CN105458504B - 一种用于在管状样品中密封高压气体的装置及工艺 - Google Patents

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Abstract

本发明属于气体密封技术领域，公开了一种用于在管状样品中密封高压气体的装置及工艺。该装置包括真空系统、旋转焊接系统、高压焊接室系统、激光系统、成像及照明系统、冷却系统、充排气系统及计算机控制系统，其中真空系统与高压焊接室系统连接并对其抽真空，激光系统通过激光传输管与高压焊接室系统连接，成像及照明系统位于高压焊接室系统内部上方；冷却系统通过管道与激光器连接，用于冷却激光器。该装置及工艺具有能够高效地使高压气体密封在管状样品中且可靠性和安全性高的优点。

Description

一种用于在管状样品中密封高压气体的装置及工艺
技术领域
本发明属于气体密封技术领域，具体涉及一种用于在管状样品中密封高压气体的装置及工艺。
背景技术
在管状样品中密封气体的方法主要有两种：电弧焊和激光焊。电弧焊主要用于在管状样品内密封5Mpa压力以下的气体，高压情况下(＞5Mpa)存在引弧困难，电弧稳定性差等问题。同样，高压情况下(＞5Mpa)，激光焊接会造成透光结构局部温度突然升高，在焊接室内部高压气体作用下使得透光结构破裂。
目前，国内尚未见到相关设备能在管状样品中密封高压气体，本申请中所述的管状样品是指外径为6～9mm，长度为60-100mm的管道。在密封气体前需要将上端塞和下端塞与管状样品密封焊接在一起，其中上端塞上设置有能够使气体进入管状样品的通孔，待一定压力的气体进入管状样品后再将该通孔密封处理。
发明内容
(一)发明目的
根据现有技术所存在的问题，本发明提供了一种能够高效地使高压气体密封在管状样品中且可靠性和安全性高的装置及工艺。
(二)技术方案
为了解决现有技术所存在的问题，本发明提供的技术方案如下：
一种用于在管状样品中密封高压气体的装置，该装置包括真空系统、旋转焊接系统、高压焊接室系统、激光系统、成像及照明系统、冷却系统、充排气系统及计算机控制系统，其中真空系统与高压焊接室系统连接并对其抽真空，激光系统通过激光传输管与高压焊接室系统连接，成像及照明系统位于高压焊接室系统内部上方；冷却系统通过管道与激光系统的激光器连接，用于冷却激光器；
所述旋转焊接系统包括电机、三爪卡盘及气源，旋转焊接系统与激光系统通过管道连接，利用激光系统分别将上端塞和下端塞与管状样品的上端和下端密封焊接；其中三爪卡盘用于夹紧已组装好端塞的管状样品，三爪卡盘及管状样品在电机的带动下旋转，利用激光束能量对焊缝进行焊接；气源为惰性气体，气源出口位置可调并与焊缝位置对应。
所述高压焊接室系统包括上腔室、下腔室、透光玻璃及保护玻璃，其中下腔室内设置有定位套，管状样品放置于该定位套内，上腔室和下腔室之间密封连接；透光玻璃和保护玻璃均设置于上腔室的上方，其中保护玻璃置于透光玻璃之下，激光系统传输的激光束穿过透光玻璃、保护玻璃、上腔室对下腔室内的管状样品上端的上端塞通孔进行焊接；
所述充气系统与高压焊接室系统连接并为其提供待密封高压气体；
所述计算机控制系统控制激光系统、旋转焊接系统。
优选地，所述高压焊接室系统的顶部还包括外防护罩，所述高压焊接室系统的两侧还设置有上压板。
优选地，所述定位套的材质为不锈钢，其为中空圆柱体形状，且内径大于管状样品管外径0.3～0.5mm。
优选地，上腔室和下腔室之间是通过密封O圈密封连接的。
优选地，透光玻璃为表面涂有MgF涂料的石英玻璃，厚度为20mm；所述保护玻璃为厚度为1mm的石英玻璃。
优选地，所述高压焊接室系统还设置有超压保护机构。
优选地，所述照明及成像系统位于高压焊接室系统上方，激光焊接时用于激光对管状样品上端塞的焊缝进行定位。
优选地，所述气源为氩气，利用激光系统分别将上端塞和下端塞与管状样品的上端和下端密封焊接过程中向焊缝表面吹入氩气。
利用上述装置对管状样品中密封高压气体的工艺，该工艺包括以下步骤：
1)将组装好上端塞和下端塞的管状样品置于旋转焊接系统内，利用计算机控制系统设置激光能量为5～7J，转速为12～16r/min，完成上端塞、下端塞与管状样品之间的环形密封焊接；并且在焊接过程中将氩气吹向焊缝表面；
2)将高压焊接室的上腔室打开并将焊接好的样品装入高压焊接室的下腔室内的定位套中；
3)通过手动或计算机控制系统调整激光器焦距，使得焊接表面离焦量为正离焦8-10mm，再将上腔室和下腔室密封连接；
4)打开真空系统，对高压焊接室系统的上腔室、下腔室及管状样品抽真空，然后打开充气系统的充气阀对高压焊接室系统进行气体置换；
5)向上腔室、下腔室及管状样品内充入待密封高压气体，待气体压力稳定至所需压力后关闭充气系统的充气阀；
6)通过计算机控制系统控制激光系统对样品进行密封焊接，具体操作条件是：调整激光能量为65～75J，利用照明及成像系统对管状样品上端塞进行定位，且调整激光单脉冲持续时间为12毫秒，共5个脉冲。
优选地，所述步骤(1)中激光能量为6J，转速为15r/min。
优选地，步骤(3)中离焦量为正离焦9.3mm。
优选地，步骤(6)中激光能量为70J。
(三)有益效果
采用本发明提供的用于在管状样品中密封高压气体的装置及方法，用于对外径为6～9mm，长度为60-100mm的管道进行气体密封后进行焊接，具有焊接密封性好且能保证设备及操作人员安全的有益效果。本申请是在管状小样品内密封高压气体，需将样品置于充满一定压力气体的装置中进行焊接，同时为避免造成气体浪费，该装置容积相对要小，同时须能承受较高的压力。
本申请在高压焊接室内的上、下腔室内对管状样品密封气体并焊接，腔室的体积较小，降低了抽真空难度且无需向腔室内充入过多待密封气体。同时本申请通过在高压焊接室透光窗口设置了保护玻璃及透光玻璃，既能保证激光的传输效率，又可以满足焊接时局部温升造成的特殊强度要求。另外，高压焊接系统还设置有超压保护功能，当焊接室内部压力超过设定值时，泄压阀启动，保证设备及操作人员的安全。
本申请还提供了照明及成像系统，利用照明及成像系统对管状样品上端塞进行定位，便于上端塞通孔的顺利焊接。总之，本申请提供的装置及其方法可实现点焊、旋转(缝)焊、密封焊，并且各部件均形成模块化，易于拆卸和日常维护。
附图说明
图1是本申请提供的管状样品激光焊接设备的主视图；其中13是照明及成像系统；
图2是是本申请提供的管状样品激光焊接设备的俯视图；1是真空系统；2是氩气气源；3是充气系统；4是操控台；5是计算机系统；6是真空泵阀门；7是排气阀；8是充气阀；9是高压焊接室系统；10是冷却系统；11是旋转焊接系统；12是激光系统；
图3是高压焊接室结构示意图，其中底板14、下腔室15、定位套16、O型密封圈17、上腔室18、O型密封圈19、上防护罩20、上压板21、透光玻璃22、保护玻璃23；
图4是管状样品的结构示意图；其中24是上端塞；25是管状样品管管腔；26是下端塞。
具体实施方式
下面将结合具体实施方式和说明书附图对本发明作进一步阐述。
实施例1
一种用于在管状样品中密封高压气体的装置，如图1～图4所示，该装置包括真空系统1、旋转焊接系统11、高压焊接室系统9、激光系统12、成像及照明系统13、冷却系统10、充排气系统3及计算机控制系统5，其中真空系统1与高压焊接室系统9连接并对其抽真空，激光系统12通过激光传输管与高压焊接室系统9连接，成像及照明系统13位于高压焊接室系统9内部上方；冷却系统10通过管道与激光系统的激光器连接，用于冷却激光器；
所述旋转焊接系统11包括电机、三爪卡盘及氩气气源2，旋转焊接系统11与激光系统12通过管道连接，利用激光系统12分别将上端塞和下端塞与管状样品的上端和下端密封焊接；其中三爪卡盘用于夹紧已组装好端塞的管状样品，三爪卡盘及管状样品在电机的带动下旋转，利用激光束能量对焊缝进行焊接。利用激光系统分别将上端塞和下端塞与管状样品的上端和下端密封焊接过程中向焊缝表面吹入氩气。
所述高压焊接室系统9包括上腔室18、下腔室15、透光玻璃22及保护玻璃23，上腔室18和下腔室15之间是通过密封O圈密封连接的。其中下腔室15内设置有定位套16，管状样品放置于该定位套16内，上腔室18和下腔室15之间密封连接；透光玻璃22和保护玻璃23均设置于上腔室18的上方，其中保护玻璃23置于透光玻璃22之下，激光系统12传输的激光束穿过透光玻璃22、保护玻璃23、上腔室18对下腔室15内的管状样品上端的上端塞通孔进行焊接；所述高压焊接室系统9的顶部还包括外防护罩20，所述高压焊接室系统9的两侧还设置有上压板21。所述定位套16的材质为不锈钢，其为中空圆柱体形状，且内径大于管状样品管外径0.3mm。透光玻璃22为表面涂有MgF涂料的石英玻璃，厚度为20mm；所述保护玻璃23为厚度为1mm的石英玻璃。所述高压焊接室系统9还设置有超压保护机构。所述照明及成像系统13位于高压焊接室系统9的上方，激光焊接时用于激光对管状样品上端塞的焊缝进行定位。
所述充气系统3与高压焊接室系统9连接并为其提供待密封高压气体；
所述计算机控制系统5控制激光系统12、旋转焊接系统11。
利用上述装置对管状样品中密封高压气体的工艺，该工艺包括以下步骤：
1)将组装好上端塞和下端塞的管状样品置于旋转焊接系统内，利用计算机控制系统设置激光能量为5～7J，转速为12～16r/min，完成上端塞、下端塞与管状样品之间的环形密封焊接；并且在焊接过程中将氩气吹向焊缝表面；
2)将高压焊接室的上腔室打开并将焊接好的样品装入高压焊接室的下腔室内的定位套中；
3)通过手动或计算机控制系统调整激光器焦距，使得焊接表面离焦量为正离焦9.3mm，再将上腔室和下腔室密封连接；
4)打开真空系统，对高压焊接室系统的上腔室、下腔室及管状样品抽真空，然后打开充气系统的充气阀对高压焊接室系统进行气体置换；
5)向上腔室、下腔室及管状样品内充入待密封高压气体，待气体压力稳定至所需压力后关闭充气系统的充气阀；
6)通过计算机控制系统控制激光系统对样品进行密封焊接，具体操作条件是：调整激光能量为65～75J，利用照明及成像系统对管状样品上端塞进行定位，且调整激光单脉冲持续时间为12毫秒，共5个脉冲。
实施例2
与实施例1不同的是，对管状样品中密封高压气体的工艺所用的步骤(1)中激光能量为6J，转速为15r/min；焊接表面离焦量为正离焦10mm；所述定位套的内径大于管状样品管外径0.5mm。
实施例3
与实施例1不同的是，对管状样品中密封高压气体的工艺所用的步骤(5)中激光能量为70J；焊接表面离焦量为正离焦8mm。

Claims (13)

1.一种用于在管状样品中密封高压气体的装置，其特征在于，该装置包括真空系统、旋转焊接系统、高压焊接室系统、激光系统、成像及照明系统、冷却系统、充排气系统及计算机控制系统，其中真空系统与高压焊接室系统连接并对其抽真空，激光系统通过激光传输管与高压焊接室系统连接，成像及照明系统位于高压焊接室系统内部上方；冷却系统通过管道与激光系统的激光器连接，用于冷却激光器；
所述旋转焊接系统包括电机、三爪卡盘及气源，旋转焊接系统与激光系统通过管道连接，利用激光系统将上端塞和下端塞分别与管状样品的上端和下端密封焊接；其中三爪卡盘用于夹紧组装好上端塞和下端塞的管状样品，三爪卡盘及管状样品在电机的带动下旋转，利用激光束能量对焊缝进行焊接；气源为惰性气体，气源出口位置可调并与焊缝位置对应；
所述高压焊接室系统包括上腔室、下腔室、透光玻璃及保护玻璃，其中下腔室内设置有定位套，管状样品放置于该定位套内，上腔室和下腔室之间密封连接；透光玻璃和保护玻璃均设置于上腔室的上方，其中保护玻璃置于透光玻璃之下，激光系统传输的激光束穿过透光玻璃、保护玻璃、上腔室对下腔室内的管状样品的上端塞通孔进行焊接；
所述充排气系统与高压焊接室系统连接并为其提供待密封的气体；
所述计算机控制系统控制激光系统与旋转焊接系统。
2.根据权利要求1所述的一种用于在管状样品中密封高压气体的装置，其特征在于，所述高压焊接室系统的顶部还包括外防护罩；所述高压焊接室系统的两侧还设置有上压板。
3.根据权利要求1所述的一种用于在管状样品中密封高压气体的装置，其特征在于，所述定位套的材质为不锈钢，其为中空圆柱体形状，且内径大于管状样品管外径0.3～0.5mm。
4.根据权利要求1所述的一种用于在管状样品中密封高压气体的装置，其特征在于，上腔室和下腔室之间是通过密封O圈和螺栓连接的。
5.根据权利要求1所述的一种用于在管状样品中密封高压气体的装置，其特征在于，透光玻璃为表面涂有MgF涂料的石英玻璃，石英玻璃的厚度为20mm；所述保护玻璃为厚度为1mm的石英玻璃。
6.根据权利要求1所述的一种用于在管状样品中密封高压气体的装置，其特征在于，所述高压焊接室系统内还设置有超压保护机构。
7.根据权利要求1所述的一种用于在管状样品中密封高压气体的装置，其特征在于，所述成像及照明系统位于高压焊接室系统上方，便于对管状样品上端塞的焊缝进行定位。
8.根据权利要求1所述的一种用于在管状样品中密封高压气体的装置，其特征在于，所述气源为氩气，在旋转焊接系统对组装好的上端塞、下端塞分别与管状样品的上端和下端密封焊接的过程中向焊缝表面吹入氩气。
9.根据权利要求1所述的一种用于在管状样品中密封高压气体的装置，其特征在于，所述高压焊接室系统中还包括泄压阀。
10.利用权利要求1～9任意一项所述的装置对管状样品中密封高压气体的工艺，其特征在于，该工艺包括以下步骤：
1)将组装好上端塞和下端塞的管状样品置于旋转焊接系统内，利用计算机控制系统设置激光能量为5～7J，转速为12～16r/min，完成上端塞、下端塞与管状样品之间的环形密封焊接；并且在焊接过程中将氩气吹向焊缝表面；
2)将高压焊接室的上腔室打开并将焊接好的样品装入高压焊接室的下腔室内的定位套中；
3)通过手动或计算机控制系统调整激光器焦距，使得焊接表面离焦量为正离焦8-10mm，再将上腔室和下腔室密封连接；
4)打开真空系统，对高压焊接室系统的上腔室、下腔室及管状样品抽真空，然后打开充排气系统的充气阀对高压焊接室系统进行气体置换；
5)向上腔室、下腔室及管状样品内充入待密封高压气体，待气体压力稳定至所需压力后关闭充排气系统的充气阀；
6)通过计算机控制系统控制激光系统对样品进行密封焊接，具体操作条件是：调整激光能量为65～75J，利用成像及照明系统对管状样品上端塞进行定位，且调整激光单脉冲持续时间为12毫秒，共5个脉冲。
11.根据权利要求10所述的对管状样品中密封高压气体的工艺，其特征在于，所述步骤(1)中激光能量为6J，转速为15r/min。
12.根据权利要求10所述的对管状样品中密封高压气体的工艺，其特征在于，步骤(3)中离焦量为正离焦9.3mm。
13.根据权利要求10所述的对管状样品中密封高压气体的工艺，其特征在于，步骤(6)中激光能量为70J。
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