CN113305438B - 一种用于厚板钛合金大功率激光焊接的保护装置 - Google Patents

Abstract

一种用于厚板钛合金大功率激光焊接的保护装置，包括正面装置和背面装置，正面装置和背面装置在焊接过程中相对于激光束静止；正面装置包括设置在激光束后侧的正面焊缝保护装置和气体射流侧吹装置，正面焊缝保护装置用于对熔池、焊缝和热影响区降温冷却，气体射流侧吹装置倾斜设置在正面焊缝保护装置和激光束之间，用于吹除熔池周围的等离子体，增加焊缝熔深，形成深熔小孔；正面装置还包括设置在激光束前侧的TIG复合焊装置，用于对母材待焊接位置提前预热和预熔，并产生与激光束耦合的电弧；背面装置包括背面充氩系统和背面抽气系统，用于稳定熔深、背面保护、收集金属烟尘和飞溅。本发明可以提高保护钛合金的保护效果。

Description

一种用于厚板钛合金大功率激光焊接的保护装置

技术领域

本发明属于金属材料焊接领域，具体是关于一种用于厚板钛合金大功率激光焊接的保护装置。

背景技术

常温下钛及钛合金比较稳定，与氧生成致密的氧化膜具有高的耐腐性能。但随着温度升高，钛及钛合金很容易被空气、水分、油脂等污染，吸收氧、氮、氢、碳等，降低焊接接头的塑性和韧性，在熔化状态下尤其严重。因此，在进行钛合金激光焊接时应对熔池的正面和背面的熔池以及温度超过400℃的焊缝、热影响区加以妥善保护。激光焊接采用的保护装置一般包括以下功能：保护熔池、保护正面焊道/热影响区、保护背面焊道/热影响区，另外，高功率激光焊接钛合金时，会产生大量的等离子体、羽辉和金属烟尘，保护装置的设计还应考虑激光等离子体的抑制。在进行厚板钛合金激光焊接时，所采用的激光功率通常在10KW以上，焊缝保护涉及的问题更多：1、激光的能量密度很高，这就使熔池中心（匙孔）附近的温度极高；2、大功率激光的熔池上方会形成致密等离子体云，阻碍激光的传播，严重削弱激光的熔透能力，所以应考虑抑制等离子体；3、应考虑匙孔的稳定性，稳定的匙孔会增加焊缝深宽比、降低焊接变形。

李铸国（CN 108608115 A）等发明了一种增大熔深和改善焊缝成型的激光焊接方法，该方法采用预制0.1~0.6mm间隙的装配方式，该方法在一定程度上增加了焊接熔深，并通过盖面焊改善了焊缝成型，但是，该方法对预制间隙的精度要求较高，装配难度大，焊接窗口窄。邓时累（CN 104625402 A）等发明了激光焊缝侧吹保护装置、焊接设备及焊接方法，并采用该发明进行了厚板不锈钢的焊接，焊缝成型良好，但是对于钛合金焊接而言，钛合金更容易氧化且熔融钛合金的流动性差，该发明中的保护装置仅依靠侧吹抑制等离子体和增加熔深，效果有限。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于厚板钛合金大功率激光焊接的保护装置，主要由正面装置和背面装置两部分组成，增加大功率激光焊接厚板钛合金的熔深，并提高激光焊接中对钛合金的保护效果。

为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：一种用于厚板钛合金大功率激光焊接的保护装置，包括设置在母材焊接面的正面装置和设置在母材焊接面对向面的背面装置，所述正面装置和背面装置在焊接过程中相对于激光束静止；所述正面装置包括设置在激光束后侧的正面焊缝保护装置和气体射流侧吹装置，正面焊缝保护装置用于实现保护气体朝母材方向逸出，对熔池、焊缝和热影响区降温冷却，气体射流侧吹装置倾斜设置在正面焊缝保护装置和激光束之间，用于吹除熔池周围的等离子体，并且气体射流侧吹装置吹出的气体射流和激光束的延长线相交于母材表面以下，以增加焊缝熔深，形成深熔小孔；所述正面装置还包括设置在激光束前侧的TIG复合焊装置，TIG复合焊装置用于对母材待焊接位置提前预热和预熔，并且产生与激光束耦合的电弧；所述背面装置包括能够罩在焊缝背面深熔小孔的背面充氩系统和背面抽气系统，背面充氩系统和背面抽气系统通过配合形成负压环境，以收集深熔小孔内的等离子体和金属飞溅物。

所述正面焊缝保护装置包括保护拖罩进气管、保护拖罩和带孔铜管，所述保护拖罩进气管和带孔铜管的进气端连通，带孔铜管插入保护拖罩内，带孔铜管位于保护拖罩内的管体上设有多个气孔，所述保护拖罩朝向母材的一侧设有多个气孔。

所述带孔铜管上气孔的朝向与保护拖罩上气孔的朝向相反。

所述气体射流侧吹装置包括压缩射流进气管、压缩管腔和压缩射流喷嘴，压缩管腔一端与压缩射流进气管连通，另一端安装压缩射流喷嘴。

所述压缩射流喷嘴的末端管径为4-6mm。

所述气体射流侧吹装置吹出的气体射流和激光束的夹角为30°~45°。

气体射流侧吹装置吹出的气体射流和激光束相交于母材表面以下Tmm，1/6t≥T≥1/3t，其中t为母材的厚度。

所述TIG复合焊装置包括TIG焊枪、钨极和TIG焊接电源，TIG焊接电源的两极分别连接钨极和母材，钨极延长线与10-激光束呈40-50°，钨极尖端与激光束的水平间距为4-6mm。

所述背面充氩系统包括充氩舱和设置在充氩舱的充气嘴，充氩舱的边沿和母材表面为强密封；所述背面抽气系统包括抽氩舱和设置在抽氩舱的抽气嘴，抽氩舱设置在充氩舱的内部，抽氩舱覆盖在深熔小孔周围，抽氩舱的外壁和充氩舱的内壁形成聚集氩气的富氩舱，抽氩舱的边沿和母材之间为弱密封，使得富氩舱的氩气能够透过弱密封进入抽氩舱内，抽氩舱的抽气嘴从充氩舱表面的孔中伸出，并在孔壁周围设置密封结构。

本发明的有益效果是：1、本发明采用了气体射流侧吹装置、TIG复合焊装置和背面装置三种装置来增加钛合金激光焊熔深，提高厚板钛合金激光焊接效率，降低焊接变形。

2、本发明的正面焊缝保护装置可以对熔池、焊缝和热影响区降温冷却，避免高温下钛合金与空气直接接触发生的氧化现象，实现厚板钛合金大功率激光焊的焊缝保护，保护效果良好。

3、气体射流侧吹装置采用压缩管腔和压缩喷嘴的设计，有利于形成稳定的气体射流，吹除孔外等离子体，并将孔内等离子体吹向焊缝背面，提高了深熔焊接的稳定性。

4、TIG复合焊装置使得激光束与电弧相互耦合，进一步抑制了等离子体的产生和积累，焊接稳定性显著提升，焊缝成型得到改善。

5、背面装置在增加和稳定深熔焊接的同时，还兼具有背面焊缝保护、收集金属烟尘和飞溅物的作用。

6、本发明各个装置采用模块化设计，既可以集成在一起使用，也可以根据实际情况单独使用，灵活方便，适用性更为广泛。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图中标记：1-保护拖罩进气管、2-保护拖罩、3-带孔铜管、4-氩气、5-压缩射流进气管、6-压缩管腔、7-氦气、8-压缩射流喷嘴组成、9-等离子体、10-激光束、11-TIG焊枪、12-钨极、13-TIG焊接电源、14-母材、15-强密封、16-弱密封、17-富氩舱、18-抽气管、19-充氩舱、20-抽氩舱、21-负压空间、22-充气管、23-先导电弧、24-深熔小孔、25-熔池。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明，但并不作为对发明做任何限制的依据。

参照附图所示，一种用于厚板钛合金大功率激光焊接的保护装置，包括正面装置和背面装置，在焊接时，正面装置安装在母材待焊接区域一侧，即母材正面，背面装置安装在母材的背面，与正面装置相对设置。正面装置和背面装置通过和移动机构连接，在移动机构的带动下与焊接用的激光束同步移动，即保持与激光束的相对静止。

所述的正面装置可以分为三部分：一、主要由保护拖罩进气管1、保护拖罩2和带孔铜管3组成的正面焊缝保护装置；二、主要由压缩射流进气管5、压缩管腔6和压缩射流喷嘴8组成的气体射流侧吹装置；三、主要由TIG焊枪11、钨极12和TIG焊接电源13组成的TIG复合焊装置。背面装置可以分为两部分：一、主要由充氩舱19和充气管22组成的背面充氩系统；二、主要由抽氩舱20和抽气管18组成的背面抽气系统。

正面焊缝保护装置的主要作用是保护高温的熔池25、焊缝和热影响区，避免钛合金在高温下发生氧化。所述保护拖罩进气管1和带孔铜管3的进气端连通，带孔铜管3插入保护拖罩2内，带孔铜管3位于保护拖罩2内的管体上方设有多个气孔，所述保护拖罩2朝向母材的一侧设有多个气孔。通过保护拖罩进气管1进入带孔铜管3的氩气4被气孔打散后进入保护拖罩2均匀分布，随着保护拖罩2内部的气体不断积累增加，氩气4从保护拖罩2下方的气孔中溢出，均匀的散布于焊缝之上，伴随这个过程的不断持续，使高温的熔池25、焊缝和热影响区可以在氩气4环境中冷却，避免高温下钛合金与空气直接接触发生的氧化现象。正面焊缝保护装置放置在激光束10的后侧、焊缝的上方，焊缝保护装置与激光束10相对静止，并随着激光束10的移动而移动，可以实现持续不断的焊缝保护。

气体射流侧吹装置的主要作用是吹除等离子体9、增加焊缝熔深。压缩管腔6一端与压缩射流进气管5连通，另一端安装压缩射流喷嘴8，压缩射流喷嘴的末端管径优选为4-6mm。作为保护气的氦气7或氩气通过压缩射流进气管5进入压缩管腔6，随着氦气7在压缩管腔内汇集，压缩管腔内的氦气压强逐渐增大，高压氦气从压缩射流喷嘴8喷出，压缩管腔倾斜设置，使得所喷出气体射流与激光束的夹角为30°~45°，且气体射流和激光束相交于母材表面以下Tmm，1/6t≥T≥1/3t，其中t为母材的厚度。所述压缩管腔具有较大的内部空间，因此可以储存一定的氦气，有利于形成稳定、连续的高压氦气，形成气体射流。焊接过程中，气体射流在高压作用下，直接吹向25熔池，并与激光束10共同作用，产生深熔小孔24。

所述的气体射流主要具有两方面的作用：一是吹除等离子体9，气体射流吹向熔池25，可以吹除熔池25和深熔小孔24上方的等离子体9，降低孔外等离子体9对激光束10的屏蔽作用，有效的避免激光束10穿透能力的衰减，提高深熔焊接的持续稳定和焊缝成型的一致性；二是增加熔深，高压的气体射流具有向下的气体吹力，有利于吹开部分熔融金属，并引导熔融金属向母材14的深方向延伸，形成深熔小孔24，深熔小孔24一旦形成，气体射流的吹力可以将孔内等离子体9以及金属飞溅物持续的吹出深熔小孔24，并带入到焊缝的背面。相对于钢，钛合金在高温熔融状态下的流动性较差，且激光焊时产生的等离子体9更加严重，气体射流的存在可以采用自身的吹力消除熔融钛合金流动性差的弊端，并有效吹除激光焊接钛合金时产生的等离子体，提高熔深和焊接连续性。

TIG复合焊装置的主要作用是增加熔深，改善焊缝成型。TIG焊接电源13的两极分别连接钨极12和母材14，在氩气氛围中， TIG焊枪12中的钨极13与母材14之间会产生先导电弧23，高温的先导电弧23使母材14的表面发生熔化，形成熔池25。TIG焊枪12位于激光束10的前侧，并倾斜设置，钨极13延长线与10-激光束呈40-50°，钨极13尖端与激光束10的水平间距为4-6mm。TIG焊枪12与激光束10相对静止，焊接时随着激光束10的移动而移动，先于激光束10形成先导电弧23，先导电弧23会提前对母材14进行预热和预熔，在激光束到达之前形成熔池25，熔池25的提前形成有利于增加激光束10的穿透能力，提高焊接熔深。另外，激光束与先导电弧23相互耦合，进一步抑制了等离子体9的产生，焊接稳定性显著提升，可以实现1+1＞2的效果。激光束10与先导电弧23形成的耦合热源体积增加、形态稳定，减低了激光焊对装配间隙的要求，并有利于得到表面成型优良的焊缝。

背面装置的主要作用是稳定熔深、背面保护、收集金属烟尘和飞溅物。背面充氩系统的充氩舱19为一端敞口的壳体，壳体上设有充气嘴，充气管22连接在充气嘴上，壳体敞口端罩在母材14的背面，将所述深熔小孔24罩设其中，壳体的敞口端和母材14之间为强密封15，仅允许极少量的氩气逸出，避免氩气大量的泄漏。背面抽气系统的抽氩舱20也是一端敞口的壳体，但是抽氩舱20小于充氩舱19，使得抽氩舱20可以放置在充氩舱20内，抽氩舱20也需要将深熔小孔24罩设其中，抽氩舱20壳体边沿和母材之间为弱密封16，抽氩舱20壳体上的抽气嘴从充氩舱19壳体上的孔中伸出，并在孔的周围做好密封；抽氩舱20的外壁和充氩舱19的内壁之间留有间距，形成富氩舱17，抽氩舱20敞口端和母材14之间为弱密封。抽气管18连接在抽气嘴上，可以持续不断的抽出抽氩舱20内气体，使得抽氩舱20和母材14之间形成负压空间21，负压空间21的压强低于正面焊缝的气体压强，进一步增加焊接熔深，并有利于将焊接时产生的等离子体9、金属烟尘和飞溅吸引到焊缝背面，提高深熔焊接的稳定进行。富氩舱17内氩气可以通过弱密封16渗入到负压空间21，以便在负压空间21形成纯氩的负压环境，达到保护背面焊缝的目的。抽气管18还可以收集焊接时产生的背面金属烟尘和飞溅物。

利用本发明所述的保护装置可以提高厚板钛合金的焊接熔深、实现焊缝保护、改善焊缝成型的作用，具体实施方法如下：

步骤一，采用机械方法将母材14表面待焊区域打磨至出现金属亮色，然后用丙酮擦拭待焊区域；

步骤二，安装和调整正面焊缝保护装置、气体射流侧吹装置、TIG复合焊装置和背面装置的位置，应保证保护拖罩2在焊缝上方2-5mm、熔池25的后方；气体射流与激光束10的角度为30-45°，气体射流与激光束10的延长线交于母材14表面以下T mm（T的优选数值为1/6t≥T≥1/3t，其中t为母材的厚度）； TIG焊枪12位于激光束10的前方，钨极13的延长线与激光束10呈40-50°，间距为4-6mm；背面装置设置在母材14的背面，充氩舱19与母材14之间为强密封，抽氩舱20与母材14之间采用弱密封；各装置与激光束10均为相对静止，并可以随着激光束10的移动而移动；

步骤三，焊前打开背面装置的22充气管，充气5-10min后，打开抽气管18；打开保护拖罩进气管1；设置负压空间的压强；

步骤四，根据工艺和实际情况设置压缩射流进气管5的气体的流量；

步骤五，根据工艺设置激光功率、焊接速度、离焦量、脉冲等激光工艺参数；设置TIG焊接电源13的电流、脉冲等参数；

步骤六，设置行走程序，启动焊接；

步骤七，焊接完成后保护拖罩2应继续向前行走一段距离，防治收弧区氧化；

步骤八，待焊缝降温后，关闭各装置和系统，焊接结束。

在上述技术方案中，对“前”、“后”的方位描述，是以激光束前进方向为“前”，反之为“后”。

具体实例：采用本发明的保护装置对16mm厚TA2试板（I型坡口，无间隙）进行激光焊接时，设置激光功率18KW，离焦量+10mm，焊接速度15mm/s，保护气流量20-40L/min，气体射流侧吹气体流量25-35L/min，TIG电流120A，抽氩舱压力0.5atm，焊接结果显示：焊接熔深增加，焊接过程稳定性提升，飞溅明显减小，等离子体得到良好的吹除和抑制，且正面焊缝呈银白色，保护效果良好；正面焊缝宽度5-6mm，背面焊缝宽度6-8mm，焊缝成型美观。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其进行限制，所属领域的普通技术人员应当理解，参照上述实施例可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，这些未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换均在申请待批的权利要求保护范围之内。

Claims (7)

1.一种用于厚板钛合金大功率激光焊接的保护装置，其特征在于：包括设置在母材焊接面的正面装置和设置在母材焊接面对向面的背面装置，所述正面装置和背面装置在焊接过程中相对于激光束静止；所述正面装置包括设置在激光束后侧的正面焊缝保护装置和气体射流侧吹装置，正面焊缝保护装置用于实现保护气体朝母材方向逸出，对熔池、焊缝和热影响区降温冷却，气体射流侧吹装置倾斜设置在正面焊缝保护装置和激光束之间，用于吹除熔池周围的等离子体，并且气体射流侧吹装置吹出的气体射流和激光束的延长线相交于母材表面以下，以增加焊缝熔深，形成深熔小孔；所述正面装置还包括设置在激光束前侧的TIG复合焊装置，TIG复合焊装置用于对母材待焊接位置提前预热和预熔，并且产生与激光束耦合的电弧；所述背面装置包括能够罩在焊缝背面深熔小孔的背面充氩系统和背面抽气系统，背面充氩系统和背面抽气系统通过配合形成负压环境，以收集深熔小孔内的等离子体和金属飞溅物；

所述正面焊缝保护装置包括保护拖罩进气管、保护拖罩和带孔铜管，所述保护拖罩进气管和带孔铜管的进气端连通，带孔铜管插入保护拖罩内，带孔铜管位于保护拖罩内的管体上设有多个气孔，所述保护拖罩朝向母材的一侧设有多个气孔；

所述背面充氩系统包括充氩舱和设置在充氩舱的充气嘴，充氩舱的边沿和母材表面为强密封；所述背面抽气系统包括抽氩舱和设置在抽氩舱的抽气嘴，抽氩舱设置在充氩舱的内部，抽氩舱覆盖在深熔小孔周围，抽氩舱的外壁和充氩舱的内壁形成聚集氩气的富氩舱，抽氩舱的边沿和母材之间为弱密封，使得富氩舱的氩气能够透过弱密封进入抽氩舱内，抽氩舱的抽气嘴从充氩舱表面的孔中伸出，并在孔壁周围设置密封结构。

2.根据权利要求1所述的一种用于厚板钛合金大功率激光焊接的保护装置，其特征在于：所述带孔铜管上气孔的朝向与保护拖罩上气孔的朝向相反。

3.根据权利要求1所述的一种用于厚板钛合金大功率激光焊接的保护装置，其特征在于：所述气体射流侧吹装置包括压缩射流进气管、压缩管腔和压缩射流喷嘴，压缩管腔一端与压缩射流进气管连通，另一端安装压缩射流喷嘴。

4.根据权利要求3所述的一种用于厚板钛合金大功率激光焊接的保护装置，其特征在于：所述压缩射流喷嘴的末端管径为4-6mm。

5.根据权利要求1或3所述的一种用于厚板钛合金大功率激光焊接的保护装置，其特征在于：所述气体射流侧吹装置吹出的气体射流和激光束的夹角为30°~45°。

6.根据权利要求5所述的一种用于厚板钛合金大功率激光焊接的保护装置，其特征在于：气体射流侧吹装置吹出的气体射流和激光束相交于母材表面以下Tmm，1/6t≥T≥1/3t，其中t为母材的厚度。

7.根据权利要求1所述的一种用于厚板钛合金大功率激光焊接的保护装置，其特征在于：所述TIG复合焊装置包括TIG焊枪、钨极和TIG焊接电源，TIG焊接电源的两极分别连接钨极和母材，钨极延长线与激光束呈40-50°，钨极尖端与激光束的水平间距为4-6mm。

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