CN114985928B - 一种钛合金薄板激光焊接气体保护装置及变形控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种钛合金薄板激光焊接气体保护装置及变形控制方法，包括由内到外同轴设置的第一空腔和第二环形空腔，第一空腔为上下贯通的通孔，通孔上部设有与其同轴的激光头，激光束穿过通孔射向工件，在同一高度上激光束直径小于通孔直径；第二环形空腔为底部向内收口的封闭结构，第二环形空腔的外壁上设有与之连通的第一进气口，第二环形空腔的底部设有朝向焊接工件的第一环形出气口，第一环形出气口的位置不高于通孔的出口，通过采用保护气体环绕激光束外部且倾斜射向焊接工件的方式，在不扰动熔池的同时，吹散金属蒸气和等离子体云，提高焊接效果，并在同轴气体保护组件后设置侧轴气体保护组件，对焊缝区域随焊快速冷却，减小焊接变形量。

Description

一种钛合金薄板激光焊接气体保护装置及变形控制方法

技术领域

本发明涉及激光焊接技术领域，特别是涉及一种钛合金薄板激光焊接气体保护装置及变形控制方法。

背景技术

钛合金具有高的比强度、比刚度，良好的耐热性和抗腐蚀性等优良性能，使其在民用与军用航空航天领域均得到了广泛的应用。特别是近年来，飞行器轻量化设计的理念越来越成熟完善，薄壁钛合金框架类结构件的使用更是成为航空航天等承力构件的主要结构材料。而激光焊接具有能量密度高、加热集中、质量稳定、焊接效率高、焊接精度高、易实现自动化等优点，在钛合金的薄板零件焊接方面越来越受重视。

因钛合金在高温条件下极易与空气中的碳、氢、氧以及氮等发生反应而改变焊接接头的机械性能，并且激光焊接过程中产生的飞溅物及其它烟气容易污染聚焦反射镜，沉积在聚焦反射镜上的金属蒸气和飞溅微粒降低了激光器到工件的能量转移效率，并使激光束产生像差，恶化了激光束的焊接性能，因此钛合金的激光焊接首先需要解决的就是气体保护问题，现有的钛合金激光焊接气体保护方式多采用旁轴侧吹气或同轴吹气的方式，如申请号为CN105149777B的发明专利，通过设置第一调节板上下位置可调节，转动杆摆动角度可调节，滑块相对转动杆上下位置可调节，侧吹气管相对滑块前后位置可调节，实现对侧吹气管位置的任意调节，为实现将侧吹气管相对焊接工件调节到最佳吹气保护位置提供可能，对焊缝品质进行有效保护，解决了不锈钢零件焊接后表面的氧化问题，但此种装置的保护范围较单一，并不能对焊接件起到很好的保护效果；

再如申请号为CN105772942B的发明专利，包括同轴喷嘴、环形气罩、下腔体、上腔体、第一进气嘴和第二进气嘴，在上腔体和下腔体内分别形成了第一气流通道和第二气流通道，第一气流通道内的气体在出口处对撞后，形成两股气流，其中一股气流向上流动，抑制有害气体进入焊接区域，另一股气流向下流动对焊接区域进行保护，从第二进气嘴进入的保护气体通过第二气流通道后对焊接区域进行延时保护，此装置虽然提高了对熔池的保护效果，但从第一气流通道向下流动的保护气体直接吹向熔池，会对熔池产生扰动，易产生气孔，并且对金属蒸气和等离子体云的驱散效果较差。

另外，对于钛合金薄板构件的激光焊接不仅需要考虑气体保护问题，还需考虑焊接变形问题。钛合金的弹性模量比钢小很多，导热性能也差。钛合金薄板构件激光焊接时，接头区域被快速地加热到很高温度，高度集中的瞬态热输入使得焊后产生较大的残余应力，这极易造成薄板构件的焊接失稳变形。通常用于减小焊接变形的方法为：焊前预置反向变形的反变形法、焊时机械式实时冲击法以及焊后挤压式矫正法或热处理的方法，然而以上措施仍存在许多不足，不仅增加了生产成本、降低了工作效率，对薄板构件不可预知的损伤也是难以控制的，并且申请号为CN105149777B的发明专利仅利用保护气体保护焊缝不受氧化，没有关于在焊接的过程中对焊后位置进行冷却的相关记载，申请号为CN105772942B的发明专利中对焊缝的冷却仅限于熔池周边的区域，也没有关于在焊接的过程中对焊后位置进行冷却的相关记载。

故综上所述，现有的焊接气体保护装置中不仅存在保护范围单一、不能有效驱散金属蒸气和等离子体云，影响焊接效果的问题，还存在不能随焊对焊后位置进行充分冷却，降低残余应力，解决焊接薄板易发生变形的问题。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术中的缺陷和不足，提供一种钛合金薄板激光焊接气体保护装置其变形控制方法，通过在供激光穿过的第一空腔外部套设供保护气流流通的第二环形空腔，使得保护气体射向焊接工件的熔池周围，不会扰动熔池，且第二环形空腔的底部为向内收口的结构，保护气体以与焊接工件的法线呈一定角度的方向倾斜射向熔池周围，使得保护气体的反射气流带动熔池周围的金属蒸气和等离子体云排出，提高对金属蒸气和等离子体云的驱散效果，并在同轴气体保护组件之后设置侧轴气体保护组件，对钛合金薄板的焊后位置进行随焊快速冷却，减小焊接残余应力，降低钛合金薄板的焊接变形。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

本发明提供一种钛合金薄板激光焊接用同轴气体保护组件，包括由内到外依次同轴设置的第一空腔和第二环形空腔，所述第一空腔为上下贯通的通孔，所述通孔的上部设置有与其同轴的激光头，所述激光头发射的激光束穿过所述通孔射向工件，在同一高度上所述激光束直径小于所述通孔的直径；

所述第二环形空腔为底部向内收口的封闭结构，所述第二环形空腔的外壁上设有与之连通的第一进气口，所述第二环形空腔的底部设置有朝向焊接工件的第一环形出气口，所述第一环形出气口的位置不高于所述通孔的出口；

优选地，所述第二环形空腔的外部套设有与其同轴的第三环形空腔，所述第三环形空腔为底面均匀分布若干个第二出气口的封闭结构，所述第三环形空腔的外壁上设有与之连通的第二进气口；

优选地，所述第二环形空腔的外部套设有与其同轴的第三环形空腔，所述第三环形空腔为底面均匀分布若干个第二出气口的封闭结构，所述第三环形空腔的外壁上设有与之连通的第二进气口；

优选地，所述第一空腔的上部设置有气刀组件，所述气刀组件包括内部设有型腔的气刀盖板，所述气刀盖板上设有分别与所述型腔连通的第三进气口和扁平状的第三出气口，所述第三进气口的另一端与第三进气管连通，所述气刀盖板的右侧前后设置有两个L型挡板，两个所述L型挡板分别位于所述第一空腔的两侧，所述第三出气口的另一端与两个所述L型挡板组成的空腔连通；

本发明还提供一种应用所述同轴气体保护组件的保护装置，包括框架，所述框架内部设有所述同轴气体保护组件和排气组件、所述同轴气体保护组件、所述排气组件分别与所述框架固定连接，随所述框架一同移动；

优选地，所述框架包括上盖板和内部中空的下方管，所述第一空腔的上端贯穿所述上盖板且与所述上盖板螺纹连接，所述第一空腔的下端位于所述下方管内；所述第二环形空腔和所述第三环形空腔位于所述下方管内，所述下方管上固定设有分别与所述第一进气口连通的第一进气管和与所述第二进气口连通的第二进气管，所述激光头通过连接组件与所述框架固定连接；

优选地，所述排气组件位于靠近保护气体的反射气流方向，所述第一出气口、所述第二出气口、所述第三出气口、焊接工件和所述下方管之间设有焊接腔体，所述排气组件内部设有一端与外界连通，另一端与所述焊接腔体连接的排气通道；

优选地，在所述框架内部、焊接区域的焊后位置处设有侧轴气体保护组件，所述侧轴气体保护组件固定在所述框架上随所述框架一同移动，所述侧轴气体保护组件包括位于所述上盖板上的第四进气口和位于所述下方管内部的梯形台，所述第四进气口与固定在所述框架上的冷源连通，所述梯形台内部设有第四空腔，所述第四空腔的下部设有若干个均匀设置的第四出气口，所述冷源包括密封的保温箱体，所述保温箱体内部设置有第五空腔，所述第五空腔内设置有螺旋冷却管，所述螺旋冷却管的两端分别与所述保温箱体上的保护气体进口和冷气出口连接，所述保温箱体上还设置有与所述第五空腔连通的干冰入口和CO₂排气口；

优选地，在焊接工件的背部设置有背面气体保护组件，所述背面气体保护组件包括沿焊接方向设置的长方槽体，所述长方槽体上设有第六进气口，所述长方槽体内设有与所述第六进气口连通的第六空腔，所述第六空腔的上壁面上均匀分布有若干个第六出气孔；

本发明还提供一种应用所述保护装置的变形控制方法，包括如下步骤：

S1：将待焊工件拼接固定于专用夹具，气体保护装置与冷源安装在激光头的连接组件上，调节激光束的预设焦点射入所述钛合金薄板的拼焊接头，将背面气体保护装置紧贴于拼焊接头背面，而后各部位通入保护气体一段时间，排出装置内其他气体，气体冷却装置加入干冰持续冷却保护气体；

S2：设置激光焊接参数，向所述同轴气体保护组件以及背面气体保护组件内分别通入合适的保护气流，并调控侧轴吹气保护组件随焊冷却的保护气流量；

S3：开启激光器，发射激光束对待焊工件进行长距离的焊接；

S4：焊后观察拼焊接头的成形效果，使用千分表测量薄板工件的挠曲变形量；

S5：更换待焊工件，返回步骤S2，根据焊缝成形效果及挠曲变形量，调整焊接参数，再次进行对比试验，直至获得变形最小的薄板工件。

本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：

1、本发明通过在供激光穿过的第一空腔外部套设供保护气流流通的第二环形空腔，使得保护气体射向焊接工件的熔池周围，不会扰动熔池，且第二环形空腔的底部为向内收口的结构，保护气体以与焊接工件的法线呈一定角度的方向倾斜射向熔池周围，使得保护气体的反射气流带动熔池周围的金属蒸气和等离子体云排出，提高对金属蒸气和等离子体云的驱散效果；

2、本发明通过在第二环形空腔的外部套设供保护气体流通的第三环形空腔，增大保护气体在熔池周围的气压，提高对金属蒸气和等离子体云的驱散效果，并在保护装置的框架内固定设置位于同轴气体保护组件的反射气流一侧的排气组件，使得被驱散的金属蒸气和等离子体云不仅可以通过第一空腔排出，还可以通过排气通道排出，增大了金属蒸气和等离子体云的排出空间，使其快速排出装置内部，而且在第一空腔的上部两侧设置带型腔和扁平出气口的气刀组件，气体通过型腔和扁平出气口的压缩，形成横向气流，吹散沿第一空腔和排气通道向上流动的金属蒸气和等离子体云，起到有效保护激光头的效果；

3、本发明通过在框架内部、焊后区域设置侧轴气体保护组件，并将第二气流镇静筛板对称的设置在焊缝两侧，或将第四空腔分隔为大小相等的两个第七空腔，两个第七空腔沿焊缝对称设置，向焊缝两侧的焊后区域提供冷却后的保护气体，一方面能够对焊缝位置进行持续保护，避免其被氧化，另一方面能够对焊缝两侧的位置进行均匀冷却，减小焊缝两侧的温度差，进而减小被焊工件的变形量，提高焊接质量；

4、本发明将气体保护与焊接变形控制相结合，整个装置生产成本低、可操作性强、工作效率高，全程使用氩气作为保护或冷源，且冷源与熔池形成一定间距，可高效无污染形成优质低变形的焊接接头；

5、本发明采用同轴气体保护与侧轴气体保护相结合，对于低热导率的钛合金，既能作用于长距离的焊缝高温区域，又能应对复杂拼接轨迹构件，扩宽了该装置的适用范围。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为保护装置的整体结构示意图；

图2为保护装置中同轴气体保护组件、排气组件、侧轴气体保护组件和气刀组件的剖视结构示意图；

图3为保护装置中同轴气体保护组件、排气组件、侧轴气体保护组件和气刀组件的爆炸示意图；

图4为气流通道的结构示意图；

图5为冷源的剖视结构示意图；

图6为连接组件的结构示意图；

图7为背面气体保护组件的结构示意图。

其中，1、同轴气体保护组件；11、第一空腔；12、第二环形空腔；121、第一进气口；122、第一环形出气口；123、第一进气管；124、第一气流通道；125、第一导气块；1251、导气孔；13、第三环形空腔；131、第二出气口；132、第二进气口；133、第二进气管；134、第二气流通道；135、第一气流镇静筛板；14、气刀组件；141、型腔；1411、上型腔；1412、下型腔；142、气刀盖板；143、第三进气口；144、第三出气口；145、第三进气管；146、第三气流通道；147、L型挡板；148、吹气腔体；149、底座；2、激光头；21、激光束；22、激光连接板；221、第一凹槽；222、第一螺纹孔；3、焊接工件；31、熔池；32、金属蒸气和等离子体云；33、焊缝；4、框架；41、上盖板；411、第二螺纹孔；42、下方管；43、波纹罩组件；431、波纹罩；432、板条；5、排气组件；51、焊接腔体；52、排气通道；521、三角台；522、第一档片；6、连接组件；61、第一连接板；611、第一滑轨凹槽；612、第一长槽孔；613、第二长槽孔；62、第二连接板；63、第三连接板；631、第二凹槽；632、第三螺纹孔；64、第四连接板；641、第四螺纹孔；642、第二滑轨凹槽；643、第三长槽孔；7、侧轴气体保护组件；71、第四进气口；72、梯形台；73、第四进气管；74、第四空腔；741、第二档片；742、第七空腔；75、第二气流镇静筛板；76、第四出气口；77、第四气流通道；8、冷源；81、保温箱体；82、第五空腔；83、螺旋冷却管；84、保护气体进口；85、冷气出口；86、干冰入口；87、CO₂排气口；9、背面气体保护组件；91、长方槽体；92、第六进气口；93、第六空腔；94、第六出气孔；95、长条槽；96、密封板条。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的在于针对现有技术中的缺陷和不足，提供一种钛合金薄板激光焊接气体保护装置其变形控制方法，通过在供激光穿过的第一空腔外部套设供保护气流流通的第二环形空腔，使得保护气体射向焊接工件的熔池周围，不会扰动熔池，且第二环形空腔的底部为向内收口的结构，保护气体以与焊接工件的法线呈一定角度的方向倾斜射向熔池周围，使得保护气体的反射气流带动熔池周围的金属蒸气和等离子体云排出，提高对金属蒸气和等离子体云的驱散效果，并在同轴气体保护组件之后设置侧轴气体保护组件，对钛合金薄板的焊后位置进行随焊快速冷却，减小焊接残余应力，降低钛合金薄板的焊接变形。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

实施例一：

如图1至4所示，本发明提供一种钛合金薄板激光焊接用同轴气体保护组件1，包括由内到外依次同轴设置的第一空腔11和第二环形空腔12，第一空腔11为上下贯通的通孔，通孔的上部设置有与其同轴的激光头2，激光头2发射的激光束21穿过所述通孔射向焊接工件3，在同一高度上激光束21的直径小于通孔的直径，以确保激光束21能够全部射向工件；第二环形空腔12为底部向内收口的封闭结构，第二环形空腔12的外壁上设有与之连通的第一进气口121，第一进气口121的另一端通过第一进气管123与外界保护气源连接，第二环形空腔12的底部设置有朝向焊接工件3的第一环形出气口122，形成了由第一进气管123、第一进气口121、第二环形空腔12和第一环形出气口122构成的第一气流通道124，由于设置了向内收口的结构，所以从第一环形出气口122射出的保护气体与焊接工件3的法线之间存在夹角，在焊接工件3的反作用力下，保护气体会发生反弹，反弹后的气流在向外流动的同时带出熔池31上部聚集的金属蒸气和等离子体云32，减少其对激光束21的屏蔽作用，提高焊接效果，且第二环形空腔12位于第一空腔11的四周，保护气体不会径直的射向焊接工件3上的熔池31，不会扰动熔池31，不易产生气孔。

第二环形空腔12的外部套设有与其同轴的第三环形空腔13，第三环形空腔13为底面均匀分布若干个第二出气口131的封闭结构，第三环形空腔13的外壁上设有与之连通的第二进气口132，第二进气口132通过第二进气管133与外界保护起源连接，形成了由第二进气管133、第二进气口132、第三环形空腔13和第二出气口131构成的第二气流通道134，在第二气流通道134流出的保护气体夹持下，增大了熔池31周围保护气体的压力，不仅抑制了金属蒸气和等离子体云32，而且促进了金属蒸气和等离子体云32的排出，进一步减小其对激光焊接造成的影响，第二出气口131距离焊接工件3一定距离，在抑制金属蒸气和等离子体云32的同时，也能减小依附在第三环形空腔13底面的金属蒸气和等离子体云32，避免堵塞第二出气口131，第三环形空腔13的底部设有第一气流镇静筛板135，若干个第二出气口131均匀的分布在第一气流镇静筛板135上。

在第一空腔11的上部设置气刀组件14，气刀组件14包括内部设有型腔141的气刀盖板142，气刀盖板142上设有分别与型腔141连通的第三进气口143和扁平状的第三出气口144，第三出气口144的开口朝向第一空腔11，且与第一空腔11的轴线相互垂直，第三进气口143的另一端与第三进气管145(图中未示出)连通，第三进气管145与保护气源连通，由此形成了由第三进气管145、第三进气口143、型腔141和第三出气口144构成的第三气流通道146，气刀盖板142的右侧前后设置有两个L型挡板147，两个L型挡板147分别设置在第一空腔11的两侧，将通过第一空腔11流出的金属蒸气和等离子体云32限制在两个L型挡板147形成的吹气腔体148内，由于第三出气口144与第一空腔11的轴线相互垂直，所以通过第三气流通道146流出的气体在第一空腔11的上部形成了横向气流，水平吹动从第一空腔11流出的金属蒸气和等离子体云32，使其不会向上流动污染激光头2，为提高横向吹气的效果，第三出气口144的开口宽度与吹气腔体148的宽度相同，在确保气流流量满足要求的情况下，尽可能的减小第三出气口144的高度尺寸，提高从第三出气口144流出的气流压力，使得气体从第三出气口144流出后形成快速流动的水平气流，缩短吹散排出的金属蒸气和等离子体云32所用的时间。

如图1至7所示，本发明还提供了一种应用该同轴气体保护组件1的保护装置，包括呈长条形的框架4，框架4内部设有同轴气体保护组件1和排气组件5，同轴气体保护组件1、排气组件5分别与框架4固定连接，使得框架4能够带动同轴气体保护组件1和排气组件5同步移动；框架4包括通过上盖板41和内部中空的下方管42，上盖板41和下方管42通过螺栓固定连接，在下方管42内部设置有同轴气体保护组件1和排气组件5，第一空腔11的上端贯穿上盖板41且与上盖板41螺纹连接，第一空腔11的下端位于下方管42内；第二环形空腔12和第三环形空腔13位于下方管42内，第二环形空腔12固定设置在第一空腔11的外壁上，第三环形空腔13固定设置在第二环形空腔12外部，第一进气管123、第二进气管133分别螺纹固定在下方管42上，第一进气管123与第一进气口121之间设置有第一导气块125，第一导气块125上设置有贯穿第一导气块125的导气孔1251，导气孔1251的直径小于第一进气管123的直径，使得从外界流入的气流经过压缩后进入第一进气口121，激光头2通过连接组件6与上盖板41螺纹固定连接，为防止焊接工件3的反射影响激光头2，将整个框架4跟随激光头2向与焊接工件3的法线方向呈3～5°角的方向倾斜，由于第二环形空腔12和第三环形空腔13的外壁均固定在框架4上，所以第二环形空腔12和第三环形空腔13也跟随框架4倾斜，增大了从第一气流通道124和第二气流通道134流出的保护气体与焊接工件3之间的夹角，使其不径直吹向熔池31，保持熔池31中心与周围气压的相对均衡，这样保护气体不仅不扰动熔池31，而且还能够驱散熔池31周围的金属蒸气和等离子体云32，减少等离子体云对激光的吸收，提高焊接工件3对激光的吸收率，进而提高焊接效率。

第一空腔11和第二环形空腔12的外壁采用紫铜制作，对反射激光束的吸收率小且散热快，对框架4的热影响小。

在框架4的下端设有波纹罩组件43，波纹罩组件43由透明且可伸缩的波纹罩431与板条432组成，板条432与下方管42通过螺钉固定连接，波纹罩组件43用于遮蔽框架4跟随激光头2倾斜所留出的空间，保证框架4的最低端面保持水平，且与焊接工件3之间的距离保持在5～7mm，以提高保护气体利用率以及防止周围空气回流。

排气组件5位于同轴气体保护组件1右侧、靠近保护气体的反射气流方向，第一环形出气口122、第二出气口131、第三出气口144、焊接工件3和下方管42之间设有焊接腔体51，排气组件5内部设有一端与外界连通，另一端与焊接腔体51连接的排气通道52，排气通道52的侧壁与第三环形空腔13的侧壁紧密连接，使得第三环形空腔13内的保护气体不会外溢，排气通道52呈45°左右的倾斜角度，且倾斜方向与反射气流的方向相同，排气通道52的宽度为10～13mm，在保证除尘排气的同时，快速冷却的保护气体与熔池31保持有效的距离，可更有效减小薄板的焊接变形，具体的排气通道52由三角台521、第一档片522和下方管42合围而成，第一档片522为平行四边形，第一档片522的斜边与三角台521的斜边相对，且两者相互平行，以提高排气通道52内壁的平滑性，提高金属蒸气和等离子体云32排出的顺畅性，排气通道52的出气口与第一空腔11的上端开口在同一水平线上，这样从第三气流通道146中吹出的快速横向气流也能够吹散通过排气通道52向上流出的金属蒸气和等离子体云32。

在框架4内部、焊接区域的焊后位置处设有侧轴气体保护组件7，侧轴气体保护组件7固定在框架4上，随框架4一起移动，侧轴气体保护组件7包括位于上盖板41上的第四进气口71和位于下方管42内部的梯形台72，第四进气口71通过第四进气管73与固定在上盖板41上的冷源8连通，梯形台72内部设有第四空腔74，第四空腔74的下部设有第二气流镇静筛板75，第二气流镇静筛板75上设有若干个均匀分布的第四出气口76，形成由第四进气管73、第四进气口71、第四空腔74和第四出气口76形成的第四气流通道77，第二气流镇静筛板75覆盖焊缝33的两侧，且焊缝33位于第二气流镇静筛板75的对称轴线上，使得第四出气口76能够对焊缝33两侧的位置均匀冷却，以均衡两侧温度场，降低焊缝33两侧的温度差，进而减小残余应力以减小焊接变形量。

梯形台72的上侧面与上盖板41的下端面无间隙配合，左侧面与排气通道52的右侧壁无间隙配合，右侧面与下方管42的内侧面无间隙配合，在梯形台72内形成密封的第四空腔74，来自冷源8的保护气体通过第四空腔74的压缩后更加集中高效地吹入焊缝33区域，一方面对焊缝33进行保护，避免其被氧化影响焊接质量，另一方面对焊缝33进行随焊冷却，减小工件的焊接变形，提高焊接质量；另外在侧轴气体保护组件7的加持下，提高了排气通道52右侧的气压，使得被驱散的金属蒸气和等离子体云32只能从气压较小的排气通道52排出，而不会流向焊缝33位置，影响焊缝33的成型及冷却；在下方管42内部增加梯形台72缩小了侧轴吹气的腔体大小，减小了冷却气体在该腔体内的消耗，使之更加有效地吹入焊缝33区域进行冷却。

冷源8包括密封的保温箱体81，保温箱体81内部设置有第五空腔82，第五空腔82内设置有螺旋冷却管83，螺旋冷却管83的两端分别与保温箱体81上的保护气体进口84和冷气出口85连接，冷气出口85与第四进气管73连接，将冷却后的保护气体通入到侧轴气体保护组件7中，保温箱体81上还设置有与第五空腔82连通的干冰入口86和CO₂排气口87，制备冷却气体时，通过干冰入口86向第五空腔82内加入干冰，利用冷热交换的原理冷却螺旋冷却管83内的保护气体，干冰吸热后升华变成膨胀的CO₂，从CO₂排气口87排出；冷气出口85上连接有带开关的三通阀(图中未示出)，带开关的三通阀采用现有技术中的成熟结构，在此对其结构不再详细论述，通过带开关的三通阀能控制流入第四进气口71的冷气流量，以控制焊缝33周围的温度场，另外，对于异种材料的激光焊接，也能通过控制冷气流量控制焊缝区的温度场，进而减小焊接应力。

在焊接工件3的背部设置有背面气体保护组件9，背面气体保护组件9包括沿焊接方向设置的长方槽体91，长方槽体91上设有第六进气口92，第六进气口92连接未经冷却的气源，长方槽体91内设有与第六进气口92连通的第六空腔93，第六空腔93为封闭结构，在其上表面均匀分布有若干个第六出气孔94，长方槽体91的上表面设有紧贴焊接工件3背面的长条槽95，避免保护气体外溢，提高对保护气体的利用率；长方槽体91的外部设置有密封板条96，密封板条96固定连接在工作台上，并通过胶接的方式支撑和密封长方槽体91，长方槽体91内部还塞有80～100目的金属纱网，以保证整个第六出气孔94吹出均匀气流，长方槽体91贯穿整个焊缝33，对焊缝33的背部进行冷却，长方槽体91采用紫铜制作，紧贴于焊缝33背面两侧的紫铜可以吸热，也能起到一定的散热作用。

激光头2的一侧设置有激光连接板22，激光连接板22上设有第一凹槽221和第一螺纹孔222，连接组件6包括第一连接板61，第一连接板61上设有与第一凹槽221配合的第一滑轨凹槽611、与第一螺纹孔222配合的第一长槽孔612和第二长槽孔613，上盖板41上设有第二螺纹孔411，L形的第二连接板62通过第二螺纹孔411与上盖板41螺纹连接，保温箱体81固定设置在第二连接板62的短边，第二连接板62的长边顶部设有第三连接板63，第三连接板63上设有第二凹槽631和第三螺纹孔632，第一连接板61与第三连接板63之间设置有第四连接板64，第四连接板64上设有与第二长槽孔613配合的第四螺纹孔641、与第二凹槽631配合的第二滑轨凹槽642以及与第三螺纹孔632配合的第三长槽孔643；通过松紧连接组件6的固定螺钉调节框架4在上下左右两个方向的相对位置，使其适应于不同种类的激光设备。

对钛合金薄板进行激光焊接时，通入高纯度的氩气作为保护气体，分别控制各部位的气体流量，其中同轴气体保护组件1保持14～18L/min，气刀组件14保持40～50L/min，背面气体保护组件9保持12～16L/min，保证良好的空气隔绝与吹散等金属蒸气和等离子体云32，进而达到对熔池31与焊缝33稳定良好的保护效果。

结合本发明具体的气体保护装置，其工作原理如下：

对于钛合金薄板激光焊接，对拼焊接头正面与背面稳定良好的气体保护的同时，还对焊缝33区域进行随焊快速冷却，控制薄板工件的焊接变形，其中正面气体保护装置采用同轴与侧轴复合的吹气方式，而同轴气体保护组件1采用底部向内收口的方式吹入熔池31，采用底部向内收口的方式既能避免气体直吹扰动熔池31，又能压制与驱散金属蒸气和等离子体云32；侧轴气体保护组件7与同轴气体保护组件1相隔一定距离，既能保护焊缝33高温区域，又能随焊快速冷却焊缝33高温区，以减小残余应力，控制焊接变形；为提高激光焊接效率以及防止金属蒸气和等离子体云32对激光头2的影响，框架4上还设置了气刀组件14和排气组件5；该保护装置整体结构设置紧凑，采用螺纹连接的方式，可拆卸性强，便于更换，在保证焊接区域稳定地充满保护气体的前提下，通过调控激光焊接参数与侧轴冷却保护气体气流量，来达到很好的变形控制效果。

具体实施案例：现对某飞机机翼的盒段部分进行激光拼焊，整体材料采用TA15钛合金制成，厚度为3mm，拼焊长度为1.5m。

为控制其整体的焊接变形，结合上述气体保护装置，具体的操作步骤如下：

步骤S1：将表面处理后的焊接工件3拼接固定在专用夹具上，安装调试好的框架4、冷源8以及背面气体保护组件9，保持激光束21的焦点位置在拼焊接头上表面，其中同轴气体保护组件1保持16L/min气流量，气刀组件14保持45L/min气流量，背面气体保护组件9保持15L/min气流量。

本操作步骤中，为节省材料，前期试验选用长度为500mm，宽度为80mm的TA15钛板进行焊接。

步骤S2：通过示教器设置激光焊接前进速度与激光功率，调控侧轴出气部分35随焊冷却气流量。

步骤S3：开启激光器，发射激光束21对焊接工件3进行激光焊接，透过透明的波纹罩431观察焊接的稳定性。

步骤S4：焊接完成，取下焊接工件3，观察焊后工件的成形效果，使用千分表测量薄板工件的挠曲变形量，测量其焊接接头力学性能。

步骤S5：更换试验工件，返回步骤S2，根据所观察的焊接头成形，测量的挠曲变形量以及接头强度，模拟预测整体薄壁钛合金盒段的变形，调整焊接参数，重复进行多次对比试验，直至获得最优的工艺参数，最小的焊接变形。

根据前期的实验与测量，焊接厚度3mm，长度1.5m的TA15薄壁钛合金盒段，优选的工艺参数范围为：激光焊接功率为2100～2300W，焊接速度为2000～2200mm/min，经冷源8的冷气出口85通入焊缝33两侧的冷气流量均为13～15L/min。在此条件下，对机翼盒段部件进行激光焊接，能够达到很好的变形控制效果。

第二实施例：

气刀组件14包括气刀盖板142和底座149，型腔141以及第三出气口144由气刀盖板142和底座149共同形成，具体的，气刀盖板142上设有上型腔1411(图中未示出)，底座149上设有下型腔1412，两者通过螺钉固定贴合后形成型腔141以及第三出气口144。

侧轴气体保护组件7内的第四空腔74内设有第二档片741，第二档片741位于第四空腔74的中部，将第四空腔74分隔为两个大小相同的第七空腔742，第四进气口71为两个对称设置的导气接头，且第四进气口71的位置与第七空腔742相对设置，使得两个第四进气口71能够同时分别向两个第七空腔742内供气，相应的，第四进气管73也设置有两个，通过将第四空腔74分隔为大小相同的两个第七空腔742，使得侧轴气体保护组件7能保证焊缝33两边均匀稳定地快速吹气冷却，以均衡两侧温度场，降低焊缝33两侧的温度差，减小焊接变形量。

其余结构与实施例一相同，在此不再赘述。

需要说明的是，对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内，不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

Claims (9)

1.一种应用同轴气体保护组件的保护装置，其特征在于：包括框架，所述框架内部设有所述同轴气体保护组件和用于排出金属蒸气和等离子体云的排气组件，所述排气组件位于靠近保护气体的反射气流方向，所述同轴气体保护组件、所述排气组件分别与所述框架固定连接，随所述框架一同移动；

所述同轴气体保护组件包括由内到外依次同轴设置的第一空腔和第二环形空腔，所述第一空腔为上下贯通的通孔，所述通孔的上部设置有与其同轴的激光头，所述激光头发射的激光束穿过所述通孔射向工件，在同一高度上所述激光束直径小于所述通孔的直径；

所述第二环形空腔为底部向内收口的封闭结构，所述第二环形空腔的外壁上设有与之连通的第一进气口，所述第二环形空腔的底部设置有朝向焊接工件的第一环形出气口，所述第一环形出气口的位置不高于所述通孔的出口；

所述框架内部、焊接区域的焊后位置处设有侧轴气体保护组件，所述侧轴气体保护组件位于所述排气组件的右侧，所述侧轴气体保护组件固定在所述框架上随所述框架一同移动，所述侧轴气体保护组件包括位于上盖板上的第四进气口和位于下方管内部的梯形台，所述第四进气口与固定在所述框架上的冷源连通，所述梯形台内部设有第四空腔，所述第四空腔的下部设有若干个均匀设置的第四出气口。

2.根据权利要求1所述的保护装置，其特征在于：所述第二环形空腔的外部套设有与其同轴的第三环形空腔，所述第三环形空腔为底面均匀分布若干个第二出气口的封闭结构，所述第三环形空腔的外壁上设有与之连通的第二进气口。

3.根据权利要求2所述的保护装置，其特征在于：所述第一空腔、第二环形空腔和第三环形空腔的旋转轴线与焊接平面的法线夹角为3～5°。

4.根据权利要求3所述的保护装置，其特征在于：所述第一空腔的上部设置有气刀组件，所述气刀组件包括内部设有型腔的气刀盖板，所述气刀盖板上设有分别与所述型腔连通的第三进气口和扁平状的第三出气口，所述第三进气口的另一端与第三进气管连通，所述气刀盖板的右侧前后设置有两个L型挡板，两个L型挡板分别位于所述第一空腔的两侧，所述第三出气口的另一端与两个L型挡板组成的空腔连通。

5.根据权利要求4所述的保护装置，其特征在于：所述框架包括上盖板和内部中空的下方管，所述第一空腔的上端贯穿所述上盖板且与所述上盖板螺纹连接，所述第一空腔的下端位于所述下方管内；所述第二环形空腔和所述第三环形空腔位于所述下方管内，所述下方管上固定设有分别与所述第一进气口连通的第一进气管和与所述第二进气口连通的第二进气管，所述激光头通过连接组件与所述框架固定连接。

6.根据权利要求5所述的保护装置，其特征在于：所述第一环形出气口、所述第二出气口、所述第三出气口、焊接工件和所述下方管之间设有焊接腔体，所述排气组件内部设有一端与外界连通，另一端与所述焊接腔体连接的排气通道。

7.根据权利要求6所述的保护装置，其特征在于：在所述框架内部、焊接区域的焊后位置处设有侧轴气体保护组件，所述侧轴气体保护组件固定在所述框架上随所述框架一同移动，所述侧轴气体保护组件包括位于所述上盖板上的第四进气口和位于所述下方管内部的梯形台，所述第四进气口与固定在所述框架上的冷源连通，所述梯形台内部设有第四空腔，所述第四空腔的下部设有若干个均匀设置的第四出气口，所述冷源包括密封的保温箱体，所述保温箱体内部设置有第五空腔，所述第五空腔内设置有螺旋冷却管，所述螺旋冷却管的两端分别与所述保温箱体上的保护气体进口和冷气出口连接，所述保温箱体上还设置有与所述第五空腔连通的干冰入口和CO2排气口。

8.根据权利要求1或7所述的保护装置，其特征在于：在焊接工件的背部设置有背面气体保护组件，所述背面气体保护组件包括沿焊接方向设置的长方槽体，所述长方槽体上设有第六进气口，所述长方槽体内设有与所述第六进气口连通的第六空腔，所述第六空腔的上壁面上均匀分布有若干个第六出气孔。

9.一种应用权利要求1-8任意一项所述保护装置的变形控制方法，包括如下步骤：

S1：将待焊工件拼接固定于专用夹具，气体保护装置与冷源安装在激光头的连接组件上，调节激光束的预设焦点射入钛合金薄板的拼焊接头，将背面气体保护装置紧贴于拼焊接头背面，而后各部位通入保护气体一段时间，排出装置内其他气体，气体冷却装置加入干冰持续冷却保护气体；

S2：设置激光焊接参数，向所述同轴气体保护组件以及背面气体保护组件内分别通入合适的保护气流，并调控侧轴吹气保护组件随焊冷却的保护气流量；

S3：开启激光器，发射激光束对待焊工件进行长距离的焊接；

S4：焊后观察拼焊接头的成形效果，使用千分表测量薄板工件的挠曲变形量；

S5：更换待焊工件，返回步骤S2，根据焊缝成形效果及挠曲变形量，调整焊接参数，再次进行对比试验，直至获得变形最小的薄板工件。

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