CN112108783B - 一种用于t型结构壁板双激光束双侧同步焊接的真空玻璃装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于蒙皮‑桁条T型结构双激光束双侧同步焊接的真空装置，属于激光焊接技术领域。该装置包括激光设备(1)、抽真空组件(2)、真空玻璃腔体(3)、装夹组件(4)、工作平台(5)和密封橡胶圈(6)，所述的装夹组件包括压条(41)、压板(43)，用于固定压板的立柱(42)、柱套(44)、活动柱(45)以及用于固定压条的夹具(46)。本发明的装夹组件采用两根压条和压板分别对蒙皮、桁条进行固定，固定压板的立柱、柱套固定于工作台，活动柱与柱套间相对位置可调整；本发明的真空玻璃腔体两侧为圆弧状的加工窗，双激光束可透过圆弧状加工窗对位于圆心的T型接头进行焊接，这种结构设计可最大程度减少激光反射。

Description

一种用于T型结构壁板双激光束双侧同步焊接的真空玻璃 装置

技术领域

本发明属于双激光束焊接领域，特别涉及一种用于蒙皮-桁条T型结构双激光束双侧同步焊接的真空装置。

背景技术

在航空航天大型复杂壁板舱体制造方面，激光焊接是此类材料和结构的理想连接工艺技术。激光焊接与传统铆接、机加工相比，具有减重效果显著、气密性好、疲劳性能高、生产效率高、容易实现自动化、柔性化等优点。特别在减重方面，使用激光焊接结构替代传统的铆接结构，在相同的结构刚度下，重量可减小约20％，并且成本降低近25％。对于激光焊接壁板，通常采用T型结构双激光束双侧同步焊接，与传统的T型结构单面焊接双面成型工艺不同，双激光束双侧同步焊接工艺可使焊接效率显著提高，且焊接过程中接头成形效果好。

近年来，随着大功率、高光束质量激光器制造技术的快速发展，其在船舶、核电、压力容器等工业领域厚板深熔焊方面的应用备受关注。但是，大功率激光焊接过程中，等离子体羽辉对激光的屏蔽作用增强，一方面，致密等离子体羽辉对激光的吸收和散射降低了激光能量的传输效率；另一方面，致密等离子体羽辉对激光的折射影响焊缝的成形。此外，合金材料激光深熔焊过程中匙孔的不稳定性和熔池的流动行为对焊缝气孔的影响也是学者们的研究焦点。近年来有研究表明，在真空环境下，激光焊缝的熔深显著增大，大大减弱了保护气氛下激光焊接时气孔缺陷的产生，提高了激光能量的利用率，适合于激光反射率高且易产生焊接气孔缺陷的金属材料的焊接。

中国专利CN105252143A公开了一种大功率真空激光焊接装置，该发明包括激光头、激光透射组件、真空室组件和工作台组件，为了解决现有真空激光焊接装置激光透射窗口保护不足，激光焊接喷射的等离子体蒸汽影响激光传输的问题。

中国专利CN105269147A公开了一种三维真空激光加工装置及采用该装置进行激光加工的方法，该发明为了解决现有的真空激光加工装置机械运动转复杂、难以快速精确地实现三维真空激光加工问题，采用了激光振镜装置控制激光束的移动，能快速精确地实现三维激光真空加工；采用了机械泵和分子泵相配合的抽真空方式，并且由数字化控制系统控制，可快速实现不同真空度的真空环境；采用水冷循环装置保证三维真空激光加工装置长时间稳定工作。

上述现有技术方案中普遍适用于对接、搭接的焊接方式，不适用于T型结构，且只适用于单激光束焊接，不适用于双激光束双侧同步焊接，且待焊件的装夹组件设计不合理，密封困难，造成真空腔体空间利用率低，需要抽真空的空间较大，真空腔体抽真空耗时长，焊接生产效率低等问题。

发明内容

针对于上述现有技术的不足，本发明旨在提供一种用于蒙皮-桁条T型结构双激光束双侧同步焊接的真空装置，该装置能使待焊件快速装夹，应用于蒙皮-桁条T型结构真空焊接。

为了达到上述目的，本发明的具体技术方案如下所述：

激光焊接设备，所述激光焊接设备位于真空玻璃腔体的圆弧状透明加工窗上方两侧，用于发射激光束；

抽真空组件，所述的真空玻璃腔体前端平面上开有一个连接孔，大小与抽真空组件中连接真空泵的管道大小相匹配，连接孔与管道之间可实现密闭连接；

真空玻璃腔体，真空玻璃腔体两侧为圆弧状的透明加工窗，圆弧状透明加工窗的圆心即为T型结构待焊焊缝处，考虑到密封性要求，圆弧状透明加工窗与真空玻璃腔体一体化制造；

工作平台，真空玻璃腔体与工作平台大小尺寸一致，两者之间通过适配的密封橡胶圈实现紧闭连接固定，确保在抽真空时不漏气。

优选的，所述激光焊接设备的两束激光束以一定角度对焊件待焊处进行双激光束双侧同步焊接，根据实际要求，可以对焊接角度进行调节，且保证激光束始终垂直于圆弧状透明加工窗表面，最大程度减少激光反射。

优选的，所述装夹组件分为固定蒙皮部分装夹和固定桁条装夹部分，固定蒙皮装夹部分包括压条和用于固定压条的夹具，蒙皮通过两条对称分布的压条进行固定，两条压条通过夹具进行固定，夹具一端固定于工作平台上，另一端通过紧定螺钉对压条进行固定。

优选的，所述装夹组件分为固定蒙皮部分装夹和固定桁条装夹部分，固定桁条装夹部分包括压板以及用于固定压板的立柱、柱套、活动柱，压板一端通过螺母和螺栓固定于立柱上，根据桁条高度尺寸，调整螺栓、螺母在立柱上位置，使压板一端紧紧固定桁条，压板另一端通过螺栓、螺母与活动柱上端进行连接固定，下端与柱套通过两个紧固螺钉进行固定。

优选的，抽真空组件包括真空泵、真空表以及放气阀，真空泵通过大小适配、可紧密连接的管道连接与真空玻璃腔体上的连接孔相连接，管道上连接真空表和放气阀，实现对真空玻璃腔体内的抽真空。

本发明带来的有益技术效果：

1、本发明的用于蒙皮-桁条T型结构双激光束双侧同步焊接装置的装夹组件，根据蒙皮和桁条的大小尺寸设计合适的装夹组件，压板两端通过立柱、活动柱、柱套实现固定，立柱与柱套固定于工作平台上，活动柱下端与柱套相连，通过两根紧定螺钉进行固定，可根据桁条的高度，调整活动柱与柱套的高度。该夹具充分利用了真空玻璃腔体的空间，提高了空间利用率，抽真空耗时短，且可根据不同待焊件的高度自行调节夹具夹持高度。

2、本发明优选的，采用真空玻璃腔体与圆弧状透明加工窗一体化制造，杜绝了加工窗与真空玻璃腔体之间的缝隙造成抽真空时漏气的可能，因为焊接烟尘较大，需定期对真空玻璃腔体进行清洗，真空玻璃腔体与加工窗一体化避免了拆卸的麻烦，清洗较方便，同时圆弧状透明加工窗的圆心处为待焊件，双激光束垂直于加工窗表面进行双侧同步焊接，尽可能减少激光束反射，提高了激光能量利用率，减小能量损耗。

3、本发明根据T型结构设计的T型真空玻璃腔体尽可能减小了多余不必要空间的存在，尽可能提高了空间利用率，抽真空耗时短。

附图说明

图1为本发明用于蒙皮-桁条T型结构双激光束双侧同步焊接的真空装置的结构示意图(不包括抽真空组件)。

图2和图3分别为本发明用于蒙皮-桁条T型结构双激光束双侧同步焊接的真空装置的正视图和侧视图。

图4为本发明装夹组件的结构示意图。

图5为本发明压条夹具的结构示意图。

图6为本发明活动柱与柱套的组合结构示意图。

附图标记：1为激光焊接设备、2为抽真空组件、3为真空玻璃腔体、4为装夹组件、5为工作平台、6为密封橡胶圈；

21为真空泵、22为真空表、23为放气阀、24为管道；

31为连接孔、32为透明玻璃加工窗；

41为压条、42为立柱、43为压板、44为柱套、45为活动柱、46为压条夹具。

具体实施方式：

为了便于本领域技术人员的理解，下面结合实施例与附图对本发明作进一步的说明，实施方式提及的内容并非对本发明的限定。

参照图1、图2和图3所示，本发明为一种用于蒙皮-桁条T型结构双激光束双侧同步焊接的真空装置，装置及流程如下所述：

一种用于蒙皮-桁条T型结构双激光束双侧同步焊接的真空装置，包括激光焊接设备(1)、抽真空组件(2)、真空玻璃腔体(3)、装夹组件(4)和工作平台(5)。激光焊接设备(1)位于真空玻璃腔体(3)上方两侧，所述的抽真空组件(2)通过管道与所述的真空玻璃腔体(3)密封连接。该装置特征在于：真空玻璃腔体(3)两侧为圆弧状的透明玻璃加工窗(32)；所述的装夹组件(4)包括压条(41)、压板(43)，以及用于固定压板(43)的立柱(42)、活动柱(45)和柱套(44)；真空玻璃腔体(4)下部尺寸与工作平台(5)尺寸一样。

首先对蒙皮以及桁条进行焊前状态尺寸的精确测量，确定蒙皮、桁条T型结构位置，精确量取记录相关尺寸信息。根据蒙皮、桁条的尺寸，对真空玻璃腔体(3)、装夹组件(4)、工作平台(5)进行精确的尺寸设计，并加工得到相应部件。其次确定装夹组件(4)中立柱(42)和柱套(44)的位置，通过焊接的方式将其固定于工作平台上；确定蒙皮的位置，将其平行静置于工作平台上，将两根压条(41)对称放置于蒙皮上，并用夹具(46)对压条进行固定，从而使蒙皮紧固于平台之上；确定桁条的位置以及T型结构位置，将其沿焊接位置垂直放置于蒙皮上，将压板(43)放置于桁条上，分别用两副螺栓、螺母对压板两端进行固定，根据实际所需，调节压板(43)一端螺栓、螺母与立柱(42)螺丝槽的位置以及活动柱(45)与柱套(44)的位置，从而得到合适的压板(43)高度；用紧固螺钉旋入压板(43)上的螺纹孔，对桁条进行固定，使其垂直紧固于蒙皮上。然后将真空玻璃腔体(2)与平台(5)紧密合拢，在外部用橡胶圈(6)进行密封处理。之后将抽真空组件中的管道(24)与连接孔(31)紧密连接，开启真空泵(21)，进行抽真空处理。待腔体内真空度达到要求后，校准焊接位置、离焦量和入射角度等，一切调试完成后，对上述T型结构焊缝进行双激光束双侧同步焊接；真空泵一直运行至焊接过程完全结束。焊接完成后，关闭真空泵(21)，打开放气阀(23)，拆除焊接装置并取出焊件。

以下以一种用于蒙皮-桁条T型结构壁板双激光束双侧同步焊接的真空装置为实例，阐述本发明的装配与使用完整流程。

首先对待焊件1、2精确量取尺寸大小，并确定T型结构位置，得蒙皮尺寸为10mm×250mm×1000mm，桁条尺寸为10mm×150mm×1000mm，T型接头在待焊件250mm边长的中间。根据蒙皮、桁条尺寸大小，确定真空玻璃腔体内部空间尺寸，腔体空间下部长方体尺寸为100mm×600mm×1400mm，腔体空间上部长方体尺寸为100mm×400mm×1400mm，腔体空间半圆型半径为150mm，真空玻璃腔体厚度为10mm；根据蒙皮、桁条尺寸大小，确定装夹组件各零件大小，两根压条尺寸为10mm×50mm×1200mm，压板尺寸为16mm×50mm×1100mm，在1100mm长度方向均匀开8个螺纹孔，螺纹孔径为6mm，立柱尺寸为50mm×50mm×200mm，立柱上开有尺寸、位置合适的螺纹槽，柱套内层尺寸为50mm×50mm×80mm，厚度为5mm，在高度40mm处各开两个直径为8mm的螺纹孔，活动柱尺寸为50mm×50mm×130mm，活动柱上端槽两侧各开直径为8mm的螺纹孔；工作平台尺寸为20mm×620mm×1420mm，并在工作平台合适位置开有用于固定夹具的孔洞，夹具用于固定压条，孔洞深度为15mm。

其次，确定蒙皮和桁条的位置，并由此确定立柱和柱套的确切位置，并用MIG焊对其进行焊接固定。将蒙皮放置于确定位置，将两根压条对称放置于蒙皮上，并通过夹具对两根压条进行固定，夹具一端钢柱插入预设置于工作平台上的孔洞，孔洞直径10mm，孔洞深度为15mm，与工作平台进行固定，另一端通过紧固螺钉对压条进行固定，从而使蒙皮紧固于工作平台上；桁条高度为150mm，将活动柱插入柱套中，深度位置为60mm，并用两个直径为8mm的螺丝旋入柱套的螺纹孔中，顶住活动柱对其进行固定，将桁条沿焊接位置垂直放置于蒙皮上，将压板居中放置于桁条上，并通过两副直径为8mm的螺纹柱和螺母将压板两端分别固定于立柱的螺纹槽内和活动柱上端，并将8个直径为6mm的螺丝旋入压板上8个尺寸对应的螺纹孔，旋至每个螺丝紧固桁条，从而是桁条垂直紧固于蒙皮上。

然后将真空玻璃腔体与工作平台紧密合拢，真空玻璃腔体外壳与工作平台尺寸契合，无多余部分。用厚度为5mm，宽度为40mm的大小合适的橡胶圈对真空玻璃腔体与工作平台结合处进行密封。

之后，将抽真空组件中管道一端与真空玻璃腔体前端平面的连接孔紧密连接，管道另一端与抽真空组件中的真空泵连接，管道上连接有放气阀和真空表。关闭放气阀，打开真空泵，对真空玻璃腔体进行抽真空，直至真空表参数显示为10-4Pa，准备进行焊接。

对双激光束进行焊接位置的校准，将双侧激光束光斑对准蒙皮与桁条垂直交界处，完成聚焦，调整双激光束入射角度均为30°，双激光束离焦量为-2mm，所用激光器调节功率为8000W，两束激光束功率各为4000W。焊接机器人为KUKA机器人，对KUKA机器人设置焊接速度为35mm·s-1，设定起始位置和终点位置。一切准备完成后，进行焊接。

焊接完成后，等焊件冷却至室温，关闭真空泵，打开放气阀，依次拆除橡胶圈，打开真空玻璃腔体，拆除压板，打开夹具，拆除压条，得到最终T型焊接结构。

真空玻璃腔体根据不同激光波长选择不同材料，包括但不限于ZnSe多晶材料和石英玻璃材料等，加工窗处镀有增透膜，要求激光透射率不低于99％，且厚度尺寸满足腔体真空状态下玻璃能承受的最大压强。

橡胶圈包括但不限于丁腈橡胶、氟化橡胶、氟硅橡胶、全氟橡胶和硅橡胶等材料。

工作平台、压条、夹具、压板、活动柱、柱套、立柱、螺丝等可采用黑色金属材料，包括但不限于冷作模具钢、热作模具钢和不锈钢等各种牌号的合金。

Claims (4)

1.一种用于蒙皮-桁条T型结构双激光束双侧同步焊接的真空装置，其特征在于，包括：

激光焊接设备(1)，所述激光焊接设备(1)位于真空玻璃腔体(3)的圆弧状透明加工窗上方两侧，用于发射激光束；

抽真空组件(2)，所述的真空玻璃腔体(3)前端平面上开有一个连接孔(31)，大小与抽真空组件(2)中连接真空泵(21)的管道(24)大小相匹配，连接孔(31)与管道(24)之间可实现密闭连接；

真空玻璃腔体(3)，真空玻璃腔体(3)两侧为圆弧状的透明加工窗(32)，圆弧状透明加工窗(32)的圆心即为T型结构待焊焊缝处，考虑到密封性要求，圆弧状透明加工窗(32)与真空玻璃腔体(3)一体化制造；激光焊接设备(1)的两束激光束以一定角度对T型结构待焊焊缝处进行双激光束双侧同步焊接，根据实际要求，可以对焊接角度进行调节，且保证激光束始终垂直于圆弧状透明加工窗(32)表面，最大程度减少激光反射；

装夹组件(4)，位于真空玻璃腔体内，对蒙皮-桁条T型结构进行装夹。

2.根据权利要求1所述的一种用于蒙皮-桁条T型结构双激光束双侧同步焊接的真空装置，其特征在于，包括：

所述装夹组件(4)分为固定蒙皮部分装夹和固定桁条装夹部分，固定蒙皮装夹部分包括压条(41)和用于固定压条的夹具(46)，蒙皮通过两条对称分布的压条(41)进行固定，两条压条(41)通过夹具(46)进行固定，夹具(46)一端固定于工作平台(5)上，另一端通过紧定螺钉对压条(41)进行固定。

3.根据权利要求1所述的一种用于蒙皮-桁条T型结构双激光束双侧同步焊接的真空装置，其特征在于，所述装夹组件(4)分为固定蒙皮部分装夹和固定桁条装夹部分，固定桁条装夹部分包括压板(43)以及用于固定压板(43)的立柱(42)、柱套(44)、活动柱(45)，桁条通过压板(43)与蒙皮紧紧垂直接触，压板(43)根据桁条长度设定螺纹孔个数，通过紧定螺钉对桁条进行均匀固定，压板(43)一端通过螺母和螺栓固定于立柱(42)上，根据桁条高度尺寸，调整螺栓、螺母在立柱(42)上位置，使压板(43)一端紧紧固定桁条，压板(43)另一端通过螺栓、螺母与活动柱(45)上端进行连接固定，下端与柱套(44)通过两个紧固螺钉进行固定。

4.根据权利要求1所述的一种用于蒙皮-桁条T型结构双激光束双侧同步焊接的真空装置，其特征在于：抽真空组件(2)包括真空泵(21)、真空表(22)以及放气阀(23)，真空泵(21)通过大小适配、可紧密连接的管道(24)与真空玻璃腔体(3)上的连接孔相连接，管道(24)上连接真空表(22)和放气阀(23)，实现对真空玻璃腔体(3)内的抽真空；真空玻璃腔体(3)与工作平台(5)大小尺寸一致，两者之间通过适配的密封橡胶圈(6)实现紧闭连接固定，确保在抽真空时不漏气。

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