CN110744191A - 抑制激光焊羽烟和控制焊缝成形的焊接装置及焊接方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种抑制激光焊羽烟和控制焊缝成形的焊接装置及焊接方法，该焊接装置包括连接环、气帘板、导向环、正压环、负压环、内气环、气嘴、保护气环、外气环、透气网、环形气帘环、喷气环，其中，连接环、导向环、正压环、负压环、内气环、保护气环、外气环、环形气帘环、喷气环为从上至下依次同轴安装，中部形成激光通道，气帘板安装于所述连接环与所述导向环之间，透气网同轴安装于外气环内部。该焊接装置可在熔池上方形成的负压可快速将蒸气羽烟抽吸扩散，提高焊接过程的稳定性，减少飞溅并增加焊缝熔深，同时，熔池上方为负压时，熔池金属不易凹陷下榻，通过调整负压大小吸附熔池金属，可调节焊缝正反面余高，控制焊缝成形。

Description

抑制激光焊羽烟和控制焊缝成形的焊接装置及焊接方法

技术领域

本发明属于激光焊接技术领域，尤其涉及一种抑制激光焊羽烟和控制焊缝成形的焊接装置及焊接方法。

背景技术

蒸气羽烟是激光焊接过程中产生的一个重要物理现象，对激光焊接过程的稳定性具有重要影响，在大功率激光焊接情况下，蒸气羽烟激烈且处于不断变化的不稳定状态，极易造成焊接缺陷，且在进行中厚板熔透焊接时，现有的常规气体装置一般采用单一正压吹气保护，保护气体吹向熔池表面，保护气压力过小则蒸气羽烟抑制效果差，保护气压力过大则熔池受到的压力作用过大，极易造成焊缝凹陷、下塌，使焊缝成形不良，同时，正压吹气也不利于蒸气羽烟向外扩散，影响焊接效果。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：针对现有技术存在的问题，提高大功率激光焊接过程的稳定性和焊接质量，同时具有良好的使用灵活性。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：

本发明提供一种抑制激光焊羽烟和控制焊缝成形的焊接装置，其包括连接环、气帘板、导向环、正压环、负压环、内气环、气嘴、保护气环、外气环、透气网、环形气帘环、喷气环，其中，所述连接环、导向环、正压环、负压环、内气环、保护气环、外气环、环形气帘环、喷气环顺次同轴安装，中部形成激光通道，所述气帘板安装于所述连接环与所述导向环之间，所述透气网同轴安装于所述外气环内部。

进一步的，所述连接环上设置有横吹气进气口、连通孔、气窗以及用于安装所述气体装置的螺丝孔；所述正压环上设置有正压气进气口、正压气槽；所述负压环上设置有负压装置接口、负压气槽；所述内气环设置有至少一个负压通气孔和正压通气孔；所述保护气环上设置有保护气进气口、保护气槽，所述外气环上圆周上设置有至少一个保护气通气孔；所述环形气气帘环上设置有环形气帘进气口；所述喷气环上均匀密布设置有喷气孔。

进一步的，该装置内部包括顺次连通的负压流道、正压流道、保护气流道、环形气帘流道、横吹气帘流道。

进一步的，所述负压流道包括顺次连通的所述负压装置接口、所述负压气槽及所述负压通气孔、负压腔、抽气口，所述负压流道与外部负压装置连接。

进一步的，所述正压流道包括顺次连通的所述正压气进气口、所述正压气槽、所述连通腔、所述正压通气孔、喷射腔，其中所述喷射腔包括汇聚腔和环形喷口。

进一步的，所述保护气流道包括顺次连通的所述保护气进气口、所述保护气槽、所述保护气通气孔、上保护气腔、所述透气网、下保护气腔及所述喷气孔。

进一步的，所述环形气帘流道包括顺次连通的所述环形气帘进气口、环形气帘气腔、环形气帘缝，其中环形气帘腔还包括气帘气槽和环形气缝。

进一步的，所述横吹气帘流道包括顺次连通的所述横吹气进气口、所述连通孔及横吹气缝。

进一步的，所述导向环位于所述环形喷口上方。

进一步的，一种抑制激光焊羽烟和控制焊缝成形的焊接方法，所述方法采用所述的焊接装置、焊接头、安装支架以及工件；所述方法包括以下步骤：

S1、通过安装支架将焊接装置同轴安装于焊接头下方；

S2、移动焊接头至工件焊缝上方并调节激光束至预设焦点位置；

S3、调节安装支架将焊接装置下端面调节至工件板面上方预设高度；

S4、将各进气口与对应气体相连接并调节至预设压力值；

S5、将负压装置接口与外部负压装置相连接；

S6、打开各路气体并启动外部负压装置，输入激光焊接参数后启动焊接程序进行激光焊接，观察焊接过程蒸气羽烟抑制情况及焊缝成形效果，若发现异常，则返回步骤S2进行优化调整。

本发明提供了一种抑制激光焊羽烟和控制焊缝成形的焊接装置，该焊接装置的内部具有顺次连通的负压流道、正压流道、保护气流道、环形气帘流道、横吹气帘流道，通过各流道之间的合理配置，在进行激光焊接时，可在熔池上方形成负压效果，可实现对焊接过程中蒸气羽烟的有效抑制并调节焊缝成形。相比于常规的单纯正压气蒸气羽烟压制易造成焊缝凹陷和下榻，本发明的焊接装置在熔池上方形成的负压可快速将蒸气羽烟抽吸扩散，提高焊接过程的稳定性，减少飞溅并增加焊缝熔深，同时，熔池上方为负压时，熔池金属不易凹陷下榻，通过调整负压大小吸附熔池金属，可调节焊缝正反面余高，控制焊缝成形；通过保护气流道喷射焊接保护气体，可排出熔池周边空气，实现焊缝保护提高焊缝质量；激光通道中部的气流导向环和焊接装置上部的横吹气帘缝高速喷射的气流可有效避免焊接飞溅及烟尘对上方焊接头镜片造成污染。

附图说明

下面结合附图详述本发明的具体结构

图1为本发明的焊接装置剖面的结构示意图；

图2为本发明的焊接装置结构爆炸的结构示意图；

图3为本发明的焊接装置剖面的结构示意图；

图4为本发明的焊接装置剖面的结构示意图；

图5为本发明的焊接装置使用安装的结构示意图；

图6为本发明的焊接装置使用方法的流程示意图。

在所有附图中相同的标号指示相似或相应的特征或功能。

图中：100-用于激光焊羽烟抑制和焊缝成形控制的焊接装置、1-连接环、2-气帘板、3-导向环、4-正压环、5-负压环、6-内气环、7-气嘴、8-保护气环、9-外气环、10-透气网、11-环形气帘环、12-喷气环、111-环形气帘进气口、121-喷气孔、1211-环形气帘缝、101-负压流道、102-正压流道、103-保护气流道、104-环形气帘流道、127-抽气口、21-横吹气进气口、22-连通孔、23-横吹气缝、24-气窗、41-正压气进气口、42-正压气槽、51-负压装置接口、52-负压气槽、61-负压通气孔、62-正压通气孔、65-连通腔、76-喷射腔、761-汇聚腔、762-环形喷口、81-保护气进气口、82-保护气槽、91-保护气通气孔、910-上保护气腔、911-环形气帘气腔、912-下保护气腔、986-负压腔、9111-气帘气槽、9112-环形气缝、200-焊接头、201-激光束、300-安装支架、400-工件。

实施例1

为详细说明本发明的技术内容、构造特征、所实现目的及效果，以下结合实施方式并配合附图详予说明。

请参阅图1至图4，本发明提供的一种抑制激光焊羽烟和控制焊缝成形的焊接装置，该焊接装置包括连接环1、气帘板2、导向环3、正压环4、负压环5、内气环6、气嘴7、保护气环8、外气环9、透气网10、环形气帘环11、喷气环12，其中，连接环1、导向环3、正压环4、负压环5、内气环6、保护气环8、外气环9、环形气帘环11、喷气环12顺次同轴安装，中部形成激光通道，气帘板2安装于所述连接环1与所述导向环3之间，透气网10同轴安装于外气环9内部。

在本实施例中，连接环1上设置有横吹气进气口21、连通孔22、气窗23以及用于安装所述气体装置的螺丝孔；正压环4上设置有正压气进气口41、正压气槽42；负压环5上设置有负压装置接口51、负压气槽52，其中，负压装置接口51为两侧对称设置；内气环6设置有若干个负压通气孔61和正压通气孔62，负压通气孔61数量为4个，气孔直径为4mm，正压通气孔65数量为8个，气孔直径为2mm。保护气环8上设置有保护气进气口81、保护气槽82，其中，保护气进气口81为两侧对称设置。外气环9上圆周均布设置有若干个保护气通气孔91，保护气通气孔91数量为8个，气孔直径为2mm。环形气气帘环11上两侧对称设置有环形气帘进气口111，喷气环12上均匀密布设置有喷气孔121，喷气孔121气孔直径为1.5mm。气帘板2安装于连接环1与导向环3之间形成横吹气缝23，内气环6与负压环5之间形成连通腔65，气嘴7安装于内气环6下端形成喷射腔76，外气环9、保护气环8及内气环6之间形成负压腔986，喷气环12与喷嘴7之间形成抽气口127，透气网10安装于外气环9内部后形成上保护气腔910，喷气环12安装于外气环9下端后，喷气环12、外气环9及透气网10之间形成下保护气腔912，外气环9与环形气帘环11安装后形成环形气帘气腔911，喷气环12与环形气帘环11之间形成环形气帘缝1211。气体装置内部各腔体之间连通后分别形成负压流道101、正压流道102、保护气流道103、环形气帘流道104、横吹气帘流道105。

该气体装置的原理为：本发明焊接装置可在熔池上方形成一定的负压效果，熔池上方产生的负压包括负压流道101与外部负压装置连通提供的负压、装置下端中部环形喷口762气流高速向上喷射时在气嘴7喷口处形成的负压、装置下端外侧环形气帘缝1211气流高速向外喷射时与工件板面之间形成的负压，其中，负压流道101抽气口127处可获得的负压效果最佳、抽气排量最大，焊接过程中产生的蒸气羽烟大部分可经负压流道101排出，在进行蒸气羽烟抑制扩散的同时，为了得到良好的焊缝保护，还需由保护气流道103提供惰性气体，从喷气孔121喷出的惰性保护气体可排出熔池周边的空气，达到保护焊缝的目的，同时，为了维持熔池上方的负压效果，喷气孔121喷出的惰性保护气体流量不宜过大。通过采用负压对焊接蒸气羽烟进行抑制，可减少蒸气羽烟对入射激光束201的干扰并提高熔池激光小孔的稳定性，可增加焊缝熔深，减少焊接飞溅，另外，通过调节外部负压装置及气体装置的进气压力，可调节熔池上方的负压大小，实现对熔池金属不同程度的吸附作用，调节焊缝正反面余高控制焊缝成形。由于环形喷口762气流高速向上喷射时，焊接时，气流中夹带的焊接飞溅及烟尘易射向上方焊接头镜片造成污染，为了避免气流沿激光通道中部向上喷射，设置有导向环3使气流沿导向环3外侧向上喷射，并经连接环1阻挡后由气窗24排出，为了进一步减少向上的飞溅和烟尘，还设置有横吹气缝23喷射高速气流进行防护。

该焊接装置内部各流道气体流向为：

负压流道101气体流向为，气流从抽吸口127进入负压腔986，再通过负压通气孔61汇聚于负压气槽52，最后从负压装置接口51处进入外部负压装置排出。

正压流道102气体流向为，气流从正压气进气口41进入正压气槽42，气流在正压气槽42中扩散后经过连通腔65进入正压通气孔62，气流从正压通气孔62喷出后汇聚于汇聚腔761，最后从环形喷口762喷出。

保护气流道103气体流向为，气流从保护气进气口81进入保护气槽82，气流在保护气槽82中扩散后经过保护气通气孔91进入上保护气腔910，上保护气腔910内的气流经过透气网10扩散至下保护气腔912，最后从喷气孔121喷出。

环形气帘流道104气体流向为，气流从环形气帘进气口111进入气帘气槽9111，气流在气帘气槽9111内扩散后进入环形气缝9112，最后从环形气帘缝1211喷出。

横吹气帘流道105气体流向为，气流从横吹气进气口21进入连通孔22后由横吹气缝23喷出，最后经过气窗24排出。

请参阅图5和图6所示，本发明还提供一种抑制激光焊羽烟和控制焊缝成形的焊接装置的焊接方法，该方法所采用的装置包括所述气体装置100，焊接头200、安装支架300以及工件400，包括以下步骤：

S1：通过安装支架300将气体装置100同轴安装于焊接头200下方；

S2：移动焊接头200至工件400焊缝上方并调节激光束201至预设焦点位置；

S3：调节安装支架300将气体装置100下端面调节至工件400板面上方预设高度；

在本实施例中，气体装置100下端面与工件400板面之间的高度为4mm。

S4：将各进气口与对应气体相连接并调节至预设压力值；

在本实施例中，正压气进口41通入的压缩空气压力为0.7MPa，保护气进气口81通入的保护气压力为0.3MPa，环形气帘进气口111通入的压缩空气压力为0.7MPa，横吹气进气口21通入的压缩空气压力为0.5MPa。

S5：将负压装置接口51与外部负压装置相连接；

S6：打开各路气体并启动外部负压装置，输入激光焊接参数后启动焊接程序进行激光焊接，观察焊接过程蒸气羽烟抑制情况及焊缝成形效果，若发现异常，则返回步骤S2进行优化调整。

实施例2

导向环3位于所述环形喷口762上方，可对从环形喷口762高速喷出的气流进行导向，使高速气流沿导向环762外侧向上喷射，避免高速气流在激光通道中部向上高速喷射污染上方焊接头镜片。

实施例3

负压流道101包括顺次连通的负压装置接口51、负压气槽52、负压通气孔61、负压腔986、抽气口127，其中，通过设置负压气槽52及圆周均布的若干负压通气孔61可使负压效果更加均匀。焊接时，负压流道101与外部负压装置(如真空泵等)相连接，可对焊接过程中产生的羽烟进行抽吸，减少焊接飞溅，增加焊接深度，抽气口127直径为23mm。

实施例4

正压流道102包括顺次连通的正压气进气口41、正压气槽42、连通腔65、正压通气孔62、喷射腔76，其中，喷射腔76又包括汇聚腔761和环形喷口762，通过设置正压气槽42及圆周均布的若干正压通气孔62可使气流更加均匀。焊接时，正压流道102通入压缩空气，可在环形喷口762处向上高速喷出气流，在气嘴7中部形成负压，对下方焊接产生的羽烟具有抽吸作用，气嘴7中部的喷口直径为4mm，环形喷口762外径为7mm，喷口间隙为0.5mm。

实施例5

保护气流道103包括顺次连通的保护气进气口81、保护气槽82、保护气通气孔91、上保护气腔910、透气网10、下保护气腔912、喷气孔121，其中，通过设置保护气槽82及圆周均布的若干保护气通气孔91可使保护气流更加均匀，同时，由于保护气流喷射面积较大，需通过透气网10使保护气流进一步均匀化。焊接时，保护气流道103通入焊接保护气，可从喷气孔121喷出焊接保护气，排出熔池周边空气，保护焊缝提高焊缝质量。

实施例6

环形气帘流道104包括顺次连通的环形气帘进气口111、环形气帘气腔911、环形气帘缝1211，其中，环形气帘腔911又包括气帘气槽9111和环形气缝9112，通过设置气帘气槽9111可使气流扩散均匀，同时为了使气流进一步均匀化，设置有较小间隙的环形气缝9112。焊接时，环形气帘流道104通入压缩空气，可在环形气帘缝1211处高速喷出气流，在气流下方形成负压，对焊接过程中产生的蒸气羽烟具有抽吸作用，环形气缝9112间隙为0.5～1mm，环形气帘缝1211间隙为0.2mm。

实施例7

横吹气帘流道105包括顺次连通的横吹气进气口21、连通孔22、横吹气缝23。横吹气帘流道通105入压缩空气，可在横吹气缝23处高速喷出气流，对焊接过程中产生的向上的飞溅及烟尘进行屏蔽，起到保护上方焊接头镜片的作用，横吹气缝23间隙为0.3mm，气体装置100外径为62mm。

综上所述，本发明提供的抑制激光焊羽烟和控制焊缝成形的焊接装置及焊接方法，该装置的内部具有顺次连通的负压流道、正压流道、保护气流道、环形气帘流道、横吹气帘流道，通过各流道之间的合理配置，在进行激光焊接时，可在熔池上方形成负压效果，可实现对焊接过程中蒸气羽烟的有效抑制并调节焊缝成形。相比于常规的单纯正压气蒸气羽烟压制易造成焊缝凹陷和下榻，本发明气体装置在熔池上方形成的负压可快速将蒸气羽烟抽吸扩散，提高焊接过程的稳定性，减少飞溅并增加焊缝熔深，同时，熔池上方为负压时，熔池金属不易凹陷下榻，通过调整负压大小吸附熔池金属，可调节焊缝正反面余高，控制焊缝成形；通过保护气流道喷射焊接保护气体，可排出熔池周边空气，实现焊缝保护提高焊缝质量；激光通道中部的气流导向环和气体装置上部的横吹气帘缝高速喷射的气流可有效避免焊接飞溅及烟尘对上方焊接头镜片造成污染。

此处第一、第二……只代表其名称的区分，不代表它们的重要程度和位置有什么不同。

此处，上、下、左、右、前、后只代表其相对位置而不表示其绝对位置

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种抑制激光焊羽烟和控制焊缝成形的焊接装置，其特征在于，包括连接环、气帘板、导向环、正压环、负压环、内气环、气嘴、保护气环、外气环、透气网、环形气帘环、喷气环，其中，所述连接环、导向环、正压环、负压环、内气环、保护气环、外气环、环形气帘环、喷气环顺次同轴安装，中部形成激光通道，所述气帘板安装于所述连接环与所述导向环之间，所述透气网安装于所述外气环内部。

2.根据权利要求1所述的抑制激光焊羽烟和控制焊缝成形的焊接装置，其特征在于，所述连接环上设置有横吹气进气口、连通孔、气窗以及用于安装所述气体装置的螺丝孔；所述正压环上设置有正压气进气口、正压气槽；所述负压环上设置有负压装置接口、负压气槽；所述内气环设置有至少一个负压通气孔和正压通气孔；所述保护气环上设置有保护气进气口、保护气槽；所述外气环上圆周上设置有至少一个保护气通气孔；所述环形气气帘环上设置有环形气帘进气口；所述喷气环上均匀密布设置有喷气孔。

3.根据权利要求2所述的抑制激光焊羽烟和控制焊缝成形的焊接装置，其特征在于，该装置内部包括顺次连通的负压流道、正压流道、保护气流道、环形气帘流道、横吹气帘流道。

4.根据权利要求3所述的抑制激光焊羽烟和控制焊缝成形的焊接装置，其特征在于，所述负压流道包括顺次连通的所述负压装置接口、所述负压气槽及所述负压通气孔、负压腔、抽气口，所述负压流道与外部负压装置连接。

5.根据权利要求3所述的抑制激光焊羽烟和控制焊缝成形的焊接装置，其特征在于，所述正压流道包括顺次连通的所述正压气进气口、所述正压气槽、所述连通腔、所述正压通气孔、喷射腔，其中所述喷射腔包括汇聚腔和环形喷口。

6.根据权利要求3所述的抑制激光焊羽烟和控制焊缝成形的焊接装置，其特征在于，所述保护气流道包括顺次连通的所述保护气进气口、所述保护气槽、所述保护气通气孔、上保护气腔、所述透气网、下保护气腔及所述喷气孔。

7.根据权利要求3所述的抑制激光焊羽烟和控制焊缝成形的焊接装置，其特征在于，所述环形气帘流道包括顺次连通的所述环形气帘进气口、环形气帘气腔、环形气帘缝，其中环形气帘腔还包括气帘气槽和环形气缝。

8.根据权利要求3所述的抑制激光焊羽烟和控制焊缝成形的焊接装置，其特征在于，所述横吹气帘流道包括顺次连通的所述横吹气进气口、所述连通孔及横吹气缝。

9.根据权利要求1和5所述的抑制激光焊羽烟和控制焊缝成形的焊接装置，其特征在于，所述导向环位于所述环形喷口上方。

10.一种抑制激光焊羽烟和控制焊缝成形的焊接方法，其特征在于，所述方法采用如权利要求1-9任一项所述的焊接装置、焊接头、安装支架以及工件；所述方法包括以下步骤：

S1：通过安装支架将焊接装置同轴安装于焊接头下方；

S2：移动焊接头至工件焊缝上方并调节激光束至预设焦点位置；

S3：调节安装支架将焊接装置下端面调节至工件板面上方预设高度；

S4：将各进气口与对应气体相连接并调节至预设压力值；

S5：将负压装置接口与外部负压装置相连接；

S6：打开各路气体并启动外部负压装置，输入激光焊接参数后启动焊接程序进行激光焊接，观察焊接过程蒸气羽烟抑制情况及焊缝成形效果，若发现异常，则返回步骤S2进行优化调整。

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