專利名稱：體壓縮法控制等離子體的固定激光深熔焊接噴嘴及其控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種固體激光深熔焊接噴嘴及其控制方法，應(yīng)用于固體激光器進(jìn)行激光深熔焊接過程中光致等離子體的控制，屬于激光焊接領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
激光焊接技術(shù)已成為材料加工領(lǐng)域的重要連接手段之一，激光焊接技術(shù)的難點(diǎn)主要在于焊接過程的不穩(wěn)定性。主要表現(xiàn)為焊接過程中光致等離子體的形態(tài)波動和上下起伏，其結(jié)果是焊接熔池的擾動和焊接過程的中斷，從而影響焊縫成形和焊接過程的穩(wěn)定性。 因此，改善焊接過程穩(wěn)定性的重要方法就是光致等離子體的控制。目前，光致等離子體的控制方法有以下幾種
一、利用輔助氣體通過合適的角度和方位作用在光致等離子體上，以期改善激光焊接過程的穩(wěn)定性，但是，這種方法一般未對輔助氣體的氣流壓力與等離子體膨脹力的對應(yīng)關(guān)系加以考慮，致使輔助氣體會對熔池和等離子體帶來沖擊，加劇熔池的擾動和等離子體的形態(tài)波動。二、采用填充焊絲或粉末作用在等離子體區(qū)域，能夠加強(qiáng)等離子體與激光和熔池的能量耦合，可是等離子體有加劇膨脹的趨勢。三、利用等離子體的電磁特性外加輔助電磁場作用在對光致等離子體區(qū)域，該法對等離子體的作用效果不太顯著。四、抽真空法，在近似真空的環(huán)境中，加劇等離子體的湮滅，可是技術(shù)難點(diǎn)限制了其應(yīng)用。由此可知目前還未有適當(dāng)?shù)募夹g(shù)手段，能夠有效地改善激光焊接過程的穩(wěn)定性。

發(fā)明內(nèi)容
為了有效地控制采用固體激光器時，激光深熔焊接過程中的光致等離子體，本發(fā)明提供了一種采用體壓縮法控制激光熔深焊接光致等離子體的方法，該方法能全方位壓縮等離子體，同時抑制環(huán)境氣氛對等離子體和熔池的沖擊，從而獲得穩(wěn)定的焊接過程。為實(shí)現(xiàn)以上的技術(shù)目的，本發(fā)明將采取以下的技術(shù)方案
一種采用體壓縮法控制激光熔深焊接光致等離子體的方法，采用輔助氣流的動力壓縮和激光焊接噴嘴冷卻頭的冷卻壓縮控制光致等離子體的上浮和橫向擴(kuò)張，并通過保護(hù)氣流抑制環(huán)境氣氛對光致等離子體和熔池的擾動，以獲得穩(wěn)定的光致等離子體。進(jìn)一步地，將輔助氣流經(jīng)過倒錐形設(shè)置的激光焊接噴嘴內(nèi)流道收縮后，通過激光焊接噴嘴冷卻頭作用于光致等離子體，實(shí)現(xiàn)輔助氣流的動力壓縮；將激光焊接噴嘴冷卻頭配置冷卻裝置，促使置于光致等離子體上方的激光焊接噴嘴冷卻頭能夠通過冷卻的方式壓制光致等離子體的上浮和橫向擴(kuò)張。本發(fā)明的另一個技術(shù)目的是提供一種基于上述采用體壓縮法控制激光熔深焊接光致等離子體方法的激光焊接噴嘴，包括外殼體以及固定安裝于外殼體內(nèi)的噴嘴主體，且噴嘴主體外壁與外殼體內(nèi)壁之間存在間隙；所述噴嘴主體配置有用于控制光致等離子體的輔助氣流裝置、保護(hù)氣流裝置以及冷卻裝置；輔助氣流裝置包括輔助氣流輸入導(dǎo)管；保護(hù)氣流裝置包括保護(hù)氣腔室以及與保護(hù)氣腔室連通的保護(hù)氣流輸入導(dǎo)管；冷卻裝置包括冷卻室以及分別與冷卻室連通的冷卻液輸入導(dǎo)管、冷卻液輸出導(dǎo)管；保護(hù)氣腔室、冷卻室通過置于噴嘴主體外壁與外殼體內(nèi)壁所形成間隙內(nèi)的套管分隔而成，所述套管的兩端均與噴嘴主體的外壁液密封連接；噴嘴主體的內(nèi)流道通過透光玻璃板分隔成上腔室和下腔室，透光玻璃板與噴嘴主體的內(nèi)壁氣密封連接，所述下腔室包括按照激光入射方向順序連接的圓柱段、收縮段以及擴(kuò)張段，且收縮段的小端與擴(kuò)張段的小端光滑過渡連接，圓柱段與輔助氣體輸入導(dǎo)管連通，而擴(kuò)張段的大端為噴嘴主體的噴射口。所述外殼體按照噴嘴主體內(nèi)激光的發(fā)射方向分體設(shè)置為上外殼分體和下外殼分體；上外殼分體與噴嘴主體連接，下外殼分體靠近上外殼分體的一端與噴嘴主體固定，而下外殼分體背離上外殼分體的另一端活動設(shè)置，且噴嘴主體外壁與外殼體內(nèi)壁之間存在的間隙為噴嘴主體外壁與下外殼分體內(nèi)壁之間所存在的環(huán)形間隙。所述套管的兩端面分別與下腔室收縮段的大端以及下腔室擴(kuò)張段的大端相齊平。所述保護(hù)氣腔室通過均衡氣篩分隔成保護(hù)氣進(jìn)氣室以及保護(hù)氣均衡出氣室，該均衡氣篩包括環(huán)形連接件以及均布在環(huán)形連接件環(huán)面上的氣孔；所述環(huán)形連接件的內(nèi)圓面固定安裝在噴嘴主體的外壁，所述氣孔的出口端面與下腔室收縮段的大端齊平，所述保護(hù)氣輸入導(dǎo)管與保護(hù)氣體進(jìn)氣室連通。所述冷卻液輸入導(dǎo)管靠近噴嘴主體的出口設(shè)置，而冷卻液輸出導(dǎo)管靠近下腔室收縮段的大端設(shè)置。與冷卻室相對應(yīng)的噴嘴主體的外壁開設(shè)導(dǎo)流槽。根據(jù)以上的技術(shù)方案，可以實(shí)現(xiàn)以下的有益效果
激光從噴嘴主體軸線入射到噴嘴下方的工件表面，焊接過程中產(chǎn)生的光致等離子體的上浮和膨脹會受到噴嘴主體冷卻頭(最下端錐形主體冷卻頭)的冷壓縮，噴嘴主體冷卻頭用冷卻液降溫，并在噴嘴主體上開設(shè)導(dǎo)流槽，以利于冷卻液的循環(huán)，使噴嘴主體冷卻頭對光致等離子體具有良好冷壓縮效果。同時，噴嘴主體內(nèi)流道的下腔室包括按照激光入射方向順序連接的圓柱段、收縮段以及擴(kuò)張段，與其上腔室用激光透射玻璃板分開，輔助氣體進(jìn)入下腔室后會先在收縮段產(chǎn)生壓縮，再經(jīng)擴(kuò)張段流出，通過調(diào)整收縮段、擴(kuò)張段二者的錐度以及連接過渡曲線，使得擴(kuò)張段噴出的氣流壓力分布與光致等離子體的膨脹力分布相匹配，從而有效地控制等離子體的擾動和上下起伏，使等離子體只能橫向擴(kuò)張，而其橫向擴(kuò)張又受到了下端擴(kuò)張段所配置冷卻裝置的冷壓縮。保護(hù)氣體進(jìn)入保護(hù)氣導(dǎo)管后，經(jīng)均衡氣篩后獲得流態(tài)良好的氣流，作用在工件表面，抑制環(huán)境氣氛對等離子體和熔池的沖擊，同時也抑制噴嘴與工件間隙處的等離子體橫向擴(kuò)張。從而，激光深熔焊接時，采用該噴嘴，可以有效地控制等離子體的形態(tài)波動和上下起伏，使等離子體在焊接過程中維持穩(wěn)定的狀態(tài)。另外，本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡單、小巧，便于安裝和焊接過程中的調(diào)節(jié)，采用本發(fā)明可以在利用固體激光器的激光深熔焊接時抑制等離子體的向上、橫向的膨脹，全方位的壓縮等離子體，有效的維系等離子體的穩(wěn)定性，從而易于獲得穩(wěn)定的焊接過程和良好的焊縫成形，能夠廣泛地應(yīng)用于激光焊接領(lǐng)域。


圖I是本發(fā)明所述激光焊接噴嘴的結(jié)構(gòu)示意圖2是本發(fā)明所述激光焊接噴嘴的噴嘴主體結(jié)構(gòu)示意其中上外殼分體I ;定位螺釘2 ;透光玻璃板3 ;保護(hù)氣流輸入導(dǎo)管4 ;均衡氣篩5 ;第一密封圈6 ;冷卻液輸入導(dǎo)管7 ;套管8 ;第二密封圈9 ;下外殼分體10 ;冷卻液輸出導(dǎo)管11 ； 輔助氣流輸入導(dǎo)管12 ;第三密封圈13 ;卡環(huán)14 ;噴嘴主體15 ;下腔室擴(kuò)張段16 ;下腔室擴(kuò)張段與下腔室收縮段之間的過渡連接曲線17 ;導(dǎo)流槽18 ;下腔室收縮段19。A為激光入射方向。
具體實(shí)施例方式附圖非限制性地公開了本發(fā)明所涉及優(yōu)選實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖；以下將結(jié)合附圖詳細(xì)地說明本發(fā)明的技術(shù)方案。本發(fā)明公開了一種采用體壓縮法控制激光熔深焊接光致等離子體的方法，其采用三種并行方式進(jìn)行光致等離子體的控制，即采用輔助氣流的動力壓縮和激光焊接噴嘴冷卻頭的冷卻壓縮控制光致等離子體的上浮和橫向擴(kuò)張，并通過保護(hù)氣流抑制環(huán)境氣氛對光致等離子體和熔池的擾動，以獲得穩(wěn)定的光致等離子體。其中，本發(fā)明將輔助氣流經(jīng)過倒錐形設(shè)置的激光焊接噴嘴內(nèi)流道收縮后，通過激光焊接噴嘴冷卻頭作用于光致等離子體，實(shí)現(xiàn)輔助氣流的動力壓縮；將激光焊接噴嘴冷卻頭配置冷卻裝置，促使置于光致等離子體上方的激光焊接噴嘴冷卻頭能夠通過冷卻的方式壓制光致等離子體的上浮和橫向擴(kuò)張。本發(fā)明的另一個技術(shù)目的是提供一種基于上述采用體壓縮法控制激光熔深焊接光致等離子體方法的激光焊接噴嘴，如圖I至2所示，該激光焊接噴嘴包括外殼體以及固定安裝于外殼體內(nèi)的噴嘴主體，且噴嘴主體外壁與外殼體內(nèi)壁之間存在間隙；所述噴嘴主體配置有用于控制光致等離子體的輔助氣流裝置、保護(hù)氣流裝置以及冷卻裝置；輔助氣流裝置包括輔助氣流輸入導(dǎo)管；保護(hù)氣流裝置包括保護(hù)氣腔室以及與保護(hù)氣腔室連通的保護(hù)氣流輸入導(dǎo)管；冷卻裝置包括冷卻室以及分別與冷卻室連通的冷卻液輸入導(dǎo)管、冷卻液輸出導(dǎo)管；保護(hù)氣腔室、冷卻室通過置于噴嘴主體外壁與外殼體內(nèi)壁所形成間隙內(nèi)的套管分隔而成，所述套管的兩端均與噴嘴主體的外壁通過第一密封圈、第二密封圈液密封連接，且套管通過螺紋配合連接的方式與噴嘴主體固定；噴嘴主體的內(nèi)流道通過透光玻璃板分隔成上腔室和下腔室，本發(fā)明中，在透光玻璃板上方設(shè)置卡環(huán)，以對透光玻璃板的安裝位置進(jìn)行限制，而在透光玻璃板的下方設(shè)置第三密封圈，使得透光玻璃板與噴嘴主體的內(nèi)壁氣密封連接，另外，本發(fā)明對卡環(huán)施加預(yù)緊力，使得卡環(huán)能夠卡在噴嘴主體的內(nèi)壁，導(dǎo)致透光玻璃板能夠緊壓第三密封圈；所述下腔室包括按照激光入射方向順序連接的圓柱段、收縮段以及擴(kuò)張段，且收縮段的小端與擴(kuò)張段的小端光滑過渡連接，圓柱段與輔助氣體輸入導(dǎo)管連通， 而擴(kuò)張段的大端為噴嘴主體的噴射口。所述外殼體按照噴嘴主體內(nèi)激光的發(fā)射方向分體設(shè)置為上外殼分體和下外殼分體；上外殼分體通過定位螺釘與噴嘴主體連接，因此，通過調(diào)節(jié)定位螺釘與噴嘴主體的軸向安裝位置，實(shí)現(xiàn)本發(fā)明所述整個噴嘴的定位高度；下外殼分體靠近上外殼分體的一端與噴嘴主體固定，而下外殼分體背離上外殼分體的另一端活動設(shè)置，且噴嘴主體外壁與外殼體內(nèi)壁之間存在的間隙為噴嘴主體外壁與下外殼分體內(nèi)壁之間所存在的環(huán)形間隙。所述套管的兩端面分別與下腔室收縮段的大端以及下腔室擴(kuò)張段的大端相齊平。所述保護(hù)氣腔室通過均衡氣篩分隔成保護(hù)氣進(jìn)氣室以及保護(hù)氣均衡出氣室，該均衡氣篩包括環(huán)形連接件以及均布在環(huán)形連接件環(huán)面上的氣孔；所述環(huán)形連接件的內(nèi)圓面固定安裝在噴嘴主體的外壁， 所述氣孔的出口端面與下腔室收縮段的大端齊平，所述保護(hù)氣輸入導(dǎo)管與保護(hù)氣體進(jìn)氣室連通。所述冷卻液輸入導(dǎo)管靠近噴嘴主體的出口設(shè)置，而冷卻液輸出導(dǎo)管靠近下腔室收縮段的大端設(shè)置。與冷卻室相對應(yīng)的噴嘴主體的外壁開設(shè)導(dǎo)流槽，用于對輸入的冷卻液進(jìn)行引流循環(huán)。使用時，輔助氣體通過輔助氣流輸入導(dǎo)管進(jìn)入下腔室，經(jīng)下腔室收縮段的壓縮處理后，通過下腔室擴(kuò)張段的大端出口作用于等離子體。保護(hù)氣體從保護(hù)氣流輸入導(dǎo)管進(jìn)入保護(hù)氣進(jìn)氣室后，經(jīng)均衡氣篩的均衡處理后，通過保護(hù)氣均衡出氣室的出口作用在工件表面。冷卻液通過冷卻液輸入導(dǎo)管輸入冷卻室，經(jīng)導(dǎo)流槽引流循環(huán)后，從冷卻液輸出導(dǎo)管流出，從而對下腔室進(jìn)行有效的冷卻。同時，冷卻液輸入導(dǎo)管靠近下腔室的大端設(shè)置，即有效地冷卻了噴嘴的冷卻頭，對光致等離子具有良好的冷卻壓縮效果。激光焊接時，通過調(diào)節(jié)輔助氣體流量的大小和輔助氣體流量，匹配其他相應(yīng)的焊接工藝參數(shù)，就可以有效控制等離子體以獲得穩(wěn)定的焊接過程和良好的焊縫成形。
權(quán)利要求
1.一種采用體壓縮法控制激光熔深焊接光致等離子體的方法，其特征在于采用輔助氣流的動力壓縮和激光焊接噴嘴冷卻頭的冷卻壓縮控制光致等離子體的上浮和橫向擴(kuò)張， 并通過保護(hù)氣流抑制環(huán)境氣氛對光致等離子體和熔池的擾動，以獲得穩(wěn)定的光致等離子體。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述采用體壓縮法控制激光熔深焊接光致等離子體的方法，其特征在于將輔助氣流經(jīng)過倒錐形設(shè)置的激光焊接噴嘴內(nèi)流道收縮后，通過激光焊接噴嘴冷卻頭作用于光致等離子體，實(shí)現(xiàn)輔助氣流的動力壓縮；將激光焊接噴嘴冷卻頭配置冷卻裝置， 促使置于光致等離子體上方的激光焊接噴嘴冷卻頭能夠通過冷卻的方式壓制光致等離子體的上浮和橫向擴(kuò)張。
3.一種基于權(quán)利要求I所述采用體壓縮法控制激光熔深焊接光致等離子體方法的激光焊接噴嘴，包括外殼體以及固定安裝于外殼體內(nèi)的噴嘴主體，且噴嘴主體外壁與外殼體內(nèi)壁之間存在間隙；其特征在于所述噴嘴主體配置有用于控制光致等離子體的輔助氣流裝置、保護(hù)氣流裝置以及冷卻裝置；輔助氣流裝置包括輔助氣流輸入導(dǎo)管；保護(hù)氣流裝置包括保護(hù)氣腔室以及與保護(hù)氣腔室連通的保護(hù)氣流輸入導(dǎo)管；冷卻裝置包括冷卻室以及分別與冷卻室連通的冷卻液輸入導(dǎo)管、冷卻液輸出導(dǎo)管；保護(hù)氣腔室、冷卻室通過置于噴嘴主體外壁與外殼體內(nèi)壁所形成間隙內(nèi)的套管分隔而成，所述套管的兩端均與噴嘴主體的外壁液密封連接；噴嘴主體的內(nèi)流道通過透光玻璃板分隔成上腔室和下腔室，透光玻璃板與噴嘴主體的內(nèi)壁氣密封連接，所述下腔室包括按照激光入射方向順序連接的圓柱段、收縮段以及擴(kuò)張段，且收縮段的小端與擴(kuò)張段的小端光滑過渡連接，圓柱段與輔助氣體輸入導(dǎo)管連通，而擴(kuò)張段的大端為噴嘴主體的噴射口。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述體壓縮法控制光致等離子體的激光焊接噴嘴，其特征在于所述外殼體按照噴嘴主體內(nèi)激光的發(fā)射方向分體設(shè)置為上外殼分體和下外殼分體；上外殼分體與噴嘴主體連接，下外殼分體靠近上外殼分體的一端與噴嘴主體固定，而下外殼分體背離上外殼分體的另一端活動設(shè)置，且噴嘴主體外壁與外殼體內(nèi)壁之間存在的間隙為噴嘴主體外壁與下外殼分體內(nèi)壁之間所存在的環(huán)形間隙。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述體壓縮法控制光致等離子體的激光焊接噴嘴，其特征在于所述套管的兩端面分別與下腔室收縮段的大端以及下腔室擴(kuò)張段的大端相齊平。
6.根據(jù)權(quán)利要求3所述體壓縮法控制光致等離子體的激光焊接噴嘴，其特征在于所述保護(hù)氣腔室通過均衡氣篩分隔成保護(hù)氣進(jìn)氣室以及保護(hù)氣均衡出氣室，該均衡氣篩包括環(huán)形連接件以及均布在環(huán)形連接件環(huán)面上的氣孔；所述環(huán)形連接件的內(nèi)圓面固定安裝在噴嘴主體的外壁，所述氣孔的出口端面與下腔室收縮段的大端齊平，所述保護(hù)氣輸入導(dǎo)管與保護(hù)氣體進(jìn)氣室連通。
7.根據(jù)權(quán)利要求3所述體壓縮法控制光致等離子體的激光焊接噴嘴，其特征在于所述冷卻液輸入導(dǎo)管靠近噴嘴主體的出口設(shè)置，而冷卻液輸出導(dǎo)管靠近下腔室收縮段的大端設(shè)置。
8.根據(jù)權(quán)利要求3所述體壓縮法控制光致等離子體的激光焊接噴嘴，其特征在于■ 與冷卻室相對應(yīng)的噴嘴主體的外壁開設(shè)導(dǎo)流槽。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種體壓縮法控制等離子體的固體激光(固體激光器是激光器的一種，發(fā)射的激光習(xí)慣稱為固體激光)深熔焊接噴嘴及其實(shí)現(xiàn)控制的方法，該方法采用輔助氣流的動力壓縮和激光焊接噴嘴冷卻頭的冷卻壓縮控制光致等離子體的上浮和橫向擴(kuò)張，并通過保護(hù)氣流抑制環(huán)境氣氛對光致等離子體和熔池的擾動，以獲得穩(wěn)定的光致等離子體。因此，采用本發(fā)明可以在利用固體激光器的激光深熔焊接時抑制等離子體的向上、橫向的膨脹，全方位的壓縮等離子體，有效的維系等離子體的穩(wěn)定性，從而易于獲得穩(wěn)定的焊接過程和良好的焊縫成形，能夠廣泛地應(yīng)用于激光焊接領(lǐng)域。
文檔編號B23K26/14GK102601526SQ20121003797
公開日2012年7月25日 申請日期2012年2月20日 優(yōu)先權(quán)日2012年2月20日
發(fā)明者周小衛(wèi), 張盛海, 李博, 沈以赴 申請人:南京航空航天大學(xué)