) 可焊接不同材料的組合　可對高熔點、高熱導率、物理性質差異較大的異種或同種金屬材料進行焊接。

5) 激光焊接是無接觸加工　沒有工具損耗和工具調換等問題。

6) 激光可通過玻璃焊接處于真空容器內的工件及處于復雜結構內部位置的工件。

7) 激光束易于導向、聚焦,實現各方向變換　激光束能量可精密控制,移動速度可調,可以進行多種焊接加工。

8) 激光焊接系統具有高的柔性　與CAD/ CAM或機器人聯合組成的焊接系統可形成多功能的激光加工系統,焊接速度快,功效高,易于實現自動化。

自從20世紀六十年代初，CO2、YAG等激光器誕生后，他們在焊接領域的應用潛力便一起了人們的極大關注，因此激光技術很快就在焊接領域得到了應用。早期的應用是采用脈沖固體激光器，對薄小零件進行點焊和縫焊，屬熱導焊。直到70年代，特別是近十幾年來，隨著高功率激光器的出現，激光深融焊得到了迅速的發展。

在工業發達的國家，激光焊接技術早已成熟，大量用于汽車、鋼鐵、航天航空、電子等領域。

國內目前激光焊接工藝正從實驗室逐步應用于工業生產，先后完成了變速箱雙聯齒輪、熱軋硅鋼片、雙金屬鋸條的焊接等一批具有較高水平的激光焊接工藝研究課題，是我國激光焊接的應用日益擴展[7]。

(一) 數控機床焊管機

摘要：本實用新型提供一種數控激光焊管機，包括主機、數控操作臺、激光器、光路系統、焊接頭、氣動及水冷機組、卷管生產線平臺，其特征在于：主機包括立柱、懸臂、焊接頭；所述立柱包括箱型體，箱箱型體通過螺釘固定在底座板上，立柱上安裝豎直驅動裝置；懸臂與豎直驅動裝置的絲杠螺母連接，可沿立柱上下移動；懸臂內安裝橫向驅動裝置，溜板連接在橫向驅動裝置上，焊接頭固定在溜板上，焊接頭可沿懸臂橫向移動；光路系統由激光器橫向經過立柱上方向下垂直于懸臂，再由懸臂至焊接頭；懸臂下方安放卷管生產線平臺及5-8組卷管輥子組件，卷管生產線平臺上裝有走管測速裝置。

結構示意圖：

綜合分析：本實用新型為數控激光焊管機結構，包括主機、數控操作臺、激光器、光路系統、氣動及水動水冷機組等等多個部件組成。其優點：可以高效率的完成焊接作業，與上下工序連接流暢，焊口部分可以有效地提供保護，提高焊接質量，自動化程度高等。缺點為：結構較為復雜，生產成本較高。

(二) 焊管機 （B21C 37/08）

摘要：一種焊管機，特別是能一次完成成品管外表面最終拋光工序的焊管機。現有焊管機需將管坯切斷后送至專用拋光機上拋光，效率低，成本高。本實用新型主要有機架、動力裝置、成型輪輥、焊接裝置、焊瘤平整裝置、精整輥、切斷裝置構成。在切斷裝置前增設了拋光裝置，省去了將管轉運至拋光機和從拋光機上取下的時間，且提高了拋光效率。

結構示意圖：

綜合分析：此發明為一個可以一次完成拋光的焊管機，大大降低了工業成本，提高了效率，使多個工序一次完成。優點：多種工序一并完成，提高效率，降低工作成本。缺點：整體系統沒有關聯性，進而可靠性不易保證。如果某一部分失去作用容易引發系統故障。

(三) 焊管機組的等剛性機架

摘要：本發明屬于焊管生產線機組設備，特別涉及一種焊管機組的等剛性機架：包括底座、機架和驅動軋輥的傳動裝置。其特征在于：在底座上排列裝設三個以上的等剛性機架，所述的每個等剛性機架由機架、上水平輥機構、上水平輥調節機構、滑座、托板、液壓缸、下水平輥機構、下水平輥機構調節機構、側立輥機構和側立輥機構組成，本發明不僅設計合理，機構緊湊，即采用側向推出實現換輥操作的過程自動化，又機架手里均勻，而且具有勞動強度低，換輥快捷，節省換輥時間，提高生產效率，便于安裝制造、維修，成本低，操作安全以及使用十分方便等優點。

結構示意圖：

綜合分析：本實用新型為焊管機組的等剛性機架，可以方便的更換輪轂。對本次設計的夾具設計有一定的啟發作用。優點：定位準確，可以方便更換輪輥。缺點：換輥的操作復雜，不安全，機構復雜，體大量重，不便于制造、安裝和維修，制造成本高。本次設計可以根據此專利來設計夾具。遵循設計原則，減少夾具的制造成本及復雜程度。

1) 機身整體機構設計 本次設計以激光為能源的焊管機，因此機身整體構造較為復雜，激光能源冷卻系統龐大。

解決辦法：將整體結構分為三部分：激光發生器，焊接工作臺，控制臺。

三者連接關系如下：

2) 激光發生器的選擇 激光發生器分為Nd:YAG和CO2激光發生器，其中CO2激光激發產生的光束波長為10.6μm，普通玻璃透鏡不能適用該波長的激光，會加大本次設計的成本。另外YAG激光可以通過光纖傳播，因此本次設計選用YAG激光。

解決辦法：選用YAG激光器應用光纖與工作臺連接，使兩者連接簡便，易于管理。

3) 夾具設計 本次設計采用直線焊接的方法，故夾具設計應具有自進給的能力。

解決辦法：參考專利（三）的方法設計。

1、 備用方案設計

1) 采用工件不動，激光器運動的方式 本設計思想是通過改變反射鏡的位子來焊接管材。這樣做的好處是可以更好的焊接重量較大的工件。實現激光移動較為方便，便于操作。缺點是行動行程較短，不利于連續焊接。

2) 采用工件移動，激光不動的方式 本設計思想是通過夾具運動帶動工件運動。這樣做的好處是可以連續焊接，方便長管焊接。缺點是重量大的工件慣性較大，應用不利于應用此方案。

根據本方案以加工輕型長管為主，對比以上方案的優缺點，最后選擇第二種方案。

2、 選定方案結構簡圖

3、 主要結構

本設計由工作臺、激光發生器、控制臺組成。其中，工作臺包括：立柱，懸臂，激光器，激光反射回路，夾具、保護氣裝置等；激光發生器包括：液體冷卻系統，激光發生裝置等。

4、 結構原理

此結構本著工件運動原則，應用帶滾輪的夾具可以使工件延一個方向勻速運動。懸臂和立柱中步進電機帶絲杠運動，可以使激光頭運動，便于工件的安裝。并且在懸臂中有激光反射鏡，用來調整激光方向。激光發射器選用Nd:YAG型，故應用光纖與工作臺連接。工作臺內有單片機，可以控制激光器和工作臺運動。

5、 基本參數

電源：交流輸入電壓：220V；

整體外形(工作臺初始位置)：高:1450mm 寬：1100mm

可加工工件直徑：φ15mm-φ150mm

懸臂、立柱可移動距離：懸臂：200mm，立柱：300mm

激光器：Nd:YAG激光器，波長1.06μm；

保護氣體：氬氣

控制器：MCS-51單片機

3月27日 ~ 4月3日：總裝圖設計開始