CN114083118A - 一种主动调控激光焊接小孔和熔池的保护装置 - Google Patents
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Abstract
一种主动调控激光焊接小孔和熔池的保护装置属于焊接领域。本发明保护装置是外管和内管组成的双层保护喷嘴。双层保护喷嘴的外管通惰性气体保护激光焊接熔池；内管产生“刀刃形”保护气流作用于小孔口，达到主动调控熔池流动和小孔口形貌的效果，提高焊接熔深和焊缝成形质量、降低焊缝中的气孔率。喷嘴端口为一个宽度极窄的狭缝，其长度在2mm～7mm之间，宽度在0.01mm～1mm之间。双层喷嘴的外管内径为5mm～50mm之间。双层保护喷嘴的喷气方向与焊接方向相反，即保护气吹向小孔后壁；狭缝在竖直方向的分量与激光束平行，双层保护喷嘴的中轴线与激光束的夹角设定在5°～85°之间。保护装置距离焊接板材表面的高度在0.5mm～5mm之间，放置在激光作用区靠焊接方向一侧。
Description
技术领域
本发明涉及一种熔池和小孔保护装置，属于激光材料加工技术领域，尤其涉及一种产 生超高速“刀刃形”气流的激光焊接保护装置。
背景技术
熔池和小孔是激光深熔焊接过程、电子束焊接以及激光电弧复合焊接该过程中必有的 一种现象。熔池和小孔的特性行为及形态与焊接质量密切相关。对焊接过程中熔池和小孔 进行特殊保护对形成优质焊缝具有重要的影响。
激光焊接的物理本质是焊接板材将激光光能转换成热能，板材熔化后冷却凝固再连接 在一起的过程。焊接质量的优劣与能量耦合过程密切相关。而在激光焊接过程中，激光的 超高能量密度在熔化焊材的同时也可将作用区部分熔融状态的液体蒸发而形成小孔。即深 熔小孔是激光焊接过程中实现能量耦合的重要场所。羽辉、小孔和熔池均是激光焊接能量 耦合过程的外在表现形式。因此，羽辉、小孔和熔池的稳定性对焊接质量具有重要影响。
本发明提出一种通过外力对小孔和熔池进行有效保护和调控的方法。通过外加保护气 喷嘴是一种有效的、简单的、常见的保护方法。本发明装置针对羽辉、熔池和小孔口形貌 同步调控而提出的喷出气流形态为刀口形的保护装置。该保护装置结构简单，使用简便， 可实现激光焊接小孔、熔池和羽辉的同步调控。
发明内容
本发明目的在于设计出一种主动调控激光焊接小孔和熔池的保护装置，适用于激光深 熔焊接领域。
一种主动调控激光焊接小孔和熔池的保护装置，其特征在于：该保护装置双层保护喷 嘴，双层保护喷嘴的外管通惰性气体保护激光焊接熔池，内管产生“刀刃形”保护气流。 “刀刃形”气流作用于小孔口，达到主动调控熔池流动和小孔口形貌的作用，提高焊接熔 深和焊缝表面成形质量、降低焊缝中的气孔率。
一种主动调控激光焊接小孔和熔池的保护装置，其特征在于包括：喷嘴(1)，喷嘴头 套(2)，喷嘴筒内芯(3)，喷嘴筒外套(4)，喷嘴尾部部分(5)；其中，将喷嘴尾部部分 (5)安装在喷嘴筒内芯(3)中并固定，将喷嘴筒外套(4)套在喷嘴筒内芯(3)，再将 喷嘴(1)安装在喷嘴筒内芯(3)前端，再将喷嘴筒外套(4)套在喷嘴(1)上，将整个 喷嘴系统使用夹具夹住，放置在焊材表面，从两个氩气瓶引出的气体通过空气传输管分别 流入喷嘴筒外套(4)和喷嘴尾部部分(5)，前者为外喷嘴，后者是内喷嘴。刀口形喷嘴 的端口为矩形，其长度在2mm～7mm之间，宽度在0.01mm～1mm之间。双层喷嘴的外 管内径为5mm～50mm之间。双层保护喷嘴的喷气方向与焊接方向一致或相反；双层保护 喷嘴的轴向与激光束的夹角可设定在5°～85°之间。保护装置距离焊接板材表面的高度在0.5 mm～5mm之间。
与现有技术相比，此发明的优势在于，一种产生“刀刃形”气流的保护装置设计简单、 结构严密、使用方便，效果显著。使用本装置进行激光焊接实验，结果表明，产生的“刀刃形”气流通过对熔池和焊缝的主动调控，对激光焊接在工业应用以及民用的进一步推广中具有重要作用。
附图说明
图1为喷嘴示意图；
图2为喷嘴头套示意图；
图3为喷嘴内芯示意图；
图4a为喷嘴外套示意图；
图4b为喷嘴筒外套半剖示意图；
图5为喷嘴尾部部分示意图；
图6为喷嘴整体结构示意图；
图7、8为实际观察结果图；
图9为使用纹影仪观测的喷嘴产生的气流形态；
图10为焊接过程示意图。
图11为喷嘴整体结构。
图12为焊接效果图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明做进一步说明，但本发明并不限于以下实施例。
本发明技术方案如图1-10所示，主要是保护装置的各部分组成结构。保护装置由上述 五个部分组成，分内外两层结构，内层的气流流过喷嘴产生刀刃形气流，外部空间介于内 芯和外套之间，经喷嘴头套流出起辅助作用。整体结构如图7所示。
设计如下激光焊接实验用于效果对比：使用光纤激光对低碳钢板材进行扫描焊接，设 置激光功率为6kw，焊接速度为2m/min,离焦量为0，将喷嘴安置在距离焊材表面1-2mm位 置，与激光束夹角为45°，吹气方向为焊接方向相反，保护气连接氩气。焊接完成后，对 样品进行纵向切割和横向切割，观察气孔、表面成形和熔深。
本发明的有益效果是，使用本装置进行实验，可以自由实现不同挺度、不同气流流速 的“刀刃形”气流，进而对熔池和小孔进行主动调控，达到形成良好焊缝的目的。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟 悉本技术领域的技术人员在本发明揭示的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵 盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。
如图1所示，为喷嘴三维立体图示，是本发明装置的核心部件，用于产生“刀刃型“气 流，刀刃型气流实际为一束挺度极高的气流。
喷嘴结构为在一个实心圆柱体上进行机械加工，首先掏空一个同心圆台，如上图所示， 从左侧开始，掏空圆台的截面半径逐渐变小，到预定半径大小后开始掏空一个面积更小的 圆柱。圆掏空形状为圆台的目的是一是为了加速气流流动，二是为了可以和下图喷嘴内芯 前端口形状相配合使其固定，其中掏空圆柱的半径与下图喷嘴内芯的前端出气口大小一致。 然后再在掏空的圆柱后掏空一个长方体的形状出来，尺寸如下文描述，用于产生刀刃形气 流。产生机制为输入的气流通过一个宽度极小的长方体(狭缝)，如上图标注：其中h为 狭缝宽度可设定为0.01mm-1mm，L为狭缝长度，可设定为2mm-7mm，g为狭缝深度，可设定2-3mm，输出气流通过这种狭缝，可以输出理想的“刀刃型”气流。
喷嘴头套三维立体图如图2所示。由一个掏空的圆柱和一个掏空的圆台构成，掏空结 构形状如图2所示，左右两侧为圆柱，中间为衔接区域。圆柱变小是为了加速气流的流动速度。其安装位置是拧在喷嘴外层管上，作用是将外层气流以圆形状态流出起辅助保护熔池的作用。
喷嘴内芯结构如图3a图b所示，由一个掏空的圆柱筒和一个凸起部分和一个内芯前 端部分构成。总长16cm，圆柱筒部分外管直径6mm，内管直径4mm。凸起部分结构如上 图所示，在由连个圆台中间夹着一个圆柱形成的实体上，进行纵向切割，形成截面如图3.b 的形状。凸起部分有两个作用，一是在内管与外管组合过程中起固定作用，保证内管套入 外管后处于一个固定位置；其二是留有出气通道保证外层气流通过。凸起前端开始，直径 逐渐变小，渐变长度2cm，外管直径从6mm渐变为4cm，内管直径渐变为3cm，有利于提 高流速，在此部位连接喷嘴，用于向喷嘴输入气流，进而产生挺度极高的气流。
图4a是喷嘴外套,图4b是喷嘴筒外套半剖示意图；喷嘴筒外套用于产生圆形辅助保护 气流，凸起部分是个被切一刀的圆柱体，在切面上设有孔洞螺纹，连接气嘴阀，用于输入 保护气。总长125mm，外直径12mm，内直径8mm。
图5是喷嘴尾部部分，喷嘴尾部部分位于整个喷嘴结构的末端，连接内管和保护气气瓶，用于向内管供气。结构如图5所示。
焊接过程示意图如图10所示，其中，7代表喷嘴，大箭头所指方向为焊接方向，喷气方向先与水平呈45°，即θ为45°，另一个方向是气流喷气方向与焊接方向相反，如喷嘴头 部箭头所指方向。b表示喷嘴与板材间距，可设定0.5mm-5mm。
Claims (9)
1.一种主动调控激光焊接小孔和熔池的保护装置，其特征在于：该保护装置是由外管和内管组成的双层保护喷嘴；双层保护喷嘴的外管通惰性气体保护激光焊接熔池，内管产生“刀刃形”保护气流并作用于小孔口；
包括：喷嘴，喷嘴头套(2)，喷嘴筒内芯(3)，喷嘴筒外套(4)，喷嘴尾部部分(5)；其中，将喷嘴尾部部分(5)安装在喷嘴筒内芯(3)中并固定，将喷嘴筒外套(4)套在喷嘴筒内芯(3)，再将喷嘴头(1)安装在喷嘴筒内芯(3)前端，再将喷嘴筒外套(4)套在喷嘴(1)上；将整个喷嘴系统使用夹具夹住，放置在焊材表面上方，从两个保护气瓶引出的气体通过传输管分别流入喷嘴筒外套(4)和喷嘴尾部部分(5)，前者为双层保护喷嘴的外喷嘴，后者是双层保护喷嘴的内喷嘴；
喷嘴的端口截面为矩形，该矩形长度在2mm～7mm之间，宽度在0.01mm～1mm之间。
2.根据权利要求1所述的一种主动调控激光焊接小孔和熔池的保护装置，其特征在于：喷嘴狭缝尺寸为长度5mm，宽度0.02mm。
3.根据权利要求1所述的一种主动调控激光焊接小孔和熔池的保护装置，其特征在于：双层喷嘴的外管内径为5mm～50mm之间；双层保护喷嘴的喷气方向与焊接方向一致或相反；双层保护喷嘴的轴向与激光束的夹角设定在5°～85°之间；保护装置距离焊接板材表面的高度在0.5mm～5mm之间。
4.根据权利要求3所述的一种主动调控激光焊接小孔和熔池的保护装置，其特征在于：外管直径20mm；喷嘴轴线与激光束夹角为45°，喷嘴头底部距板材1mm。
5.根据权利要求1所述的一种主动调控激光焊接小孔和熔池的保护装置，其特征在于：
喷嘴结构为在一个实心圆柱体上进行机械加工，首先掏空一个同心圆台，从左侧开始，掏空圆台的截面半径逐渐变小，到预定半径大小后开始掏空一个面积更小的圆柱；圆掏空形状为圆台的目的是一是为了加速气流流动，二是为了可以和下图喷嘴内芯前端口形状相配合使其固定，其中掏空圆柱的半径与下图喷嘴内芯的前端出气口大小一致；然后再在掏空的圆柱后掏空一个长方体的形状出来，尺寸如下文描述，用于产生刀刃形气流；产生机制为输入的气流通过一个宽度极小的长方体即狭缝，其中h为狭缝宽度可设定为0.01mm-1mm，L为狭缝长度，设定为2-7mm，g为狭缝深度，可设定2-3mm，输出气流通过这种狭缝，输出刀刃型气流。
6.根据权利要求1所述的一种主动调控激光焊接小孔和熔池的保护装置，其特征在于：喷嘴头套由一个掏空的圆柱和一个掏空的圆台构成，其安装位置是拧在喷嘴外层管上，作用是将外层气流以圆形状态流出起辅助保护熔池的作用。
7.根据权利要求1所述的一种主动调控激光焊接小孔和熔池的保护装置，其特征在于：喷嘴内芯结构由一个掏空的圆柱筒和一个凸起部分和一个内芯前端部分构成；凸起部分在内管与外管组合过程中起固定作用，保证内管套入外管后处于一个固定位置；凸起部分留有出气通道保证外层气流通过；凸起前端开始，直径逐渐变小，凸起前端连接喷嘴，用于向喷嘴输入气流。
8.根据权利要求1所述的一种主动调控激光焊接小孔和熔池的保护装置，其特征在于：喷嘴筒外套外设置凸台，凸台设有孔洞螺纹，连接气嘴阀，用于输入保护气。
9.根据权利要求1所述的一种主动调控激光焊接小孔和熔池的保护装置，其特征在于：喷嘴尾部部分位于整个喷嘴结构的末端，连接内管和保护气气瓶，用于向内管供气。
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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