CN110434459A - 一种用于控制羽辉和保护熔池的双层同轴激光焊接头 - Google Patents

一种用于控制羽辉和保护熔池的双层同轴激光焊接头 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种用于控制羽辉和保护熔池的双层同轴激光焊接头，属于激光焊接技术领域。焊接头结构主要包括激光聚焦系统、同轴双层喷嘴和抽气装置。经聚焦系统聚焦的激光束穿过双层同轴喷嘴的内管到达工件表面；喷嘴内管与抽气装置连接，使小孔口区域处形成稳定负压状态，孔内喷出羽辉经内管抽气而快速逸出；喷嘴外管通保护气体保护焊接熔池。该发明的有益效果是通过喷嘴内管于小孔口上方产生的局部负压，彻底去除羽辉激光束传输的负面影响、提高熔深和焊接效率；且可去除羽辉对保护气的干扰，喷嘴外管可更好的保护焊接熔池。本发明采用模块化设计，具有加工柔性高、结构紧促、焊接效率高、熔池保护效果好等特点。

Description

一种用于控制羽辉和保护熔池的双层同轴激光焊接头
技术领域
本发明涉及一种焊接头，属于激光材料加工技术领域，尤其涉及一种用于控制羽辉和保护熔池的双层同轴激光焊接头。
背景技术
羽辉是固体激光(如光纤激光、碟片激光和Nd:YAG激光)和半导体激光焊接中一种固有的物理现象，对焊接过程存在明显的负面影响。一方面，羽辉对入射激光的衰减将明显地减小焊接熔深和影响焊接过程的稳定性。另一方面，向上喷发的高流速羽辉对保护气流的扰动将严重影响保护气对熔池的保护效果。因此，控制羽辉对焊接过程的负面影响具有重要的科学意义和工程应用价值，包括提高焊接中激光的能量利用率、提高生产效率、提高焊接过程稳定性、降低焊接缺陷的产生、以及提高焊缝成形和熔池保护效果等方面。
焊接中利用横向气帘贴近板面可吹除羽辉，但超音速气流对熔池的扰动将对焊接过程稳定和熔池保护等方面带来负面影响。采用真空焊接可以抑制羽辉的产生、且保护效果很好，但真空焊接降低了激光焊接的柔性，且大大限制了激光焊接的应用，大幅提高加工成本；采用旁轴双层喷嘴内管侧吸羽辉、外管通保护气保护熔池的方式可达到控制羽辉和保护熔池的效果，但旁轴方式对羽辉的控制偏弱，且在三维复杂构件的激光焊接中，该方法的柔性较低。为了更有效的控制羽辉，保护焊接熔池，发挥激光焊接的优势，本发明提出一种用于控制羽辉和保护熔池的双层同轴激光焊接头。该激光焊接头即可提高激光能量的利用率和焊接效率、改善焊接过程的稳定性，又可保护焊接熔池，且采用模块化设计，具有加工柔性高、结构紧凑等特点。
发明内容
本发明的目的在于保证激光焊接高柔性和不提高加工成本的情况下，提供一种用于控制羽辉和保护熔池的双层同轴激光焊接头。其中焊接头包括激光准直模块(1)、聚焦模块(2)、保护镜模块(3)、传输光纤(4)、连接装置(5)、横向气帘装置(6)、抽气接口(7)、保护气装置(8)、同轴双层喷嘴(9)。其中传输光纤(4)与准直模块(1)同轴相连，准直模块(1)与聚焦模块(2)同轴相连，保护镜模块(3)布置于聚焦模块(2)的下方，保护镜安装于保护镜模块中，连接模块(5)连接外部机械装置和准直模块(1)，以便控制激光焊接头位置，同轴双层喷嘴(9)，其中，外管(9a)，内管(9b)，连接于保护镜模块(3)下方，聚焦模块(2)焦距可调，同轴双层喷嘴(9)能够整体沿光轴自由旋转；同轴双层喷嘴内管(9b)与保护镜模块(3)形成密封，聚焦后的激光束经过保护镜片穿过喷嘴内管到达工件表面；同轴双层喷嘴(9)开对称的接口分别与抽气装置(7)和压缩空气进入口即横向气帘装置(6)连接；同轴双层喷嘴外管(9a)与保护气装置(8)连接。焊接时，同轴双层喷嘴(9)的内管基于抽气接口(7)，给小孔口区域提供一个局部负压环境，并吸走孔内喷发的羽辉；同时同轴双层喷嘴外管(9a)通保护气体，保护焊接熔池，本焊接头也可用于填丝焊接。
本发明采用同轴双层喷嘴的内管连接抽气装置并吸走羽辉的方法，减少羽辉对光束的衰减，降低羽辉对激光的负面影响，不仅能够提高激光的能量利用率和焊接效率，而且可显著提高焊接过程稳定性和改善焊缝成形，且不对熔池保护产生负面影响。一方面，小孔内气压高于大气压，喷嘴内管直径较小，提供的负压(吸气量)有限；可使内管口负压抵消焊接小孔口处孔内蒸气喷发引起的局部高压、吸走羽辉，同时对外部环境不产生影响或影响较小。另一方面，喷嘴外管提供的保护气流可防止空气中的氧气对熔池产生影响。此外，该焊接头与光束同轴，故而加工柔性很高，可实现三维复杂构件的激光焊接制造。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案为一种用于控制羽辉和保护熔池的双层同轴激光焊接头，其特征在于：激光束为固体激光(光纤激光、Nd:YAG激光和碟片激光)或半导体激光；可正离焦、负离焦或零离焦焊接，可用于填丝焊接。聚焦模块(2)焦距可调，同轴双层喷嘴(9)能够整体沿光轴自由旋转；同轴双层喷嘴内管(9b)与保护镜模块(3)形成密封，聚焦后的激光束经过保护镜片穿过喷嘴内管到达工件表面；同轴双层喷嘴(9)的内管开对称的接口分别与抽气接口(7)和压缩空气进入口即横向气帘装置(6)连接；同轴双层喷嘴外管(9a)与保护气装置(8)连接。焊接时，同轴双层喷嘴(9)的内管基于抽气接口(7)，给小孔口区域提供一个局部负压环境，并吸走孔内喷发的羽辉；同时同轴双层喷嘴(9)的外管通保护气体，保护焊接熔池，
双层喷嘴内外管同轴；双层喷嘴内管的内径为0.5mm～10mm，外管的内径为6mm～50mm；同轴双层喷嘴的出口处，沿轴线上内管口比外管口长0.1mm～10mm。同轴双层喷嘴内管上处于同一水平面的抽气口和吹气口距内管底部的距离为2mm～20mm。同轴双层喷嘴的内管口距工件上表面高度为1mm～10mm。抽气装置在小孔口附近区域产生的气压为1×10- 2Pa～1.01×105Pa，双层喷嘴外管中保护气体的流量为1L/min～50L/min。横向超音速气帘可开也可不开；横向气帘开通时，压缩空气经横向气帘产生的超音速气流将羽辉吹入抽气接口，并被抽气装置抽走；当横向气帘不开通时，羽辉直接被抽气装置抽走。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：采用本双层同轴激光焊接头焊接时，激光束经内层喷嘴达到工件表面，抽气装置连接内层喷嘴提供负压，并吸走羽辉；外层喷嘴通保护气保护熔池。该激光焊接头即可提高激光能量的利用率和焊接效率、改善焊接过程的稳定性，又可有效保护焊接熔池，且该激光焊接头采用模块化设计，具有加工柔性高、结构紧凑等特点。
附图说明
图1(a)为本焊接方法焊接装置示意图。
图1(b)为本焊接方法双层喷嘴结构示意图。
图2(a)为单保护气流保护激光焊接焊缝表面效果图。
图2(b)为采用本发明焊接焊缝表面效果图。
图3(a)为单保护气流保护激光焊接焊缝横截面效果图。
图3(b)为采用本发明焊接焊缝横截面效果图。
图1(a)中：1、激光准直模块，2、聚焦模块，3、保护镜模块，4、传输光纤，5、连接装置，6、横向气帘装置，7、抽气接口，8、保护气接口，9、同轴双层喷嘴，9a为外管，9b为内管。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明做进一步说明，但本发明并不限于以下实施例。
图1(a)为同轴双层喷嘴控制羽辉和保护熔池的激光焊接装置示意图，其中焊接装置包括激光准直模块(1)、聚焦模块(2)、保护镜模块(3)、传输光纤(4)、连接装置(5)、横向气帘装置(6)、抽气接口(7)、保护气接口(8)、同轴双层喷嘴(9)。焊接时，激光束作用于工件，双层喷嘴9和激光束的位置相对固定；负气压和保护气流分别产生于同轴双层喷嘴的内管9b和外管9a；焊接过程中激光的能量用于熔化工件实现深熔焊接小孔和熔池，抽气装置连接到抽气接口7与内管9b共同作用，提供负压吸走光路中的羽辉，从而提高激光的能量利用率和焊接效率，同时显著改善焊接过程稳定性，大幅减少焊接飞溅。保护气流通过保护气接8口和双层喷嘴外管9a作用于焊接熔池，有效的保护了熔池。因此，该方法完整的保持了传统激光焊接的特点、不影响其原有的加工柔性。
图1(b)为同轴双层喷嘴结构示意图，其中，结构分别为保护镜模块(3)，横吹气帘(6)，内层喷嘴抽气接口(7)，外层喷嘴进气口即保护气接口(8)，外层喷嘴壁(9)，喷嘴连接处(10)，外层喷嘴输气管道(11)，内层喷嘴输气管道(12)，保护镜片(13)，焊接小孔(14)，焊接工件(15)。
激光束为固体激光(光纤激光、YAG激光和DISC激光)或半导体激光；如图1所示，同轴双层喷嘴9的内管9b与抽气装置经抽气接口7连接，其压强为1×10-2Pa～1.01×105Pa，通过气阀控制；外管9a中通保护气体，其流量为1L/min～50L/min；同轴双层喷嘴9与激光束的夹角为5°～90°，其在板面上的投影与焊接方向的夹角为0°～180°；喷嘴内管内径为0.5mm～10mm，外管内径为6mm～50mm；出口处，沿轴线上内管口比外管口长0.5mm～10mm；内外管口平面可平行于熔池表面，也可垂直于喷嘴轴向，或者介于二者之间。
本实施例中，工件为10mm厚的工业纯铁，实验采用的激光器为YLS-6000光纤激光器，其波长为1.07μm；保护气体为氩气；焊接工艺参数为：激光功率5kW，焊接速度2m/min，同轴双层喷嘴与光轴的夹角为45°，其在焊接板材表面的投影与焊接方向的夹角为0°。图2(a)为单喷嘴保护气流保护激光焊接焊缝表面效果图，图2(b)为采用本发明所得到的焊缝表面效果图，对比发现采用本发明进行焊接显著提高了焊接过程稳定性，焊缝更窄，焊缝成形改善明显，且提高了焊缝的保护效果；图3(b)为采用本发明所得到的焊缝横截面，在相同的激光功率和焊接速度情况下，焊接熔深比单喷嘴保护光纤激光焊接(见图3(a))的熔深显著提高，而熔宽则缩小。可见，采用本发明能够提高激光的能量利用率和焊接效率，同时保持了传统激光焊接的特点。可见采用本发明喷嘴内管吸走了羽辉，减小羽辉对入射激光的负面影响，从而提高激光的能量利用率和焊接效率，稳定焊接过程，改善焊缝成形；同时，焊缝的保护效果明显提高。
以上所述，仅为本发明一种具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭示的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (5)

1.一种用于控制羽辉和保护熔池的双层同轴激光焊接头，其特征在于包括：激光准直模块(1)、聚焦模块(2)、保护镜模块(3)、传输光纤(4)、连接装置(5)、横向气帘装置(6)、抽气接口(7)、保护气接口(8)、同轴双层喷嘴(9)；其中传输光纤(4)与准直模块(1)同轴相连，准直模块(1)与聚焦模块(2)同轴相连，保护镜模块(3)布置于聚焦模块(2)的下方，保护镜安装于保护镜模块中，连接模块(5)连接外部机械装置和准直模块(1)，以便控制激光焊接头位置；同轴双层喷嘴(9)，其中，外管(9a)，内管(9b)，连接于保护镜模块(3)下方，聚焦模块(2)焦距可调，同轴双层喷嘴(9)能够整体沿光轴自由旋转；同轴双层喷嘴内管(9b)与保护镜模块(3)形成密封，聚焦后的激光束经过保护镜片穿过喷嘴内管到达工件表面；同轴双层喷嘴(9)开对称的接口分别与抽气接口(7)和压缩空气进入口即横向气帘装置(6)连接；同轴双层喷嘴外管(9a)与保护气装置(8)连接；焊接时，同轴双层喷嘴(9)的内管通过抽气接口(7)，给小孔口区域提供一个局部负压环境，并吸走孔内喷发的羽辉；同时同轴双层喷嘴外管(9a)通以保护气体，保护焊接熔池。
2.根据权利要求1所述的一种用于控制羽辉和保护熔池的双层同轴激光焊接头，其特征在于：同轴双层喷嘴内管的内径为0.5mm～10mm，外管的内径为6mm～50mm；同轴双层喷嘴的出口处，沿轴线上内管口比外管口长0.1mm～10mm；同轴双层喷嘴内管上处于同一水平面的抽气接口(7)和气帘装置(6)距内管底部的距离为2mm～20mm；同轴双层喷嘴的内管口距工件上表面高度为1mm～10mm；抽气接口在焊接小孔(14)附近区域产生的气压为1×10-2Pa～1.01×105Pa，双层喷嘴外管中保护气体的流量为1L/min～50L/min。
3.根据权利要求1所述的一种用于控制羽辉和保护熔池的双层同轴激光焊接头，其特征在于：横向超音速气帘可开也可不开；横向气帘开通时，压缩空气经横向气帘产生的超音速气流将羽辉吹入抽气接口，并被抽气装置抽走；当横向气帘不开通时，羽辉直接被抽气装置抽走。
4.根据权利要求1所述的一种用于控制羽辉和保护熔池的双层同轴激光焊接头，其特征在于：适用于固体激光或半导体激光焊接；可正离焦、负离焦或零离焦焊接，也可用于填丝焊接。
5.根据权利要求1所述的一种用于控制羽辉和保护熔池的双层同轴激光焊接头，其特征在于：适用于不同焦距的聚焦镜，能根据焦距的长度进行选择。
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