CN101412153B - 利用激光技术焊接密封薄壁金属管的工艺及设备 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种利用激光技术焊接密封薄壁金属管的工艺，其包括有设置保护性气体的流量、压力；设置激光的出光能量和出光频率；使薄壁金属管位于激光的聚焦位置处；使薄壁金属管以步进方式旋转，在每次步进旋转定位的状态下，由激光进行焊接，使薄壁金属管向中心熔融、凹陷、凝固，形成一个多棱的哑铃形柱体；接着连续旋转薄壁金属管，由激光连续照射使薄壁金属管顶端迅速熔化，在熔融金属液体表面张力的作用下，形成半球状密封壳体，并在保护性气体的环境下自然冷却，同时由于保护性气体的冷却作用而凝结在顶端，形成密封状态的步骤。同时还公开了一种配合上述工艺的设备。
Description
技术领域
本发明涉及一种薄壁金属管的焊接密封工艺及设备，更具体地就，涉及一种利用激光技术焊接密封薄壁金属管的工艺及设备。
背景技术
目前使用钛管等薄壁金属管对密封籽源进行密封，是一种十分有效的技术。而对于薄壁金属管的密封有许多方法，大多是先使用机械方法把金属管的焊接端夹扁，使其形成锥状体，然后采用点焊或者使用激光焊接，但由于机械方法夹持的问题，容易使金属管产生裂痕，从而降低了金属管的机械强度，容易造成密封不严，抗冲击性能达不到国家标准的要求，产品焊接质量和成品率都不理想。
发明内容
本发明的目的在于提供一种利用激光技术焊接密封薄壁金属管的工艺，可以有效解决上述问题。
本发明的另一目的在于提供一种配合工艺所需的利用激光技术焊接密封薄壁金属管的设备。
本发明中利用激光技术焊接密封薄壁金属管的工艺，包括有以下步骤：
1)将欲进行焊接密封的薄壁金属管置于由可编程控制器控制的电动工作台的夹具上；
2)根据所述薄壁金属管的壁厚、管径设置保护性气体供应装置的流量、压力，并输出相应的保护性气体；
3)根据所述薄壁金属管的壁厚、管径设置激光焊接机输出激光的出光能量和出光频率；
4)调整由可编程控制器控制的电动工作台，使电动工作台平移动作完成后，所述薄壁金属管位于所述激光焊接机输出的激光的聚焦位置处；
5)旋转所述电动工作台，使薄壁金属管以步进方式旋转，每次步进过程旋转至一个设定角度后停止，在每次停止定位的状态下，由所述激光焊接机输出激光，使所述薄壁金属管的顶端部位接受具有固定能量的激光脉冲；
6)在所述薄壁金属管旋转一周，且受激光脉冲射击后，所述薄壁金属管在高温和保护性气体的共同作用下，向中心熔融、凹陷、凝固，形成一个多棱的哑铃形柱体；
7)继续旋转电动工作台，使其保持恒定的旋转速度，同时控制激光焊接机的出光频率和能量，使激光以衡定的速率连续照射并叠加在所述薄壁金属管顶端需焊接的部位，在保护性气体的保护作用下，薄壁金属管顶端迅速熔化，在熔融金属液体表面张力的作用下，形成半球状密封壳体，并在保护性气体的环境下自然冷却，同时由于保护性气体的冷却作用而凝结在顶端，形成密封状态。
在第5)步骤中，所述薄壁金属管步进旋转的步数为n的整数，n＝1.3s/d，其中s为薄壁金属管的周长、d为所述激光焊接机输出激光于所述薄壁金属管表面形成的激光光斑直径；每一步旋转的角度等于360/n。
在步骤2)中，保护性气体的流量在0.1—0.3M3/h之间。
在第5)步骤中，所述电动工作台的运动方式根据步进次数以连续步进旋转或间隔步进旋转。
在步骤3)中，所述输出激光的出光能量的调整方法是将所述薄壁金属管固定，调整单个激光的出光能量，使得每次出光后，薄壁金属管表面熔融后的凹陷不低于薄壁金属管管径的1/4；所述出光频率的选择应使每两个激光光斑重合不少于1/4，以保证薄壁金属管被焊接的部分均匀受热熔融。
在步骤7)中，所述电动工作台的旋转速度在5-10T/S之间。
在步骤5)、6)、7)的同时增加有利用高倍放大摄像头进行观察及通过显示器显示焊接情况的步骤。
所述保护性气体为氩气。
本发明中利用激光技术焊接密封薄壁金属管的设备，包括有可编程控制器，电动工作台、激光发生器、具有压力流量控制系统的保护性气体供应装置，所述可编程控制器与电动工作台、激光发生器、保护性气体供应装置电连接，所述电动工作台上设置有用于放置薄壁金属管的夹具，且在所述夹具的侧缘上方相对所述保护性气体供应装置的保护性气体喷嘴的一侧设置有防护池。
所述设备还包括有与所述可编程控制器连接的高倍放大摄像头及显示器。
利用本发明中的工艺与设备，可以实现薄壁金属管的焊接封装，成品率达到98％以上，且质量控制指标均达并超过国标标准。
附图说明
图1为本发明中用于焊接密封薄壁金属管的设备结构示意图；
图2为本发明中薄壁金属管的焊接密封步骤图，其中a对应是的没有经激光熔融前的钛管，b对应是旋转一次后经激光熔融后的钛管，c对应的是旋转两次后经激光熔融后的钛管，d对应的是旋转四次后经激光熔融后的钛管；
图3为本发明中夹具、防护池及保护气体喷嘴的位置分布示意图；
图4为本发明中的工艺原理框图。
图5为焊接完成后的薄壁金属管示意图，金属管的顶部呈半球状。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明中的具体实施例作进一步详细说明。
本发明中的薄壁金属管以钛管为例，激光发生器以激光焊接机为例，但并不限于此，薄壁金属管可以是其他材料制的具有相同使用功能的薄壁金属管。
如图1和图4所示，本发明中用于焊接密封薄壁金属管设备包括有：
激光发生器1，可以是激光焊接机或激光枪，用于提供焊接所需要的能源，并能照准、聚焦于钛管的端口上。
电动工作台2，在该电动工作台2上设置有可由电动工作台2驱动的夹具4，该夹具4用于夹持钛管3，并能使钛管3根据焊接工艺的需要进行平移和旋转。
保护性气体供应装置，该保护性气体供应装置包括有流量、压力调节装置及保护性气体喷嘴5，用于提供具有适当压力和流量以及定向的保护性气体，该保护性气体一般为氩气，以保护焊接中的钛管不至于在高温下被氧化或氮化，并且能适时的熔融和凝固。
高倍放大摄像头7，用于随时拍摄和观察焊接过程。
显示器(图中未出)，用于放大显示被焊接的工件，以观察拍摄的焊接过程，便于人工干预作业。
可编程控制器，与激光发生器1、电动工作台2、保护性气体供应装置、高倍放大摄像头7及显示器电连接，用于控制激光发生器1，电动工作台2、保护性气体供应装置5、高倍放大摄像头7及显示器工作，如图4所示，由于上述各部件均采用市售成熟产品，因此对其结构及工作原理不再另行说明。
如图3所示，本发明中的夹具4为一个同心度较高的，中心带有可装入钛管3的空间的金属棒状体，夹具4的下端通过一个自校正中心的自锁螺纹将其锁紧在电动工作台2的电机主轴上，其主要作用是保证钛管3旋转时的同心，同时也保证了其在激光照射时接受能量的均匀度，夹具4与电动工作台2的连接对本领域的技术人员来说是可以实现的，因此不再具体说明。
另，本发明为了能在钛管3周围形成更好的保护性气体氛围，利用金属板在夹具4上方相对保护性气体喷嘴5的另一侧围成半圆形的防护池8，利用该防护池8可以对从保护性气体喷嘴5喷出保护性气体有阻挡作用，使得保护性气体被滞留在围绕着钛管3周围的局部空间内，使焊接中的钛管3与空气隔离，形成一个局部的保护气氛，避免在高温状态下钛金属被氧化或氮化。
本发明中利用激光焊接薄壁金属管(以钛管为例)的工艺过程如下：
1)将欲进行焊接密封的钛管3置于电动工作台2的夹具4上；
2)根据钛管3的壁厚、管径设置保护性气体供应装置的流量、压力，并输出相应的保护性气体(氩气)，其中保护性气体的流量选取范围在0.1—0.3M3/h之间，过大则钛管3的熔融效果不好，过小则会引起钛管3表面氧化或氮化；
3)根据钛管3的壁厚、管径设置激光焊接机1输出激光的出光能量和频率， 其中激光的能量可由实验确定，具体方法是：将固定钛管3位置不变，调整单个激光的出光能量，使得每次出光后，钛管3表面熔融后的凹陷不低于钛管3直径的1/3为佳，而出光频率的选择应使每两个激光光斑重合不少于1/4，以保证钛管3被焊接的部分均匀受热熔融；
4)调整电动工作台2，使钛管3位于激光焊接机输出的激光的聚焦位置处；
5)旋转电动工作台2，使钛管3以步进方式旋转，每个步进过程旋转至一个设定角度后停止，在停止定位的状态下，由激光焊接机输出激光束，在钛管3的顶端部位接受若干个固定能量的激光脉冲，如图2所示，其中钛管3旋转的步数为n的整数，n＝1.3s/d，其中s为钛管的周长、d为激光焊接机输出激光位于钛管表面的激光光斑直径，因此每一步旋转的角度等于360/n；
6)在激光脉冲射击后，钛管3在高温和保护性气体的共同作用下，向中心熔融、凹陷、凝固，形成一个多棱的哑铃形柱体；
7)继续旋转电动工作台2，使其保持稳定的旋转速度，该旋转速度一般在5-10T/S(圈/秒)之间，同时控制激光焊接机的出光频率和能量，使激光以衡定的速率连续照射并叠加在钛管3顶端需焊接的部位，在保护性气体的保护作用下，钛管3顶端迅速熔化，在熔融金属液体表面张力的作用下，形成半球状密封壳体，并在保护性气体的环境下自然冷却，同时由于保护性气体冷却作用而凝结在顶端，形成密封状态。
下面分别举例说明：
实施例一
本实例中以直径为0.8毫米，壁厚为0.05毫米的钛管及激光光斑直径为0.8毫米为例，具体的焊接密封工艺如下：
1、将欲进行焊接密封的钛管3置于电动工作台2的夹具4上；
2、调整激光焊接机的出光能量为2±0.1J，出光频率为6次/秒，使之能在氩气气氛保护状态下刚好能使钛管处于熔融状态，并在背光面迅速凝固；
3、调整氩气的流量为0.2M3/h(立方米/小时)，通过调压阀调整气体压力为200Kpa(千帕)，并调整好保护性气体喷嘴5以控制流向，使整个焊接过程中 熔融的钛管3不至于被氧化或氮化；
4、平移电动工作台2，使钛管3的顶端焊点部位刚好处于激光焊接机输出激光的焦点位置；
5、旋转电动工作台2，使钛管3以步进方式旋转，每个步进过程的角度为90°，即首先转旋90°角后停止，在停止定位的状态下，钛管3顶端朝向激光束的焊接部位接受一个固定能量的激光脉冲；
6、接着旋转电动工作台2使钛管3旋转90°后停止，再使钛管3顶端朝向激光束的焊接部位接受一个固定能量的激光脉冲；
7、再旋转电动工作台2使钛管3接着旋转90°后停止，并使钛管3顶端朝向激光束的焊接部位接受一个固定能量的激光脉冲；
8、最后旋转电动工作台2使钛管3又旋转90°后停止，也使钛管3顶端朝向激光束的焊接部位接受一个固定能量的激光脉冲；
9、在激光脉冲射击下，钛管3在高温和氩气的共同作用下，向中心熔融、凹陷，凝固从而形成一个多棱的梯形锥体，如图4所示；
10、继续旋转电动工作台2，使其保持稳定的旋转速度，旋转速度为8T/s(圈/秒)，同时控制激光焊接机的出光频率和能量，其中出光频率为6次/秒，能量为2±0.1J，使激光以衡定的速率连续照射并叠加在钛管3顶端需焊接的部位，在氩气的保护作用下，钛管3顶端迅速熔化，在熔融金属液体表面张力的作用下，形成半球状密封壳体，如图5所示，同时由于氩气的冷却作用而凝结在顶端，形成密封状态。
另，本发明中步骤1至4四个步骤的先后次序可以根据环境及不同需求进行调整，并不一定按上面的顺序，并且步骤5、6、7、8中所使用的一个固定能量的激光脉冲也不限定于一个，而是可以根据不同壁厚而使用两个或两个以上，以及在进行激光焊接的同时可增加利用高倍放大摄像头进行拍摄及通过可编程控制器控制显示器显示焊接情况的步骤。
实施例二
本实例中以直径为1.2毫米，壁厚为0.05毫米的钛管及激光光斑直径为 0.8毫米为例，具体的焊接密封工艺如下：
1、调整激光焊接机的出光能量为2.2±0.1J，出光频率为8次/秒，使之能在氩气气氛保护状态下刚好能使钛管处于熔融状态，并在背光面迅速凝固；
2、将欲进行焊接密封的钛管3置于电动工作台2的夹具4上；
3、调整氩气的流量为0.3M3/h，压力为200Kpa，并调整好保护性气体喷嘴5以控制流向，使整个焊接过程中熔融的钛管3不至于被氧化或氮化；
4、平移电动工作台2，使钛管3的顶端焊点部位刚好处于激光焊接机输出激光的焦点位置；
5、旋转电动工作台2，使钛管3以步进方式旋转，每个步进过程的角度为60°，即首先转旋60°角后停止，在停止定位的状态下，使钛管3顶端朝向激光束的焊接部位接受一个固定能量的激光脉冲；
6、接着旋转电动工作台2使钛管3旋转120°后停止，使钛管3顶端朝向激光束的焊接部位接受一个固定能量的激光脉冲；
7、接着旋转电动工作台2使钛管3再旋转120°后停止，使钛管3顶端朝向激光束的焊接部位接受一个固定能量的激光脉冲；
8、接着旋转电动工作台2使钛管3旋转180°后停止，使钛管3顶端朝向激光束的焊接部位接受一个固定能量的激光脉冲；
9、重复第6、7步骤；
10、在激光脉冲射击下，钛管3在高温和氩气的共同作用下，向中心熔融、凹陷，凝固从而形成一个多棱的梯形锥体，如图4所示；
11、继续旋转电动工作台2，使其保持稳定的旋转速度，旋转速度为10T/s(圈/秒)，同时控制激光焊接机的出光频率和能量，其中出光频率为8次/秒，能量为2.2±0.1J，使激光以衡定的速率连续照射并叠加在钛管3顶端需焊接的部位，在氩气的保护作用下，钛管3顶端迅速熔化，在熔融金属液体表面张力的作用下，形成半球状密封壳体，如图5所示，同时由于氩气的冷却作用而凝结在顶端，形成密封状态。
实施例三
本实例中以直径为1.2毫米，壁厚为0.08毫米的钛管及激光光斑直径为0.8毫米为例，具体的焊接密封工艺如下：
1、调整氩气的流量为0.1M3/h，压力为200KPa，并调整好保护性气体喷嘴5以控制流向，使整个焊接过程中熔融的钛管3不至于被氧化或氮化；
2、调整激光焊接机的出光能量为2.5±0.1J，出光频率为8次/秒，使之能在氩气气氛保护状态下刚好能使钛管处于熔融状态，并在背光面迅速凝固；
3、将欲进行焊接密封的钛管3置于电动工作台2的夹具4上；
4、平移电动工作台2，使钛管3的顶端焊点部位刚好处于激光焊接机输出激光的焦点位置；
5、旋转电动工作台2，使钛管3以步进方式旋转，每个步进过程的角度为60°，即首先转旋60°角后停止，在停止定位的状态下，使钛管3顶端朝向激光束的焊接部位接受一个固定能量的激光脉冲；
6、接着旋转电动工作台2使钛管3旋转120°后停止，使钛管3顶端朝向激光束的焊接部位接受一个固定能量的激光脉冲；
7、接着旋转电动工作台2使钛管3再旋转120°后停止，使钛管3顶端朝向激光束的焊接部位接受一个固定能量的激光脉冲；
8、接着旋转电动工作台2使钛管3旋转180°后停止，使钛管3顶端朝向激光束的焊接部位接受一个固定能量的激光脉冲；
9、重复第6、7步骤；
10、在激光脉冲射击下，钛管3在高温和氩气的共同作用下，向中心熔融、凹陷，凝固从而形成一个多棱的梯形锥体，如图4所示；
11、继续旋转电动工作台2，使其保持稳定的旋转速度，旋转速度为5T/s(圈/秒)，同时控制激光焊接机的出光频率和能量，其中出光频率为8次/秒，能量为2.5±0.1J，使激光以衡定的速率连续照射并叠加在钛管3顶端需焊接的部位，在氩气的保护作用下，钛管3顶端迅速熔化，在熔融金属液体表面张力的作用下，形成半球状密封壳体，如图5所示，同时由于氩气的冷却作用而凝结在顶端，形成密封状态。
综上所述，本发明中利用激光技术焊接密封薄壁金属管的工艺利用激光先将薄壁金属管焊接成多棱的哑铃形柱体，可以避免使用现有利用机械加工成锥体所造成的应力及裂痕，从而不至于破坏金属管原有的机械强度，同时再进一步考虑激光对薄壁金属管进行焊接的能量大小和聚焦区域、能量集中或分布的范围、能量辐射的速率、高温下的气体保护以及由此引起的能量的平衡，同时借助于熔融后液体表面张力的作用，在金属管端部形成机械强度较高和应力很小的密封的半球状外壳，从而能很好的保证金属材质本身的物理特征，可以保证焊接质量，以及较高的成品率。
Claims (10)
1.一种利用激光技术焊接密封薄壁金属管的工艺，包括有如下步骤：
1)将欲进行焊接密封的薄壁金属管置于由可编程控制器控制的电动工作台的夹具上；
2)根据所述薄壁金属管的壁厚、管径设置保护性气体供应装置的流量、压力，并输出相应的保护性气体；
3)根据所述薄壁金属管的壁厚、管径设置激光焊接机输出激光的出光能量和出光频率；
4)调整由可编程控制器控制的电动工作台，使电动工作台平移动作完成后，所述薄壁金属管位于所述激光焊接机输出的激光的聚焦位置处；
5)旋转所述电动工作台，使薄壁金属管以步进方式旋转，每次步进过程旋转至一个设定角度后停止，在每次停止定位的状态下，由所述激光焊接机输出激光，使所述薄壁金属管的顶端部位接受具有固定能量的激光脉冲；
6)在所述薄壁金属管旋转一周，且受激光脉冲射击后，所述薄壁金属管在高温和保护性气体的共同作用下，向中心熔融、凹陷、凝固，形成一个多棱的哑铃形柱体；
7)继续旋转电动工作台，使其保持恒定的旋转速度，同时控制激光焊接机的出光频率和能量，使激光以衡定的速率连续照射并叠加在所述薄壁金属管顶端需焊接的部位，在保护性气体的保护作用下，薄壁金属管顶端迅速熔化，在熔融金属液体表面张力的作用下，形成半球状密封壳体，并在保护性气体的环境下自然冷却，同时由于保护性气体的冷却作用而凝结在顶端，形成密封状态。
2.根据权利要求1所述的利用激光技术焊接密封薄壁金属管的工艺，其特征在于，在第5)步骤中，所述薄壁金属管步进旋转的步数为n的整数，n＝1.3s/d，其中s为薄壁金属管的周长、d为所述激光焊接机输出激光于所述薄壁金属管表面形成的激光光斑直径；每一步旋转的角度等于360/n。
3.根据权利要求1所述的利用激光技术焊接密封薄壁金属管的工艺，其特 征在于，在步骤2)中，保护性气体的流量在0.1-0.3立方米/小时之间。
4.根据权利要求1所述的利用激光技术焊接密封薄壁金属管的工艺，其特征在于，在第5)步骤中，所述电动工作台的运动方式根据步进次数以连续步进旋转或间隔步进旋转。
5.根据权利要求1所述的利用激光技术焊接密封薄壁金属管的工艺，其特征在于，在步骤3)中，所述输出激光的出光能量的调整方法是将所述薄壁金属管固定，调整单个激光的出光能量，使得每次出光后，薄壁金属管表面熔融后的凹陷不低于薄壁金属管管径的1/4；所述出光频率的选择应使每两个激光光斑重合不少于1/4，以保证薄壁金属管被焊接的部分均匀受热熔融。
6.根据权利要求1所述的利用激光技术焊接密封薄壁金属管的工艺，其特征在于，在步骤7)中，所述电动工作台的旋转速度在5-10圈/秒之间。
7.根据权利要求1所述的利用激光技术焊接密封薄壁金属管的工艺，其特征在于，在步骤5)、6)、7)的同时增加有利用高倍放大摄像头进行拍摄及通过可编程控制器控制显示器显示焊接情况的步骤。
8.根据权利要求1至7中任意一项所述的利用激光技术焊接密封薄壁金属管的工艺，其特征在于，所述保护性气体为氩气。
9.一种利用激光技术焊接密封薄壁金属管的设备，包括有可编程控制器，电动工作台、激光发生器、具有压力流量控制系统的保护性气体供应装置，其特征在于，所述可编程控制器与电动工作台、激光发生器、保护性气体供应装置电连接，所述电动工作台上设置有用于放置薄壁金属管的夹具，且在所述夹具的侧缘上方相对所述保护性气体供应装置的保护性气体喷嘴的一侧设置有防护池。
10.根据权利要求9所述的利用激光技术焊接密封薄壁金属管的设备，其特征在于，所述设备还包括有与所述可编程控制器连接的高倍放大摄像头及显示器。
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