CN108067736B - 一种窄间隙激光-电弧复合焊接气体保护装置及调节方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种窄间隙激光‑电弧复合焊接气体保护装置及调节方法，该装置包括主喷嘴组件与后置辅助气扁喷嘴组件；主喷嘴组件包括主喷嘴外筒与主喷嘴内筒；主喷嘴外筒采用子弹头形喷嘴结构，前端为具有平滑收敛曲线的圆锥形；后置辅助气扁喷嘴组件包括导气管快插、夹持块、辅助气连接杆和后置辅助气扁喷嘴。调节时，通过旋转主喷嘴内筒可使其沿焊枪轴线方向上下移动，松开夹持块可调节后置辅助气扁喷嘴沿平行于焊枪轴线的方向上下移动，最终实现在多层焊接过程中主喷嘴到工件表面高度，以及后置辅助气扁喷嘴到坡口底部距离的可伸缩调节。本发明结构紧凑、调节方便、可靠性高，可明显提高复合焊接调节效率，满足大厚度材料的高质量焊接。

Description

一种窄间隙激光-电弧复合焊接气体保护装置及调节方法

技术领域

本发明属于焊接技术领域，涉及一种窄间隙激光-电弧复合焊接吹气装置，更具体是涉及一种用于窄间隙激光-电弧复合焊接的气体保护装置及调节方法。

背景技术

窄间隙焊接通常是指将厚度30mm以上的钢板，按小于板厚的间隙相对放置开坡口，再进行机械化或自动化弧焊的方法(板厚小于200mm时，间隙小于20mm；板厚超过200mm时，间隙小于30mm)。现有单纯电弧焊窄间隙焊接中采用的间隙大多在8-20mm，甚至更宽，焊接速度通常为0.2-0.3m/min。这种窄间隙焊接技术，虽然设备简单，成本较低，但由于焊接速度过低、焊接线能量仍然较大，因此在焊接变形量和焊接区域的组织性能上有待进一步改善。窄间隙激光-电弧复合焊接用于大厚度材料连接，是一种高效率、高质量、低成本的焊接技术。与窄间隙电弧焊接相比，具有如下优点：焊接速度更快、熔化深度更大、工艺稳定性更好，并且由于晶粒组织更为细化且热影响区更小，导致力学性能更加优越。在窄间隙电弧焊接的气体保护中，常采用扁形伸入式喷嘴机构。这种喷嘴呈扁矩形方管状，长/宽比较高、体积较大，只适用于单独电弧焊接。激光-电弧复合焊接由于激光的加入，气体保护装置及调节方法均需要重新设计。

申请号为201410085830.9、名称为“一种适用于大厚板窄间隙的激光电弧复合焊枪”的专利技术，将扁矩形方管状喷嘴与激光焊接头结合，用于窄间隙激光-电弧复合焊接。该装置为伸入式喷嘴机构，由于喷嘴装置体积较大，因此激光-电弧之间热源间距的可调节范围有限，对工艺参数优化具有一定影响。另外，坡口宽度最低只能压缩至11mm，焊接效率有待进一步提高。

申请号为201310501123.9、名称为“窄间隙焊接用可伸缩喷嘴装置及其调节方法”的专利技术，采用了一种螺纹带动的可伸缩喷嘴装置，用于旋转电弧窄间隙焊接。该装置为外置式喷嘴机构，不伸入坡口内部，喷嘴下端距工件上表面的距离为1-5mm，可调节高度有限。其次，喷嘴伸缩部分为柱状圆筒，不适用于窄间隙激光-电弧复合焊接，否则柱状喷嘴靠近工件表面一端会被激光烧熔、损坏。最后，该专利技术阐明，考虑到从喷嘴出气口喷出的保护气体，其层流长度范围有限(通常最大为35-40mm)，因此该装置适用的最大坡口深度为30mm。从可焊厚度而言，该装置还有待进一步完善。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术存在的不足，提供一种适用于窄间隙激光-电弧复合焊接、结构紧凑、调节方便、可焊厚度范围大、可靠性高的气体保护装置及调节方法，以提高窄间隙激光-电弧复合焊接的焊接效率、焊缝成形及接头质量。

为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

本发明提供的一种窄间隙激光-电弧复合焊接气体保护装置，其特征在于，该装置包括主喷嘴组件与后置辅助气扁喷嘴组件两大部分；所述主喷嘴组件包括主喷嘴外筒与主喷嘴内筒；主喷嘴外筒采用子弹头形喷嘴结构，前端为具有平滑收敛曲线的圆锥形；所述后置辅助气扁喷嘴组件包括导气管快插、夹持块、辅助气连接杆和后置辅助气扁喷嘴；

该装置工作时，主喷嘴外筒向上连接焊枪前端、向下连接主喷嘴内筒，主喷嘴内筒能够旋转任意角度而不改变保护气流的对称性，并实现保护气体的层流效果及对熔池、导电嘴的良好保护；辅助气连接杆向上连接导气管快插、向下连接后置辅助气扁喷嘴，夹持块通过固定焊枪及辅助气连接杆，确保焊枪、夹持块和辅助气连接杆之间不产生相对位移；主喷嘴外筒不发生位移，通过旋转主喷嘴内筒达到沿焊丝轴向伸缩的效果；将装有后置辅助气扁喷嘴的辅助气连接杆沿平行焊丝末端的方向移动达到沿焊丝轴向伸缩的效果；保护气体分为两路，分别通过焊枪以及连接导气管快插的专用气体管路流向焊接熔池。

上述窄间隙激光-电弧复合焊接气体保护装置的调节方法，其特征是包括以下步骤：

第1步当坡口底部或焊缝表面距工件上表面的距离t>30mm时，加装后置辅助气扁喷嘴组件；

第2步旋转主喷嘴内筒且主喷嘴外筒不发生位移，同时将辅助气连接杆沿平行焊丝末端的方向移动，对主喷嘴组件和后置辅助气扁喷嘴组件分别进行粗调，将焊枪沿z轴方向调节至焊接高度；

第3步精调主喷嘴内筒及辅助气连接杆，使主喷嘴组件和后置辅助气扁喷嘴组件分别高出工件上表面及坡口底部或焊缝表面2-5mm；

第4步在窄间隙坡口内，每焊完一道焊缝，根据下一道焊接时焊枪所需高度，调节主喷嘴内筒及辅助气连接杆，使下一道焊接时主喷嘴组件和后置辅助气扁喷嘴组件分别高出工件上表面及焊缝表面2-5mm，直至焊接完成。

本发明与现有技术相比，其先进性和优点如下：

(1)与传统固定长度喷嘴相比，本发明的主喷嘴组件具有沿焊丝轴向伸缩的功能，能随坡口深度变化做出相应调整，从而确保焊接熔池和焊丝导电嘴获得最好的保护及冷却效果。

(2)与具有扁形出气口的其它窄间隙喷嘴相比，本发明的主喷嘴组件采用子弹头形喷嘴结构，前端为具有平滑收敛曲线的圆锥形，不仅确保了保护气体的层流效果及对熔池、导电嘴的良好保护，还能够保证主喷嘴内筒旋转任意角度而不改变保护气流的对称性，因而实现了针对任意填充高度的精密调节。

(3)本发明的后置辅助气扁喷嘴组件能够伸入坡口内部。当坡口底部或焊缝表面距工件上表面的距离t>30mm时，加装该结构能够辅助置于坡口外部的主喷嘴组件，使得窄间隙激光-电弧复合焊可焊厚度提升至30mm以上，并确保获得焊缝成形及质量优良的焊接接头。

(4)本发明的主喷嘴和后置辅助气喷嘴组件分别采用子弹头形结构和扁喷嘴结构，喷嘴组件体积更小，可适用于更窄宽度坡口，最窄坡口可压缩至6mm，减少了焊接材料消耗，提升了厚板焊接效率。

附图说明

图1为本发明的窄间隙激光-电弧复合焊接用保护气置整体结构示意图。

图2为图1中主喷嘴内筒3的结构示意图。

图3为图1中夹持块7的结构示意图。

图4为图1中后置辅助气扁喷嘴9的结构示意图。

图5为当坡口底部或焊缝表面距工件上表面的距离t>30mm时，气体保护装置的调节方法原理示意图(对应于坡口深度较大或下层焊道的焊接情形)。

图6为当坡口底部或焊缝表面距工件上表面的距离t<30mm时，气体保护装置的调节方法原理示意图(对应于坡口深度较浅或中、上层焊道的焊接情形)。

图7为当坡口底部或焊缝表面距工件上表面的距离t＝0时，气体保护装置的调节方法原理示意图(对应于盖面焊接或敞开空间中的焊接情形)。

图1中：1—焊枪；2—主喷嘴外筒；3—主喷嘴内筒；4—导电嘴；5—焊丝；6—导气管快插；7—夹持块；8—辅助气连接杆；9—后置辅助气扁喷嘴。

图4中：9a—导气孔(贯通辅助气扁喷嘴9)。

图5、图6和图7中：10—激光束；11—工件。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明。在此需要说明的是，对于这些实施方式的说明用于帮助理解本发明，但并不构成对本发明的限定。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

如图1所示，本发明实例提供的一种窄间隙激光-电弧复合焊接气体保护装置，包括主喷嘴外筒2、主喷嘴内筒3、导气管快插6、夹持块7、辅助气连接杆8和后置辅助气扁喷嘴9。主喷嘴外筒2为圆柱形空心筒体，具有内螺纹，可同时与焊枪1及主喷嘴内筒3连接；所述主喷嘴内筒3为子弹头形空心筒体，进气端为圆柱状、出气端为具有平滑曲线过渡的圆锥状，在筒体的圆柱段具有外螺纹，可与主喷嘴外筒2连接。所述夹持块7由一对哈夫(Half)块构成，两个过孔分别穿过焊枪1及辅助气连接杆8，螺钉锁紧后确保焊枪-夹持块-辅助气连接杆之间不产生相对位移；所述辅助气连接杆8为圆柱形空心筒体，进气端具有内螺纹，可与导气管快插6连接，出气端具有外螺纹，可与后置辅助气扁喷嘴9连接；所述后置辅助气扁喷嘴9的进气端为圆柱形空心筒体，具有内螺纹，可与辅助气连接杆8连接，出气端为长扁形空心方管。

装置连接顺序依次是，主喷嘴外筒2通过螺纹向上连接焊枪1前端、向下连接主喷嘴内筒3，辅助气连接杆8通过螺纹向上连接导气管快插6、向下连接后置辅助气扁喷嘴9，夹持块7通过固定焊枪1及辅助气连接杆8、确保焊枪1-夹持块7-辅助气连接杆8之间不产生相对位移，保护气体分为两路，分别通过焊枪1以及连接导气管快插6的专用气体管路流向工件11中的焊接熔池，工作11上开设有窄间隙坡口。

所述窄间隙激光-电弧复合焊接气体保护装置的调节方法，其特征是包括以下步骤：

①当坡口底部或焊缝表面距工件11上表面的距离t>30mm时，加装后置辅助气扁喷嘴组件，包括导气管快插6、夹持块7、辅助气连接杆8和后置辅助气扁喷嘴9。通过旋转主喷嘴内筒3(主喷嘴外筒2不发生位移)，同时将辅助气连接杆8沿平行焊丝5末端的方向移动，对主喷嘴组件和后置辅助气扁喷嘴组件分别进行粗调。将焊枪1沿z轴方向调节至焊接高度，精调主喷嘴内筒3及辅助气连接杆8，使主喷嘴组件和后置辅助气扁喷嘴组件分别高出工件11上表面及坡口底部或焊缝表面2-5mm。

②在窄间隙坡口内，每焊完一道焊缝，根据下一道焊接时焊枪1所需高度，调节主喷嘴内筒3及辅助气连接杆8，使下一道焊接时主喷嘴组件和后置辅助气扁喷嘴组件分别高出工件11上表面及焊缝表面2-5mm。

③当坡口底部或焊缝表面距工件11上表面的距离t<30mm时，取下后置辅助气扁喷嘴组件，单独采用主喷嘴组件进行焊接。每焊完一道焊缝，调节主喷嘴内筒3，使主喷嘴组件高出工件11上表面2-5mm。

无论在何种材料厚度下，主喷嘴组件均安装于焊枪1上面并发挥其应有作用；视材料厚度不同，当坡口底部或焊缝表面距工件11上表面的距离t>30mm时，加装后置辅助气扁喷嘴组件，以达到辅助主喷嘴组件、实现对焊接熔池和焊丝5的更好保护及冷却效果；当坡口底部或焊缝表面距工件11上表面的距离t<30mm时，由于主喷嘴组件已经完全能够胜任保护熔池及冷却焊丝5的要求，为避免因误操作造成后置辅助气扁喷嘴9撞击坡口侧壁的风险、加快焊接准备工作的速度，推荐取下后置辅助气扁喷嘴组件，但这一过程并非必需。

下面，提供本发明窄间隙激光-电弧复合焊接气体保护装置调节方法的三个实施例，来具体说明在窄间隙坡口内不同深度位置施焊时本装置的使用方法。

实施例一

当坡口底部或焊缝表面距工件11上表面的距离t>30mm时，适用于图5所示情形。加装后置辅助气扁喷嘴组件，包括导气管快插6、夹持块7、辅助气连接杆8和后置辅助气扁喷嘴9。采用单独的保护气进气管连接导气管快插6。旋转主喷嘴内筒3(主喷嘴外筒2不发生位移)，同时将装有后置辅助气扁喷嘴9的辅助气连接杆8沿平行于焊丝5末端的方向移动，对主喷嘴组件和后置辅助气扁喷嘴组件分别进行粗调。将焊枪1沿z轴方向调节至焊接高度，精调主喷嘴内筒3及辅助气连接杆8，使主喷嘴组件和后置辅助气扁喷嘴组件分别高出工件11上表面及坡口底部或焊缝表面2-5mm。

当坡口底部或焊缝表面距工件上表面的距离t>30mm时，采用本实施例所述方法进行焊接，可以获得较好的焊缝成形，焊缝表面均匀连续光滑且下凹，在后续焊道堆积过程中不容易出现未熔合、气孔、咬边等缺陷。

实施例二

当坡口底部或焊缝表面距工件11上表面的距离t<30mm时，适用于图6所示情形。此时主喷嘴组件完全能够胜任保护熔池及冷却焊丝的要求，为避免因误操作造成后置辅助气扁喷嘴9撞击坡口侧壁的风险、加快焊接准备工作的速度，取下后置辅助气扁喷嘴组件，包括导气管快插6、夹持块7、辅助气连接杆8和后置辅助气扁喷嘴9。旋转主喷嘴内筒3(主喷嘴外筒2不发生位移)，对主喷嘴组件进行粗调。将焊枪1沿z轴方向调节至焊接高度，精调主喷嘴内筒3，使其高出工件11上表面2-5mm。

当坡口底部或焊缝表面距工件上表面的距离t<30mm时，采用本实施例所述方法进行焊接，可以获得较好的焊缝成形，焊缝表面均匀连续光滑且下凹，在后续焊道堆积过程中不容易出现未熔合、气孔、咬边等缺陷。

实施例三

当坡口底部或焊缝表面距工件11上表面的距离t＝0时，适用于图7所示情形。继续旋转主喷嘴内筒3(主喷嘴外筒2不发生位移)，对主喷嘴组件进行粗调。将焊枪1沿z轴方向调节至焊接高度，精调主喷嘴内筒3，使其高出工件11上表面2-5mm。

当坡口底部或焊缝表面距工件上表面的距离t＝0时，采用本实施例所述方法进行焊接，由于主喷嘴组件的保护气吹气方式与传统固定长度喷嘴无异，因此焊缝成形较好，焊缝表面均匀连续光滑且下凹，在后续焊道堆积过程中不容易出现未熔合、气孔、咬边等缺陷。

总结上述实施例中所涉及的调节过程，本发明窄间隙激光-电弧复合焊接气体保护装置的调节方法，包括如下步骤：

①当坡口底部或焊缝表面距工件11上表面的距离t>30mm时，加装后置辅助气扁喷嘴组件，包括导气管快插6、夹持块7、辅助气连接杆8和后置辅助气扁喷嘴9。采用单独的保护气进气管连接导气管快插6。旋转主喷嘴内筒3(主喷嘴外筒2不发生位移)，同时将装有后置辅助气扁喷嘴9的辅助气连接杆8沿平行于焊丝5末端的方向移动，对主喷嘴组件和后置辅助气扁喷嘴组件分别进行粗调。将焊枪1沿z轴方向调节至焊接高度，精调主喷嘴内筒3及辅助气连接杆8，使主喷嘴组件和后置辅助气扁喷嘴组件分别高出工件11上表面及坡口底部或焊缝表面2-5mm。

②在窄间隙坡口内，每焊完一道焊缝，根据下一道焊接时焊枪1所需高度，调节主喷嘴内筒3及辅助气连接杆8，使下一道焊接时主喷嘴组件和后置辅助气扁喷嘴组件分别高出工件11上表面及焊缝表面2-5mm。

③当坡口底部或焊缝表面距工件上表面的距离t<30mm时，取下后置辅助气扁喷嘴组件，包括导气管快插6、夹持块7、辅助气连接杆8和后置辅助气扁喷嘴9。旋转主喷嘴内筒3(主喷嘴外筒2不发生位移)，对主喷嘴组件进行粗调。将焊枪1沿z轴方向调节至焊接高度，精调主喷嘴内筒3，使其高出工件11上表面2-5mm。每焊完一道焊缝，将焊枪1沿z轴方向调节至相应焊接高度并调节主喷嘴内筒3，使主喷嘴组件高出工件11上表面2-5mm。

④当坡口底部或焊缝表面距工件上表面的距离t＝0时，由于主喷嘴组件的保护气吹气方式与传统固定长度喷嘴无异，因此继续调节主喷嘴组件即可获得满意的焊缝成形及接头质量，调节方法与步骤三相同。

上述实施例为本发明的典型实施方式，但本发明实施方式不受上述实施例的限制。其它任何未背离本发明精神实质及原理所做的改变、修饰、替代、组合、简化，均应视为等效置换方式，包含在本发明保护范围之内。

Claims (8)

1.一种窄间隙激光-电弧复合焊接气体保护装置，其特征在于，该装置包括主喷嘴组件与后置辅助气扁喷嘴组件两大部分；所述主喷嘴组件包括主喷嘴外筒(2)与主喷嘴内筒(3)；主喷嘴外筒(2)采用子弹头形喷嘴结构，前端为具有平滑收敛曲线的圆锥形；所述后置辅助气扁喷嘴组件包括导气管快插(6)、夹持块(7)、辅助气连接杆(8)和后置辅助气扁喷嘴(9)；

该装置工作时，主喷嘴外筒(2)向上连接焊枪(1)前端、向下连接主喷嘴内筒(3)，主喷嘴内筒(3)能够旋转任意角度而不改变保护气流的对称性，并实现保护气体的层流效果及对熔池、导电嘴的良好保护；辅助气连接杆(8)向上连接导气管快插(6)、向下连接后置辅助气扁喷嘴(9)，夹持块(7)通过固定焊枪(1)及辅助气连接杆(8)，确保焊枪(1)、夹持块(7)和辅助气连接杆(8)之间不产生相对位移；主喷嘴外筒(2)不发生位移，通过旋转主喷嘴内筒(3)达到沿焊丝(5)轴向伸缩的效果；将装有后置辅助气扁喷嘴(9)的辅助气连接杆(8)沿平行焊丝(5)末端的方向移动达到沿焊丝(5)轴向伸缩的效果；保护气体分为两路，分别通过焊枪(1)以及连接导气管快插(6)的专用气体管路流向焊接熔池。

2.根据权利要求1所述的窄间隙激光-电弧复合焊接气体保护装置，其特征在于，所述主喷嘴外筒(2)为圆柱形空心筒体，具有内螺纹，能够同时与焊枪(1)及主喷嘴内筒(3)连接。

3.根据权利要求1所述的窄间隙激光-电弧复合焊接气体保护装置，其特征在于，所述主喷嘴内筒(3)为子弹头形空心筒体，进气端为圆柱状、出气端为具有平滑曲线过渡的圆锥状，在筒体的圆柱段具有外螺纹，能够与主喷嘴外筒(2)连接。

4.根据权利要求1所述的窄间隙激光-电弧复合焊接气体保护装置，其特征在于，所述夹持块(7)由一对哈夫块构成，两个过孔分别穿过焊枪(1)及辅助气连接杆(8)，螺钉锁紧后确保焊枪-夹持块-辅助气连接杆之间不产生相对位移。

5.根据权利要求1至4中任一所述的窄间隙激光-电弧复合焊接气体保护装置，其特征在于，所述辅助气连接杆(8)为圆柱形空心筒体，进气端具有内螺纹，能够与导气管快插(6)连接，出气端具有外螺纹，能够与后置辅助气扁喷嘴(9)连接。

6.根据权利要求1至4中任一所述的窄间隙激光-电弧复合焊接气体保护装置，其特征在于，所述后置辅助气扁喷嘴(9)的进气端为圆柱形空心筒体，具有内螺纹，能够与辅助气连接杆(8)连接，出气端为长扁形空心方管。

7.一种如权利要求1至6中任一所述的窄间隙激光-电弧复合焊接气体保护装置的调节方法，其特征是包括以下步骤：

第1步 当坡口底部或焊缝表面距工件(11)上表面的距离t>30mm时，加装后置辅助气扁喷嘴组件；

第2步 旋转主喷嘴内筒(3)且主喷嘴外筒(2)不发生位移，同时将辅助气连接杆(8)沿平行焊丝(5)末端的方向移动，对主喷嘴组件和后置辅助气扁喷嘴组件分别进行粗调，将焊枪(1)沿z轴方向调节至焊接高度；

第3步 精调主喷嘴内筒(3)及辅助气连接杆(8)，使主喷嘴组件和后置辅助气扁喷嘴组件分别高出工件(11)上表面及坡口底部或焊缝表面2-5mm；

第4步 在窄间隙坡口内，每焊完一道焊缝，根据下一道焊接时焊枪(1)所需高度，调节主喷嘴内筒(3)及辅助气连接杆(8)，使下一道焊接时主喷嘴组件和后置辅助气扁喷嘴组件分别高出工件(11)上表面及焊缝表面2-5mm，直至焊接完成。

8.根据权利要求7所述的调节方法，其特征是：当坡口底部或焊缝表面距工件(11)上表面的距离t≤30mm时，为避免因误操作造成后置辅助气扁喷嘴(9)撞击坡口侧壁的风险、加快焊接准备工作的速度，取下后置辅助气扁喷嘴组件。