CN111992881B - 激光焊接用同轴吹气保护装置、激光焊接设备及激光焊接方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种激光焊接用同轴吹气保护装置、激光焊接设备及激光焊接方法，其包括：气盘，其开设有供激光通过的通光孔以及环绕所述通光孔均匀分布的喷气口；支架，其底部连接所述气盘的上端面；通气块，其连接所述支架的顶部，且所述通气块内开设有若干气路；若干通气管，每一通气管的两端分别对应连通一气路以及一喷气口；以及气路接头，其两端分别对应连通保护气气源以及通气块。本发明可以在焊接过程中实现对焊缝保护的最大化，使得焊缝表面颜色为白色，同时避免焊接过程中产生的飞溅粘连到气盘。

Description

激光焊接用同轴吹气保护装置、激光焊接设备及激光焊接 方法

技术领域

本发明涉及激光焊接领域，具体为一种激光焊接用同轴吹气保护装置、激光焊接设备及激光焊接方法。

背景技术

在压力容器类产品(如压力容器、酿酒罐体)的激光焊接中，一般都是采用惰性气体进行保护，以确保焊缝质量。

目前常规的保护气保护方式主要分为旁轴侧吹、同轴吹气、真空手套箱、旁轴和同轴复合吹气等。其中同轴吹气可以对复杂图形焊接进行吹气保护，操作方便、结构相对简单，是使用最广泛的吹气保护方式。

而不同结构的同轴吹气保护装置对焊缝的保护效果不同，如对不锈钢进行激光焊接时，采用不用结构的同轴吹气保护装置可得到不同的表面颜色。而不同的表面颜色可以反映出焊接过程中熔池被氧化的程度，熔池被氧化的程度又直接影响到焊缝的力学性能及耐腐蚀性。但现有技术中采用同轴吹气保护装置得到的焊缝表面颜色几乎均为蓝黑色，不能直接得到白色的焊缝表面，因此产品在焊接完成后还需要进行酸洗才能让焊缝呈现亮白色，由此增加了额外的工序和成本。

同时，在采用同轴吹气保护装置时，若其气盘离工件表面较近，则焊接过程产生的、高温融化状态下的飞溅接触到气盘后就会粘连到气盘上，长时间焊接后容易出现飞溅堆积过多，在保护气盘上形成焊渣，进而堵塞喷气孔，进而影响保护气保护效果的情况，甚至会出现焊渣过大，与焊缝融合到一起，导致焊缝上出现焊瘤，影响产品质量。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供了一种激光焊接用同轴吹气保护装置及激光焊接设备及激光焊接方法，其可以在焊接过程中实现对焊缝保护的最大化，使得焊缝表面颜色为白色，同时避免焊接过程中产生的飞溅粘连到气盘。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

提供了一种同轴吹气保护装置，其包括：气盘，其开设有供激光通过的通光孔以及环绕所述通光孔均匀分布的喷气口；支架，其底部连接所述气盘的上端面；通气块，其连接所述支架的顶部，且所述通气块内开设有若干气路；若干通气管，每一通气管的两端分别对应连通一气路以及一喷气口；以及气路接头，其两端分别对应连通保护气气源以及通气块。

优选的，所述通气块包括：第一通气块和第二通气块，其均连接所述支架的顶部，且第一通气块和第二通气块内均开设有若干气路。

优选的，所述喷气口的直径为3-8mm，且所有喷气口圆形分布，所形成的分布圆直径为20-30mm。

优选的，所述气盘的下端面与待焊接工件表面之间的距离为3-10mm。

优选的，所述同轴吹气保护装置还包括：冷却组件，其连接所述气盘，用于降低激光焊接过程中气盘的温度。

优选的，所述冷却组件包括：冷却介质进口单元，其两端分别对应连通冷却介质和环形流道；冷却介质出口单元，其两端分别对应连通环形流道和排放环境；

所述环形流道开设于所述气盘内部，且环绕所述喷气口以及通光孔设置。

优选的，所述同轴吹气保护装置还包括：喷嘴盖，其上开设有与喷气口对应的喷嘴孔以及用于与气盘底面连接的喷嘴安装孔。

优选的，所述通气管为铜管。

还提供一种包括上述同轴吹气保护装置的激光焊接设备。

还提供一种通过上述同轴吹气保护装置或激光焊接设备实现的激光焊接方法，其包括如下步骤：

S1、装配形成上述同轴吹气保护装置；

S2、调节气盘的下端面与待焊接工件表面之间的距离至3-10mm；

S3、开启冷却组件，使得冷却介质经冷却介质进口单元进入环形流道，然后再经冷却介质出口单元排出，同时启动激光焊接程序，激光通过通光孔进行焊接。

与现有技术相比，本发明具备以下有益效果：

本发明中的同轴吹气保护装置可以在焊接过程中实现对焊缝保护的最大化，使得焊缝表面颜色为白色，同时避免焊接过程中产生的飞溅粘连到气盘。

附图说明

图1为本发明同轴吹气保护装置的整体结构图；

图2为本发明同轴吹气保护装置的8根铜气管分布图；

图3为本发明同轴吹气保护装置的气盘截面图；

图4a-4c分别为对比例1-3的气盘截面图；

图5a-5e分别为本发明中的气盘与待焊接工件的距离为3mm、4mm、5mm、7mm、10mm时形成的焊缝；

图6a为本发明同轴吹气保护装置的喷嘴盖的A-A剖视图；

图6b为本发明同轴吹气保护装置的喷嘴盖的纵视图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1：

如图1-3所示，本实施例中的同轴吹气保护装置可用于压力容器类产品(包括压力容器、酿酒罐体等)的激光焊接中，其具体包括：气盘1(其整体可为不锈钢制成)，其整体为圆形或者其他规则几何形状，且所述气盘1中部开设有供激光通过的通光孔11以及环绕所述通光孔11均匀分布的喷气口12；支架2，其底部连接所述气盘1的上端面；通气块，其连接所述支架2的顶部，且所述通气块内开设有若干气路P；若干通气管3，每一通气管3的两端分别对应连通一气路P以及一喷气口12；以及气路接头4，其两端分别对应连通保护气气源以及通气块。

本实施例中，保护气气源提供的保护气(如惰性气体等)依次通过气路接头4、通气块的气路P、通气管3进入到气盘1中，进而通过喷气口12喷出；同时，若干通气管3同样围绕所述气盘1的通光孔11均匀分布，以在激光通过通光孔11进行焊接时实现同轴吹气保护，所述通气管3的数量可以为2-8个(本实施例中为8个)，其具体数量可根据实际焊接需要而定，同时，所述通气管3可以为铜管。

进一步的，所述通气块包括：第一通气块5和第二通气块6，其均连接所述支架2的顶部，且第一通气块5和第二通气块6内均开设有若干气路P(如图2所示，本实施例中，第一通气块5和第二通气块6内各开有4个气路P)。

由此，本实施例中的同轴吹气保护装置结构设计简单，拆装方便，并可通过均匀分布的通气管3、喷气口12实现同轴吹气保护，且能保证吹气均匀。

进一步的，为实现焊接保护气对焊缝的最大化保护，并使得焊缝表面呈白色，本实施例经过空气流体力学方面的模拟仿真以及实际的焊接实验验证，确定本实施例中喷气口12的直径为3-8mm(优选为5mm)，且所有喷气口12圆形分布，所形成的分布圆直径为20-30mm(优选为25mm)，且所述气盘1的下端面与待焊接工件表面之间的距离为3-10mm(优选为8mm)。

具体的，图4a-4c分别对应列出了对比例1-3的气盘喷气口的形状以及设置方式，其中，对比例1中的气盘包括环绕其通光孔P1(直径为10mm)、且沿径向、由内而外依次设置的10个斜向圆孔S1(直径3mm，正视图下为椭圆形，分布圆直径为25mm)、45个中间圆孔S2(直径2mm，分布圆直径为42mm)以及45个外围圆孔S3(直径2mm，分布圆直径为50mm)；对比例2中的气盘包括环绕其通光孔P2(直径为10mm)设置的4个圆孔S4(直径2mm，且4个圆孔S4圆心的连线形成边长为40mm的正方形)；对比例3中的气盘包括环绕其通光孔P3(直径为10mm)设置的8个斜向圆孔S5(直径1.5mm，正视图下为椭圆形，分布圆直径为12mm)，在所述通光孔P3左右两侧均梅花形布置的16个圆孔S6、S6’(直径2mm，且间距为10mm)。

对比例1-3与本实施例中的气盘在相同的保护气成分及流量大小下，离待焊接工件高度不同时，焊缝颜色见下表1所示。

表1气盘不同高度下的焊缝颜色

通过上表1可以看出，对比例1-3中的气盘与待焊接工件之间的距离增大时，所形成焊缝的颜色均不可避免的加深，直至成为黑色。其原因在于，在焊接过程中，当金属被加热汽化后，在熔池上方形成高温金属气云。而激光功率密度很大时，高温金属蒸汽在电磁场的作用下，会发生离解形成等离子云。等离子云对激光的吸收能力很强，使到达金属表面的激光能量减少，并且让焊接过程不稳定。保护气的作用，就是要压制等离子云的形成，并且在熔池金属凝固并降温低至一定温度以下(大概在300°以下)过程中，保护气的气团能继续隔绝空气，避免焊缝与空气中的氧气等气体发生化学反应。而对比例1-3中的焊缝颜色变紫、变黑，均是因为在熔池金属的降温过程中，由于气盘离工件的距离、喷气口的直径以及其分布方式未不是最有设置方案，因此导致保护气团未能充分隔绝空气隔绝，导致焊缝被氧化，尤其是与工件距离逐渐变大时，保护气团的成型变差，保护效果不稳定，导致焊缝的保护效果也随之变差。

而本实施例中的气盘1距离待焊接材料表面距离在3-10mm时，其焊接形成的焊缝表面颜色均为白色(图5a-5e分别示出了距离为3mm、4mm、5mm、7mm、10mm时的焊缝)，且气盘1上无挂渣、焊瘤，因此产品在焊接完成后无需进行酸洗及即可让焊缝呈现亮白色，由此大幅减少额外的工序和成本。其原因在于，本实施例对气盘离工件的距离、喷气口的直径以及其分布方式进行对应优化，并经过多次尝试验证后，确定喷气口12的直径为3-8mm(优选为5mm)，且所有喷气口12圆形分布，所形成的分布圆直径为20-30mm(优选为25mm)，且所述气盘1的下端面与待焊接工件表面之间的距离为3-10mm(优选为8mm)，使得形成的保护气气团能一直压制住等离子云，并形成相对较大面积的保护范围，以隔绝空气，使焊缝在降温的过程中保护气团的保护效果稳定、持续，使得焊缝不会被空气中的氧气氧化，使其一直保持白色或接近白色。

实施例2：

本实施例与实施例1的不同之处仅在于，如图3,6a-6b所示，本实施例中的同轴吹气保护装置还包括：冷却组件，其连接所述气盘1，用于降低激光焊接过程中气盘1的温度；以及喷嘴盖9，其上开设有与喷气口12对应的喷嘴孔15以及用于与气盘1底面可拆卸连接的喷嘴安装孔14，所述喷嘴盖9的可以保护气盘表面不被焊接产生的飞溅焊渣破坏，并可消耗品定期更换。

具体的，所述气盘1内部开设有环绕所述喷气口12以及通光孔11设置的环形流道13，所述冷却组件包括：冷却介质进口单元7，其两端分别对应连通冷却介质和环形流道13；冷却介质出口单元6，其两端分别对应连通环形流道13和排放环境；

所述冷却介质(包括冷却水等气态、液态介质)经冷却介质进口单元7进入环形流道13，然后再经冷却介质出口单元6排出，由此，所述冷却介质在环形流道13内流动时可带走气盘1的热量，以对激光焊接过程中的气盘1进行降温。

在高功率激光焊接过程中，焊接点传递给气盘1大量的热量，使得气盘1的温度很高。与此同时，焊接过程中产生的高温飞溅碰到高温的气盘1时，两者会粘连在一起。因此，在长时间的焊接过程中，气盘1上堆积得飞溅会越来越多，从而形成大量的焊渣粘连在气盘1上，进一步的，焊渣不断变大还会堵塞喷气孔，影响惰性气体的保护效果，严重的甚至会出现气盘1上的焊渣与焊接时的金属熔池相粘连，且不便于清理，进一步的，金属熔池冷却后，焊渣还会与焊缝融合在一起，造成焊缝上出现焊瘤的情况，从而影响产品质量。

而采用本实施例的冷却组件后，其通过冷却介质在环形流道13中的循环流动降低气盘1温度，使得气盘1的温度远低于焊接中产生的飞溅的温度，由此，当进行高功率激光焊接时，其产生的高温融化状态下的飞溅接触到气盘1后，会迅速遇冷凝固，进而直接掉落，而不会粘连在气盘1上产生气盘挂渣，由此也不会发生焊渣堆积、产生焊瘤，且不便清理、影响产品质量的情况。

实施例3：

本实施例提供了一种包括实施例1或2所述同轴吹气保护装置的激光焊接设备。

实施例4：

本实施例提供了一种通过实施例1或2中的同轴吹气保护装置或实施例3中的激光焊接设备实现的激光焊接方法，其包括如下步骤：

S1、装配形成所述实施例1或2中的同轴吹气保护装置；

S2、调节气盘1的下端面与待焊接工件表面之间的距离至3-10mm；

S3、开启冷却组件，使得冷却介质(包括冷却水等气态、液态介质)经冷却介质进口单元7进入环形流道13，然后再经冷却介质出口单元6排出，同时启动激光焊接程序，激光通过通光孔11进行焊接。

需要说明的是，上述实施例1至4中的技术特征可进行任意组合，且组合而成的技术方案均属于本申请的保护范围。且在本文中，诸如术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (7)

1.一种同轴吹气保护装置，其特征在于，包括：气盘，其开设有供激光通过的通光孔以及环绕所述通光孔均匀分布的喷气口；支架，其底部连接所述气盘的上端面；通气块，其连接所述支架的顶部，且所述通气块内开设有若干气路；若干通气管，每一通气管的两端分别对应连通一气路以及一喷气口；气路接头，其两端分别对应连通保护气气源以及通气块；以及冷却组件，其连接所述气盘，用于降低激光焊接过程中气盘的温度；

所述喷气口的直径为3-8mm，且所有喷气口圆形分布，所形成的分布圆直径为20-30mm；所述气盘的下端面与待焊接工件表面之间的距离为3-10mm；所述喷气口的数量为8个。

2.如权利要求1所述的同轴吹气保护装置，其特征在于，所述通气块包括：第一通气块和第二通气块，其均连接所述支架的顶部，且第一通气块和第二通气块内均开设有若干气路。

3.如权利要求1所述的同轴吹气保护装置，其特征在于，所述冷却组件包括：冷却介质进口单元，其两端分别对应连通冷却介质和环形流道；冷却介质出口单元，其两端分别对应连通环形流道和排放环境；

所述环形流道开设于所述气盘内部，且环绕所述喷气口以及通光孔设置。

4.如权利要求1所述的同轴吹气保护装置，其特征在于，所述同轴吹气保护装置还包括：喷嘴盖，其上开设有与喷气口对应的喷嘴孔以及用于与气盘底面连接的喷嘴安装孔。

5.如权利要求1所述的同轴吹气保护装置，其特征在于，所述通气管为铜管。

6.一种包括权利要求1-5任一项所述同轴吹气保护装置的激光焊接设备。

7.一种通过权利要求1-5任一项所述同轴吹气保护装置或权利要求6所述激光焊接设备实现的激光焊接方法，其包括如下步骤：

S1、装配形成所述权利要求1-5任一项所述的同轴吹气保护装置；

S2、调节气盘的下端面与待焊接工件表面之间的距离至3-10mm；

S3、开启冷却组件，使得冷却介质经冷却介质进口单元进入环形流道，然后再经冷却介质出口单元排出，同时启动激光焊接程序，激光通过通光孔进行焊接。

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