CN104475987A - 窄间隙激光焊接随动的焊缝保护方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种窄间隙激光焊接随动的焊缝保护方法和装置，其中，该方法包括：在焊接过程中，采用侧吹气的方式向焊接窄间隙内吹入保护气；采用吸气的方式，吸走焊接过程中产生的烟尘以及熔池上方包裹着的等离子气团。本发明能够将焊接烟尘移离焊槽，避免烟尘在焊槽侧壁聚集；并且，能够改善等离子体对激光的屏蔽作用，增加激光的吸收率，增加与焊材母材之间的润湿性，从而增加窄间隙激光焊接的稳定性，避免焊接缺陷，便于在工业实际生产中的应用推广。

Description

窄间隙激光焊接随动的焊缝保护方法和装置

技术领域

本发明涉及焊接技术领域，特别涉及一种窄间隙激光焊接随动的焊缝保护方法和装置。

背景技术

窄间隙激光焊接技术在保持了激光自熔焊的高质量、高精度、低变形等许多优点的同时，克服了其焊缝冶金过程难以控制、单道焊透晶粒粗大、应力集中、残余应力大的情况，是一种具有广阔应用前景的激光焊接新技术。近年来，国内外诸多学者开展了关于窄间隙激光焊接技术的相关研究，比如曼彻斯特大学的李林教授在实验室用1KW光纤单模激光器15道焊接26mm的钛合金，获得低残余应力、抗拉强度大于母材的焊接接头；日本学者用12KW光纤激光器8道双面焊接焊透45mm的不锈钢板；再者国内的一些科研院所也对窄间隙激光焊接做了大量的研究，总之，以上的这些成就仅限于实验室条件下的一些试验件，距离工程化应用还很远，究其主要原因为：一、焊接过程控制；二、精准的送丝；三、完善的焊缝保护方法，以上前两条可以将现有实验室的一些研究成果复制到工程应用中，但是完善的焊缝保护方法却因工程与实验室的不同而迟迟得不到推广，其主要原因为：

一、在窄间隙焊接中，一般焊接方法是把焊接保护气体通过导气管吹入焊接间隙中使得焊缝表面与外界空气形成局部的隔离，此方法对于一般弧焊热源均具有很好的效果。在厚板激光窄间隙焊接过程中，对焊缝的保护目前广泛采用的保护方法是同轴吹气、侧吹，但是由于焊缝超窄的特征，焊接过程中保护气很难送抵焊缝根部形成有效的吹扫作用，必须采用特殊的方法将气体送入，但是这样却无法将焊接烟尘移离焊槽，这也使得一般单一侧吹的保护方法很难直接复制到窄间隙激光焊接中。

二、在厚板激光窄间隙焊接过程中，需要做到单层多道焊接，传统侧吹或直吹最多只能使得焊接部位的焊接烟尘发生位移，但是也会有大部分回落到已经冷却的焊槽以及焊缝，接下来焊接无法对烟尘进行清扫，这样会导致不可修复的缺陷，因此多道焊接可能会导致更多的烟尘在焊槽侧壁聚集。

三、在激光深熔焊接过程中，由于小孔效应与等离子体之间的周期性作用，会导致焊接过程中吸收激光的周期性变化，同时导致激光可吸收功率的变化、焊缝宽窄的变化以及增加焊接不稳定性和焊接缺陷。

因此基于窄间隙激光焊接焊接过程的复杂性，关于焊缝保护方面的应用基础研究和相关基础数据还远不足以支持其在工业实际生产中的应用的推广。

发明内容

本发明实施例提供了一种窄间隙激光焊接随动的焊缝保护方法，便于在工业实际生产中的应用推广，该方法包括：

在焊接过程中，采用侧吹气的方式向焊接窄间隙内吹入保护气；

采用吸气的方式，吸走焊接过程中产生的烟尘以及撕开熔池上方包裹着的等离子气团。

在一个实施例中，所述吸气方向和侧吹气方向不同。

在一个实施例中，所述吸气方向和侧吹气方向垂直。

在一个实施例中，采用吸气的方式，吸走焊接过程中产生的烟尘以及撕开熔池上方包裹着的等离子气团，包括：

采用两个位置对称的吸气泵进行对称式吸气，吸走焊接过程中产生的烟尘以及撕开熔池上方包裹着的等离子气团。

在一个实施例中，采用吸气的方式，吸走焊接过程中产生的烟尘以及撕开熔池上方包裹着的等离子气团，包括：

采用吸气泵进行吸气，吸走焊接过程中产生的烟尘以及撕开熔池上方包裹着的等离子气团；所述吸气泵跟随所述焊接采用的激光头移动。

本发明实施例提供了一种窄间隙激光焊接随动的焊缝保护装置，便于在工业实际生产中的应用推广，该装置包括：

吹气管，用于在焊接过程中，采用侧吹气的方式向焊接窄间隙内吹入保护气；

吸气泵，用于采用吸气的方式，吸走焊接过程中产生的烟尘以及撕开熔池上方包裹着的等离子气团。

在一个实施例中，所述吸气方向和侧吹气方向不同。

在一个实施例中，所述吸气方向和侧吹气方向垂直。

在一个实施例中，所述吸气泵包括两个位置对称的吸气泵，所述两个位置对称的吸气泵用于：进行对称式吸气，吸走焊接过程中产生的烟尘以及撕开熔池上方包裹着的等离子气团。

在一个实施例中，所述吸气泵跟随所述焊接采用的激光头移动。

在一个实施例中，该装置还包括：

尾气微尘处理器，用于处理吸气泵吸走的在焊接过程中产生的烟尘。

在一个实施例中，所述吸气泵的吸气口至待焊接母材坡口的端面之间的距离设置为0.5毫米至5毫米。

在一个实施例中，所述吸气泵的吸气口与待焊接母材间的倾角设置为25°～75°。

在一个实施例中，所述吸气泵的吸气口下端至所述吹气管的吹气口上端距离设置为3毫米至5毫米。

在一个实施例中，所述吸气泵的吸气口下端与熔池顶端的距离为所述吸气泵的吸气口下端至所述吹气管的吹气口上端距离3倍至5倍。

在一个实施例中，所述吸气泵的吸气口下端至待焊接母材的距离设置为0.5毫米至1.5毫米。

在一个实施例中，所述吸气泵的吸气口为矩形，矩形两端为两个半圆，所述矩形的长与半圆的直径比为3:1至5:1。

本发明实施例中，在焊接过程中，采用侧吹气的方式向焊接窄间隙内吹入保护气；采用吸气的方式，吸走焊接过程中产生的烟尘以及撕开熔池上方包裹着的等离子气团，能够将焊接烟尘移离焊槽，避免烟尘在焊槽侧壁聚集；并且，能够改善等离子体对激光的屏蔽作用，增加激光的吸收率，增加与焊材母材之间的润湿性，从而增加窄间隙激光焊接的稳定性，避免焊接缺陷，便于在工业实际生产中的应用推广。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明的限定。在附图中：

图1是本发明实施例提供的窄间隙激光焊接吸气原理图；

图2是本发明实施例提供的窄间隙激光焊接装置主视图；

图3是本发明实施例提供的窄间隙激光焊接装置沿焊缝剖切面图；

图4是本发明实施例提供的窄间隙激光焊接装置中吸气口的截面示意图；

图5和图6是采用现有技术中的窄间隙激光焊接方法获得的焊缝截面图；

图7是本发明实施例提供的焊接方法获得的焊缝截面图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施方式和附图，对本发明做进一步详细说明。在此，本发明的示意性实施方式及其说明用于解释本发明，但并不作为对本发明的限定。

发明人发现，在现有技术中实施窄间隙激光焊接时，由于焊缝超窄的特征，焊接过程中产生的烟尘会聚集在焊槽侧壁；喷发的等离子气团会强烈的吸收激光能量，限制激光能量进入焊接部位，从而对激光能量起屏蔽作用，两者作用下使得焊接深度不会太大，且不易获得良好的焊缝。而如果在焊接过程中，采用侧吹气的方式向焊接窄间隙内吹入保护气；并且采用吸气的方式，吸走焊接过程中产生的烟尘以及撕开熔池上方包裹着的等离子气团，就能够解决现有技术的上述问题。基于此，在本发明实施例中提出一种窄间隙激光焊接随动的焊缝保护方法，该方法包括：

在焊接过程中，采用侧吹气的方式向焊接窄间隙内吹入保护气；

采用吸气的方式，吸走焊接过程中产生的烟尘以及撕开熔池上方包裹着的等离子气团。

图1为本发明实施例提供的窄间隙激光焊接吸气原理图。如图1所示，具体实施时，在焊接过程中，存在通过侧吹气的方式吹入焊接窄间隙内的保护气(可采用惰性气体He、Ar中的一种或者两种结合，或采用CO₂、N₂等)，和焊接过程中产生的焊接烟尘以及熔池上方包裹着的等离子气团，在外部侧吹气力F_外1和两侧吸气力F_吸1与F_吸2的共同作用下，可以形成局部的压力差，对焊槽中的流体可以产生从下到上的“推-拉”效应，这种“推-拉”效应由图1中所示的曲线箭头方向表示。在这种“推-拉”作用下，有助于吸走焊接过程中产生的烟尘以及撕开熔池上方包裹着的等离子气团，使得焊接烟尘移离焊槽，避免烟尘在焊槽侧壁聚集；并且，能够改善等离子体对激光的屏蔽作用，增加激光的吸收率，增加与焊材母材之间的润湿性，从而增加窄间隙激光焊接的稳定性，避免焊接缺陷，便于在工业实际生产中的应用推广。

为了有助于吸走焊接过程中产生的烟尘以及撕开熔池上方包裹着的等离子气团，同时，避免将吹入的保护气吸走，使得保护气更易于铺展，吸气方向和侧吹气方向可以不同，即吸气和侧吹气在高度方向可以错位。举例来说，吸气方向和侧吹气方向可以垂直，或吸气方向和侧吹气方向可以成一定的角度。

具体实施时，采用吸气的方式吸走焊接过程中产生的烟尘以及撕开熔池上方包裹着的等离子气团可以有多种方式，例如，可以采用两个位置对称的吸气泵进行对称式吸气，吸走焊接过程中产生的烟尘以及撕开熔池上方包裹着的等离子气团；又如，采用吸气泵进行吸气时，吸气泵可以跟随焊接采用的激光头移动(吸气泵的吸气口与激光空间位置保持不变)，也就是说，在焊接过程中，侧吹气方向、焊接方向和激光方向在同一平面内，而吸气方向在与之垂直的平面内。采用该种方式可以进一步改善吸气效果。

基于同一发明构思，本发明实施例中还提供了一种窄间隙激光焊接随动的焊缝保护装置，如下面的实施例所述。由于该装置解决问题的原理与窄间隙激光焊接随动的焊缝保护方法相似，因此该装置的实施可以参见窄间隙激光焊接随动的焊缝保护方法的实施，重复之处不再赘述。

图2为本发明实施例中窄间隙激光焊接随动的焊缝保护装置的主视图。如图2所示，该装置包括：

吹气管，用于在焊接过程中，采用侧吹气的方式向焊接窄间隙内吹入保护气；

吸气泵，用于采用吸气的方式，吸走焊接过程中产生的烟尘以及撕开熔池上方包裹着的等离子气团。

具体实施时，在焊接过程中，吹气管可以采用侧吹气的方式向焊接窄间隙内吹入保护气；吸气泵采用吸气的方式，吸走焊接过程中产生的烟尘以及撕开熔池上方包裹着的等离子气团，使得焊接烟尘移离焊槽，避免烟尘在焊槽侧壁聚集；并且，能够改善等离子体对激光的屏蔽作用，增加激光的吸收率，增加与焊材母材之间的润湿性，从而增加窄间隙激光焊接的稳定性，避免焊接缺陷，便于在工业实际生产中的应用推广。

图3为本发明实施例中窄间隙激光焊接随动的焊缝保护装置的沿焊缝剖切面图。如图3所示，为了有助于吸走焊接过程中产生的烟尘以及撕开熔池上方包裹着的等离子气团，同时，避免将吹入的保护气吸走，使得保护气更易于铺展，吸气方向和侧吹气方向可以不同，即吹气管的吹气口12和吸气泵的吸气口1、6可以在不同的高度方向。举例来说，吹气管的吹气口12和吸气泵的吸气口1、6可以垂直，也就是吸气泵的吸气口1、6在垂直于焊接方向的中心线组成的面(吸气方向面)，与吹气管的吹气口12的中心线组成的面(侧吹气方向面)可以垂直；或吹气管的吹气口12和吸气泵的吸气口1、6可以成一定的角度。

如图2所示，具体实施时，吸气泵可以包括两个位置对称的吸气泵，其中，两个位置对称的吸气泵的吸气口1、6进行对称式吸气，吸走焊接过程中产生的烟尘以及撕开熔池上方包裹着的等离子气团，使得焊缝中产生的焊接烟尘沿着两侧的焊槽壁爬升，相比单侧吸气，本发明的两侧对称吸气方式，使得吸气更均衡，吸气效果更明显。

因为大多数现有的焊接烟尘吸收装置只能针对一个焊接点进行烟尘吸收，如果在焊接过程中移动焊接点，焊接烟尘吸收装置就不能对移动后的焊接点进行烟尘吸收。而如果在焊接过程中，采用吸气泵跟随焊接采用的激光头移动，就能够解决现有技术的上述问题。基于此，本发明装置中的吸气泵可以跟随焊接采用的激光头移动，保证在移动焊接点后也可以对移动后的焊接点进行烟尘的吸收。而为了保证吸气泵跟随所述焊接采用的激光头移动，可以使用装配夹具将吸气泵挂载在激光头底座上，保持刚性固定；或者也可以将吸气泵直接焊接在激光头底座上，以此来保持吸气泵的吸气口与激光空间位置不变。

如图2所示，为了处理被吸气泵吸走的焊接过程中产生的烟尘，在具体实施时该装置还可以包括：对称的尾气微尘处理器9、16，其连接在吸气泵上，用于处理吸气泵吸走的在焊接过程中产生的烟尘。采用尾气微尘处理器只是处理烟尘的其中一种方式，还可以将被吸气泵吸走的焊接过程中产生的烟尘直接排出到大气中，或者将吸气泵连接到蓄水池当中。

为了避免激光与吸气口的相互干扰，影响形成的焊缝质量，在具体实施时，将吸气泵的吸气口至待焊接母材坡口的端面之间的距离设置为0.5毫米至5毫米。

为了满足焊接工艺需求，使得吸气泵具有焊接工艺需求的吸力，需设置吸气泵的吸气口的截面具有一定的尺寸。具体的，吸气泵的吸气口可以为矩形，矩形两端为两个半圆，如图4所示，其中17为半圆的直径，18为矩形吸气口的长度，其矩形的长和半圆的直径比约为3:1至5:1。设置成矩形只是其中一种方式，还可以将吸气口做成各种形状，比如圆口、扁口、喇叭口等。具体吸力需求可以通过所焊材料特性以及图2中的一些参数来近似计算出，具体参数及其可选范围见表1。

表1参数及其可选范围

在表1和图2所述的参数中，10为吸气泵的吸气口与待焊接母材之间的倾角，设置为25°～75°；13为熔池顶端到吸气口之间的距离，此距离之间布置有吹气口；14为吸气口下端至吹气口上端距离，该距离是吹气口的位置到熔池顶端的3-5倍，设置此距离目的是为了更好的撕开熔池上方包裹着的等离子气团，而使保护气能更好的铺展；15为吸气口下端与待焊接母材之间的距离，该距离设置约为0.5毫米至1.5毫米，保持基本的贴面侧吸方式，设置此距离目的是为了确保吸气能够及时准确，使得焊接动态过程得到很好的保护，该距离具体表现为使得吸气泵的吸气口贴着待焊接母材面移动。

在焊接过程中，将本发明装置的吸气口挂载在激光头底座上，并保持刚性固定。以窄间隙激光焊20mm的Q235厚板，焊丝采用φ1.0mm的H08Mn2SiA焊丝为例，分别采用本发明实施例提供的焊接方法和现有技术中的窄间隙激光焊接方法，来阐述本发明方法和装置的优点。采用的工艺为：前置焊丝，焊丝与试板夹角30度，激光零焦，光丝间距1-5mm；伸出长度为15mm；设置参数a＝f＝0.86L/min；p＝5(6°的“V”型坡口)；d＝0.5；g＝10mm；h＝20mm；j＝60°；m＝15mm；0＝0.5；q＝50；q＝200。分别对焊后的焊缝进行金相分析，图5、图6所示为采用现有技术中的窄间隙激光焊接方法得到的焊接接头(即焊缝)形貌，其中，焊缝中含有很多的气孔；图7所示为采用本发明方法得到的焊接接头形貌，通过对比可以看出，采用本发明方法比现有技术中的窄间隙激光焊接方法得到的焊接接头形貌(即焊缝)要好很多。

综上所述，本发明实施例的窄间隙激光焊接随动焊缝方法和装置，在焊接过程中，采用侧吹气的方式向焊接窄间隙内吹入保护气；采用吸气的方式，吸走焊接过程中产生的烟尘以及撕开熔池上方包裹着的等离子气团，能够将焊接烟尘移离焊槽，避免烟尘在焊槽侧壁聚集；并且，能够改善等离子体对激光的屏蔽作用，增加激光的吸收率，增加与焊材母材之间的润湿性，从而增加窄间隙激光焊接的稳定性，避免焊接缺陷，便于在工业实际生产中的应用推广。同样的吸气方法也可以推衍到其他窄间隙焊接中。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明实施例可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (17)

1.一种窄间隙激光焊接随动的焊缝保护方法，其特征在于，该方法包括：

在焊接过程中，采用侧吹气的方式向焊接窄间隙内吹入保护气；

采用吸气的方式，吸走焊接过程中产生的烟尘以及熔池上方包裹着的等离子气团。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述吸气方向和侧吹气方向不同。

3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述吸气方向和侧吹气方向垂直。

4.如权利要求1至3任一项所述的方法，其特征在于，采用吸气的方式，吸走焊接过程中产生的烟尘以及熔池上方包裹着的等离子气团，包括：

采用两个位置对称的吸气泵进行对称式吸气，吸走焊接过程中产生的烟尘以及熔池上方包裹着的等离子气团。

5.如权利要求1至3任一项所述的方法，其特征在于，采用吸气的方式，吸走焊接过程中产生的烟尘以及熔池上方包裹着的等离子气团，包括：

采用吸气泵进行吸气，吸走焊接过程中产生的烟尘以及熔池上方包裹着的等离子气团；所述吸气泵跟随所述焊接采用的激光头移动。

6.一种窄间隙激光焊接随动的焊缝保护装置，其特征在于，该装置包括：

吹气管，用于在焊接过程中，采用侧吹气的方式向焊接窄间隙内吹入保护气；

吸气泵，用于采用吸气的方式，吸走焊接过程中产生的烟尘以及熔池上方包裹着的等离子气团。

7.如权利要求6所述的装置，其特征在于，所述吸气方向和侧吹气方向不同。

8.如权利要求7所述的装置，其特征在于，所述吸气方向和侧吹气方向垂直。

9.如权利要求6至8任一项所述的装置，其特征在于，所述吸气泵包括两个位置对称的吸气泵，所述两个位置对称的吸气泵用于：进行对称式吸气，吸走焊接过程中产生的烟尘以及熔池上方包裹着的等离子气团。

10.如权利要求6至8任一项所述的装置，其特征在于，所述吸气泵跟随所述焊接采用的激光头移动。

11.如权利要求6所述的装置，其特征在于，该装置还包括：

尾气微尘处理器，用于处理吸气泵吸走的在焊接过程中产生的烟尘。

12.如权利要求6所述的装置，其特征在于，所述吸气泵的吸气口至待焊接母材坡口的端面之间的距离设置为0.5毫米至5毫米。

13.如权利要求6所述的装置，其特征在于，所述吸气泵的吸气口与待焊接母材之间的倾角设置为25°～75°。

14.如权利要求6所述的装置，其特征在于，所述吸气泵的吸气口下端至所述吹气管的吹气口上端距离设置为3毫米至5毫米。

15.如权利要求13所述的装置，其特征在于，所述吸气泵的吸气口下端与熔池顶端的距离为所述吸气泵的吸气口下端至所述吹气管的吹气口上端距离3倍至5倍。

16.如权利要求6所述的装置，其特征在于，所述吸气泵的吸气口下端至待焊接母材的距离设置为0.5毫米至1.5毫米。

17.如权利要求6所述的装置，其特征在于，所述吸气泵的吸气口为矩形，矩形两端为两个半圆，所述矩形的长与半圆的直径比为3:1至5:1。