CN109702341B - 一种气墙密封的气体浮力辅助焊接装置及使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种气墙密封的气体浮力辅助焊接装置，包括气垫(1)和气室(2)；其中气垫(1)包括滑动层(101)、隔热层(102)、充气层(103)、通气口(104)、气压传感器(105)，气室(2)包括进气口(201)、恒流量调节阀(202)、定流量调节阀(203)、出气口(204)、气压传感器(205)。该发明在气室外添加与焊接头随动的运动装置，即可保证大型构件在焊接过程中熔池底部一直存在一个相对稳定的气压托住熔池。气室与试件的焊缝处不直接接触，采用喷入气流的方式阻碍气室中的气流流出，稳定气室气压。

Description

一种气墙密封的气体浮力辅助焊接装置及使用方法

技术领域

本发明涉及一种激光焊接技术，尤其涉及一种气墙密封的气体浮力辅助焊接装置及使用方法。

背景技术

激光焊接是激光技术应用的一个重要领域。其具有热输入量小、焊接精度高、残余应力低、深宽比大、易于自动化控制等优点得到了广泛的开发应用，特别是在难焊材料及特殊结构的焊接领域，目前已成功应用在航空、航天、汽车、造船、电子、核电等制造领域，受到世界各国的极大重视。随着激光技术的发展，激光器所能达到的功率越来越高，单道激光所能焊接的厚度也越来越大。但是随着焊接厚度的增加，熔池下表面所受的重力也增大，其表面张力无法平衡重力，造成熔池塌陷，底部驼峰等焊接缺陷，使得焊缝质量不高，影响焊接应用。

为保证焊缝良好成形，通常采取激光填丝或激光-电弧复合焊接的方式进行多道焊接。但该方法工序复杂、耗时长且在多道焊接过程中容易出现为未熔合等缺陷。为避免多道焊接的缺陷，提高焊接效率，宜采用高激光功率单道焊接。目前，为解决平焊位置焊接超厚不锈钢板过程中的焊缝成形问题，主要采用的方式有两种。一种是在焊接过程中的熔池位置添加电磁场，利用交变磁场使熔池底部产生电场，同时依靠永磁体产生的恒定的磁场对带电的熔池底部作用一个方向向上力，抵消一部分熔池的重力，使熔池不再滴漏，保证焊缝成形。但操作复杂，需要妥善配置交变磁场与恒定磁场，且作用范围小难以运用于长焊缝焊接。另一种方式是在底部添加底板，直接堵住熔池滴漏。该方式采用的底板通常有可熔化的金属底板、不可熔的陶瓷底板或埋弧焊的焊剂。采用金属底板，焊后底板会与母材焊合在一起，需要后续采用切削等方式去除，浪费材料和时间。陶瓷底板虽然可以重复使用，且不会有切削工序但陶瓷易碎，同时焊缝底部容易产生裂纹。底部添加埋弧焊的焊剂，需要有一套承装焊剂的设备，同时每次焊接后焊剂都需要更换，不同钢材还需要配置不同成分的焊剂，提高焊接成本。

针对现有技术不足，出现了一种气体浮力辅助焊接装置及利用该装置的焊接方法，提出底部气压法设计了相关的装置，在有底部表压力的情况下，得到成形质量较高的焊接接头，解决了在焊接厚度的增加时，熔池下表面所受的重力增大，其表面张力无法平衡重力，造成熔池塌陷，底部驼峰等焊接缺陷等问题。但该装置需要保证气室与试件间无间隙的接触，通常需要提供较大的预紧力，对大型构建而言，难以实现。实际生产过程中由于工件的尺寸不确定，气室的尺寸需要伴随工件尺寸的改变而改变，加大了装置的准备周期及成本。同时装配过程中容易出现错边等装配误差，加大了制造的难度。

发明内容

针对现有技术不足，本发明的目的在于通过非直接接触，在试件出现错边等装配误差时，并不会对因密封不紧密，导致气压无法维持的问题。且气室与试件的焊缝两侧采用柔性接触的方式，使用一定压力的气囊保证该处气室与气囊的紧密接触，从而提供足够的预紧力，保证气室压力。

本发明的技术方案提供了一种气墙密封的气体浮力辅助焊接装置，包括气垫和气室；其中气垫包括滑动层、隔热层、充气层、通气口、气压传感器，气室包括进气口、恒流量调节阀、定流量调节阀、出气口、气压传感器，其特征在于：

气垫中，滑动层由石墨粉与粘接剂混合而成，均匀涂抹在隔热层上；隔热层成分为陶瓷纤维，粘接在充气层的上平面上；充气层留有充气口可外接恒压气源；气垫上设置两个通气口，通气口下部粘有气压传感器；气垫由密封胶与气室连接；

气室左右分别为进气口与出气口；进气口上接有恒流量调节阀，出气口上接有定流量调节阀，在出气口附近的气室内壁粘有气压传感器。

进一步地，通气口外有高速喷气口，高速喷气口喷出的气流可喷入通气口；焊接试件置于气垫上，入射激光束则处于焊接试件接缝的正上方；

高速分气口固定连接于气室下，高速进气口连接于高速分气口的进气处，高速喷气口连接于高速分气口的出气口处；高速气流由高速进气口经高速分气口流入高速喷气口。

进一步地，隔热层采用陶瓷纤维纸为基材，该材料使用温度达1200℃。

进一步地，通气口将气垫与试件对接位置分离；焊后熔池会有部分突出，通过高速喷气口产生的高速气流在通气口处形成气墙，堵住高压气室的泄露，保持气室内的气压。

进一步地，气室的下侧装有气压传感器，根据实际的气压测定情况，调节流量快速调节阀，改变高速喷气口中流出高速气流的大小，维持通气口在气室侧的气压稳定。

进一步地，气室配置恒流量调节阀的进气口，保证有一个恒流气源为气室提供氮气；气室另一侧装的内壁装有气压传感器，并配有排气口与定流量调节阀。

本发明还公开了一种利用气墙密封的气体浮力辅助焊接装置进行焊接的方法，其特征在于：

通气口将气垫与试件对接位置分离，焊后熔池会有部分突出，此时，通过高速喷气口产生的高速气流在通气口处形成气墙，堵住高压气室的泄露，则可保证在非接触的条件下，保持气室内的气压，气流种类为氮气；

通气室的下侧，装有气压传感器，可根据实际的气压测定情况，调节流量快速调节阀，改变高速喷气口中流出高速气流的大小，维持通气口在气室侧的气压稳定；

气室一侧配置恒流量调节阀的进气口，气室另一侧内壁装有气压传感器，并配有排气口与定流量调节阀；

当气压传感器测得气压超出设定值时，加大定流量调节阀(203)流量，降低气室气压至设定值；

当气压传感器测得气压低于设定值时，降低定流量调节阀流量，提高气室气压至设定值。

进一步地，装置使用过程中先调节定流量调节阀与排气口使气室中气压达到预设值；之后微调流量快速调节阀，降低气室中气压波动，保证焊缝良好成形本发明的有益效果在于：

1、本发明可装配位移平台，实现恒压气室的随焊运动。添加滑动层，降低随动过程的摩擦阻力，便于随焊焊接。

2、本发明装配有气垫，可提供足够大的预紧力，降低装配难度。

3、本发明在中部采取非接触气流稳压密封的方式，可在装配错边的条件下正常使用。不会因为焊后的焊缝下表面突出，导致无法密封。

4、该装置的气室在无需做到与焊接工件同等尺寸，气室尺度大小只需能维持一个相对稳定的气压的即可。在气室外添加与焊接头随动的运动装置，即可保证大型构件在焊接过程中熔池底部一直存在一个相对稳定的气压托住熔池。气室与试件的焊缝处不直接接触，采用喷入气流的方式阻碍气室中的气流流出，稳定气室气压。

附图说明

附图1是本发明实施例气室三维结构示意图；

附图2是本发明实施例气室侧视图；

附图3是本发明实施例气室侧面剖视图；

附图4是本发明实施例气室正面剖面图；

附图5是本发明实施例在装配存在错边下示意图；

附图6是本发明实施例阻流腔的流场仿真结果图；

附图7是激光厚板焊接下时间上表面温度随时间变化图；

附图8是本发明实施例通气口工作示意图；

其中：1-气垫，2-气室，3-焊接试件，4-入射激光，5-高速喷气口；101-滑动层，102-隔热层，103-充气层，104-通气口，105-气压传感器；201-进气口，202-恒流量调节阀，203-定流量调节阀，204-出气口，205-气压传感器；301-熔池，302-小孔，303-熔池凝固后焊缝；501-高速进气口，502-高速分气口，503-流量快速调节阀。

具体实施方式

以下将结合附图1-8对本发明的技术方案进行详细说明。

如图1至4所示，该实施例提供了一种气墙密封的气体浮力辅助焊接装置，该装置包括气垫1和气室2；其中气垫1包括滑动层101、隔热层102、充气层103、通气口104、气压传感器105，气室2包括进气口201、恒流量调节阀202、定流量调节阀203、出气口204、气压传感器205。

气垫1中，滑动层101由大量石墨粉与粘接剂混合而成，均匀涂抹在隔热层102上。隔热层102主要成分为陶瓷纤维，粘接在充气层的上平面上。充气层103留有充气口可外接恒压气源。气垫1从中部截断，由两个通气口104连接气垫1的两部分。通气口104下部粘有气压传感器105。气垫1由密封胶与气室2连接，连接部分无间隙防止泄露。

气室2由5mm不锈钢板焊接而成。左右分别为进气口201与出气口204。进气口201上接有恒流量调节阀202，出气口204上接有定流量调节阀203，在出气口附近的气室2内壁粘有气压传感器205。

如图4所示，通气口104外有高速喷气口5，高速喷气口5喷出的气流可喷入通气口104。焊接试件3置于气垫1上，焊接试件的焊缝区域位于两个通气口104中部，入射激光束则处于焊接试件3接缝的正上方。

高速分气口502固定连接于气室2下，高速进气口501连接于高速分气口502的进气处，高速喷气口5连接于高速分气口502的出气口处。高速气流由高速进气口501经高速分气口502流入高速喷气口5。

该装置可单独使用，此时焊接的焊缝长度不超过气室2的长度。该装置也可接于位移平台上，随焊接的入射激光束4一同运动，此时的可焊接任意要求的焊缝长度。

为减小随动过程中辅助焊接装置与试件间摩擦力，同时减少材料的磨损。气垫1最上方设置滑动层101，该层中混有大量的石墨粉末，有良好的润滑性能，可有效降低随动过程中的阻力。

查阅相关参考文献(K.Suresh Kumar,Analytical Modeling of TemperatureDistribution,Peak Temperature,Cooling Rate and Thermal Cycles in a Solid WorkPiece Welded By Laser Welding Process,ICMPC 2014)，厚板激光焊接表面温度变化如图7所示。距离焊缝中心8mm位置最高温度可达300℃，随着气室尺寸的距离焊缝中心会远大于8mm，但由于橡胶导热性差热量易积累，且与试件的摩擦过程中会产生一定热量。同时常用橡胶的使用温度一般不超过100℃，在采用橡胶材料作为充气层时，需增加隔热层。隔热层102采用陶瓷纤维纸为基材，该材料使用温度大1200℃，800℃时导热系数可低至0.12w/(m·k)仅为空气的一半，在橡胶材料距离焊缝中心足够远的套件下足以保证充气层103的正常使用。

充气层103上表面为平面便于添加隔热层102与滑动层101，可保证与试件良好面接触。充气层103下表面为圆弧，可有一定范围内具备良好的变形能力。如图5所示，在装配错边的情况下，圆弧变形为椭圆，仍可保持与试件的良好接触。充气层103与恒压气源相连，保证使用过程中压力一致，防止泄露。

通气口104将气垫1与试件对接位置分离。如图2与图4所示，焊后熔池会有部分突出，这里采用平面柔性接触的方式，会因为过大的曲率变化，导致不完全接触，产生气体泄漏。若采用直接接触的方式，则气室2内的高压气体会直接流入大气中。此时，通过高速喷气口5产生的高速气流在通气口104处形成气墙，堵住高压气室的泄露。则可保证在非接触的条件下，保持气室2内的气压。

以20mm厚度316LN不锈钢为例，试件熔池下表面所受的重力为：

p_h＝ρg₀h＝7.98×9.8×20≈1.6kPa

其中，ρ为316LN不锈钢液体的密度7.98×10³kg/m3，g₀为重力系数，约为9.8m/s²，h为试件厚度。

设定通气口104尺寸如图8所示，单位为mm。高速喷气口5以角度θ＝45°向通气口104内喷入高速气流，气流种类为氮气，常温下氮气密度1.25kg/m³，气流流速Vr为35m/s。利用多物理场仿真软件comsol的湍流模块，建立二维平面仿真模型，计算得到通气口104内的流动方式以及气压如图6所示，通气口104内气压稳定于1.6kPa，等于气室气压阻碍气室气流外流。气流在通气口104形成一个稳定的环状回流，出现一种类似气墙的结构。

同时，通气室2的下侧，装有气压传感器105，可根据实际的气压测定情况，调节流量快速调节阀503，改变高速喷气口5中流出高速气流的大小，维持通气口104在气室2侧的气压稳定。

气室2配置恒流量调节阀202的进气口201，保证有一个恒流气源为气室2提供氮气。气室2另一侧装的内壁装有气压传感器205，并配有排气口204与定流量调节阀203。气压传感器测得气压超出设定值时，加大定流量调节阀203流量，降低气室气压至设定值。气压传感器测得气压低于设定值时，降低定流量调节阀203流量，提高气室气压至设定值。采用保持气流流入与流出气室2的方式，可防止在整个装置有微小泄露点时，仍然可维持气室气压稳定。

通过针对20mm厚度316LN不锈钢的工艺试验研究，气室气压保持1.6kPa±0.8kPa条件下均可实现焊缝成形。焊接过程中气室气压波动＜50％，可实现焊缝成形，波动越小则焊缝成形的质量越好.

装置使用过程中先调节定流量调节阀203与排气口204使气室2中气压达到预设值。之后微调流量快速调节阀503，降低气室中气压波动，保证焊缝良好成形。

虽然上面结合本发明的优选实施例对本发明的原理进行了详细的描述，本领域技术人员应该理解，上述实施例仅仅是对本发明的示意性实现方式的解释，并非对本发明包含范围的限定。实施例中的细节并不构成对本发明范围的限制，在不背离本发明的精神和范围的情况下，任何基于本发明技术方案的等效变换、简单替换等显而易见的改变，均落在本发明保护范围之内。

Claims (6)

1.一种气墙密封的气体浮力辅助焊接装置，包括气垫(1)和气室(2)；其中气垫(1)包括滑动层(101)、隔热层(102)、充气层(103)、通气口(104)、气压传感器(105)，气室(2)包括进气口(201)、恒流量调节阀(202)、定流量调节阀(203)、出气口(204)、气压传感器(205)，其特征在于：

气垫(1)中，滑动层(101)由石墨粉与粘接剂混合而成，均匀涂抹在隔热层(102)上；隔热层(102)成分为陶瓷纤维，粘接在充气层的上平面上；充气层(103)留有充气口可外接恒压气源；气垫(1)上设置两个通气口(104)，通气口(104)下部粘有气压传感器(105)；气垫(1)由密封胶与气室(2)连接；

气室(2)左右分别为进气口(201)与出气口(204)；进气口(201)上接有恒流量调节阀(202)，出气口(204)上接有定流量调节阀(203)，在出气口附近的气室(2)内壁粘有气压传感器(205)；

通气口(104)外有高速喷气口(5)，高速喷气口(5)喷出的气流可喷入通气口(104)；焊接试件(3)置于气垫(1)上，入射激光束则处于焊接试件(3)接缝的正上方；

通气口(104)将气垫(1)与试件对接位置分离；焊后熔池会有部分突出，通过高速喷气口(5)产生的高速气流在通气口(104)处形成气墙，堵住高压气室的泄露，保持气室(2)内的气压。

2.根据权利要求1所述的气墙密封的气体浮力辅助焊接装置，其特征在于高速分气口(502)固定连接于气室(2)下，高速进气口(501)连接于高速分气口(502)的进气处，高速喷气口(5)连接于高速分气口(502)的出气口处；高速气流由高速进气口(501)经高速分气口(502)流入高速喷气口(5)。

3.根据权利要求1所述的气墙密封的气体浮力辅助焊接装置，其特征在于：隔热层(102)采用陶瓷纤维纸为基材，该材料使用温度达1200℃。

4.根据权利要求1所述的气墙密封的气体浮力辅助焊接装置，其特征在于：气室(2)的下侧装有气压传感器(105)，根据实际的气压测定情况，调节流量快速调节阀(503)，改变高速喷气口(5)中流出高速气流的大小，维持通气口(104)在气室(2)侧的气压稳定。

5.利用权利要求1所述的气墙密封的气体浮力辅助焊接装置进行焊接的方法，其特征在于：

通气口(104)将气垫(1)与试件对接位置分离，焊后熔池会有部分突出，此时，通过高速喷气口(5)产生的高速气流在通气口(104)处形成气墙，堵住高压气室的泄露，则可保证在非接触的条件下，保持气室(2)内的气压，气流种类为氮气；

通气室(2)的下侧，装有气压传感器(105)，可根据实际的气压测定情况，调节流量快速调节阀(503)，改变高速喷气口(5)中流出高速气流的大小，维持通气口(104)在气室(2)侧的气压稳定；

气室(2)一侧配置恒流量调节阀(202)的进气口(201)，气室(2)另一侧内壁装有气压传感器(205)，并配有出气口(204)与定流量调节阀(203)；

当气压传感器测得气压超出设定值时，加大定流量调节阀(203)流量，降低气室气压至设定值；

当气压传感器测得气压低于设定值时，降低定流量调节阀(203)流量，提高气室气压至设定值。

6.根据权利要求5所述的气墙密封的气体浮力辅助焊接装置进行焊接的方法，其特征在于：

气墙密封的气体浮力辅助焊接装置使用过程中先调节定流量调节阀(203)与出气口(204)使气室(2)中气压达到预设值；之后微调流量快速调节阀(503)，降低气室中气压波动，保证焊缝良好成形。

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