CN112975124B - 一种焊接激光镜头防污染气刀结构的设计方法 - Google Patents

一种焊接激光镜头防污染气刀结构的设计方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种焊接激光镜头防污染气刀结构的设计方法，包括确定气刀主体安装位置、确定气刀出风口基准面位置、设计气刀出风口形状及尺寸，所述气刀出风口为T型出风口，气刀出风口基准面为T型出风口的顶部所在的平面，T型出风口的尺寸根据激光镜头参数和气刀出风口基准面与激光聚焦镜头所在平面之间的距离H设计，T型出风口上部分的高度h1、宽度w1和T型出风口下部分的高度h2、宽度w2需满足以下公式：
Figure DDA0002956067850000011
w1h1＝w2h2，该设计方法能够快速简便地实现防镜片污染气刀的设计，且设计出的气刀具有优良的镜片保护效果。

Description

一种焊接激光镜头防污染气刀结构的设计方法
技术领域
本发明涉及一种焊接激光镜头防污染气刀结构设计方法，属于焊接技术领域。
背景技术
激光及激光电弧复合焊技术是近今年快速发展的高效焊接方法之一，具有焊接速度快，热影响区小，焊接应力和变形小，焊接稳定、可靠性高等优点，逐步应用于多种板厚尺寸构件的生产制造中。但在生产应用过程中，激光镜头长时间在焊接区域工作，焊接热源产生的飞溅、粉尘、金属蒸汽、等离子体容易导致镜头中镜片的污染，进而影响工艺过程的稳定性。一般均需要采用横向气刀形成气帘对镜片进行保护，但保护效果参差不齐。传统的防镜片污染气刀出风口多采用一字型结构，且不与激光镜头参数结合设计。由于在激光及激光电弧复合焊接过程中，产生的焊接烟尘、等离子体量大、飞溅速度快且尺寸大，容易污染镜片。尤其是较小焦距及较大镜头直径时，镜片更容易受到污染。若采用传统的气刀结构，很可能存在防护不良的情况，保护效果需要通过试验检验，然后根据试验记过反复修正设计气刀，过程复杂，不能起到很好的防护效果。
发明内容
本发明的发明目的是提供种一种焊接激光镜头防污染气刀结构设计方法，该设计方法能够快速简便地实现防镜片污染气刀的设计，且设计出的气刀具有优良的镜片保护效果。
本发明实现其发明目的所采取的技术方案是：一种焊接激光镜头防污染气刀结构的设计方法，包括确定气刀主体安装位置、确定气刀出风口基准面位置、设计气刀出风口形状及尺寸，其特征在于：所述气刀出风口为T型出风口，气刀出风口基准面为T型出风口的顶部所在的平面，T型出风口的尺寸根据激光镜头参数和气刀出风口基准面与激光聚焦镜头所在平面之间的距离H设计，T型出风口上部分的高度h1、宽度w1和T型出风口下部分的高度h2、宽度w2需满足以下公式：
Figure BDA0002956067830000011
其中，f为激光镜头焦距，D为激光镜头直径。
本发明气刀出风口设计思路是：首先通过无气刀焊接实验统计飞溅对镜片的污染位置，反推算飞溅轨迹，再通过大量研究分析和试验设计，设计气刀出风口的形状和尺寸，即采用T型出风口，T型出风口下部分的度w2的出风口主要解决大尺寸、高速度(即高能量)飞溅在传统气刀防护下无法清除的问题，T型出风口上部分宽度w1的出风口主要针对低能量飞溅分布较为广泛的情况。T型出风口的具体尺寸设计的主要原理是：1、T型出风口要覆盖光路在出风口处的范围，所以T型出风口上部分的宽度w1根据激光镜头参数(激光镜头焦距f和为激光镜头直径D)和基准面与聚焦镜头平面之间的距离H设计；2、T型出风口上部分与下部分的截面积相等，可以保证上下两部分获得平分的风强，并在交叉位置的出风口处获得最大流速，进而获得一个中间风速高两侧及下部风速逐渐减弱的风速梯度。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明在防镜片污染气刀设计时，引入激光镜头参数，充分考虑不同镜头参数条件下，污染物对镜片损伤及气刀保护效果的影响，建立了气刀结构的设计方法，能够快速简便的实现不同激光参数下防镜片污染气刀出风口形状及尺寸的设计，节省了样机试制及试验试错的工作量，节约了人力物力。而且本发明方法设计的气刀具有优良的镜片保护效果，提高了激光及激光电弧复合焊过程的可靠性。申请人通过大量实验验证，通过上述设计原理设计出风口的气刀，相比于传统结构气刀，防飞溅核污染的效果大大增加，可达100％防飞溅和污染的效果。
进一步，本发明所述T型出风口上部分的高度h1、宽度w1和T型出风口下部分的高度h2、宽度w2需满足以下公式：
Figure BDA0002956067830000021
其中，dt为气刀接入风管的内径。
T型出风口总出风口总面积小于应接入风管内截面面积，可以保证较高的风压与流速。
进一步，本发明所述T型出风口上部分的高度h1需满足以下条件：h1≥1mm。
当T型出风口上部分的高度h1过小时，两端的风压及风速衰减严重，影响防飞溅效果，通过大量试验验证，为了获得更好的防飞溅效果，T型出风口上部分高度优选为h1≥1mm。
进一步，本发明所述T型出风口下部分的宽度w2需满足以下条件：w2≥2mm。
当T型出风口下部分的宽度w2过小时，无法覆盖高能量飞溅出现的区域，影响防飞溅效果，通过大量试验验证，为了获得更好的防飞溅效果，T型出风口下部分的宽度优选为w2≥2mm。
进一步，本发明所述气刀主体安装于激光镜头末端。
进一步，本发明所述气刀出风口基准面垂直于激光光轴方向，其位置确定标准为在不影响激光头可达性的前提下，远离激光镜头末端。
进一步，本发明所述气刀主体包括气流保护区域设置的上挡板、下挡板和两个侧壁遮挡板，上挡板和下挡板上开有可穿过激光的通孔。
上挡板、下挡板和两个侧壁遮挡板能够遮挡部分焊接飞溅，避免其焊接飞溅污染激光镜头。
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细描述。
附图说明
图1为本发明实施例一气刀安装位置正视示意图。
图2为本发明实施例一气刀安装位置侧视示意图。
图3为本发明实施例一气刀主体结构正视示意图。
图4为图3的A-A剖视示意图。
图5为本发明实施例一气刀主体结构侧视示意图。
图6为图5的B-B剖视示意图。
图7为本发明实施例一气刀出风口形状及尺寸设计示意图。
图8为本发明气刀出风口基准面位置确定标准示意图。
图中，1.0为气刀主体，1.1为气刀的出风口，1.2为气刀接入风管，1.3为侧壁遮挡板，1.4为上挡板，1.5为上挡板上开的可穿过激光的通孔，1.6为下挡板，1.7为下挡板上开的可穿过激光的通孔，2.0为激光聚焦镜头，2.1为激光聚焦镜头所在平面，3.0为激光束，4.0为待焊工件，4.1为待焊焊缝。
具体实施方式
实施例一
一种焊接激光镜头防污染气刀结构的设计方法，包括确定气刀主体1.0在激光焊接装置上的安装位置、确定气刀出风口1.1.基准面位置、设计气刀出风口1.1形状及尺寸，其特征在于：所述气刀出风口1.1为T型出风口，气刀出风口1.1基准面为T型出风口的顶部所在的平面，T型出风口的尺寸根据激光镜头参数和气刀出风口1.1基准面与激光聚焦镜头2.0所在平面2.1之间的距离H设计，T型出风口上部分的高度h1、宽度w1和T型出风口下部分的高度h2、宽度w2需满足以下公式：
Figure BDA0002956067830000031
h1≥1mm
w2≥2mm
其中，f为激光镜头焦距，D为激光镜头直径，dt为气刀接入风管1.2的内径(气刀接入风管1.2为圆形管道，dt为圆形管道内截面的直径)。
本例中所述气刀主体1.0安装于激光镜头末端，气刀主体1.0包括在气流保护区域设置的上挡板1.4、下挡板1.6和两个侧壁遮挡板1.3，上挡板1.4上开有可穿过激光的通孔1.5，下挡板1.6上开有可穿过激光的通孔1.7。
图1为本实施例气刀安装位置正视示意图。图2为本实施例气刀安装位置侧视示意图。图3为本实施例气刀主体结构正视示意图。图4为图3的A-A剖视示意图。图5为本实施例气刀主体结构侧视示意图。图6为图5的B-B剖视示意图。图7为本实施例气刀出风口形状及尺寸设计示意图。
本例中气刀出风口1.1基准面垂直于激光光轴方向，其位置确定标准为在不影响激光头可达性的前提下，远离激光镜头末端。图8对气刀出风口1.1基准面的位置确定标准进行了说明，(a)和(b)为对两种不同形状的焊接工件4.0进行焊接时，气刀出风口1.1基准面的设置位置，即在不影响激光头可达性的前提下，远离激光镜头末端。
图1至图8中，1.0为气刀主体，1.1为气刀的出风口，1.2为气刀接入风管，1.3为侧壁遮挡板，1.4为上挡板，1.5为上挡板上开的可穿过激光的通孔，1.6为下挡板，1.7为下挡板上开的可穿过激光的通孔，2.0为聚焦镜头，2.1为聚焦镜头所在平面，3.0为激光束，4.0为待焊工件，4.1为待焊焊缝。
通过本实施例气刀结构的设计方法设计一个具体气刀结构，设计的气刀出风口的具体尺寸为：
T型出风口上部分的高度h1＝1.2mm、宽度w1＝15.8mm和T型出风口下部分的高度h2＝10mm、宽度w2＝1.9mm，对其防污染效果进行验证，以无气刀的镜头污染飞溅数量作为基数，通过同一标准焊接试板及工艺，传统结构气刀飞溅数量减少至64％，采用本实施例设计方法设计的上述T型出风口气刀飞溅减少100％。
实施例二
一种焊接激光镜头防污染气刀结构的设计方法，包括确定气刀主体安装位置、确定气刀出风口基准面位置、设计气刀出风口形状及尺寸、在气刀主体上开气刀出风口，其特征在于：所述气刀出风口基准面为气刀出风口的顶部所在的平面，所述气刀出风口呈T型，T型出风口的尺寸根据激光镜头参数和气刀出风口基准面与聚焦镜头所在平面之间的距离H设计，T型出风口上部分的高度h1、宽度w1和T型出风口下部分的高度h2、宽度w2需满足以下公式：
Figure BDA0002956067830000041
Figure BDA0002956067830000042
h1≥1mm
w2≥2mm
其中，f为激光镜头焦距，D为激光镜头直径，dt为气刀接入风管的内径。
本例中所述气刀主体安装于激光镜头末端。
本例中所述气刀出风口基准面垂直于激光光轴方向，其位置确定标准为在不影响激光头可达性的前提下，远离激光镜头末端。

Claims (7)

1.一种焊接激光镜头防污染气刀结构的设计方法，包括确定气刀主体安装位置、确定气刀出风口基准面位置、设计气刀出风口形状及尺寸，其特征在于：所述气刀出风口为T型出风口，气刀出风口基准面为T型出风口的顶部所在的平面，T型出风口的尺寸根据激光镜头参数和风刀出风口基准面与激光聚焦镜头所在平面之间的距离H设计，T型出风口上部分的高度h1、宽度w1和T型出风口下部分的高度h2、宽度w2需满足以下公式：
Figure FDA0002956067820000011
其中，f为激光镜头焦距，D为激光镜头直径。
2.根据权利要求1所述的一种焊接激光镜头防污染气刀结构的设计方法，，其特征在于：，所述T型出风口上部分的高度h1、宽度w1和T型出风口下部分的高度h2、宽度w2需满足以下公式：
Figure FDA0002956067820000012
其中，dt为气刀接入风管的内径。
3.根据权利要求1或2所述的一种焊接激光镜头防污染气刀结构的设计方法，其特征在于：所述T型出风口上部分的高度h1需满足以下条件：h1≥1mm。
4.根据权利要求1或3所述的一种焊接激光镜头防污染气刀结构的设计方法，其特征在于：所述T型出风口下部分的宽度w2需满足以下条件：w2≥2mm。
5.根据权利要求1所述的一种焊接激光镜头防污染气刀结构的设计方法，其特征在于：所述气刀主体安装于激光镜头末端。
6.根据权利要求1-5任一所述的一种焊接激光镜头防污染气刀结构的设计方法，其特征在于：所述气刀出风口基准面垂直于激光光轴方向，其位置确定标准为在不影响激光头可达性的前提下，远离激光镜头末端。
7.根据权利要求1所述的一种焊接激光镜头防污染气刀结构的设计方法，其特征在于：所述气刀主体包括气流保护区域设置的上挡板、下挡板和两个侧壁遮挡板，上挡板和下挡板上开有可穿过激光的通孔。
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