CN110856885A - 一种激光-电弧复合焊接气体保护装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种激光‑电弧复合焊接气体保护装置及方法，属于焊接技术领域。本发明激光‑电弧复合焊接气体保护装置包括沿周向设置的至少三个保护气喷管，所有保护气喷管能够共同形成围绕熔池的环形保护气流。本发明激光‑电弧复合焊接气体保护方法是形成围绕熔池的环形保护气流。本发明在环形气流的约束下，保护气流散的现象得到极大改善，焊缝处保护气的浓度与冷却效果得到增强，对高温熔池的保护效果更佳。同时，高速环状运动的气流，有助于复合焊中等离子体向四周漂移，可有效避免因等离子体漂移所导致的对焊接激光的屏蔽效应，能够实现更为高效的激光‑电弧复合焊接。

Description

一种激光-电弧复合焊接气体保护装置及方法

技术领域

本发明涉及焊接技术领域，尤其涉及一种激光-电弧复合焊接气体保护装置及激光-电弧复合焊接气体保护方法。

背景技术

先进复合材料由于高比强度、优良的疲劳性能等一系列优点，使其在继铝合金、钛合金后成为大型飞机的又一重要结构材料，可起到减轻机体重量，延长维护间隔时间及降低运行成本的目的，带来多方面的综合效益。复合材料越来越多地应用于飞机主承载结构上，其应用范围与水平也成为衡量大型飞机先进性的重要标志之一。Invar合金(因瓦合金)作为一种含Ni 35-36％的镍基合金，具有与复合材料相近的热膨胀系数，且Invar钢模具具有较长的服役寿命和低的生产成本，逐渐广泛应用于大型复合材料结构件的生产制造。由于大型飞机复合材料的尺寸都较大，为满足生产需要，大尺寸、大厚度的Invar合金模具的加工成型成为一大难题，焊接是较为常用的一种方法。大量研究结果表明，传统的针对大厚板的多层多道电弧焊存在焊缝晶粒粗大、熔深较浅、焊后变形严重、生产效率低下等问题。特别是在Invar合金厚板焊接过程中，由于母材Ni含量较高导致熔池液态金属流动性较差、润湿效果差，极易产生未焊透、根部未熔合等缺陷，焊件残余应力也较大。

针对此问题，常采用激光-MIG(熔化极惰性气体保护焊，metal inert-gaswelding)复合焊这一新型高效的焊接工艺对厚板Invar合金模具进行成型加工。激光和MIG电弧作为双重热源同时作用在一个熔池中，通过激光引导并稳定电弧，同时，电弧又能够提高焊件对激光的吸收率，增强熔滴过渡桥接能力。复合焊技术将物理机制与能量传输机制截然不同的两种热源复合在一起，同时作用于同一加工位置，既充分发挥了电弧焊和激光焊的优势，又弥补了各自的不足，能较好地满足Invar合金模具的生产加工需求，极具应用前景。同时，采用激光-MIG复合焊易于实现厚板窄间距焊接，可有效减小传统复合焊接熔池过宽、HAZ过大的缺陷；避免Invar合金模具在交变热载荷服役条件下热裂纹缺陷的产生。

在TIG或MIG焊接中，保护气体直接影响电弧焊接特性，同时对高温熔池的良好保护避免了焊缝与空气接触导致的吸氢、吸氧，决定了焊接工艺稳定性、焊缝成型和接头性能。显然，在激光-MIG复合焊接工艺中，保护气体对工艺过程和焊缝成型同样具有重要的影响和作用，其研究具有重要的理论与工程意义。目前已有的使用保护气体进行高温熔池保护的技术通常是在焊接头侧面加装保护气体导管，像熔池喷射保护气体，避免高温熔池与空气接触，从而保证焊缝成型与接头性能。该方法是在熔池上空形成一定厚度的保护气层，但气体流速不能太高，因此不能有效地控制等离子体的漂移及其产生的激光屏蔽作用，对高温熔池的保护效果不佳。

发明内容

本发明的目的在于提出一种能够对焊接形成更有效气体保护的激光-电弧复合焊接气体保护装置及激光-电弧复合焊接气体保护方法。

为达此目的，一方面，本发明采用以下技术方案：

一种激光-电弧复合焊接气体保护装置，包括沿周向设置的至少三个保护气喷管，所有所述保护气喷管能够共同形成围绕熔池的环形保护气流。

进一步地，各个所述保护气喷管的喷气方向均为同一圆柱体、同一圆台或者同一圆锥的切线方向。

进一步地，所述激光-电弧复合焊接气体保护装置还包括安装架，各个所述保护气喷管均设置于所述安装架上；各个所述保护气喷管均能够相对于所述安装架在水平方向运动、在竖直方向运动和/或转动。

进一步地，所述安装架包括中空的主体和设置于所述主体外周的多个安装臂，各个所述安装臂上均设置有水平滑槽，所述保护气喷管能够通过滑块相对于所述水平滑槽滑动。

进一步地，所述保护气喷管可转动地设置于所述滑块上。

进一步地，所述滑块的上端面设置凹槽，所述凹槽远离所述保护气喷管的一端的槽壁上沿周向设置有多个卡槽，所述保护气喷管上设置有卡片，所述卡片的端部能够分别与各个所述卡槽相配合。

进一步地，所述滑块上设置有竖直滑槽，所述激光-电弧复合焊接气体保护装置还包括调节件和螺母，所述调节件包括限位件和与所述限位件连接的螺柱，所述螺柱用于穿设于所述竖直滑槽和所述水平滑槽与所述螺母连接，所述螺柱沿远离所述限位件方向包括第一段和第二段，所述第一段能够卡设于所述竖直滑槽中，所述第一段的外径大于所述第二段的外径。

进一步地，所述限位件呈U形，U形的所述限位件用于卡设于所述滑块的外周，U形的所述限位件的侧壁的长度L小于或等于所述滑块的宽度D。

进一步地，所述安装架与激光头连接，且所有所述保护气喷管均匀分布于激光头的外周。

另一方面，本发明采用以下技术方案：

一种激光-电弧复合焊接气体保护方法，形成围绕熔池的环形保护气流。

本发明的有益效果如下：

本发明的激光-电弧复合焊接气体保护装置及方法能够在高温熔池上方形成围绕熔池布置的环形气流，环形气流的存在有助于保护气体的聚集，保护气与焊接部位的接触面积增大，可以有效地保护宽焊缝的成型质量；在环形气流的约束下，保护气体始终聚拢在熔池外围，这样将避免保护气流散的现象，增大焊缝处保护气的浓度与冷却效果；同时，有助于复合焊中等离子体沿环形气流向四周漂移，从而可有效避免因等离子体漂移所导致的对焊接激光的屏蔽效应，能实现更高功率条件的激光焊接，从而获得更高的焊接速度；另外，由于保护气体未直接吹向焊缝，因此气体流量和速度可适当增大，保护效果更高。

附图说明

图1是本发明具体实施方式提供的激光-电弧复合焊接气体保护装置配合于工作台时的结构示意图；

图2是图1的俯视图；

图3是保护气喷管配合形成环形气流的结构示意图；

图4是本发明具体实施方式提供的激光-电弧复合焊接气体保护装置的结构示意图之一；

图5是本发明具体实施方式提供的激光-电弧复合焊接气体保护装置的结构示意图之二；

图6是图5中A处的局部放大图；

图7是本发明具体实施方式提供的滑块与安装臂的组装结构示意图；

图8是本发明具体实施方式提供的滑块的结构示意图；

图9是本发明具体实施方式提供的限位件的结构示意图；

图10是图滑块与其上的保护气喷管的俯视图；

图11是采用本发明具体实施方式提供的激光-电弧复合焊接气体保护装置获得的焊接工件的接头的横截面的金相照片；

图12是采用本发明具体实施方式提供的激光-电弧复合焊接气体保护装置获得的焊接工件的接头的焊缝中心处的金相照片。

图中：

10、保护气喷管；11、主体管；12、喷嘴；13、卡片；

20、安装架；21、主体；22、安装臂；23、滑块；221、水平滑槽；231、竖直滑槽；232、凹槽；233、卡槽；

30、激光头；

40、调节件；41、限位件；42、螺柱；421、第一段；422、第二段；

50、螺母；

60、工作台；

70、工件；71、打底层；72、填充层；73、盖面层；

80、焊枪。

具体实施方式

下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。

本发明的具体实施方式提供了一种激光-电弧复合焊接气体保护方法，其优选但不局限为激光-MIG复合焊等需要气体保护的焊接的保护方法，该激光-电弧复合焊接气体保护方法是在焊接点上方形成环形保护气流。

本发明在高温熔池上方形成围绕熔池布置的环形气流，环形气流的存在有助于保护气体的聚集，保护气与焊接部位的接触面积增大，也就增大了保护气体的作用面积，可以有效地保护宽焊缝的成型质量；在环形气流的约束下，保护气体始终聚拢在熔池外围，这样将避免保护气流散的现象，增大焊缝处保护气的浓度与冷却效果；同时，有助于复合焊中等离子体沿环形气流向四周漂移，从而可有效避免因等离子体漂移所导致的对焊接激光的屏蔽效应，能实现更高功率条件的激光焊接，从而获得更高的焊接速度；另外，由于保护气体未直接吹向焊缝，因此气体流量和速度可适当增大，保护效果更高。

本发明的具体实施方式还提供了一种激光-电弧复合焊接气体保护装置，上述激光-电弧复合焊接气体保护方法可以基于该激光-电弧复合焊接气体保护装置实现。如图1至图3所示，图1和图2是本具体实施方式提供的激光-电弧复合焊接气体保护装置配合于工作台60上方时的结构示意图，该工作台60上设置有工件70和用于对工件70进行焊接的焊枪80，该激光-电弧复合焊接气体保护装置包括沿周向设置的至少三个保护气喷管10，所有保护气喷管10优选但不局限为沿周向均匀设置，所有保护气喷管10能够共同在熔池处形成环形保护气流。所有保护气喷管10的中心线优选为与激光头30轴线共线，即所有保护气喷管10均匀分布于激光头30的外周。可以通过如下布置方式保护气喷管10使其形成环形保护气流：各个保护气喷管10的喷气方向均为同一圆柱体、同一圆台或者同一圆锥的切线方向。可理解地，各个保护气喷管10的喷气方向与保护气喷管10的喷嘴的延伸方向一致。本具体实施方式中，保护气喷管10优选为包括沿竖直方向设置的主体管101和设置于主体管101下端且相对于主体管101弯折的喷嘴102。

为了方便所有保护气喷管10能够整体移动，如图4所示，激光-电弧复合焊接气体保护装置还包括安装架20，各个保护气喷管10均设置于安装架20上。安装架20优选为与激光头30连接(图4中未示出激光头30)，使各个保护气喷管10和激光头30在焊接过程中能同步运动。如图5所示，安装架20的主体21优选但不局限为中空结构，以供激光头30穿过。各个保护气喷管10分别能够相对于安装架20在水平方向运动、在竖直方向运动和转动，以适应多种焊接需求。其中，可以通过在水平方向移动保护气喷管10以改变保护气喷管10与熔池中心的相对位置，例如，向外移动保护气喷管10同时增大保护气体流量，可以适应焊缝坡口较大、熔池较宽的焊接等所需要保护的高温区域较大的情况；可以通过在竖直方向保护气喷管10以适应不同厚度的工件70，避免保护气喷管10与工件70发生干涉；可以通过转动保护气喷管10，以适应不同尺寸的坡口和熔池，例如当坡口较小或熔池较窄时，选择较小的旋转角度。当坡口较大时，选择较大的旋转角度，可保证气体保护面积足够大，同时保护气体流量可相对较大，能有效避免等离子体的漂移对激光的屏蔽作用。

保护气喷管10相对于安装架20运动的方式不限，请继续参阅图5，本具体实施方式中，通过如下结构实现保护气喷管10在水平方向相对于安装架20运动：安装架20还包括滑块23和设置于主体21外周的多个安装臂22，各个安装臂22上均设置有水平滑槽221，保护气喷管10设置于滑块23上，保护气喷管10能够通过滑块23相对于水平滑槽221滑动以调节保护气喷管10在水平方向的位置。本具体实施方式中，可以在安装臂22上沿水平方向设置第一刻度尺，以确定各个滑块23和保护气喷管10的移动距离并使得所有滑块23和保护气喷管10的位移保持一致。

请继续参阅图5，并结合参阅图7至图9，本具体实施方式中通过如下结构保护气喷管10在竖直方向相对于安装架20运动：滑块23上设置有竖直滑槽231，激光-电弧复合焊接气体保护装置还包括调节件40和螺母50，螺母50优选但不局限为蝶形螺母，调节件40包括限位件41和与限位件41连接的螺柱42，螺柱42用于穿过竖直滑槽231和水平滑槽221与螺母50连接，螺柱42沿远离限位件41方向包括第一段421和第二段422，第一段421能够卡设于竖直滑槽231中，第一段421的外径大于第二段422的外径。本具体实施方式中，可以在滑块23上沿竖直方向设置第二刻度尺，以确定各个滑块23和保护气喷管10的移动距离并使得所有滑块23和保护气喷管10的位移保持一致。限位件41优选但不局限为呈U形状，U形的限位件41用于卡设于滑块23外周，U形限位件41侧壁的长度L小于或等于滑块23的宽度D。

当需要调节滑块23在水平方向的位置时，松开螺母50在水平方向移动螺柱42即可；当需要调节滑块23在竖直方向的位置时，松开螺母50，使第二段422配合于竖直滑槽231中上下移动保护气喷管10即可。本具体实施方式滑块23通过调节件40和螺母50配合于安装臂22上，在工作过程中，结构牢靠，可以避免滑块23和保护气喷管10晃动；在调节过程中，松开螺母50即可实现滑块23和保护气喷管10在水平方向和竖直方向位置的调节，操作方便。

保护气喷管10优选为可转动地设置于滑块23上以调节保护气喷管10与熔池间的相对位置。请结合参阅图5、图6和图10，为了避免保护气喷管10在非需要时相对于滑块23转动，在滑块23的上端面设置凹槽232，凹槽232远离保护气喷管10的一端的槽壁上沿周向设置有多个卡槽233，保护气喷管10上设置有卡片13，卡片13的端部能够分别与各个卡槽233相配合。优选地，凹槽232贯通至保护气喷管10外侧，卡片13的下端支撑于凹槽232中。卡片13优选但不局限为兼具一定弹性和强度的材料制成，例如金属材料、橡胶材料、塑料材料等，以便于卡片13卡入卡槽233中及从卡槽233中退出。

卡槽233的数量和间距可根据具体需要的调节范围和精度进行设置，本具体实施方式中，卡槽233的数量为至少七个，卡片13的端部从两个相邻的两个卡槽233间转换能够使得保护气喷管10饶其轴线转动2°。可以在卡槽233旁侧标注度数，以确定各个保护气喷管10所处的位置。例如，中间的卡槽233作为卡片13所处的初始位置，其标注为0°，其一侧的三个卡槽233依次标注为2°、4°和6°，另一侧的三个卡槽233依次标注为-2°、-4°和-6°。

以下结合具体实验进一步介绍本发明的激光-电弧复合焊接气体保护装置：

工件70放置于焊接工作台60，其中焊接母材选用Ni含量为35.87％的Invar钢，尺寸为100mm×100mm×19.05mm，所开坡口为30°，钝边6mm，钝边间距为0.8mm。式样厚度较大，因此熔池较宽，所需保护的区域面积较大，相应调整滑块23的水平及竖直位置，保护气喷管10的偏转角度设定为6°。由于保护气体未直接吹向焊缝，而在熔池周围形成环形气流，因此气体流量可适当增大，采用26L/min、99.9％Ar。焊丝为Invar M93，Ni含量35.87％，直径1.2mm。焊接设备为KUKA机器人KR30HA、TPS-5000福尼斯焊机、IPG YLS-6000型光纤激光器；焊前对坡口附近进行精细打磨，去除试样表面残留的铁锈等杂质，使用丙酮擦拭、清洗试样，去除残余油污以确保试样表面清洁；之后进行焊接轨迹的示教与参数的设置，具体参数如下：

第一层(打底焊)：激光功率5500W，焊接电流240A、焊接电压24.3V、速度1m/min；

第二层(填充焊)：激光功率2400W，焊接电流250A、焊接电压24.6V、速度0.35m/min；

第三层(盖面焊)：激光功率2200W，焊接电流300A、焊接电压26.6V、速度0.35m/min；

Invar钢焊后宏观及接头形貌如图11和图12的金相照片所示，其中图11中，从下至上依次为打底层71、填充层72和盖面层73；总体上看，焊缝宏观形貌成形好，没有明显飞溅、咬边、夹渣及宏观裂纹缺陷，焊接接头横街面表现为典型的激光电弧复合焊接接头形貌，焊缝中心的等轴状线条及焊缝中心附近的柱状线条明显。本发明的气体保护装置对熔池焊缝具有良好的保护效果，可有效控制保护气体方向和流速，改善焊缝成型。

需要说明地是，本发明中，保护气喷管位置调节的方式并不局限于上述情况，可以实现保护气喷管在水平方向、竖直方向和/或可转动的结构均可。例如，其他实施方式中，可以是滑块自身能够沿水平滑槽滑动，保护气喷管可在竖直方向移动地设置于滑块上。保护气喷管沿滑块在竖直方向移动的方式不限，例如滑块上沿竖直方向设置多个第一连接部，保护气喷管上设置与第一连接部配合的第二连接部。

以上结合具体实施例描述了本发明的技术原理。这些描述只是为了解释本发明的原理，而不能以任何方式解释为对本发明保护范围的限制。基于此处的解释，本领域的技术人员不需要付出创造性的劳动即可联想到本发明的其它具体实施方式，这些方式都将落入本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种激光-电弧复合焊接气体保护装置，其特征在于，包括沿周向设置的至少三个保护气喷管，所有所述保护气喷管能够共同形成围绕熔池的环形保护气流。

2.根据权利要求1所述的激光-电弧复合焊接气体保护装置，其特征在于，各个所述保护气喷管的喷气方向均为同一圆柱体、同一圆台或者同一圆锥的切线方向。

3.根据权利要求1所述的激光-电弧复合焊接气体保护装置，其特征在于，所述激光-电弧复合焊接气体保护装置还包括安装架，各个所述保护气喷管均设置于所述安装架上；各个所述保护气喷管均能够相对于所述安装架在水平方向运动、在竖直方向运动和/或转动。

4.根据权利要求3所述的激光-电弧复合焊接气体保护装置，其特征在于，所述安装架包括中空的主体和设置于所述主体外周的多个安装臂，各个所述安装臂上均设置有水平滑槽，所述保护气喷管能够通过滑块相对于所述水平滑槽滑动。

5.根据权利要求4所述的激光-电弧复合焊接气体保护装置，其特征在于，所述保护气喷管可转动地设置于所述滑块上。

6.根据权利要求5所述的激光-电弧复合焊接气体保护装置，其特征在于，所述滑块的上端面设置凹槽，所述凹槽远离所述保护气喷管的一端的槽壁上沿周向设置有多个卡槽，所述保护气喷管上设置有卡片，所述卡片的端部能够分别与各个所述卡槽相配合。

7.根据权利要求4至6任一项所述的激光-电弧复合焊接气体保护装置，其特征在于，所述滑块上设置有竖直滑槽，所述激光-电弧复合焊接气体保护装置还包括调节件和螺母，所述调节件包括限位件和与所述限位件连接的螺柱，所述螺柱用于穿设于所述竖直滑槽和所述水平滑槽与所述螺母连接，所述螺柱沿远离所述限位件方向包括第一段和第二段，所述第一段能够卡设于所述竖直滑槽中，所述第一段的外径大于所述第二段的外径。

8.根据权利要求7所述的激光-电弧复合焊接气体保护装置，其特征在于，所述限位件呈U形，U形的所述限位件用于卡设于所述滑块的外周，U形的所述限位件的侧壁的长度L小于或等于所述滑块的宽度D。

9.根据权利要求3至6任一项所述的激光-电弧复合焊接气体保护装置，其特征在于，所述安装架与激光头连接，且所有所述保护气喷管均匀分布于激光头的外周。

10.一种激光-电弧复合焊接气体保护方法，其特征在于，形成围绕熔池的环形保护气流。

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