激光焊接是金刚石工具领域的重要创新发展方向。本文针对薄壁金刚石钻头规格多、精度要求高以及可焊性差等特点，研制开发了薄壁金刚石工程钻头激光自动焊接系统;此系统由激光器、光路系统、钻头焊接机床和控制系统组成;采用稳定三折激光腔技术、三工位分时导光系统、三爪自定心卡盘、Festo 机械手和西门子PLC ，解决了高激光光束质量、钻头基体装夹与定位、刀头传送、刀头抓取与定位、自动控制系统等关键技术。
引言
薄壁金刚石钻头是一种新型的钻孔工具，具有钻孔尺寸精确、速度快、工作噪音低、对材料周边无损坏、不需后续工序以及易于清理等特点 ，广泛用于建筑工程、桥梁道路及水电工程等的各种石材和钢筋、混凝土的钻孔，市场需求潜力巨大。
薄壁金刚石钻头由圆钢筒基体和粉末冶金金刚石刀头组成，如图l所示。与传统制造工艺相比采用激光焊接的金刚石钻头，焊接强度高，热影响区小，产品精度高，具有较高的剪切强度和高温强度，使用时能承受高温和较大的冲击，即使干切条件下也不易出现刀头脱落情况，大大延长钻头的使用寿命。美、德、意、日等国自20世纪80年代就开始了对金刚石工具的撒光焊接研究。主要的金刚石工具激光焊接设备生产厂家有:德国Dr. Fritsch 公司，意大利SINTRIS 公司、ARGA公司，韩国DIEX 公司、DIM - NET 公司，美国Western Saw 公司以及日本等国家的一些公司。其中较为典型的设备是德国Dr. Fritsch 公司推出的BSM220 型全自动金刚石钻头激光焊接机和韩国DIEX公司推出的CLWBlO型金刚石钻头激光焊接机。
国内于90年代初期开始跟踪金刚石工具激光焊接技术。目前国内具有一定规模的金刚石工具厂家约100家，近几年用于金刚石工具激光焊接及配套设备的进口花费上千万美元。进口设备价格昂贵，配件、消起品供应不及时，维护、维修复杂。大部分急需性价比高、运行戚本低的适合中国国情的激光焊接设备。
金刚石钻头激光焊接设备由激光器和焊接机床组成。基本上有两种类型，一种是全自动激光焊接机，这类焊接机的特点是自动化程度高，钻头基体手动上料与卸载，气动夹紧;金刚石刀头用直槽装置输送，气功机械手自动夹持、定位与固定;焊接参数可预先设定与程序控制;设备故障可自动诊断与显示。另一种是半自动与人工控制激光焊接机，这类焊接机特点是造价低，采用人工放置基体与刀头，电磁夹紧或机械夹具夹紧，可以两工位或三工位分别进行焊接，生产效率不低于甚至有时还高于自动化焊机，焊接时激光束固定，工作台旋转一周即可完成焊接，要求工人熟练程度高，国产金刚石钻头激光焊接机大都属于这种类型。本文针对薄壁金刚石工程钻头的结构和激光焊接工艺特点，研制开发了薄壁金刚石工程钻头激光自动焊接系统;解决了高激光光束质量、钻头基体装夹与定位、刀头传送、刀头抓取与定位、自动控制系统等关键技术。
1 薄壁金刚石工程钻头结构及其激光焊接工艺特点
钻头基体一般采用经过调质处理的45#、20# 或40Cr 铜管。金刚石刀头白粉末冶金方法制造，均匀焊接在基体端部，每个刀头的出刃一致，如图2所示。
激光焊接主要利用的是激光深熔焊接的"小孔效应"现象。如图2 所示，光束质量、焦点位置、激光焊接速度等对钻头激光焊接质量有重要影响。由于刀头比基体厚，为了获得最佳的角焊缝效果，研究结果表明:激光入射角约为6°~15° ，焊接线速度为0.5 ~1. 5 m/min，焦点垂直位置在被焊材料表面军方，约为被焊材料的30% ，焦点水平向基体偏移约0~0.1 mm ，且偏移量的变动应控制在±0.05 mm内。单面熔透焊接为了减小热影响区宽度，保证焊接强度，需要合适的焊接激光功率和高质量的激光光束，一般要求功率为1000~1500W ，光束质量为准基模或01模。
基于以上这些特点，激光焊接系统的重点在于:高质量的激光光束、钻头基体轴向、径向定位精度;刀头定位与装夹精度;基体的旋转精度;钻头大转速范围的平稳旋转等。nextpage
2 系统结构原理及关键技术
系统由激光器、光路系统、焊接机床组成。图3所示，焊接系统呈品宇结构，使激光到达三个工位的光程相当。其中两个工位焊接锯片，一个工位焊接钻头。实现分时亭用，独立而互不干扰生产工作。
2.1 激光器
焊接系统激光器采用华中科技大学开发的HGL-5000 型横流二氧化碳高功率激光器。由于刀头是粉末冶金材料，在进行单面熔透焊接时，需要尽可能小的热影响区，否则，在过渡层与金刚石层之间很窑易断裂。所以激光器采用了稳定三折腔技术，实现了激光光束准基模输出。结构及特点: (1)针板式放电结构，放电均匀稳定，电光转换效率高，输出功率大;(2) 采用外光桥内光腔和多折腔技术，激光输出稳定，光束质量好; (3) 元氨运行，气体消起少，运行戚本低; (4) 采用大流量双泪水冷机组，设备稳定性高。
2.2 光路系统
光路系统采用华中科技大学开发的新型三工位焊接系统，在金刚石工具行业应用时其中两个工位焊接锯片，一个工位焊接金刚石钻头，如图3所示。采用西门子数控系统和高精度光路切换技术实现三工位激光焊接加工，生产效率高。配备指示红光、进口光学元件和反射式聚焦系统，聚焦性能可靠，设备易操作，系统使用寿命长。
2.3 钻头焊接机床
如图4所示，钻头自动激光焊接机床由基体驱动、基体定位、刀头夹取、刀头传送、底座等组成。其玉作原理是:钻头基体送进传动箱三爪卡盘→焊接端部用基体定位机构定位→夹紧基体→根据钻头基体直径用电机和手动调整机械手上下的位置→机械手在垂直位置夹取刀头→摆动90°与基体相对→点焊→机械手退回夹取下→个刀头→卡盘旋转设置角度→刀头全部点焊→钻头整体焊接。
2.3.1 基体驱动
钻头基体驱动机构由二爪卡盘、传动箱、驱动电机组成，如图4 所示。钻头基体直径从今，25 -φ350 mm ,且长度最长达到450 mm ，它的旋转精度直接关系到刀头的出刃和能否焊透;采用超大中心孔三爪卡盘使长钻头基体能穿过中心，保证基体的定位精度和旋转精度;传动箱1: 70 涡轮蜗杆减速传动保证在低焊速下电机的特性;松下MDMA102PIH003 全数字交流伺服电机配套MDDDT3 530 电机驱动器具有高性能的实时自动调整增益、高速高相应、超低振动、优良的速度和扭矩等特点，保证基体合理的线速度、快速、平稳的启动、停止性能。特点是:定位精度高，刚性好，运转快速、平稳。
2.3.2 刀头装夹
在薄壁金刚石工程钻头的激光焊接中，由于激光束聚焦光斑只有几百微米，且金刚石刀头出刃精度要求高。因此刀头的定位就显得尤其重要，必须保证刀头与钢基体的紧密接触，一般保证焊缝间隙小于板厚的15%。如图4所示，刀头的装夹采用机械手式.机械手由叶片式旋转气缸、双导杆直线气缸、平行气爪构成。所有气动元件选用Festo 公司产品。机械手用直流电机加手动上下调整位置，以适应钻头直径的变化。特点是:自动化程度高，定位准确，性能可靠，无需大量夹具，效率较高。
2.3.3 刀头传送
如图5所示，刀头传送系统主要由两个气缸、棘轮、传送带等组成。其工作原理:当传感器检测到抓取位置元刀头时，气缸1推动棘轮转动，传送带运送刀头向前，气缸2推刀头到抓取位置，等待机械手抓取。
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3 控制系统
3.1 结构原理
控制系统的控制对象由激光器、光路系统、基体驱动、刀头装夹、刀头传送和人机交互接口这几个逻辑单元构成。各单元之间控制关系结构原理如图6 所示。主要有2 个电机、6 个气缸、13 个LED 和显示器，输入信号有8 个键盘命令、18 个传感器检测信号和显示器输入信号。
为了提高系统的可靠性，稳定性，采用了西门子的57 - 224 PLC 及EM 223 VO模块、松下MDMA102PIH003 全数字交流伺服电机和MDDD T3 5300电机驱动器、Festa 位置传感器。西门子的57 - 224PLC 及EM 223νo 模块，有8KB 的用户程序存储空间、5KB 的数据存储空间，外部共有30个输入点和26个输出点，可以满足本系统VO 要求，也能够方便的进行VO 扩展升级。人机接口设计了键盘操作界面，并集成一个西门子TD200 操作员面板，它与CPU 用专用电缆连接，这种配置方式可以为CPU 节约很多VO接口。 同时节约了开发时间和戚本。平行气爪和直线气缸分别装配两个电感式行程开关，开启时间小于0.5 ms ，重复精度达0.1 mm；旋转气缸配置两个电感式接近开关，最大切换频率可至1500 Hz ，重复精度达到0.075 mm。
钻头基体驱动电机由CPU以脉冲方式控制驱动，按照焊接工艺的需要达到规定的转速和稳定度。刀头传送装置按照工序需要实时传送即将用于焊接的刀头，采用两个气缸分别用作驱动传送带和推动刀头。机械手自动抓取刀头并送至机床上的基体处，完成夹取、伸缩和摆动三种动作，处理器控制完成激光打点焊接和连续焊接工序。人机接口设计若干个开关信号输入，向用户提供交互式的菜单界面，完成系统功能控制、设置焊接参数、焊接过程调整和系统故障检测等人机对话，设计充分考虑人性化的操作规律，使设备的操作尽可能简化。系统工作原理的流程如图7所示。其中机械手工作流程如图8所示。
3.2 算法程序
程序控制的条件来自对传感器信号、键盘输入命令的检测以及对程序内部控制流程标志位的状态的判断。用户设定的焊接参数经数据处理算法，用于CPU正确驱动电机。设需要焊接的钻头直径为D ，每个钻头上焊接刀头数量为N ，每个刀头弧长为L ，激光焊接的线速度为V ，电机每转所需指令脉冲数为m ，则可以得到焊接一个刀头所需脉冲数m[l] =. mL/（3. 14D) 、每两个刀头之间间隙对应的脉冲数m[2] = m/N -m[l]==m/N -mL/(3.14D) 以及为了实现驱动电机的准确定位而需要的脉冲周期T=3.14D/(mV) (s) 。nextpage
CPU 有了脉冲周期和脉冲数，就可以根据执行程序输出脉冲序列，实现电机定位的控制，在每一段脉冲结束后产生一个中断信号，在中断程序里处理电机运行后的其他动作。为保证每个刀头焊接时稳固，采用先点焊再连续焊的方法，焊接程序流程如图9所示。其中将每个刀头的点焊分解为三步完成，先焊中间点，再调整电机位置在刀头一端的114 处焊接第二点，再调整电机位置在刀头的另一端的114 处焊第三点。由于电机位置由CPU 输出的脉冲数决定，脉冲完成后产生中断，即会处理相应其他任务。所有点焊完成后，程序开始连续焊接每个刀头，直至该钻头焊接完毕，等待焊接下一个钻头。
3.3 显示和诊断
用TD200配置多个用户菜单和监测故障报警信息，实现工艺参数的设定、修改和手动调试的过程控制。访问不同的菜单界面，输入用户需要的焊接参数，由CPU 主动读取并存人内部RAM 单元，然后调用上述的程序算法计算得到需要的数据。当系统发生某类错误，系统终止运行，程序根据报警设置向用户提供错误报告，用户查询到报警错误信息，明确出故障的位置，可快速处理系统故障，恢复系统的正常运行。系统允许设定多条报警信息，每条信息中可嵌入报警是否需要确认的数据和通知消息，作为CPU 读取的状态变量存入RAM ，这样就和程序中CPU 诊断故障后的处理联系起来。在于动模式下，系统接受各单步操作，便于调试;在自动模式下，程序禁止一切人工操作，除非出现故障需要紧急停止。
4 焊接应用
在此焊接系统上进行φ82 mm 钻头焊接试验。主要焊接工艺:激光功率1000 W ，焊速约为1.2 m/min 。图l0a 是单面焊接焊缝外观形貌，从图中可看出焊接焊缝外观光滑、平整，无明显缺陷，图l0b 是单面焊接焊缝横截面宏观形貌。
采用MPA安全标准进行焊缝抗弯强度检测，抗弯强度σ =6M/LE2 ，M 为扭矩、L 为刀头长度、E 为基体厚度，检验结果如下表所示。
5 结论
通过对薄壁金刚石工程钻头激光自动焊接系统的结构及控制的分析，以及焊接实践得到如下结论:
(1)此焊接系统结构设计合理，光束质量好，性能稳定、可靠，很好地满足激光焊接金刚石钻头的要求;
(2) 可以焊接直径Φ25 ~Φ50 mm ，长度小于500mm 的薄壁金刚石钻头，焊接速度0.5 -1. 5 nνmm ，激光功率1000 -15∞ W ，效率20 -60 个/h;
(3) 焊接精度高，焊缝质量好，焊接强度达到MPA标准;
(4) 控制系统设计合理，工作稳定、可靠。
