CN117283128A - 一种局部真空激光焊接装置及焊接方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种局部真空激光焊接装置及焊接方法，包括：基座、焊接台、激光焊枪、局部密封结构、压力组件、烟尘防护组件、抽气管路，在基座上设置压力组件和焊接台，改变所述局部密封组件与所述焊接台和待焊工件连接处的压力，在激光焊枪与局部密封结构之间设置烟尘防护组件，所述激光焊枪相对局部密封组件固定，局部密封组件相对焊接台滑动。本发明通过与激光焊枪相对固定的局部密封组件，以及与局部密封组件相对滑动的焊接台的设置，提高了大尺寸结构的焊接灵活性，再通过压力组件的设置，保证了整个焊接过程的低真空度，所述烟尘防护组件的设置保证了焊接过程中镜片的洁净度，在提高了大尺寸结构焊接效率的同时保证了焊接质量。

Description

一种局部真空激光焊接装置及焊接方法

技术领域

本发明涉及有色金属焊接技术领域，具体而言，涉及一种局部真空激光焊接装置及焊接方法。

背景技术

大厚度钛合金材料的应用越来越广泛，例如载人舱球壳是载人潜水器、深海潜航器等。针对钛合金厚板焊接，激光焊接能够实现良好的接头质量，但是激光焊接需要在真空室内进行，大型钛合金结构件由于受尺寸限制无法进行激光焊接。窄间隙焊接方法在钛合金厚板窄间隙焊接广泛应用，但由于厚度较大，窄间隙焊需进行多层多道焊接，焊接效率低，同时厚板焊接的变形控制难度大，不能满足大型结构的高效焊接。

二十世纪80年代，研究人员提出在真空条件下进行激光焊接，能够提高激光能量利用率，提高入射激光的穿透能力大幅增加焊缝熔深。近年来，随着大功率高品质激光器的出现，研究人员发现大功率激光在真空下也能获得类似激光焊接的大深宽比焊缝，并且真空激光焊接不需要达到激光焊接所需的极高的真空度，同时激光焊接也不存在大气分子对电子的散射的问题，还不需要射线保护。

但是，在真空激光焊接过程中，其焊接区域的真空度严重影响激光焊接的熔深，但是在现有的技术中，在大型结构上难以制造出具有足够真空度的真空空间。

中国专利CN201921232451.2公开了一种激光焊接用局部真空密封件，密封罩Ⅰ包括本体Ⅰ，本体Ⅰ上设真空槽Ⅰ；密封罩Ⅱ包括本体Ⅱ，本体Ⅱ上设真空槽Ⅱ和安装槽，安装槽和真空槽Ⅱ两者延伸方向同向、且相互连通，安装槽内用于安装激光保护镜片；本体Ⅰ和本体Ⅱ上分别对应设有气孔Ⅰ和气孔Ⅱ、分别与真空槽Ⅰ和真空槽Ⅱ连通；一种激光焊接装置，包括抽真空系统、激光焊接装置和上述的局部真空密封件；使用时，密封罩Ⅰ和密封罩Ⅱ用于分别安装在待焊接平板的两侧板面上，真空槽Ⅰ和真空槽Ⅱ均与接缝处相对，然后进行抽真空和激光焊接操作。该专利虽然可以提供具有较佳真空度的真空空间，但是，该专利沿着焊缝装配一个与焊缝等长的激光透射镜片，对焊缝的长度具有相应的局限，无法在大型结构上使用，而且在焊接过程中产生大量的烟尘，容易导致焊接过程不稳定。

发明内容

本发明解决的问题是，现有技术中，在大型结构上难以制造出具有足够真空度的真空空间，现有的真空激光焊接装置无法用于大型结构，而且焊接时产生的烟尘容易导致焊接过程不稳定。

本发明公开了一种局部真空激光焊接装置，包括：基座，在所述基座上方形成激光焊接工件的加工区域；焊接台，所述焊接台设置在基座上，所述焊接台至少包括第一承载板，所述第一承载板用于固定待焊工件；激光焊枪，所述激光焊枪设置在焊接台的上侧，用于焊接待焊工件；局部密封结构，所述局部密封结构用于与待焊工件和/或焊接台形成局部密封焊接区，所述局部密封结构，包括密封板，在所述密封板的中心处设置第一通孔，所述激光焊枪的激光能够穿过所述第一通孔对待焊工件进行焊接，所述密封板相对所述激光焊枪固定设置，所述局部密封结构能够相对焊接台滑动；压力组件，所述压力组件相对所述激光焊枪和密封板固定设置，用于改变所述局部密封结构与所述第一承载板和/或待焊工件连接处的压力；烟尘防护组件，所述烟尘防护组件设置在所述激光焊枪与局部密封结构之间，在所述烟尘防护组件上侧设置有镜片，所述激光焊枪产生的激光透过镜片对待焊工件进行焊接；抽气管路，所述抽气管路与密封板内侧腔室连通，所述抽气管路用于抽吸局部密封结构内部空气，以形成真空焊接环境。

进一步的，所述烟尘防护组件包括镜片、压盖、烟尘防护腔和气阻，所述压盖用于将所述镜片密封设置在所述烟尘防护腔的顶端，所述气阻设置在烟尘防护腔与密封板内部腔室之间，所述气阻用于阻挡局部密封结构内部在激光焊接时产生的烟气进入烟尘防护腔内。

进一步的，所述气阻包括支座和挡片，在所述支座的上侧周向上设置有第一折边，在所述第一通孔上设置有沉台，所述第一折边与沉台配合装配，所述支座的下侧穿过所述第一通孔进入所述密封板内部腔室中，在所述支座的底部周向上设置有向内翻折的第二折边，所述挡片与所述第二折边配合装配，在所述挡片上设置有透光孔，所述激光焊枪产生的激光依次穿过镜片、透光孔后对待焊工件进行焊接。

进一步的，在所述烟尘防护腔底部设置有凸台，所述凸台与所述沉台配合装配，在所述凸台上设置有环形槽，所述环形槽用于设置气密件。

进一步的，在所述烟尘防护腔的侧壁上设置有进气结构和抽气结构，所述进气结构用于向烟尘防护腔中充入惰性气体，所述抽气结构用于将烟尘防护腔中的惰性气体抽出。

进一步的，所述压力组件包括第一滑移板，所述第一滑移板压接在所述局部密封结构的上方，在所述第一滑移板的相对两端设置导向柱，在所述导向柱上套接连接套，所述连接套固定在所述基座上，在所述导向柱的下端设置第二滑移板，所述第二滑移板与所述导向柱连为一体，所述第二滑移板在第二驱动组件的作用下能够上下移动，所述第二驱动组件固定在所述基座上。

进一步的，在所述第一承载板上设置背部密封结构，所述背部密封结构通过所述第一承载板上的第一安装槽设置在第一承载板上，在所述背部密封结构上设置有顶料结构。

进一步的，所述局部密封结构的密封板上设置第一通孔和第二通孔，在所述密封板上远离所述激光焊枪的一端设置密封组件，所述第一通孔与烟尘防护组件密封装配，所述第二通孔与抽气管路连接，在所述密封板上远离所述激光焊枪的一侧设置连通槽，所述连通槽的两端分别连通所述第一通孔和所述第二通孔。

进一步的，在所述密封板上远离所述激光焊枪的一侧设置第一容纳槽和第二容纳槽，所述第一容纳槽和第二容纳槽均呈封闭的环状设置，且所述第一容纳槽的中心、所述第二容纳槽的中心与所述密封板的中心重合，所述密封组件包括第一密封环和第二密封环，所述第二密封环设置在第一容纳槽内，所述第二密封环与所述第一容纳槽过盈配合，所述第一密封环设置在第二容纳槽内，所述第一密封环与所述第二容纳槽过盈配合。

本发明还公开了一种焊接方法，采用如上所述的局部真空激光焊接装置，包括如下步骤：

步骤S1：将待焊工件加工成I型坡口，在装配前对加工后的坡口表面及边缘30mm内的母材进行打磨，再清洗去除油污，并对处理后的待焊工件装配安装在焊接台；

步骤S2：采用压力组件将局部密封结构压接在焊接台上，使密封组件与工件和焊接台贴合密封；

步骤S3：在焊缝上表面抽真空保证焊接过程中环境的真空度，在焊缝背面的背部密封结构抽真空或者采用保护罩充惰性气体进行保护；

步骤S4：真空度达到施焊要求时启动激光焊枪进行焊接，激光依次通过镜片和烟尘防护组件后作用于待焊金属，烟尘防护组件中通过惰性气体的流动形成气帘，防止金属蒸汽污染镜片，保证焊接时镜片的透光率；焊接过程中，抽真空系统持续运行，压力组件持续运行，保证局部密封结构与工件和焊接台之间贴合密封；

步骤S5：完成焊接。

相对于现有技术，本发明所述的局部真空激光焊接装置及焊接方法具有以下优势：

本发明通过在基座上设置能够相对激光焊枪以及局部密封装置移动的焊接台，实现了常压激光焊接厚度的2-3倍板材的焊接；钛合金接头的强度系数达到0.95以上，优于常压激光焊，能够实现较高的真空度，达到10^-2Pa，又不受结构限制，能够沿焊缝滑动，有效解决了在焊接大型结构真空度、灵活性及适应性的兼容问题，工程应用价值高。

附图说明

图1为本发明实施例所述局部真空激光焊接装置的立体结构示意图；

图2为本发明实施例所述局部真空激光焊接装置的侧视结构示意图；

图3为图2中A-A部位的剖面结构示意图；

图4为图3中B部位的局部放大示意图；

图5为本发明实施例所述的气阻的结构示意图；

图6位本发明实施例所述局部真空激光焊接装置的爆炸结构示意图；

图7为本发明实施例所述烟尘防护组件、焊接台、压力组件装配在一起的结构示意图；

图8为本发明实施例所述烟尘防护组件、焊接台、压力组件装配在一起时另一角度的结构示意图；

图9为本发明实施例所述烟尘防护组件、焊接台、压力组件的爆炸结构示意图；

图10为图9中所示结构的侧视图；

图11为本发明实施例所述密封板的立体结构示意图；

图12为本发明实施例所述密封板另一角度的立体结构示意图；

图13为常压激光焊接接头与本发明提供的局部真空激光焊接接头的对比图；

图14为本发明实施例1所述局部真空激光焊接装置焊接平板时的状态示意图；

图15为本发明实施例2所述局部真空激光焊接装置用于角焊缝焊接时的状态示意图。

附图标记说明：

1、激光焊枪；2、烟尘防护组件；21、镜片；22、压盖；23、烟尘防护腔；231、进气结构；232、抽气结构；233、凸台；234、环形槽；24、气阻；241、支座；2411、第一折边；2412、第二折边；242、挡片；2421、透光孔；3、局部密封结构；31、密封板；311、第一通孔；3111、沉台；312、第二通孔；313、连通槽；314、第一容纳槽；315、第二容纳槽；32、密封组件；321、第一密封环；322、第二密封环；4、焊接台；41、第一承载板；411、背部密封结构；412、顶料结构；42、第一驱动组件；421、第一驱动电机；422、减速机构；423、第一安装座；424、滚珠丝杠螺杆；425、第二安装座；426、第一螺母套；427、第二连接板；428、联轴器；429、第一安装槽；43、滑移轨道；44、滑移块；45、第一连接板；5、压力组件；51、第一滑移板；511、第三通孔；52、导向柱；53、连接套；54、第二滑移板；55、第二驱动组件；551、固定框架；552、第二驱动电机；553、驱动齿轮；554、从动齿轮；555、第二滚珠丝杠；556、第三轴承座；557、第二螺母套；558、第四轴承座；559、升降连接板；6、基座；61、支撑框架；62、支撑面板；621、轨道限位槽；622、连接孔；623、第二安装槽；7、待焊工件；71、第一工件；72、第二工件；8、抽气管路。

具体实施方式

为使本发明目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

下面结合附图具体描述本发明实施例的一种局部真空激光焊接装置及焊接方法。

实施例1

本实施例提供一种局部真空激光焊接装置，如图1-图14所示，包括：

基座6，在所述基座6上方形成激光焊接工件的加工区域；

焊接台4，所述焊接台4设置在基座6上，所述焊接台4至少包括第一承载板41，所述第一承载板41用于固定待焊工件7；

激光焊枪1，所述激光焊枪1设置在焊接台4的上侧，用于焊接待焊工件7；

局部密封结构3，所述局部密封结构3用于与待焊工件7和/或焊接台4形成局部密封焊接区，所述局部密封结构3包括密封板31，在所述密封板31的中心处设置第一通孔311，所述激光焊枪1的激光能够穿过所述第一通孔311对待焊工件7进行焊接，所述密封板31相对所述激光焊枪1固定设置；所述局部密封结构3能够相对焊接台4滑动；

压力组件5，所述压力组件5相对所述激光焊枪1和密封板31固定设置，用于改变所述局部密封结构3与所述第一承载板41和/或待焊工件7连接处的压力；

烟尘防护组件2，所述烟尘防护组件2设置在所述激光焊枪1与局部密封结构3之间，在所述烟尘防护组件2上侧设置有镜片21，所述激光焊枪1产生的激光透过镜片21对待焊工件7进行焊接；

抽气管路8，所述抽气管路8与密封板31内侧腔室连通，所述抽气管路8用于抽吸局部密封结构3内部空气，以形成真空焊接环境。

申请人在研究过程发现，对于大型钛合金结构的局部真空激光焊接，其激光焊枪1周围焊接空间的密封性能是实现其真空焊接的重中之重，但是由于激光焊枪1在待焊工件7上形成的较长焊缝时，焊缝可能需要穿过局部密封结构3，且焊缝在焊接后的温度极高，该结构变化以及高温环境极易对局部密封结构3造成破坏，从而影响激光焊枪1周围焊接空间的密封性。本实施例中提供的局部真空激光焊接装置存在两种实现形式，一种是焊接台4与基座6相对固定，激光焊枪1、局部密封结构3和压力组件5相对焊接台4移动，另一种是激光焊枪1、局部密封结构3和压力组件5相对基座6固定，焊接台4相对基座6移动，通过上述设置，实现了激光焊枪1与待焊工件7的相对移动，在焊接过程中，根据局部密封结构3的性能调整压力组件5的施加压力值，使得局部密封结构3与所述第一承载板41和/或待焊工件7连接处在焊接过程中始终保持较为紧密的贴合状态，避免待焊工件7焊接后的焊缝穿过局部密封结构3导致的密封失效，从而提高激光焊枪1焊接的效率和可靠性，该焊接空间始终处于较低真空度的空间，使得本发明所述的局部真空激光焊接装置在焊接大尺寸待焊工件7时工作可靠，减少了真空室体积对激光焊接零件尺寸的束缚，结构巧妙，大大提高了局部真空激光焊接技术应用的可靠性。在本实施例中，通过局部密封结构3与焊接台4之间的相对滑动，实现了局部密封结构3与焊缝的相对滑动，从而在保证低真空度的同时，提升了可焊接焊缝的尺寸，大大提升了焊接的灵活性。需要说明的是，当所述待焊工件7为平板时，所述第一承载板41也设置为平板，且待焊工件7上平面与第一承载板41的上表面相对平齐；当所述待焊工件7为弧形板时，所述第一承载板41也设置为弧形板，且第一承载板41的弧形半径与待焊工件4保持一致，使得待焊工件4设置在第一承载板41上时，其外表面结合成为统一的弧面结构，该设置可有效地保证所述局部密封结构3在待焊工件7与第一承载板41之间缝隙处的密封性能，使得焊接过程中密封焊接区的真空度保持稳定。

在本实施例中，如图4、图5、图9所示，所述烟尘防护组件2包括镜片21、压盖22、烟尘防护腔23和气阻24，所述压盖22用于将所述镜片21密封设置在所述烟尘防护腔23的顶端，所述气阻24设置在烟尘防护腔23与密封板31内部腔室之间，所述气阻24用于阻挡局部密封结构3内部在激光焊接时产生的烟气进入烟尘防护腔23内。

在激光焊接过程中，尤其是钛合金的焊接过程中，会产生大量的烟气，如果这些烟气进入烟尘防护腔23内，将会严重污染镜片21，降低其透光性，导致激光焊接效果和效率不佳，所述气阻24的设置大大降低了进入烟尘防护腔23内的烟气量，避免了镜片21受到污染，从而有效地保证了激光焊接的效率和质量。

作为本发明的一个较佳的示例，如图5所示，所述气阻24包括支座241和挡片242，在所述支座241的上侧周向上设置有第一折边2411，在所述第一通孔311上设置有沉台3111，所述第一折边2411与沉台3111配合装配，所述支座241的下侧穿过所述第一通孔311进入所述密封板31内部腔室中，在所述支座241的底部周向上设置有向内翻折的第二折边2412，所述挡片242与所述第二折边2412配合装配，在所述挡片242上设置有透光孔2421，所述激光焊枪1产生的激光依次穿过镜片21、透光孔2421后对待焊工件7进行焊接。

通过上述设置，使得所述气阻24中挡片242更为靠近焊缝，所述挡片242越靠近焊缝，其对焊接时产生的烟尘的压制作用越好，再加上透光孔2421很小，因此进入烟尘防护腔23内的烟尘有限，可以有效地防止镜片21被污染，提升了真空激光焊接的焊接质量和效率，所述第一折边2411和沉台3111的结构有助于形成烟尘防护组件2与局部密封结构3之间的密封结构，从而进一步提高所述局部密封结构3内的真空度，提高局部激光焊接的焊接质量。可选的，所述透光孔2421为沿焊缝方向的条状孔，该设置有助于增大激光焊枪1的焊接范围。

在本实施例中，如图4所示，在所述烟尘防护腔23底部设置有凸台233，所述凸台233与所述沉台3111配合装配，在所述凸台233上设置有环形槽234，所述环形槽234用于设置气密件(附图未示出)。

装配时，所述凸台233套设在所述第一折边2411的外侧周向上，并且伸入所述沉台3111内，在所述环形槽234中设置气密件可以显著提升烟尘防护组件2与局部密封结构3的气密性，有助于提升密封板31内部腔室的真空度，从而提高焊接质量。

作为一个较佳的实施例，如图9所示，在所述烟尘防护腔23的侧壁上设置有进气结构231和抽气结构232，所述进气结构231用于向烟尘防护腔23中充入惰性气体，所述抽气结构232用于将烟尘防护腔23中的惰性气体抽出。

所述进气结构231和抽气结构232的设置可将进入烟尘防护腔23中的烟气带走，进一步避免其对镜片21造成污染，此外，焊接时的金属蒸汽吸收激光束被电离成等离子云，会在一定程度上消耗激光束的能量，影响焊接质量，所述进气结构231和抽气结构232的设置可以有效地驱散激光焊接时产生的等离子云，减少了等离子体对激光的消耗，提高了激光焊接的质量。所述抽气管路8、进气结构231和抽气结构232在焊接过程中始终处于工作状态，从而可以最大程度的将焊接时产生的烟气和等离子云驱散，从而保证激光焊接的质量和效率。

作为本发明的较佳示例，如图7-图10所示，所述压力组件5包括第一滑移板51，所述第一滑移板51压接在所述局部密封结构3的上方，在所述第一滑移板51的相对两端设置导向柱52，在所述导向柱52上套接连接套53，所述连接套53固定在所述基座6上，在所述导向柱52的下端设置第二滑移板54，所述第二滑移板54与所述导向柱52连为一体，所述第二滑移板54在所述第二驱动组件55的作用下能够上下移动，所述第二驱动组件55固定在所述基座6上。作为本发明的示例，所述导向柱52设置四根，分别布置在所述第一滑移板51的四个方位角上，所述导向柱52的上端和下端分别与第一滑移板51、第二滑移板54连为一体，每根所述导向柱52穿过所述基座6的支撑面板62，作为优选，在每根所述导向柱52上设置一个连接套53，在所述支撑面板62上设置连接孔622，所述连接套53部分结构穿过所述连接孔622后与支撑面板62固定连接，所述第二驱动组件55以及所述第二滑移板54设置在所述支撑面板62下方的支撑框架61内部。在使用时，所述第二驱动组件55工作时带动第二滑移板54上下移动，进而带动导向柱52一体的上下移动，导向柱52穿过所述连接套53后带动第一滑移板51上下移动，改变局部密封结构3在焊接时承载的压力。其中，可选的，在所述第一滑移板51上设置第三通孔511，所述烟尘防护组件2穿过所述第三通孔511后与密封板31固定连接。

本发明所述的压力组件5结构巧妙，第二驱动组件55以及传动装置大部分都设置在基座6的内部，外观更加美观，避免压力组件5的动力装置由于裸露导致的噪音或者异物损坏风险，同时增加了基座6的整体质量，提高压力组件5改变所述局部密封结构3与所述第一承载板41或者待焊工件7连接处的压力的可靠性，进一步提升本发明所述局部真空激光焊接装置通过激光焊接时局部密封结构3内部空间的密封性。该装置适用于激光焊枪1、局部密封结构3和压力组件5相对基座6固定，焊接台4相对基座6移动的情况，当将压力组件5用于焊接台4与基座6相对固定，激光焊枪1、局部密封结构3和压力组件5相对焊接台4移动的情况时，所述连接套53与基座6活动连接，并在基座6上设置用于压力组件5滑动的驱动部件，使得压力组件5可相对基座6滑动即可，具体可以根据现有技术进行设置，在此不再赘述。

作为本发明的较佳示例，如图10所示，所述第二驱动组件55包括固定框架551，所述固定框架551与所述基座6连为一体，在所述固定框架551上设置第二驱动电机552和第二滚珠丝杠555，所述第二滚珠丝杠555通过第二螺母套557与第二滑移板54连为一体，所述第二滚珠丝杠555的上下两端分别通过第三轴承座556和第四轴承座558与固定框架551连接，所述第二驱动电机552与第二滚珠丝杠555通过啮合的传动齿轮传动。作为本发明的示例，所述固定框架551呈矩形框设置，所述第二驱动电机552固定在所述固定框架551的下底板上表面，所述第二驱动电机552的输出轴穿过所述固定框架551的下底板，在所述固定框架551下方的输出轴上固定驱动齿轮553，对应的，在所述第二滚珠丝杠555穿过所述固定框架551下底板的端部设置从动齿轮554，所述驱动齿轮553与所述从动齿轮554啮合传动，所述第二滚珠丝杠555与所述固定框架551的下底板的连接处设置第三轴承座556，在所述固定框架551上顶板的下表面设置第四轴承座558，所述第二滚珠丝杠555通过滚珠轴承与第三轴承座556、第四轴承座558转动连接，在所述固定框架551上顶板的上方设置升降连接板559，所述升降连接板559用于将固定框架551与基座6固定连接，作为优选，所述升降连接板559设置两个。在使用时，第二驱动电机552带动驱动齿轮553转动，通过驱动齿轮553与从动齿轮554的外啮合作用带动第二滚珠丝杠555做反向转动，由于第二滚珠丝杠555与固定框架551通过第三轴承座556、第四轴承座558轴承连接，使得第二滚珠丝杠555只能做转动运动，在第二滚珠丝杠555上设置的第二螺母套557带动第二滑移板54一体的上下移动。

该设置公开了一种第二驱动组件55的结构，利用滚珠丝杠带动第二滑移板54整体的上下移动，结构合理，实现压力组件5施加在局部密封结构3上压力的连续调整，进一步提升压力组件5工作的顺畅性和可靠性。

作为本发明的较佳示例，如图6所示，焊接台4还包括第一驱动组件42，所述第一驱动组件42相对所述基座6固定设置，所述第一驱动组件42用于驱动所述第一承载板41运动。当所述待焊工件7为平板时，所述第一驱动组件42用于驱动所述第一承载板41水平运动，当所述待焊工件7和第一承载板41为弧形时，所述第一驱动组件42用于驱动所述第一承载板41以其弧形的圆心轴为转动轴转动。

该设置仅需将焊接台4移动即可实现焊缝相对于激光焊枪1的移动，相对于同步设置激光焊枪1、烟尘防护组件2、局部密封结构3、压力组件5的同步移动装置结构更为简单，且通过设置焊接台4实现待焊工件7的焊接位置移动，在焊接过程中，根据局部密封结构3的性能调整压力组件5的施加压力值，使得局部密封结构3与所述第一承载板41和/或待焊工件7连接处在焊接过程中始终保持较为紧密的贴合状态，避免待焊工件7焊接后的焊缝穿过局部密封结构3导致的密封失效，从而提高激光焊枪1焊接的效率和可靠性。需要说明的是，也可以设置对应的驱动结构以驱动所述激光焊枪1、烟尘防护组件2、局部密封结构3、压力组件5的同步水平移动(待焊工件7为平板)，或者，驱动所述激光焊枪1、烟尘防护组件2、局部密封结构3、压力组件5以待焊工件7弧形的圆心轴为转轴转动(待焊工件7为弧形板)。

作为本发明的一个示例，如图3所示，所述第一驱动组件42包括第一驱动电机421，所述第一驱动电机421用于带动滚珠丝杠螺杆424转动运动，所述滚珠丝杠螺杆424与第一安装座423、第二安装座425轴承连接，所述第一安装座423、所述第二安装座425与所述基座6的支撑面板62连为一体，所述滚珠丝杠螺杆424与第一螺母套426丝杠传动，所述第一螺母套426通过第二连接板427与第一承载板41连为一体，其中，所述滚珠丝杠螺杆424的转动中心轴线方向与第二滚珠丝杠555的转动中心轴线方向呈垂直状设置。

该设置公开了一种第一驱动组件42驱动第一承载板41进行水平方向驱动运动的结构，优化了焊接台4的驱动和传动结构，合理利用基座6内部和上部的空间，保证待焊工件7移动以及局部真空激光焊接的可靠性。应当理解，也可以采用其他的驱动结构实现焊接台4的水平移动或者转动，在此不再赘述。

作为本发明的较佳示例，如图7所示，所述焊接台4还包括滑移轨道43和滑移块44，所述滑移块44通过第一连接板45与第一承载板41连为一体，所述滑移块44能够在所述滑移轨道43上导向滑动。作为优选，所述滑移轨道43与滑移块44对应设置两套，两个所述滑移轨道43布置在所述滚珠丝杠螺杆424的相对两侧。

该设置通过滑移块44以及滑移轨道43的导向滑动作用，进一步提高了第一承载板41在第一驱动组件42作用下进行水平移动的流畅性和可靠性。

作为本发明的较佳示例，在所述第一驱动电机421与所述滚珠丝杠螺杆424之间设置减速机构422和联轴器428。在使用时，所述第一驱动电机421的输出轴通过减速机构422以及联轴器428与滚珠丝杠螺杆424的端部连接，通过减速机构422的减速作用，提高了滚珠丝杠螺杆424的传动扭矩，使得第一承载板41在局部密封结构3在受到较高压力时依然能够可靠、流畅的进行水平移动，而减速机构422的输出端通过联轴器428滚珠丝杠螺杆424连接，保证第一驱动电机421输出轴、减速机构422的输出轴以及滚珠丝杠螺杆424传动时的同心度，进一步提高第一驱动组件42工作的可靠性。

作为本发明的一个较佳示例，如图3所示，在所述第一承载板41上设置背部密封结构411，所述背部密封结构411通过所述第一承载板41上的第一安装槽429设置在第一承载板41上，在所述背部密封结构411上设置有顶料结构412。作为优选，所述背部密封结构411包括向下凹陷的容纳空间，所述待焊工件7的第一工件71与第二工件72在第一安装槽429内拼接形成焊接缝，该焊接缝正对所述激光焊枪1输出的激光，所述待焊工件7在第一驱动组件42作用下随着第一承载板41整体移动时，待焊工件7平面与第一承载板41的上表面相对平齐或形成统一的弧面结构，实现了工件的可靠焊接。

钛合金焊接过程中，其焊缝暴露在空气中极易发生氢脆、氧化变色等问题，严重影响焊接质量，所述背部密封结构411用于密封待焊工件7的背面，避免其在焊接过程中被氧化，优选的，在焊接过程中，在背部密封结构411中充入惰性气体，从而形成良好的保护。由于所述待焊工件7的上表面与第一承载板41的上表面平齐或者形成统一的弧面结构，在焊接完成后不易取出，所述顶料结构412的设置有助于在焊接完成后取出焊接后的工件，提高了工作效率。

作为本发明的一个较佳示例，所述基座6包括支撑框架61和支撑面板62，所述支撑面板62固定在所述支撑框架61的上方，在所述支撑面板62上设置有连接孔622，所述连接孔622与连接套53对应设置；在所述支撑面板62上设置有第二安装槽623，所述第二安装槽623用于安装连接所述第一驱动电机421和/或减速机构422。作为优选，在所述支撑框架61的内部或者外部设置箱体封板，在所述支撑框架61的内部设置配重件，用以增大基座6的整体质量。作为优选，在所述支撑面板62的上表面设置轨道限位槽621，所述轨道限位槽621用以放置所述滑移轨道43。

通过在支撑面板62上设置的第二安装槽623，用于调整所述第一驱动组件42的相对安装高度，从而为第一承载板41上安装不同的背部密封结构411进行空间避让，进一步提高本发明所述的局部真空激光焊接装置适用于多种大规格尺寸的零部件焊接。

上述实施例主要用于公开限定局部真空激光焊接装置中的烟尘防护组件2及驱动系统和传动系统，通过气阻24和烟尘防护腔23的设置，避免焊接时的烟气污染镜片21，从而提高了激光焊接的焊接质量和焊接效率，再通过相互垂直状布置的滚珠丝杠螺杆424和第二滚珠丝杠555，一方面可以根据局部密封结构3的结构和性能连续调整压力组件5施加至局部密封结构3上的压力，保证局部密封结构3与所述第一承载板41或者待焊工件7连接处的密封，即使在高温焊缝通过时，依然保证局部密封结构3内部的焊接空间密封可靠，保证激光焊枪1焊接工作时的低真空环境要求，另一方面使得待焊工件7在驱动装置作用下能够相对局部密封结构3可靠的进行水平移动，结构巧妙，既合理的利用了基座6内部与平台上板的空间，又保证了焊接台4与压力组件5工作的可靠性以及移动调整的流畅性。

需要说明的是，如图15所示，本发明提供的焊接装置还用于角焊缝的焊接，在具体的焊接过程中，在T字形竖板的两侧各自设置激光焊枪1、局部密封结构3、压力组件5、烟尘防护组件2、抽气管路8，从角焊缝的两侧同步焊接即可，在此过程中，采用两个激光焊枪1、两个局部密封结构3、两个压力组件5、两个烟尘防护组件2、两个抽气管路8，再使用一个背部密封结构411即可。

作为本发明的一个较佳示例，如图11、图12所示，所述局部密封结构3的密封板31上设置第一通孔311和第二通孔312，在所述密封板31上远离所述激光焊枪1的一端设置密封组件32，所述第一通孔311与烟尘防护组件2密封装配，所述第二通孔312与抽气管路8连接，在所述密封板31上远离所述激光焊枪1的一侧设置连通槽313，所述连通槽313的两端分别连通所述第一通孔311和所述第二通孔312。

该设置通过对局部密封结构3进行结构改进，一方面保证局部密封结构3内部形成密封空间进行局部真空激光焊接的可靠性，另一方面通过烟尘防护组件2避免焊接时的烟气对镜片21造成污染，保证了焊接质量。

作为本发明的一个较佳示例，在所述密封板31上远离所述激光焊枪1的一侧设置第一容纳槽314和第二容纳槽315，所述第一容纳槽314和第二容纳槽315均呈封闭的环状设置，且所述第一容纳槽314的中心、所述第二容纳槽315的中心与所述密封板31的中心重合，所述密封组件32包括第一密封环321和第二密封环322，所述第二密封环322设置在第一容纳槽314内，所述第二密封环322与所述第一容纳槽314过盈配合，所述第一密封环321设置在第二容纳槽315内，所述第一密封环321与所述第二容纳槽315过盈配合。

本发明所述的局部真空激光焊接装置，所采用的密封组件32为申请人自主研发的局部真空激光焊接用高温密封材料，所述高温密封材料能耐500℃高温，材料硬度低于20，使得所述密封组件32在焊接时，与焊缝发生相对移动也可以保持不被烧损，同时还具备较好的弹性变形能力，使得局部密封结构3中始终保持在低真空度的状态，其真空度可达10^{- 2}Pa，激光焊接的穿透能力达到常压环境下相同功率的2-3倍。

本发明所述的密封组件32的组分包括(按质量份计)：

氧化锌3～8份、硬脂酸0.5～3份、炭黑10～50份、防老剂0.5～3份、硫磺0～2份、促进剂1～5份、增塑剂5～20份，发泡剂1～10份，氮化硅0～20份。

其中，所述橡胶基体为乙烯-醋酸乙烯共聚物、三元乙丙橡胶和硅橡胶中的至少一种。

在本实施例中，所述炭黑为炭黑N330、炭黑N550、炭黑N990中的至少一种。

作为本发明的较佳示例，所述防老剂为防老剂4010NA、防老剂MB、防老剂RD中的至少一种。

作为本发明的较佳示例，所述增塑剂为增塑剂TP-95、增塑剂DOP、增塑剂DOS中的至少一种。

作为本发明的较佳示例，所述发泡剂为发泡剂AC、发泡剂OBSH中的至少一种。

上述材料的制备方法包括：

ST1：按质量严格称取所述局部真空激光焊接用密封材料的原材料；

ST2：将配备好的原材料进行开炼机塑炼工艺、密炼机混炼工艺、开炼机混炼工艺及挤出成型工艺制备。

作为本发明的示例，其中，所述开炼机塑炼工艺包括如下步骤；

ST211：将基体橡胶在双辊开炼机上进行塑炼，辊距调至最小，薄通N次；

ST212：调大辊距，打三角包M个；

其中，N、M为预设参数。

具体的，作为本发明的示例，将基体橡胶在双辊开炼机上充分进行塑炼，辊距调至最小，薄通6～8次，调大辊距，再打三角包6～8个。

作为本发明的一个较佳示例，所述密炼机混炼工艺包括如下步骤：

ST221：将塑炼过的基体橡胶、氧化锌、防老剂等投入到密炼机中，控制转子速度为20～40转/分，密炼预设时间T1，温度控制在80℃以下；

ST222：向密炼机中加入增塑剂、一半的炭黑，一半发泡剂，控制转子速度20～40转/分，密炼预设时间T2，温度控制在80℃以下；

ST223：向密炼机中加入另一半的炭黑，另一半发泡剂，控制转子为20～40转/分，密炼预设时间T3，温度控制在80℃以下；

其中，预设时间T1、预设时间T2、预设时间T3为预设的时间参数，且T1≤T2，T1≤T3。作为优选，T2＝T3。作为本发明的示例，T1＝2分钟，T2＝3分钟，T3＝3分钟。

作为本发明的示例，所述开炼机混炼工艺包括如下步骤：

ST231：待密炼机混炼出仓后胶料成团，放置于通风处冷却；

ST232：打开开炼机冷却水，在设备上依次加入小料，所述小料包括促进剂、硫磺；

ST233：翻炼小料完毕后，调大辊距再打三角包Q遍，其中，Q为预设参数；

ST234：至胶料表面平整、无明显气泡后，出片，完成混炼工序。

具体的，作为本发明的示例，待密炼机混炼出仓后胶料成团，拿至通风优良处充分冷却后，打开开炼机冷却水，在设备上上依次加入促进剂、硫磺、等小料，翻炼吃料完毕后，调大辊距再打三角包4～5遍，至胶料表面平整、无明显气泡后，出片，完成混炼工序。

作为本发明的示例，所述挤出成型工艺包括如下步骤：

ST241：将炼制好的混炼胶进行冷却；

ST242：挤出机分为多段加热，且每段加热温度从前至后逐渐递减，牵引速度为B，其中，B为预设参数；

ST243：将混炼胶放置到挤出机的传送带上，将挤出的试样通过冷却装置进行冷却。

具体的，作为本发明的示例，将炼制好的混炼胶进行冷却，挤出机分为四段加热，加热温度分别设置为160℃、150℃、145℃和140℃，牵引速度为1.6mm/s。然后将混炼胶放置到挤出机的传送带上，将挤出的试样通过冷却装置进行冷却，最后制备如图1、图2所示具备低硬度耐高温的密封材料。

通过以上制备方法，可以获得一种低硬度(硬度小于20)，短时间内耐高温(500℃)的密封材料，能够应用于局部真空激光焊接。

具体的，本发明所述的局部真空激光焊用密封材料的胶料配方如下表1所示：

表1密封材料配方示例

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按照上述胶料配方进行各组分的称量，然后按照本发明所述的一种局部真空激光焊接用密封材料的制备方法制得混炼胶制备的密封材料。

实施例2

本实施例提供一种焊接方法，用于如实施例所述的局部真空激光焊接装置，所述焊接方法包括如下步骤：

步骤S1：将待焊工件加工成I型坡口，在装配前对加工后的坡口表面及边缘30mm内的母材进行打磨，再清洗去除油污，并对处理后的待焊工件装配安装在焊接台；

步骤S2：采用压力组件将局部密封结构压接在焊接台上，使密封组件与工件和焊接台贴合密封；

步骤S3：在焊缝上表面抽真空保证焊接过程中环境的真空度，在焊缝背面的背部密封结构抽真空或者采用保护罩充惰性气体进行保护；

步骤S4：真空度达到施焊要求时启动激光焊枪进行焊接，激光依次通过镜片和烟尘防护组件后作用于待焊金属，烟尘防护组件中通过惰性气体的流动形成气帘，防止金属蒸汽污染镜片，保证焊接时镜片的透光率；焊接过程中，抽真空系统持续运行，压力组件持续运行，保证局部密封结构与工件和焊接台之间贴合密封；

步骤S5：完成焊接。

本实施例提供的面向大型结构的高适应性局部真空激光焊接装置及焊接方法，可应用于钛合金、钢、铝合金等金属结构焊接。

采用实施例1提供的局部真空激光焊接装置及实施例2提供的焊接方法制造的钛合金工件接头焊接强度系数不低于0.95。

实施例3

本实施例提供采用实施例1所述的局部真空激光焊接装置和实施例2提供的焊接方法进行的焊接实例，材料为船用Ti80合金，在深潜器、船舶装备上广泛应用，其服役环境对冲击韧性有较高的要求。

成形原材料为Ti80钛合金板材，试板厚度42mm。将Ti80钛合金基板表面进行机械打磨，然后分别用丙酮、酒精溶剂超声波清洗去除油污，干燥待用；将清洗后的工件测量好尺寸后置于工作台上，用夹具固定好；采用局部真空激光焊接装置及方法进行焊接，焊接速度为0.6-1.5m/min、激光功率为16-20KW、真空度为10-1000Pa。整个激光焊接过程在局部真空环境下进行，焊接试板表面不发生氧化，成形构件表面为银白色或淡黄色。

焊接后采用X射线探伤仪对按上述步骤完成的局部真空激光焊接接头进行无损检测，焊缝质量满足NB 47013-2015Ι级要求。利用金相显微镜对接头组织进行分析，利用电子万能实验机进行焊接接头拉伸试验测试，采用摆锤式冲击试验机对接头进行冲击韧性测试。

采用本发明进行Ti80合金的局部真空激光焊接，穿透厚度是普通激光焊的3倍左右，焊接接头无钉尖缺陷，焊接接头对比如图15所示。此外，局部真空激光焊接Ti80合金能够获得良好的接头性能，抗拉强度系数达到99％，冲击吸收功高于母材，如表2所示。

表2局部真空激光焊接Ti80合金接头性能对比

除了焊接厚度及性能优于常压激光焊接接头，本发明的局部真空激光焊接方法能够实现大型结构的高效激光焊接，在舰船和深海装备领域有着重要的意义和应用前景。

需要说明，本发明中所有进行方向性和位置性指示的术语，诸如：“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”、“顶”、“低”、“尾端”、“首端”、“中心”等，仅用于解释在某一特定状态下各部件之间的相对位置关系、连接情况等，仅为了便于描述本发明，而不是要求本发明必须以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。另外，在本发明中涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。另外，全文中出现的“和/或”的含义，包括三个并列的方案，以“A和/或B”为例，包括A方案、或B方案、或A和B同时满足的方案。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”、“固定”等应做广义理解，例如，“固定”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

虽然本发明披露如上，但本发明并非限定于此。任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，均可作各种更动与修改，因此本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。

Claims (10)

1.一种局部真空激光焊接装置，其特征在于，包括：

基座(6)，在所述基座(6)上方形成激光焊接工件的加工区域；

焊接台(4)，所述焊接台(4)设置在基座(6)上，所述焊接台(4)至少包括第一承载板(41)，所述第一承载板(41)用于固定待焊工件(7)；激光焊枪(1)，所述激光焊枪(1)设置在焊接台(4)的上侧，用于焊接待焊工件(7)；

局部密封结构(3)，所述局部密封结构(3)用于与待焊工件(7)和/或焊接台(4)形成局部密封焊接区，所述局部密封结构(3)包括密封板(31)，在所述密封板(31)的中心处设置第一通孔(311)，所述激光焊枪(1)的激光能够穿过所述第一通孔(311)对待焊工件(7)进行焊接，所述密封板(31)相对所述激光焊枪(1)固定设置，所述局部密封结构(3)能够相对焊接台(4)滑动；

压力组件(5)，所述压力组件(5)相对所述激光焊枪(1)和密封板(31)固定设置，用于改变所述局部密封结构(3)与所述第一承载板(41)和/或待焊工件(7)连接处的压力；

烟尘防护组件(2)，所述烟尘防护组件(2)设置在所述激光焊枪(1)与局部密封结构(3)之间，在所述烟尘防护组件(2)上侧设置有镜片(21)，所述激光焊枪(1)产生的激光透过镜片(21)对待焊工件(7)进行焊接；抽气管路(8)，所述抽气管路(8)与密封板(31)内侧腔室连通，所述抽气管路(8)用于抽吸局部密封结构(3)内部空气，以形成真空焊接环境。

2.如权利要求1所述的局部真空激光焊接装置，其特征在于，所述烟尘防护组件(2)包括镜片(21)、压盖(22)、烟尘防护腔(23)和气阻(24)，所述压盖(22)用于将所述镜片(21)密封设置在所述烟尘防护腔(23)的顶端，所述气阻(24)设置在烟尘防护腔(23)与密封板(31)内部腔室之间，所述气阻(24)用于阻挡局部密封结构(3)内部在激光焊接时产生的烟气进入烟尘防护腔(23)内。

3.如权利要求2所述的局部真空激光焊接装置，其特征在于，所述气阻(24)包括支座(241)和挡片(242)，在所述支座(241)的上侧周向上设置有第一折边(2411)，在所述第一通孔(311)上设置有沉台(3111)，所述第一折边(2411)与沉台(3111)配合装配，所述支座(241)的下侧穿过所述第一通孔(311)进入所述密封板(31)内部腔室中，在所述支座(241)的底部周向上设置有向内翻折的第二折边(2412)，所述挡片(242)与所述第二折边(2412)配合装配，在所述挡片(242)上设置有透光孔(2421)，所述激光焊枪(1)产生的激光依次穿过镜片(21)、透光孔(2421)后对待焊工件(7)进行焊接。

4.如权利要求3所述的局部真空激光焊接装置，其特征在于，在所述烟尘防护腔(23)底部设置有凸台(233)，所述凸台(233)与所述沉台(3111)配合装配，在所述凸台(233)上设置有环形槽(234)，所述环形槽(234)用于设置气密件。

5.如权利要求2所述的局部真空激光焊接装置，其特征在于，在所述烟尘防护腔(23)的侧壁上设置有进气结构(231)和抽气结构(232)，所述进气结构(231)用于向烟尘防护腔(23)中充入惰性气体，所述抽气结构(232)用于将烟尘防护腔(23)中的惰性气体抽出。

6.如权利要求1所述的局部真空激光焊接装置，其特征在于，所述压力组件(5)包括第一滑移板(51)，所述第一滑移板(51)压接在所述局部密封结构(3)的上方，在所述第一滑移板(51)的相对两端设置导向柱(52)，在所述导向柱(52)上套接连接套(53)，所述连接套(53)固定在所述基座(6)上，在所述导向柱(52)的下端设置第二滑移板(54)，所述第二滑移板(54)与所述导向柱(52)连为一体，所述第二滑移板(54)在第二驱动组件(55)的作用下能够上下移动，所述第二驱动组件(55)固定在所述基座(6)上。

7.如权利要求1所述的局部真空激光焊接装置，其特征在于，在所述第一承载板(41)上设置背部密封结构(411)，所述背部密封结构(411)通过所述第一承载板(41)上的第一安装槽(429)设置在第一承载板(41)上，在所述背部密封结构(411)上设置有顶料结构(412)。

8.如权利要求1所述的局部真空激光焊接装置，其特征在于，所述局部密封结构(3)的密封板(31)上设置第一通孔(311)和第二通孔(312)，在所述密封板(31)上远离所述激光焊枪(1)的一端设置密封组件(32)，所述第一通孔(311)与烟尘防护组件(2)密封装配，所述第二通孔(312)与抽气管路(8)连接，在所述密封板(31)上远离所述激光焊枪(1)的一侧设置连通槽(313)，所述连通槽(313)的两端分别连通所述第一通孔(311)和所述第二通孔(312)。

9.如权利要求1所述的局部真空激光焊接装置，其特征在于，在所述密封板(31)上远离所述激光焊枪(1)的一侧设置第一容纳槽(314)和第二容纳槽(315)，所述第一容纳槽(314)和第二容纳槽(315)均呈封闭的环状设置，且所述第一容纳槽(314)的中心、所述第二容纳槽(315)的中心与所述密封板(31)的中心重合，所述密封组件(32)包括第一密封环(321)和第二密封环(322)，所述第二密封环(322)设置在第一容纳槽(314)内，所述第二密封环(322)与所述第一容纳槽(314)过盈配合，所述第一密封环(321)设置在第二容纳槽(315)内，所述第一密封环(321)与所述第二容纳槽(315)过盈配合。

10.一种焊接方法，其特征在于，采用如权利要求1-9中任一项所述的局部真空激光焊接装置，包括如下步骤：

步骤S1：将待焊工件加工成I型坡口，在装配前对加工后的坡口表面及边缘30mm内的母材进行打磨，再清洗去除油污，并对处理后的待焊工件装配安装在焊接台；

步骤S2：采用压力组件将局部密封结构压接在焊接台上，使密封组件与工件和焊接台贴合密封；

步骤S3：在焊缝上表面抽真空保证焊接过程中环境的真空度，在焊缝背面的背部密封结构抽真空或者采用保护罩充惰性气体进行保护；

步骤S4：真空度达到施焊要求时启动激光焊枪进行焊接，激光依次通过镜片和烟尘防护组件后作用于待焊金属，烟尘防护组件中通过惰性气体的流动形成气帘，防止金属蒸汽污染镜片，保证焊接时镜片的透光率；焊接过程中，抽真空系统持续运行，压力组件持续运行，保证局部密封结构与工件和焊接台之间贴合密封；

步骤S5：完成焊接。