CN103658983A - 激光焊接钛合金正面无拖罩气体保护装置 - Google Patents

激光焊接钛合金正面无拖罩气体保护装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种激光焊接钛合金正面无拖罩气体保护装置，包括冷却机构、保护气柔性定位设置导管、气保护喷头和安装固定机构；冷却机构包含水冷室和保护气冷却管，保护气冷却管置于水冷室中；保护气体柔性定位导管连接保护气冷却管，保护气喷头连接在保护气体柔性定位导管端部；冷却机构通过安装固定机构固定在激光焊机的焊接头上。经过冷却的保护气体从喷头中释放出来，排开高温区的空气成分，在焊道高温区形成稳态气场，阻止高温区金属与空气中的氧、氮、水蒸气等物质发生高温化学反应，从而起到隔离空气，保护高温焊道的目的。主要运用于中小厚度钛合金的激光熔焊加工领域。

Description

激光焊接钛合金正面无拖罩气体保护装置
技术领域
本发明涉及一种激光焊接气体保护装置，特别是激光焊接钛合金气体保护装置，属于激光焊接技术领域。
背景技术
钛合金化学性质活泼，焊接过程焊缝高温区极容易与空气中的氮、氧、氢发生化学反应，影响焊缝性能，目前在焊接钛合金时通常加三路保护气进行保护，分别为焊枪保护气、焊缝正面高温区保护气和焊缝背面保护气。
这三路保护气中，焊缝正面高温区保护气施加最为困难。因为随着焊接过程的进行，焊缝熔池随焊枪移动，需要保护的焊缝位置不断移动，同时要保证正面保护气场的施加不影响焊接过程，目前使用较为普遍的钛合金焊接正面保护方法，是依照焊缝结构形式制作一个拖罩，拖罩内通保护气体，在拖罩内形成稳态保护气流场，排开拖罩内的空气，拖罩可以随焊枪一起移动，达到保护高温区金属的效果。这种方法解决了焊道正面金属的气体保护问题，但是，这种正面保方法存在以下缺点：
1)不同结构的焊缝需要制作不同的专用拖罩，费工费时，成本较大；
2)直线焊缝保护效果较好，当焊接结构特殊或存在曲线焊缝时，需要做异形拖罩，且往往保护效果不良；
3)拖罩跟随焊枪一起运动，影响焊接熔池观察，对焊接过程造成部分不便。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明公开了一种激光焊接钛合金正面无拖罩气体保护装置，旨在提供一种无需真空环境和硬拖罩的激光焊接钛合金的施加保护气体的装置，在不需要外加拖罩的情况下，即可在高温焊缝金属上方形成保护气体的稳态流场，排开高温区域焊缝能够接触到的空气，从而防止钛合金在高温状态下氧化、氮化、氢脆的发生，能够使用于各种不同的焊接接头结构形式适应性强的气体保护装置。
本发明采用如下的技术方案实现的：
激光焊接钛合金正面无拖罩气体保护装置，包括冷却机构、保护气柔性定位导管、保护气喷头和安装固定机构；
冷却机构包含水冷室和保护气冷却管，水冷室上设置进水口和出水口，保护气冷却管设有进气口和出气口，保护气冷却管置于水冷室中；
具体地，保护气冷却管采用铜质冷却管；保护气冷却管迂回排布在水冷室内部；
保护气体柔性定位导管连接保护气冷却管，保护气喷头连接在保护气体柔性定位导管端部；具体地，保护气体柔性定位导管可采用活动关节塑料导管，保护气体喷头材质为铜质；
冷却机构通过安装固定机构固定在激光焊机的焊接头上；具体地，安装固定机构采用螺栓连接弓形卡箍的结构。
为形成稳定的保护气流场，保护气喷头采用圆柱形管，端口呈40°～60°的椭圆型截面；开口处内扩倒圆角。
工作时端口处椭圆型截面近似平行于焊道走向，在椭圆型截面和保护气喷头开口处尖角的引导作用下，有助于保护气体喷射形成长椭圆形稳态保护气流场。
保护气体通过保护气体冷却管隔离冷却，冷却过程不会对保护气体的纯度和湿度造成影响。保护气柔性定位导管使用活动关节塑料导管，能够方便的调整成各种需要的空间位置和姿态，能够适应各种尺寸的焊缝结构形式，适用性极强。保护气体通过冷却室降温，由喷头释放后在钛合金焊缝高温区域形成足够面积的稳态保护气流场，从而排开空气，阻止高温钛合金氧化氮化的目的。覆盖焊缝高温区域，稳态流场无固体边缘区域，因此适应性强。
由于采用了水冷保护气体柔性施加气流场的结构，充分利用了气体能够形成稳态流场的优势和特点，因此，本发明具有如下优点：1)不需要针对不同结构的焊缝需要制作不同的专用拖罩，具有极强的通用性；2)适用于各种结构的焊缝，特别适用于焊接空间曲线焊缝的气体保护，保护效果好；3)没有拖罩跟随焊枪一起运动，便于监测观察，不影响焊接工作。能够适用于各种结构形式的焊缝接头和绝大部分形状的焊接体，避免了常规保护气体拖罩适应性差，对异形空间曲线焊缝保护效果不理想的弊端。可广泛适用于激光焊接钛合金过程中的正面焊缝保护，无需使用硬保护气拖罩控制保护气流场，即可在高温焊缝正面形成稳态保护气体流场，排开空气，避免高温区域的焊缝金属发生氧化、氮化，保护效果好，对不同焊缝结构的适用性强。
附图说明
图1激光焊钛合金无拖罩气体保护装置的结构示意图
图2保护气喷头结构示意图
图中标记分别表示：1—保护气冷却管，2—水冷室，3—保护气柔性定位导管,4—保护气喷头，5—安装固定机构，6—激光焊机的焊接头,7—待焊接钛合金，8—出水口，9—进水口。
具体实施方式
下面，结合附图和具体实施例，对发明的具体实施方式作进一步的说明。
实施例
激光焊接钛合金正面无拖罩气体保护装置，包括冷却机构、保护气柔性定位导管、保护气喷头和安装固定机构；冷却机构包括水冷室和保护气冷却管，水冷室上分布进水口、出水口；保护气冷却管设有进气口、出气口；保护气冷却管采用铜质冷却管迂回排布在水冷室内部，其进气口在水冷室上方，其出气口在水冷室下方，保护气冷却管与水冷室内部不连通；保护气体柔性定位导管采用活动关节塑料导管，连接保护气冷却管；保护气喷头材质为铜质，连接在保护气体柔性定位导管端部；保护气喷头采用圆柱形管，端口呈40°～60°的椭圆型截面，开口处内扩倒圆角；安装固定机构采用螺栓连接弓形卡箍的结构，整个装置固定在激光焊机的焊接头上。
在工作状态水冷室内部充满低温冷却水，低温冷却水由外部冷却水循环系统提供，即将水冷室接入外部冷却水循环系统中，当工作时冷却水从水冷室的入水口进入，出水口排出回到外部冷却水循环系统，低温冷却水充满水冷室腔体内部，保护气冷却管外部包围低温冷却水，焊接过程中当有保护气体通过保护气冷却管时，对导管内的保护气体冷却降温，保护气冷却管内流过的保护气体通过管壁金属与包裹在冷却管周围的冷却水，通过热交换作用降低保护气温度，从而将流经冷却室的保护气体温度控制在某一温度区间之内；加快焊缝熔池的冷却速度，从而增强保护气体的保护效果；保护气体柔性定位导管使用标准关节软管，可在较大范围内任意固定形成空间形状，从而保证保护气体柔性定位导管端部连接的保护气喷头能够定位在工艺要求的空间位置，保持特定姿态，将保护气体从工艺需要的位置和角度喷射在焊缝熔池区域上方；保护气喷头是整个保护装置的关键结构，经过冷却的保护气从喷头中释放出来，排开高温区的空气成分，在焊道高温区形成稳态气场，覆盖在熔池区域及其前部200～400mm的长度范围内，根据激光焊接的移动速度和焊缝金属的冷却速度调整保护气体流量，目的在于将焊接温度高于100摄氏度的焊缝金属置于保护气场的覆盖之下，隔绝空气中的氧气和氮气，从而阻止高温区金属与空气中的氧、氮、水蒸气等物质发生高温化学反应；固定机构的作用是将该保护装置连接在激光激光焊机的焊接头端部特定位置，使整套保护装置能够在激光焊接的过程中随着激光激光焊机的焊接头以及焊缝熔化区一起移动，对高温区焊缝提供保护。
钛合金化学性质活泼，温度高于200摄氏度以上会和空气中的氧气、氮气等发生化学反应，严重影响材料的性能。因此钛合金在熔化焊接的过程中必须采取严格有效的保护措施，防止高温钛金属元素与空气接触，以便隔绝氧气、氮气等。当以激光作为熔化热源进行焊接时，由于热输入精确集中，热输入非常小，焊缝熔池体积小，冷却速度快，因此可以使用本发明所设计的保护装置进行正面保护，隔绝焊缝正面的空气。
保护装置随激光头以及激光焊焊接熔池一起移动，相应的保护气流场也随着焊接熔池一起移动，当保护气场移开以后，焊缝温度已经降低到100摄氏度以下，将不再与空气中的元素发生剧烈反应，从而达到焊缝正面保护的目的。
当激光焊接钛合金前，根据焊缝结构形式将保护喷头置于激光头的适当位置，使得保护喷头喷出的保护气体气场覆盖在焊缝熔池及已经焊接的近熔池区域，保护气体经过内置在水冷室内部的气体通道过程中温度降低，覆盖在熔池区域及近熔池区域不但能够有效隔绝空气，而且有助于降低温度已焊接焊缝的温度。
以上所述仅为本发明的较佳可行实施例，并非因此局限本发明的专利范围，故凡是运用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变化，均包含于本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种激光焊接钛合金正面无拖罩气体保护装置，其特征在于，包括冷却机构、保护气柔性定位导管、保护气喷头和安装固定机构；冷却机构包含水冷室和保护气冷却管，水冷室上设置进水口和出水口，保护气冷却管设有进气口和出气口，保护气冷却管置于水冷室中；保护气体柔性定位导管连接保护气冷却管，保护气喷头连接在保护气体柔性定位导管端部；冷却机构通过安装固定机构固定在激光焊机的焊接头上。
2.根据权利要求1所述的激光焊接钛合金正面无拖罩气体保护装置，其特征在于，保护气冷却管迂回排布在水冷室内部。
3.根据权利要求1所述的激光焊接钛合金正面无拖罩气体保护装置，其特征在于，保护气喷头采用圆柱形管，端口呈40°～60°的椭圆型截面。
4.根据权利要求1所述的激光焊接钛合金正面无拖罩气体保护装置，其特征在于，保护气体柔性定位导管采用活动关节塑料导管。
5.根据权利要求1所述的激光焊接钛合金正面无拖罩气体保护装置，其特征在于，保护气冷却管采用铜质冷却管。
6.根据权利要求1所述的激光焊接钛合金正面无拖罩气体保护装置，其特征在于，保护气体喷头材质为铜质。
7.根据权利要求1所述的激光焊接钛合金正面无拖罩气体保护装置，其特征在于，安装固定机构采用螺栓连接弓形卡箍的结构。
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