CN102642085A - 激光焊接等离子体侧吸负压装置 - Google Patents
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Abstract
一种激光焊接等离子体侧吸负压装置，可安装于任何一个激光焊接枪头，所述负压腔装置与所述激光焊接枪头相固定，与待焊接工件之间可作相对运动，所述负压腔装置置于所述待焊工件表面焊接熔池区域上方，用于快速抽气，以在所述固定于激光枪头的封闭腔内产生低于大气常压的局部负压，使得焊接熔池周围形成负压环境。本发明可有效的抑制高功率激光深熔焊接时产生的等离子体和消除因小孔效应导致的焊缝深层气孔，且工件大小不受限制，使用灵活方便、稳定性好，焊接质量较高、焊接过程稳定性增加。
Description
技术领域
本发明适用于激光焊接领域，尤其适于高功率激光器进行中厚板和大厚板焊接的激光焊接等离子体侧吸负压装置。
背景技术
激光焊接作为一种高能束焊接方法，具有速度快、效率高、焊缝深宽比大、热影响区小、工件变形小等诸多优点，与真空电子束焊接相比，不需真空室、适用性强，对焊接工件大小没有限制，已经在汽车车身等薄壁构件的焊接中普遍应用。但在重型机械、舰船、核电、汽轮机转子、重大装备等制造领域中，特别是在40mm以上的大厚度材料的焊接中目前尚未得到有效的应用。其主要原因是由于激光焊接通常是在大气常压或保护气体环境下进行，在此条件下激光焊接产生的金属蒸汽和光致等离子体对激光(尤其是波长较长的CO2激光)具有散射、折射和吸收作用，且这种屏蔽作用随着激光功率的增大而愈显强大，从而阻碍了激光束向焊接熔池小孔中进一步输送能量，即便采用目前国内现有的输出功率最大的激光器，其一次穿透的焊接熔池深度也相当有限；而在相同的输出功率条件下，激光焊接的熔池深度也难以达到真空电子束的焊接熔池深度，且焊缝表面成形较差，易出现气孔，是大厚度材料激光焊接的瓶颈问题。
针对如何有效抑制高功率激光深熔焊接时产生的等离子体和消除因小孔效应导致的焊缝深层气孔，目前的解决办法主要有两类，一类是在真空室内进行激光焊接，另一类是采用侧吹气体的方法抑制激光焊接中的等离子体。相关研究表明，前者对等离子体的抑制效果比较好，熔深可以得到明显提高，且焊缝中的气孔可以得到有效抑制，但需要把工件置于真空室内，操作效率低，且工件尺寸受真空室大小的限制，无法用于核电、舰船、重大装备等大厚度构件的焊接；而后者虽然简单易行，也不受工件尺寸大小的限制，但其对等离子体的抑制效果受到诸如激光功率、保护气体种类、侧吹气体流量和吹气口位置等许多因素的影响，稳定性较差，在深熔焊条件下，因小孔熔池尖端残留气体引起的焊缝气孔问题尚未得到有效解决。
发明内容
本发明的目的在于提供一种激光焊接等离子体侧吸负压装置，以解决现有技术中高功率激光深熔焊接时产生的等离子体和因小孔效应导致的焊缝深层气孔，从而存在大真空室抽气效率低，工件尺寸受限制的问题，同时也利于解决采用侧吹保护气体引起的等离子体抑制效果不稳定、气孔难以控制的问题。
一种激光焊接等离子体侧吸负压装置，可安装于任何一个激光焊接枪头，包括一固定在所述激光焊接枪头上的负压腔装置，所述负压腔装置与激光焊接枪头相固定，与待焊工件之间可作相对运动，所述负压腔装置设置在待焊工件表面焊接熔池区域上方，用于快速抽气，以在所述固定于激光枪头的封闭腔内产生低于大气常压的局部负压，使得焊接熔池周围形成负压环境。
较佳地，负压腔装置包括套筒、用于向负压腔内充入惰性保护气体的气罩、气管及透镜，套筒的至少一端套设有中空的气罩，透镜直接设置在套筒的上方或通过所述气罩设置在套筒的上方，套筒的侧壁上设置气管，所述气管的另一端连接真空泵，套筒的底端开放状，所述套筒内形成负压腔。
另外，所述焊接的激光为CO2激光，所述透镜采用ZnSe透镜；或所述焊接的激光为光纤激光或Nd:YAG激光，所述透镜采用石英玻璃透镜。所述ZnSe透镜和所述石英玻璃透镜上均镀有增透膜。
还有，套筒的上部和下部分别设置气罩，并且上部和下部分别开有至少一排便于向负压腔内充入惰性保护气体的密集充气孔。下出气口的方向向下，在负压腔下沿形成一圈密集的“气帘”，上出气口的方向则向内偏下。
最好地，套筒或用于向负压腔内充入惰性保护气体的气罩采用具有散热特性的材质制成。
还有，本装置还包括在所述负压腔内壁设置一个对腔内压力进行检测的绝对压力传感器。所述气管与真空泵连接之间设置一以过滤掉焊接过程中产生烟尘和杂质的过滤器。所述气管与真空泵连接之间设置冷却器。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明的激光焊接等离子体侧吸负压装置，可安装于任何一个激光焊接枪头，可有效的抑制高功率激光深熔焊接时产生的等离子体和消除因小孔效应导致的焊缝深层气孔，且工件大小不受限制，使用灵活方便、稳定性好，焊接质量较高、焊接过程稳定性增加。本发明适用于采用高功率激光器对中厚板和大厚板的焊接加工,可应用于诸如重型机械、舰船、核电、汽轮机转子、重大装备等亟待对大厚度材料进行焊接的制造领域，在厚板件焊接方面发挥激光焊接的优势
本发明还保护包括该激光焊接等离子体侧吸负压装置的焊接系统。
附图说明
图1A、图1B为本发明一实施例负压腔装置的结构示意图；
图2为图1负压腔装置的截面剖视图；
图3为图1负压腔的套筒结构示意图；
图4为图1负压腔装置在焊接板件上结构示意图。
图中1.套筒，2.气罩，3.气管，4.透镜，5.上进气口，6.下进气口，7.气罩进气凹槽，8.上出气口，9.下出气口，10.抽气方向，11.激光入射方向，12.进气方向，13.激光移动方向。
具体实施方式
下面结合附图详细描述本发明。
从理论上分析，作为高能束焊接方法的激光焊接与电子束焊接在输出的功率密度方面是相当的，而电子束焊接已能实现300mm厚的板件焊接，因此采用激光焊接方法是可以实现对大厚板的焊接加工的。由于电子束焊接需要真空室，工件尺寸大小受到限制，因此解决激光焊接大厚板件的问题受到越来越多的关注和重视，本发明应运而生。
一种激光焊接等离子体侧吸负压装置，可安装于任何一个激光焊接枪头，所述负压腔装置与所述激光焊接枪头相固定，与待焊接工件之间可作相对运动，所述负压腔装置置于所述待焊工件表面焊接熔池区域上方，用于快速抽气，以在所述固定于激光枪头的封闭腔内产生低于大气常压的局部负压，使得焊接熔池周围形成负压环境。
本发明最大的改进点在于负压腔装置，其结构示意图如图1A-图1B所示，主要由套筒1，气罩2，气管3，透镜4等组成。将限制工件尺寸大小的真空室缩小为一个在熔池周围形成局部负压的负压腔，将其固定在激光枪头上随之运动，从气管3快速抽气，套筒1内的等离子体和金属蒸汽从气管3被吸出，套筒1内形成负压，气罩2和透镜4分别起保护和密封作用，从而使激光焊接过程在负压环境下进行。
本发明首先要解决的问题是套筒1的密封性，因为工件置于负压腔外，所以无法象真空室一样进行完全的密封，因此只能在套筒1内形成局部的负压，而这个负压腔所能达到的真空度与套筒1的密封性紧密相关。
具体技术方案是在套筒1的顶端用透镜4进行顶部的密封，由于激光要从套筒1上部穿过，所以要根据所用的激光类型选用不同的透镜材料，对于CO2激光，采用ZnSe透镜；对于光纤激光或Nd:YAG激光，则采用石英玻璃透镜，透镜上镀有增透膜。而在套筒的底端必须是开放式的，从而实现在熔池上方对激光焊接产生的等离子体和金属蒸汽进行抽吸。
其次，要保证熔池受到惰性气体的保护。如果只是简单的对等离子体和金属蒸汽进行抽吸，那么外界空气流会从套筒1底端进入，对腔体内部负压介质和焊接熔池造成影响，从而严重影响焊接过程的稳定性，并最终影响焊接质量。
具体技术方案是向套筒1内充入惰性气体。如图3所示套筒的上部和下部都开有一排密集的充气孔，便于向负压腔内充入惰性保护气体（Ar气或He气）。其中，下出气口9的方向向下，以便在负压腔下沿形成一圈密集的“气帘”，从而减少外界气流对腔体内部负压介质和焊接熔池的影响；上出气口8的方向则向内偏下，以便减少焊接飞溅或烟尘对透镜的污染。图2中，惰性气体通过气罩2的上进气口5和下进气口6充入，然后通过气罩进气凹槽7向套筒1充入，最后从上进气口8和下进气口9流出形成保护。
激光焊接侧吸负压装置的具体实施方式如图4所示，激光从11方向通过透镜4到达工件进行焊接，真空泵从10方向通过气管3对套筒1内进行抽气，惰性气体从12方向向气罩内充入对焊接熔池和负压介质进行保护，整个装置固定在激光焊接枪头上，同步跟随激光器沿13方向对工件进行焊接，或负压腔与激光焊接枪头均固定不动，工件相对于焊枪作相对运动。
本发明为大厚度结构件的激光焊接开创了一条新的思路，通过与激光焊接枪头同步运动的负压腔来抑制高功率激光深熔焊接时产生的等离子体和消除因小孔效应导致的焊缝深层气孔，解决了大真空室抽气效率低，工件尺寸受限制的问题，同时也解决采用侧吹保护气体引起的等离子体抑制效果不稳定、易产生气孔的问题。
激光焊接等离子体侧吸负压装置还包括在所述负压腔内壁设置一个对腔内压力进行检测的绝对压力传感器。另外，所述气管与真空泵连接之间还可以设置一以过滤掉焊接过程中产生烟尘和杂质的过滤器。并且，在气管与真空泵连接之间还可以再设置冷却器。
此处公开的本发明优选实施例只是用于帮助阐述本发明。优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施方式。显然，根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属领域技术人员能很好地利用本发明。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。
Claims (9)
1.一种激光焊接等离子体侧吸负压装置，可安装于激光焊接枪头；其特征在于，所述负压腔装置与激光焊接枪头相固定，与待焊接工件之间可作相对运动，所述负压腔装置设置在所述待焊工件表面焊接熔池区域上方，用于快速抽气，以在所述固定于激光枪头的封闭腔内产生低于大气常压的局部负压，使得焊接熔池周围形成负压环境。
2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，负压腔装置包括套筒、用于向负压腔内充入惰性保护气体的气罩、气管及透镜，套筒的至少一端套设有中空的气罩，透镜直接设置在套筒的上方或通过所述气罩设置在套筒的上方，套筒的侧壁上设置气管，所述气管的另一端连接真空泵，套筒的底端开放状，所述套筒内形成负压腔。
3.如权利要求2所述的装置，其特征在于，其中，
所述焊接的激光为CO2激光，所述透镜采用ZnSe透镜；或
所述焊接的激光为光纤激光或Nd:YAG激光，所述透镜采用石英玻璃透镜；所述透镜上均应镀有增透膜。
4.如权利要求2所述的装置，其特征在于，套筒的上部和下部分别设置气罩，并且上部和下部分别开有至少一排便于向负压腔内充入惰性保护气体的密集充气孔。
5.如权利要求4所述的装置，其特征在于，下出气口的方向向下，在负压腔下沿形成一圈密集的“气帘”，上出气口的方向则向内偏下。
6.如权利要求2所述的装置，其特征在于，套筒或用于向负压腔内充入惰性保护气体的气罩采用具有散热特性的材质制成。
7.如权利要求1或2所述的装置，其特征在于，还包括在所述负压腔内壁设置一个对腔内压力进行检测的绝对压力传感器。
8.如权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述气管与真空泵连接之间设置一以过滤掉焊接过程中产生烟尘和杂质的过滤器。
9.如权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述气管与真空泵连接之间设置冷却器。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C02 | Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001) | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Application publication date: 20120822 |