CN110102883A - 一种激光焊接大厚度金属零件的保护气装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于TC4钛合金大厚度金属零件激光焊接过程的气体保护装置及方法。该装置包括：夹具、基座、压紧块、滑块、芯轴、支架、套筒、保护气喷管，该保护气装置固定于激光头上，工作过程中跟随激光头做同步运动，利用压紧块和螺钉将滑块固定于基座上，滑块与支架以芯轴为中心做相对转动，套筒与支架的肋板通过螺钉连接，保护气喷管固定于套筒上并以螺钉为中心进行旋转，所述套筒与保护气喷管之间存在天然橡胶垫片以增大摩擦力。本发明通过调整滑块的位置使得保护气喷管的高度在合适的位置，通过旋转支架和套筒实现保护气喷管高度的调试和任意角度的旋转，焊接过程中能够在高温熔池区域及附近建立有效地保护气氛，防止焊缝出现氧化现象。

Description

一种激光焊接大厚度金属零件的保护气装置及方法

技术领域

本发明涉及激光焊接技术领域，具体涉及一种TC4钛合金大厚度金属零件激光焊接的气体保护方法。

背景技术

传统的TC4钛合金焊接工艺多采用氩弧填丝焊接，焊缝热影响区大，焊接产生的应力和形变较大。激光焊接作为一种先进的焊接方式，能量密度高，焊缝成形好，热影响区及焊接形变小，易实现焊接工艺自动化，非常适合钛合金的焊接。激光焊接时，金属母材表面在激光束照射下强烈汽化并形成等离子体状的羽状金属蒸气云，对激光能量的传输有明显屏蔽作用，还能改变激光束的聚焦位置，降低照射至焊件的能量密度，直接影响焊接效率和质量。等离子体作为第二种能量存在于工作表面，使得熔深变浅、焊接熔池表面变宽。

国内外专家学者针对激光焊接过程中金属蒸气影响焊接质量的问题进行了大量的研究，目前经由前人所提出的有关控制光致等离子体的方法主要有：激光尖峰焊接法、脉冲激光焊接法、侧吹辅助气体法和外加电磁场控制法等，其中侧吹辅助气体法的应用最为广泛。就目前的激光焊接保护技术而言，大多数的气体保护装置不能满足对保护气喷嘴角度与相对位置进行柔性调控的需求。而在实际的焊接过程中，由于焊接工况的复杂，因此容易造成气体保护区域与实际需求适配度低的情况发生，从而导致焊缝被氧化以及焊接缺陷的产生。

综上所述，实现大厚度TC4钛合金高质量、高效焊接的关键之一是设计一种结构合理，调试方便的激光焊接气体保护方法，有效控制等离子体的漂移并对焊接高温区进行保护。研究先进的高质量的TC4钛合金激光焊接技术，具有重要的战略与应用意义。

发明内容

本发明的目的在于解决以上技术中存在的问题，并为此提供一种针对激光焊接大厚度金属零件的保护气装置及方法。该装置通过对滑块、支架和套筒等零件进行调节，可以灵活的调整保护气喷管的位置，扩大或缩小保护气氛的范围，能够在高温焊接区建立有效的保护气氛，从而有效抑制等离子体对激光的屏蔽作用并且防止焊缝氧化。

为了达到上述目的，本发明提供的一种激光焊接大厚度金属零件的保护气装置，包括：夹具、基座、压紧块、滑块、芯轴、支架、套筒、保护气喷管，其特征在于：

该保护气装置直接固定于激光焊接头上，工作过程中跟随激光头做同步运动，基座上分布有8个连接点，可按实际需求利用螺钉将滑块固定于基座上，稳固螺钉与滑块之间通过压紧块相连，滑块一侧与芯轴相连接，支架固定于芯轴上并以芯轴为中心进行旋转，芯轴与滑块和支架之间存在天然橡胶垫片，套筒固定于支架的肋板上，保护气喷管固定于套筒上并随套筒进行旋转。

进一步地，可在基座上安装四个滑块，进而完成四个保护气喷管的装配，按照90°间隔分布，从而形成环形保护气流，以改善保护气流散的现象，使得对焊缝的保护作用增强。

进一步地，滑块与支架之间采用铰链结构进行配合，在芯轴外廓安装天然橡胶垫片以增强支架位置的稳定性。

进一步地，通过保护气喷管调节装置调整喷管的高度和角度，其中喷管调节装置具有三维调节功能，能够适应多种实际的焊接情况。

进一步地，肋板与支架的连接处采用圆弧过渡，以减小应力集中，防止肋板断裂。

进一步地，夹具位于基座的上下两侧，每侧分布有8个螺孔，平均分布于四个面上，以加强保护气装置的固定。

进一步地，滑块选用长方形，宽度为基座边长的1/3。

本发明还提供了一种针对激光焊接大厚度金属零件的气体保护方法，其特征在于：

1、对工件进行装夹，确定焊缝位置和激光头的移动路径；

2、将滑块等零件安装于基座上，利用保护气喷管调节装置调整喷管的高度和角度，使保护气喷管位于合适的位置；

3、通入保护气体，待保护气形成稳定的气流后开启激光器，进行焊接实验；

4、多层多道焊接过程中，当焊缝宽度发生较大的变化时，利用不同焊道焊接间的焊缝冷却时间对喷管的高度和角度进行调节，以使气体保护的范围适应实际的焊接需求；

5、待激光焊接实验完成，焊缝冷却完毕后切断保护气的输送，关闭焊接设备，整个过程结束。

传统方法采用侧吹式气体保护，一方面不能形成强有力的环状气流，对熔池区域进行全面的保护；另一方面不能满足对保护气喷嘴角度与相对位置进行柔性调控的需求，从而导致保护效率的降低。与之相比，本发明为一个独立而完整的保护装置，能够便捷的固定于激光焊接头上，为熔池建立可靠而稳定的局部保护气氛。本发明的有益效果在于：第一，本发明能够通过安装多个保护气喷管以达到形成环形气流的作用，能够有效抑制保护气的流散现象，加强对保护区域的覆盖力；第二，本发明能够自由调节保护气喷管的高度和角度，可以有效的削弱或抑制等离子体漂移对激光的屏蔽作用，提高激光的利用率；第三，通过对支架和套筒进行调节可以任意改变保护气体的保护范围，根据实际需求进行调节能够有效的避免焊缝金属发生氧化；第四，本发明装置的适应性强，既可对激光焊接过程进行气体保护，也可以对非激光焊接过程进行气体保护。

附图说明

图1为本发明所述激光焊接保护气的装置示意图；

图2为本发明所述激光焊接保护气的装置整体结构图；

图3为本发明所述实施案例TC4钛合金激光焊接板材坡口形式示意图；

图4为本发明所述实施案例TC4钛合金激光焊接板材坡口形貌。

其中：

1-保护气喷管；2-夹具；3-螺钉；4-基座；5-压紧块；6-滑块；7-螺钉；8-芯轴；9-天然橡胶垫片；10-支架；11-螺钉；12-天然橡胶垫片；13-套筒。

具体实施方式

为了使本发明更容易被清楚理解，以下结合附图和实施例对本发明的技术方案作以详细说明。

如图1、图2所示，本发明的激光焊接大厚度金属零件的保护气装置，直接安装于激光头上。该装置包括夹具2、基座4、压紧块5、滑块6、芯轴8、支架10、套筒13、保护气喷管1等。

本发明中，基座4利用夹具2直接安装固定于激光焊接头上，工作过程中跟随激光头做同步运动，基座4上分布有8个连接点，可按实际需求利用螺钉7将滑块6固定于基座4上，稳固螺钉7与滑块6之间通过压紧块5相连，滑块6一侧与芯轴8相连接，支架10固定于芯轴8上并以芯轴8为中心进行旋转，芯轴8与滑块6和支架10之间存在天然橡胶垫片9，套筒13固定于支架10的肋板上，保护气喷管1固定于套筒13上并随套筒13进行旋转。

铰链结构灵活性强，可进行相对旋转，滑块6与支架10之间采用铰链结构进行配合，在芯轴8外廓安装天然橡胶垫片9以增强支架位置的稳定性。

通过保护气喷管调节装置调整喷管1的高度和角度，其中喷管调节装置具有三维调节功能，能够适应多种实际的焊接情况。

肋板与支架10的连接处采用圆弧过渡，以减小应力集中，防止肋板断裂。

夹具2位于基座4的上下两侧，每侧分布有8个螺孔，平均分布于四个面上，以加强保护气装置的固定。

为减轻滑块6的重量，滑块6选用长方形，宽度为基座4边长的1/3。

如图2所示，支架10可绕芯轴8进行360°的旋转，套筒13可与肋板进行180°的相对转动，可根据实际需求对保护气喷管1位置进行柔性的调整。

一种针对激光焊接大厚度金属零件的气体保护方法，采用上述装置进行气体保护，其方法通过下面的实施例进行进一步阐释。

步骤1、对工件进行装夹，确定焊缝位置和激光头的移动路径。

步骤2、将滑块等零件安装于基座上，利用保护气喷管调节装置调整喷管的高度和角度，使保护气喷管位于合适的位置。

步骤3、通入保护气体，待保护气形成稳定的气流后开启激光器，进行焊接实验。

步骤4、多层多道焊接过程中，当焊缝宽度发生较大的变化时，利用不同焊道焊接间的焊缝冷却时间对喷管的高度和角度进行调节，以使气体保护的范围适应实际的焊接需求。

步骤5、待激光焊接实验完成，焊缝冷却完毕后切断保护气的输送，关闭焊接设备。

一实施例中，步骤1具体地为：实验开始前用砂纸打磨掉钛合金板材表面的氧化膜，然后用丙酮清洗去除表面油污，对100mm×50mm×40mm的TC4钛合金板进行装夹，板材坡口形式如图3、图4所示，保证焊缝间隙和错边量小于0.2mm，对焊接路径进行设定。

一实施例中，步骤2具体地为：在基座上安装四组保护气喷管，喷管互为90°，具有相同的高度和旋转角度，保护气喷管出口位于以激光头中轴线为中心半径为2cm的圆周上，与板材垂直距离为1cm，焊接过程中，事先调节的保护气喷管的高度和角度在整个过程中是固定不变的。

一实施例中，步骤3具体地为：通入保护气体，气体流量为20L/min，保护气体为纯氩气。

一实施例中，步骤4具体地为：如图3所示，当开始进行第II段焊缝的焊接实验时，由于坡口形式，填充金属区域宽度变大，利用第I段最后一道焊缝焊后的冷却时间对喷管进行调节，将圆周半径调节为3cm，与板材垂直距离调整为1.5cm；当开始进行第III段焊缝的焊接实验时，利用第II段最后一道焊缝焊后的冷却时间对喷管进行调节，将圆周半径调节为4cm，与板材垂直距离调整为2cm。

一实施例中，步骤5具体地为：待激光焊接实验完成，焊缝冷却至60℃后切断保护气的输送，关闭焊接设备，整个过程结束。

结果显示本发明提供的一种激光焊接大厚度金属零件的保护气装置及方法实现了保护气体的均匀分布以及稳定输出，焊缝宏观形貌成形好，没有明显咬边、夹渣、飞溅及宏观裂纹缺陷，最大程度地避免了焊缝的氧化现象。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下还可以作出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种激光焊接大厚度金属零件的保护气装置，包括：夹具、基座、压紧块、滑块、芯轴、支架、套筒，其特征在于：该保护气装置直接固定于激光焊接头上，工作过程中跟随激光头做同步运动，基座上分布有8个连接点，可按实际需求利用螺钉将滑块固定于基座上，稳固螺钉与滑块之间通过压紧块相连，滑块一侧与芯轴相连接，支架固定于芯轴上并以芯轴为中心进行旋转，芯轴与滑块和支架之间存在天然橡胶垫片，套筒固定于支架的肋板上，保护气喷管固定于套筒上并随套筒进行旋转。

2.根据权利要求1所述的一种激光焊接大厚度金属零件的保护气装置，其特征在于：基座上最多可安装四个滑块，进而完成四个保护气喷管的装配，按照90°间隔分布，从而形成环形保护气流，以改善保护气流散的现象，使得对焊缝的保护作用增强。

3.根据权利要求2所述的一种激光焊接大厚度金属零件的保护气装置，其特征在于：滑块与支架之间采用铰链结构进行配合，在芯轴外廓安装天然橡胶垫片以增大摩擦力。

4.根据权利要求1所述的一种激光焊接大厚度金属零件的保护气装置，其特征在于：通过调整喷管的高度和角度以控制保护气喷管，其中喷管调节装置具有三维调节功能，能够适应多种实际的焊接情况。

5.根据权利要求3所述的一种激光焊接大厚度金属零件的保护气装置，其特征在于：肋板与支架的连接处采用圆弧过渡，以减小应力集中，防止肋板断裂。

6.根据权利要求1所述的一种激光焊接大厚度金属零件的保护气装置，其特征在于：夹具位于基座的上下两侧，每侧分布有8个螺孔，平均分布于四个面上，以加强保护气装置的固定。

7.根据权利要求2所述的一种激光焊接大厚度金属零件的保护气装置，其特征在于：滑块选用长方形，宽度为基座边长的1/3。

8.一种针对激光焊接大厚度金属零件的气体保护方法，采用权利要求1至7任一项所述的用于激光焊接大厚度金属零件的保护气装置进行气体保护，其特征在于：步骤1，对工件进行装夹，确定焊缝位置和激光头的移动路径；步骤2，将滑块等零件安装于基座上，利用保护气喷管调节装置调整喷管的高度和角度，使保护气喷管位于合适的位置；步骤3，通入保护气体，待保护气形成稳定的气流后开启激光器，进行焊接实验；步骤4，多层多道焊接过程中，当焊缝宽度发生较大的变化时，利用不同焊道焊接间的焊缝冷却时间对喷管的高度和角度进行调节，以使气体保护的范围适应实际的焊接需求；步骤5，待激光焊接实验完成，焊缝冷却完毕后切断保护气的输送，关闭焊接设备，整个过程结束。