CN113478078A - 一种用于三层结构激光焊夹紧和背面保护的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于三层结构激光焊夹紧和背面保护的装置及方法，装置包括两组偏心铜管，铜管外径Φ8mm，内径Φ3mm，内外圆偏心距为1mm，盲孔结构；在铜管凸出一侧沿长度方向开有三排孔径为Φ2mm的溢气孔，相邻两排溢气孔沿周向成65°夹角，纵向孔间距40mm，分布于长度方向的中间区域。使用该保护夹紧装置焊接时，按照一定的角度和方向旋转两组铜管即可实零件夹紧，确保焊件之间的间隙均匀一致。旋转铜管夹紧焊件的同时，将氩气通入到夹紧装置中并持续通气，在焊缝背面形成局部氩气环境，隔离空气进入，保证熔融和高温金属免受氧化，达到保护焊缝背面的目的。

Description

一种用于三层结构激光焊夹紧和背面保护的装置及方法

技术领域

本发明涉及激光焊接加工领域，尤其涉及一种用于三层结构激光焊夹紧和背面保护的装置及方法。

背景技术

随着航空器性能的持续提高，不仅仅仅要求航空器更加安全可靠，也提出了轻量化、耐腐蚀、长寿命和低成本等要求，因此航空器大量使用了轻质材料制造。其中的代表产品是燃油系统中的过载油箱、侧滚壳体和外溢油管等，均采用超薄壁(0.5mm)不锈钢激光焊接技术制造，满足飞行器在任意姿态、任意过载和任意气候下，可以稳定且足量的油量供给和及时切断。

燃油系统中典型的接头形式是三层“T”型不锈钢结构，激光束从接头正面一次熔化三层不锈钢组件，形成强度系数超过0.9的焊接接头。由于系统需要在大过载服役环境下运行，流量控制精密，整体结合强度高，要求装配间隙全程小于等于0.05mm、焊缝达到航空一级要求(HB5363)、焊缝反面(油箱内部)不得出现氧化皮渣和变色等缺陷。

为了保证燃油系统的强度和质量，摈弃了传统的机械连接和氩弧焊，采用能量密度更高、接头质量好的激光焊接技术制造燃油系统。由于不锈钢材料自身的特点，在大气环境下焊接不锈钢材料时，必定氧化熔覆金属、污染接头表面，导致焊缝性能降低、接头正反面出现氧化皮渣和变色的情况。恶化的接头性能无法满足强度要求，导致燃油系统漏油或者崩溃。脱落的氧化皮渣汇入航空燃油，进入输油管路系统，阻塞油路，覆盖过滤网，导致流量不足、流速紊乱，严重影响航空器的正常运行。由于激光束的光斑直径仅有0.18mm～0.28mm，焊接行走设备的横摆误差为±0.1mm，要求焊前装配间隙不得大于0.05mm。

目前工程上使用的不锈钢激光焊接夹紧和背面保护装置，是采用不同的设施完成的，压紧方式分为分节琴键和整体螺钉式。没有将夹紧和保护功能融合到一体上，也不适用于三层结构的焊接，具有三个难以克服的缺点。

1)、工件内部空间狭小，不能同时排布夹紧与气体保护装置；

2)、采用螺钉夹紧时，无法牢靠夹紧工件内部区域，中间部分的螺钉与扳手产生干涉无法操作；

3)、夹紧时需逐一锁紧螺钉，甚至需要调试锁紧螺钉的先后顺序，才能保证需要的工件紧密贴合，生产效率低，要求人员技能和经验高，影响焊接质量的稳定性。

因此，在不锈钢激光焊接过程，保证焊前间隙小于等于0.05mm、焊接过程中金属不受氧化，是完成燃油系统焊接的关键。如何解决薄壁类零件激光焊接时，工件的背面夹紧和背面保护，并且保证焊缝质量的稳定，成为彻底解决激光焊接问题的关键。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于三层结构激光焊夹紧和背面保护的装置及方法，以解决上述技术问题，为实现上述目的本发明采用以下技术方案：

一种用于三层结构激光焊夹紧和背面保护的装置，包括两组偏心铜管，铜管外径Φ8mm，内径Φ3mm，内外圆偏心距为1mm，盲孔结构；在铜管凸出一侧沿长度方向开有三排孔径为Φ2mm的溢气孔，相邻两排溢气孔沿周向成65°夹角，纵向孔间距40mm，分布于长度方向的中间区域。

一种用于三层结构激光焊夹紧和背面保护的方法，包括如下步骤：

步骤1、焊接时将要焊接的工件装夹在偏心铜管中间，并预先向铜管中通氩气2分钟，流量为5升/分钟；

步骤2、分别按逆时针和顺时针方向旋转铜管，旋转角度180°±5°夹紧零件，继续通氩气，流量为5升/分钟；

步骤3、测量三层焊件之间的间隙，保证各层之间的间隙不等大于0.05mm，采用激光焊完成定位焊接；

步骤4、按照前期试验确定的焊接参数，开展激光焊接，焊接过程中背面氩气流量调整为20升/分钟～25升/分钟；

步骤5、焊接完成后继续保持背面通氩气，后滞停气时间3分钟，之后采用逐渐衰减的方法停气，时间不小于20秒；

步骤6、按照与前面相反的方向转动偏心铜管，拆除焊接夹具，取出焊件。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：1)在狭小的空间内能同时布置夹紧和气体保护装置；2)焊接间隙和夹紧力均匀一致，局部不会出现不均匀的间隙；3)一次夹紧到位，夹紧效率高，对操作人员技能要求低。

附图说明

图1为本发明T型焊件示意图；

图2为本发明夹紧和保证装置松开状态示意图；

图3为本发明焊件装夹示意图；

图4为本发明焊件装夹立体示意图；

图5为本发明夹紧、保护和焊接示意图；

图6为本发明氩气流动路径示意图；

图中：1工件A、2工件B、3工件C、4焊接激光束、5左侧偏心铜管旋转方向、6右侧偏心铜管旋转方向、7偏心铜管A、8偏心铜管B、9氩气路径、10激光枪、11溢气孔、12氩气流入方向、13氩气流出方向。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施对本发明作进一步详细阐述。

一种用于三层结构激光焊夹紧和背面保护的装置，包括两组偏心铜管，铜管外径Φ8mm，内径Φ3mm，内外圆偏心距为1mm，盲孔结构；在铜管凸出一侧沿长度方向开有三排孔径为Φ2mm的溢气孔，相邻两排溢气孔沿周向成65°夹角，纵向孔间距40mm，分布于长度方向的中间区域。

使用该自动夹紧和气体保护装置的方法，包括以下步骤：

使用打磨方法清理工件A1、工件B2、工件C3待焊接区域，并使用酒精手工清理打磨残余物，确保地焊接区域清洁无其他外来物质。装配工件A1、工件B2、工件C3形成T型焊件，使用临时夹持工具，确保各个零件的相对位置，如图1所示。

调节两组偏心铜管A7和偏心铜管B8，处于同一水平位置，并且确保各自的溢气孔11背向焊件的方向，如图2所示。继续调整偏心铜管A7和偏心铜管B8的位置，保证两组夹紧保护装置之间的间隙大于T型件的组合厚度，但是间隙不得大于待夹持厚度+2mm的距离，便于组件顺利进出。

将装配好的T型焊件(含有工件A1、工件B2、工件C3)安装到夹紧和保护夹具上，如图3所示。向导管内孔输入氩气，气流量2升/分钟，持续5分钟，氩气沿氩气路径9流入，并且从溢出孔11向左右两侧溢出，如图3所示。

不停止通气，使用扳手分别按照左侧偏心铜管旋转方向5、右侧偏心铜管旋转方向6，旋转偏心铜管A7和偏心铜管B8，确保溢出孔11转向焊件，同时夹紧焊件，如图4所示。氩气继续沿氩气路径9流入，流量提高到20升/分钟～25升/分钟，并且从溢出孔11向中间焊件外表面溢出，形成局部保护气氛，如图4和图5所示。

操作激光枪10沿已经编程的路径行走，同时发出焊接激光束4开始焊接，如图4所示。焊接完成后滞时间不少于3分钟，且采用逐渐衰减的方法停止通气。最后使用扳手反向旋转旋转偏心铜管A7和偏心铜管B8，松开焊接组件，完成焊接过程。

焊接工艺参数：按照上述气体保护流量，配合激光功率P＝900W、焊接速度V＝1000mm/min、离焦量+4等参数下，焊缝背面为银白色，经X光检查满足航标I级焊缝要求。

本发明利用薄壁不锈钢的韧性，提供了一种用于薄壁不锈钢激光焊接时背面自动夹紧和气体保护的装置及方法，集成保护功能和夹紧功能于一体。本装置由两组偏心铜管组成，两端定位法兰用于固定偏心铜管，并调节偏心铜管的间距，两组偏心铜管夹持三层结构焊接组件。偏心铜管为空心结构，凸出一侧(夹紧侧)上开有三排溢气孔。氩气流经铜管中心盲孔后，从侧面的三排溢气孔流出，达到保护焊缝背面的目的。自由状态时，偏心铜管上的溢气孔背向焊件。偏心铜管分别绕内孔中心线，沿逆时针和顺时针方向旋转，达到后夹紧零件的目的，同时溢气孔也转向焊件一侧，紧贴需要保护的焊缝背面。

以上所述为本发明较佳实施例，对于本领域的普通技术人员而言，根据本发明的教导，在不脱离本发明的原理与精神的情况下，对实施方式所进行的改变、修改、替换和变型仍落入本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种用于三层结构激光焊夹紧和背面保护的装置，其特征在于，包括两组偏心铜管，铜管外径Φ8mm，内径Φ3mm，内外圆偏心距为1mm，盲孔结构；在铜管凸出一侧沿长度方向开有三排孔径为Φ2mm的溢气孔，相邻两排溢气孔沿周向成65°夹角，纵向孔间距40mm，分布于长度方向的中间区域。

2.一种用于三层结构激光焊夹紧和背面保护的方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1、焊接时将要焊接的工件装夹在偏心铜管中间，并预先向铜管中通氩气2分钟，流量为5升/分钟；

步骤2、分别按逆时针和顺时针方向旋转铜管，旋转角度180°±5°夹紧零件，继续通氩气，流量为5升/分钟；

步骤3、测量三层焊件之间的间隙，保证各层之间的间隙不等大于0.05mm，采用激光焊完成定位焊接；

步骤4、按照前期试验确定的焊接参数，开展激光焊接，焊接过程中背面氩气流量调整为20升/分钟～25升/分钟；

步骤5、焊接完成后继续保持背面通氩气，后滞停气时间3分钟，之后采用逐渐衰减的方法停气，时间不小于20秒；

步骤6、按照与前面相反的方向转动偏心铜管，拆除焊接夹具，取出焊件。

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