CN103464901B - 一种激光焊接保护拖罩装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种激光焊接保护拖罩装置，包括与焊接头连接的拖罩体和向拖罩体内通入保护气体的进气管，所述拖罩体为中空且拖罩体顶部设有供进气管穿过的进气孔，该拖罩装置还设有用于冷却保护气体的冷却机构；所述拖罩体内设有与进气管连接并使进气管内的气体向拖罩体内均匀流出的气体均布机构；板面同拖罩体顶面成小于90o夹角的倾斜板位于拖罩体上方且该倾斜板下端同拖罩体顶部一端相连接；所述倾斜板通过连接块与焊接头连接，并在倾斜板上设有用于调节焊接头高度的高度调节机构。本发明所述激光焊接保护拖罩装置简便易安装，能够冷却保护气体，实现对各种复杂金属零件激光焊接的焊缝侧吹保护，确保金属零件的激光焊接质量。
Description
技术领域
本发明涉及一种激光焊接保护拖罩装置。
背景技术
钛及钛合金因其有许多独特的优良性能，如抗拉强度高，高低温性能好，耐腐蚀及高的比强度和比刚度，而在航空航天、医疗、汽车、军事、石油化工、核工业等领域得到了广泛应用。随着钛及钛合金的应用范围的不断扩大，其焊接问题也变得日益突出，并成为影响其使用效果的重要因素，因此需要重点研究钛及钛合金的焊接问题。其中尤其是涉及影响钛合金焊接质量的气体保护等方面的工艺问题，迫切需要改进和完善。
钛及钛合金具有较强的气体吸收能力，纯钛在250℃左右开始吸氢，400℃开始吸氧，600℃开始吸氮。钛及钛合金少量吸收这些气体后，气体原子将以间隙或置换的形式固溶在晶格中，改变材料的原始晶格排列，降低钛及钛合金的性能；随着时间的增加，气体以过饱和的形式存在，并易于形成晶间化合物，严重恶化材料的综合性能。由于钛合金激光焊接时接头区域的的温度远远高于600℃，所以在没有保护措施的情况下，空气中的有害污染物就极容易侵入焊接区，极大的影响焊接接头性能。
焊接时，应从三个方面对焊接区域进行气体保护，即激光加工处、焊缝后部高温区和焊缝背面。焊缝背面的保护可以通过向夹具中的铜槽中通入惰性气体实现。而激光加热处和焊缝后部的高温区由拖罩保护。
目前广泛使用的拖罩其外壳、进气管和轴向保护气喷嘴为一体的机加工工件。此种拖罩在实际应用存在很多问题：首先，保护气体受热导致气体分布不均，影响拖罩的保护效果；其次，向焊缝排出保护气的排气管孔为均匀分布不能保证焊缝被冷却气体全面均匀保护。
发明内容
本发明的目的在于，针对现有技术的不足，能够冷却保护气体，并能确保保护气体的均匀分布，确保焊接质量。
本发明的技术方案为，一种激光焊接保护拖罩装置，包括与焊接头连接的拖罩体和向拖罩体内通入保护气体的进气管，所述拖罩体为中空且拖罩体顶部设有供进气管穿过的进气孔，该拖罩装置还设有用于冷却保护气体的冷却机构；所述拖罩体内设有与进气管连接并使进气管内的气体向拖罩体内均匀流出的气体均布机构；板面同拖罩体顶面成小于90o夹角的倾斜板位于拖罩体上方且该倾斜板下端同拖罩体顶部一端相连接；所述倾斜板通过连接块与焊接头连接，并在倾斜板上设有用于调节焊接头高度的高度调节机构。
所述倾斜板与竖直方向所成角度为15°，与焊接头底部倾斜角度一致，保证焊接头与倾斜板的紧密连接。
所述冷却机构包括套装在拖罩体外侧进气管外壁的冷却管，所述冷却管的上下两端密封，并在冷却管的上方侧壁设有冷却管进液口，冷却管的下方侧壁设有冷却管出液口；所述冷却管的上下两端通过密封圈密封；所述冷却管内通入液氮。
上侧的冷却管进液口负责冷却液氮的注入，下侧的冷却管出液口负责把冷却失效的氮排出，保证了液氮的冷却温度，及时对保护气体进行冷却，使保护气体在拖罩体内温度基本一致，通过特殊的不均匀气孔排出，对焊缝进行持续冷却保护。
所述高度调节机构包括设在连接块上下两侧的条形孔、拖罩体倾斜板上与连接块下侧条形孔对应的倾斜板条形孔，并在连接块上侧条形孔与焊接头之间及连接块下侧条形孔与倾斜板条形孔之间分别安装螺栓。
通过螺栓连接焊接头与拖罩体，实现连动，并且在离焦量固定的情况下，通过与焊接头连接的螺栓以及条形孔上下调节整个装置与待焊接零件表面的相对高度。
所述气体均布机构为气体均布管，该气体均布管两端封闭，气体均布管上方设有与进气管连通的均布管进气孔，并以均布管进气孔为中心向两侧对称设有均布管出气孔，均布管出气孔的孔径按照从中心向两侧的顺序依次增大；有效地保证保护气体与焊缝均匀接触，不仅使焊缝的冷却速度增加，同时增强了焊缝的保护效果，最大程度的减少了空气对焊缝的污染。
所述均布管进气孔与进气管连接处设有密封管，确保保护气体只能充均布管出气孔中流出。
为了避免拖罩体内的气体均布管出现因流速过大而引起的紊流现象以及因流速过小而无法完全排出空气影响保护效果的现象，运用FLUENT软件对拖罩内腔气体流动进行仿真，分析拖罩内气体流速变化和确定出口流体速度，从而优化拖罩内腔结构设计，并且确定出合适的入口流量。
运用FLUENT软件模拟拖罩内腔流体速度场，仿真模型如图6所示。仿真要求在保护的过程中，保护气体在拖罩内流动为层流，并且流速稳定、均匀，以免影响焊缝成形。仿真时进气管流量与流速的关系为：
其中Q为流量，单位是L/min；V流速，单位是m/s；R为进气管半径，单位为m。本次设计中进气管直径定位10mm，从而可以得出V=0.2122Q或者Q＝4.712V。
针对各种复杂流动的物理现象，Fluent的软件采用不同的离散格式和数值方法，以期在特定的领域内使计算速度、稳定性和精度等方面达到最佳组合，从而高效率地解决各个领域的复杂流动计算问题。
本发明所述激光焊接保护拖罩装置简便易安装，能够冷却保护气体，实现对各种复杂金属零件激光焊接的焊缝侧吹保护，确保金属零件的激光焊接质量。
附图说明
图1为本发明所述拖罩装置的结构示意图；
图2为图1中拖罩体的结构示意图；
图3为图1中气体均布管的结构示意图；
图4为图1中冷却管的结构示意图；
图5为本发明所述拖罩装置与焊接头的装配示意图；
图6为FLUENT软件模拟拖罩内腔流体速度场的仿真模型图。
具体实施方式
如图1、图5所示，一种激光焊接保护拖罩装置，包括与焊接头4连接的拖罩体9和向拖罩体9内通入保护气体的进气管2，如图2所示，拖罩体9为中空且拖罩体9顶部设有供进气管2穿过的进气孔11，该拖罩装置还设有用于冷却保护气体的冷却机构；拖罩体9内设有与进气管2连接并使进气管2内的气体向拖罩体9内均匀流出的气体均布机构；板面同拖罩体9顶面成小于90o夹角的倾斜板10位于拖罩体9上方且该倾斜板10下端同拖罩体9顶部一端相连接；倾斜板10与竖直方向所成角度为15°，所述倾斜板10通过连接块1与焊接头4连接，并在倾斜板10上设有用于调节焊接头4高度的高度调节机构。
高度调节机构包括设在连接块1上下两侧的条形孔、拖罩体倾斜板10上与连接块1下侧条形孔对应的倾斜板条形孔16，并在连接块1上侧条形孔17与焊接头4之间及连接块1下侧条形孔与倾斜板条形孔16之间分别安装螺栓8。
如图4所示，冷却机构包括套装在拖罩体9外侧进气管2外壁的冷却管3，所述冷却管3的上下两端密封，并在冷却管3的上方侧壁设有冷却管进液口14，冷却管3的下方侧壁设有冷却管出液口15；冷却管3的上下两端通过密封圈7密封，冷却管3内通入液氮。
如图3所示，气体均布机构为气体均布管5，该气体均布管5两端封闭，气体均布管5上方设有与进气管2连通的均布管进气孔12，并以均布管进气孔12为中心向两侧对称设有12个均布管出气孔13，从中心向两侧的均布管出气孔13的孔径依次增大；均布管进气孔12与进气管2连接处设有密封管6。
Claims (4)
1.一种激光焊接保护拖罩装置，包括与焊接头（4）连接的拖罩体（9）和向拖罩体（9）内通入保护气体的进气管（2），所述拖罩体（9）为中空且拖罩体（9）顶部设有供进气管（2）穿过的进气孔（11），其特征是，该拖罩装置还设有用于冷却保护气体的冷却机构；所述拖罩体（9）内设有与进气管（2）连接并使进气管（2）内的气体向拖罩体（9）内均匀流出的气体均布机构；板面同拖罩体（9）顶面成小于90o夹角的倾斜板（10）位于拖罩体（9）上方且该倾斜板（10）下端同拖罩体（9）顶部一端相连接；所述倾斜板（10）通过连接块（1）与焊接头（4）连接，并在倾斜板（10）上设有用于调节焊接头（4）高度的高度调节机构；
所述气体均布机构为气体均布管（5），该气体均布管（5）两端封闭，气体均布管（5）上方设有与进气管（2）连通的均布管进气孔（12），并以均布管进气孔（12）为中心向两侧对称设有均布管出气孔（13），从中心向两侧的均布管出气孔（13）的孔径依次增大；
运用Fluent软件对拖罩体（9）内腔气流进行仿真，分析拖罩体内气体流速变化和确定出口流体速度，从而确定出合适的入口流量；仿真要求在保护过程中，保护气体在拖罩体（9）内流动为层流，并且流速稳定、均匀；进气管（2）直径为10mm，进气管（2）中气体的流量Q与流速V关系为：Q=4.712V；其中Q单位是L/min；V单位是m/s；
所述冷却机构包括套装在拖罩体（9）外侧进气管（2）外壁的冷却管（3），所述冷却管（3）的上下两端密封，并在冷却管（3）的上方侧壁设有冷却管进液口（14），冷却管（3）的下方侧壁设有冷却管出液口（15）；所述冷却管（3）内通入液氮。
2.根据权利要求1所述激光焊接拖罩装置，其特征冷却液体为液氮，在冷 却管（3）的上方的进液口流进，从下侧的出液口流出。
3.根据权利要求1所述激光焊接保护拖罩装置，其特征是，所述高度调节机构包括设在连接块（1）上下两侧的条形孔、拖罩体倾斜板（10）上与连接块（1）下侧条形孔对应的倾斜板条形孔（16），并在连接块（1）上侧条形孔（17）与焊接头（4）之间及连接块（1）下侧条形孔与倾斜板条形孔（16）之间分别安装螺栓（8）。
4.根据权利要求1所述激光焊接保护拖罩装置，其特征是，所述均布管进气孔（12）与进气管（2）连接处设有密封管（6）。
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