窄間隙激光焊接隨動的焊縫保護(hù)方法和裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種窄間隙激光焊接隨動的焊縫保護(hù)方法和裝置，其中，該方法包括：在焊接過程中，采用側(cè)吹氣的方式向焊接窄間隙內(nèi)吹入保護(hù)氣；采用吸氣的方式，吸走焊接過程中產(chǎn)生的煙塵以及熔池上方包裹著的等離子氣團(tuán)。本發(fā)明能夠?qū)⒑附訜焿m移離焊槽，避免煙塵在焊槽側(cè)壁聚集；并且，能夠改善等離子體對激光的屏蔽作用，增加激光的吸收率，增加與焊材母材之間的潤濕性，從而增加窄間隙激光焊接的穩(wěn)定性，避免焊接缺陷，便于在工業(yè)實際生產(chǎn)中的應(yīng)用推廣。
【專利說明】窄間隙激光焊接隨動的焊縫保護(hù)方法和裝置

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及焊接【技術(shù)領(lǐng)域】，特別涉及一種窄間隙激光焊接隨動的焊縫保護(hù)方法和 裝置。

【背景技術(shù)】
[0002] 窄間隙激光焊接技術(shù)在保持了激光自熔焊的高質(zhì)量、高精度、低變形等許多優(yōu)點 的同時，克服了其焊縫冶金過程難以控制、單道焊透晶粒粗大、應(yīng)力集中、殘余應(yīng)力大的情 況，是一種具有廣闊應(yīng)用前景的激光焊接新技術(shù)。近年來，國內(nèi)外諸多學(xué)者開展了關(guān)于窄間 隙激光焊接技術(shù)的相關(guān)研宄，比如曼徹斯特大學(xué)的李林教授在實驗室用IKW光纖單模激光 器15道焊接26mm的鈦合金，獲得低殘余應(yīng)力、抗拉強(qiáng)度大于母材的焊接接頭；日本學(xué)者用 12KW光纖激光器8道雙面焊接焊透45mm的不銹鋼板；再者國內(nèi)的一些科研院所也對窄間 隙激光焊接做了大量的研宄，總之，以上的這些成就僅限于實驗室條件下的一些試驗件，距 離工程化應(yīng)用還很遠(yuǎn)，宄其主要原因為：一、焊接過程控制；二、精準(zhǔn)的送絲；三、完善的焊 縫保護(hù)方法，以上前兩條可以將現(xiàn)有實驗室的一些研宄成果復(fù)制到工程應(yīng)用中，但是完善 的焊縫保護(hù)方法卻因工程與實驗室的不同而遲遲得不到推廣，其主要原因為：
[0003] -、在窄間隙焊接中，一般焊接方法是把焊接保護(hù)氣體通過導(dǎo)氣管吹入焊接間隙 中使得焊縫表面與外界空氣形成局部的隔離，此方法對于一般弧焊熱源均具有很好的效 果。在厚板激光窄間隙焊接過程中，對焊縫的保護(hù)目前廣泛采用的保護(hù)方法是同軸吹氣、側(cè) 吹，但是由于焊縫超窄的特征，焊接過程中保護(hù)氣很難送抵焊縫根部形成有效的吹掃作用， 必須采用特殊的方法將氣體送入，但是這樣卻無法將焊接煙塵移離焊槽，這也使得一般單 一側(cè)吹的保護(hù)方法很難直接復(fù)制到窄間隙激光焊接中。
[0004] 二、在厚板激光窄間隙焊接過程中，需要做到單層多道焊接，傳統(tǒng)側(cè)吹或直吹最多 只能使得焊接部位的焊接煙塵發(fā)生位移，但是也會有大部分回落到已經(jīng)冷卻的焊槽以及焊 縫，接下來焊接無法對煙塵進(jìn)行清掃，這樣會導(dǎo)致不可修復(fù)的缺陷，因此多道焊接可能會導(dǎo) 致更多的煙塵在焊槽側(cè)壁聚集。
[0005] 三、在激光深熔焊接過程中，由于小孔效應(yīng)與等離子體之間的周期性作用，會導(dǎo)致 焊接過程中吸收激光的周期性變化，同時導(dǎo)致激光可吸收功率的變化、焊縫寬窄的變化以 及增加焊接不穩(wěn)定性和焊接缺陷。
[0006] 因此基于窄間隙激光焊接焊接過程的復(fù)雜性，關(guān)于焊縫保護(hù)方面的應(yīng)用基礎(chǔ)研宄 和相關(guān)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)還遠(yuǎn)不足以支持其在工業(yè)實際生產(chǎn)中的應(yīng)用的推廣。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 本發(fā)明實施例提供了一種窄間隙激光焊接隨動的焊縫保護(hù)方法，便于在工業(yè)實際 生產(chǎn)中的應(yīng)用推廣，該方法包括：
[0008] 在焊接過程中，采用側(cè)吹氣的方式向焊接窄間隙內(nèi)吹入保護(hù)氣；
[0009] 采用吸氣的方式，吸走焊接過程中產(chǎn)生的煙塵以及撕開熔池上方包裹著的等離子 氣團(tuán)。
[0010] 在一個實施例中，所述吸氣方向和側(cè)吹氣方向不同。
[0011] 在一個實施例中，所述吸氣方向和側(cè)吹氣方向垂直。
[0012] 在一個實施例中，采用吸氣的方式，吸走焊接過程中產(chǎn)生的煙塵以及撕開熔池上 方包裹著的等離子氣團(tuán)，包括：
[0013] 采用兩個位置對稱的吸氣泵進(jìn)行對稱式吸氣，吸走焊接過程中產(chǎn)生的煙塵以及撕 開熔池上方包裹著的等離子氣團(tuán)。
[0014] 在一個實施例中，采用吸氣的方式，吸走焊接過程中產(chǎn)生的煙塵以及撕開熔池上 方包裹著的等離子氣團(tuán)，包括：
[0015] 采用吸氣泵進(jìn)行吸氣，吸走焊接過程中產(chǎn)生的煙塵以及撕開熔池上方包裹著的等 離子氣團(tuán)；所述吸氣泵跟隨所述焊接采用的激光頭移動。
[0016] 本發(fā)明實施例提供了一種窄間隙激光焊接隨動的焊縫保護(hù)裝置，便于在工業(yè)實際 生產(chǎn)中的應(yīng)用推廣，該裝置包括：
[0017] 吹氣管，用于在焊接過程中，采用側(cè)吹氣的方式向焊接窄間隙內(nèi)吹入保護(hù)氣；
[0018] 吸氣泵，用于采用吸氣的方式，吸走焊接過程中產(chǎn)生的煙塵以及撕開熔池上方包 裹著的等離子氣團(tuán)。
[0019] 在一個實施例中，所述吸氣方向和側(cè)吹氣方向不同。
[0020] 在一個實施例中，所述吸氣方向和側(cè)吹氣方向垂直。
[0021] 在一個實施例中，所述吸氣泵包括兩個位置對稱的吸氣泵，所述兩個位置對稱的 吸氣泵用于：進(jìn)行對稱式吸氣，吸走焊接過程中產(chǎn)生的煙塵以及撕開熔池上方包裹著的等 離子氣團(tuán)。
[0022] 在一個實施例中，所述吸氣泵跟隨所述焊接采用的激光頭移動。
[0023] 在一個實施例中，該裝置還包括：
[0024] 尾氣微塵處理器，用于處理吸氣泵吸走的在焊接過程中產(chǎn)生的煙塵。
[0025] 在一個實施例中，所述吸氣泵的吸氣口至待焊接母材坡口的端面之間的距離設(shè)置 為0.5毫米至5毫米。
[0026] 在一個實施例中，所述吸氣泵的吸氣口與待焊接母材間的傾角設(shè)置為25°? 75。。
[0027] 在一個實施例中，所述吸氣泵的吸氣口下端至所述吹氣管的吹氣口上端距離設(shè)置 為3毫米至5毫米。
[0028] 在一個實施例中，所述吸氣泵的吸氣口下端與熔池頂端的距離為所述吸氣泵的吸 氣口下端至所述吹氣管的吹氣口上端距離3倍至5倍。
[0029] 在一個實施例中，所述吸氣泵的吸氣口下端至待焊接母材的距離設(shè)置為0. 5毫米 至1. 5毫米。
[0030] 在一個實施例中，所述吸氣泵的吸氣口為矩形，矩形兩端為兩個半圓，所述矩形的 長與半圓的直徑比為3:1至5:1。
[0031] 本發(fā)明實施例中，在焊接過程中，采用側(cè)吹氣的方式向焊接窄間隙內(nèi)吹入保護(hù)氣； 采用吸氣的方式，吸走焊接過程中產(chǎn)生的煙塵以及撕開熔池上方包裹著的等離子氣團(tuán)，能 夠?qū)⒑附訜焿m移離焊槽，避免煙塵在焊槽側(cè)壁聚集；并且，能夠改善等離子體對激光的屏蔽 作用，增加激光的吸收率，增加與焊材母材之間的潤濕性，從而增加窄間隙激光焊接的穩(wěn)定 性，避免焊接缺陷，便于在工業(yè)實際生產(chǎn)中的應(yīng)用推廣。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0032] 此處所說明的附圖用來提供對本發(fā)明的進(jìn)一步理解，構(gòu)成本申請的一部分，并不 構(gòu)成對本發(fā)明的限定。在附圖中：
[0033] 圖1是本發(fā)明實施例提供的窄間隙激光焊接吸氣原理圖；
[0034] 圖2是本發(fā)明實施例提供的窄間隙激光焊接裝置主視圖；
[0035] 圖3是本發(fā)明實施例提供的窄間隙激光焊接裝置沿焊縫剖切面圖；
[0036] 圖4是本發(fā)明實施例提供的窄間隙激光焊接裝置中吸氣口的截面示意圖；
[0037] 圖5和圖6是采用現(xiàn)有技術(shù)中的窄間隙激光焊接方法獲得的焊縫截面圖；
[0038] 圖7是本發(fā)明實施例提供的焊接方法獲得的焊縫截面圖。

【具體實施方式】
[0039] 為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點更加清楚明白，下面結(jié)合實施方式和附圖，對 本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)說明。在此，本發(fā)明的示意性實施方式及其說明用于解釋本發(fā)明，但并 不作為對本發(fā)明的限定。
[0040] 發(fā)明人發(fā)現(xiàn)，在現(xiàn)有技術(shù)中實施窄間隙激光焊接時，由于焊縫超窄的特征，焊接過 程中產(chǎn)生的煙塵會聚集在焊槽側(cè)壁；噴發(fā)的等離子氣團(tuán)會強(qiáng)烈的吸收激光能量，限制激光 能量進(jìn)入焊接部位，從而對激光能量起屏蔽作用，兩者作用下使得焊接深度不會太大，且不 易獲得良好的焊縫。而如果在焊接過程中，采用側(cè)吹氣的方式向焊接窄間隙內(nèi)吹入保護(hù)氣； 并且采用吸氣的方式，吸走焊接過程中產(chǎn)生的煙塵以及撕開熔池上方包裹著的等離子氣 團(tuán)，就能夠解決現(xiàn)有技術(shù)的上述問題?；诖耍诒景l(fā)明實施例中提出一種窄間隙激光焊接 隨動的焊縫保護(hù)方法，該方法包括：
[0041] 在焊接過程中，采用側(cè)吹氣的方式向焊接窄間隙內(nèi)吹入保護(hù)氣；
[0042] 采用吸氣的方式，吸走焊接過程中產(chǎn)生的煙塵以及撕開熔池上方包裹著的等離子 氣團(tuán)。
[0043] 圖1為本發(fā)明實施例提供的窄間隙激光焊接吸氣原理圖。如圖1所示，具體實施 時，在焊接過程中，存在通過側(cè)吹氣的方式吹入焊接窄間隙內(nèi)的保護(hù)氣（可采用惰性氣體 He、Ar中的一種或者兩種結(jié)合，或采用0)2、隊等），和焊接過程中產(chǎn)生的焊接煙塵以及熔池 上方包裹著的等離子氣團(tuán)，在外部側(cè)吹氣力Fm和兩側(cè)吸氣力F ftl與Fft2的共同作用下，可 以形成局部的壓力差，對焊槽中的流體可以產(chǎn)生從下到上的"推-拉"效應(yīng)，這種"推-拉" 效應(yīng)由圖1中所示的曲線箭頭方向表示。在這種"推-拉"作用下，有助于吸走焊接過程中 產(chǎn)生的煙塵以及撕開熔池上方包裹著的等離子氣團(tuán)，使得焊接煙塵移離焊槽，避免煙塵在 焊槽側(cè)壁聚集；并且，能夠改善等離子體對激光的屏蔽作用，增加激光的吸收率，增加與焊 材母材之間的潤濕性，從而增加窄間隙激光焊接的穩(wěn)定性，避免焊接缺陷，便于在工業(yè)實際 生產(chǎn)中的應(yīng)用推廣。
[0044] 為了有助于吸走焊接過程中產(chǎn)生的煙塵以及撕開熔池上方包裹著的等離子氣團(tuán)， 同時，避免將吹入的保護(hù)氣吸走，使得保護(hù)氣更易于鋪展，吸氣方向和側(cè)吹氣方向可以不 同，即吸氣和側(cè)吹氣在高度方向可以錯位。舉例來說，吸氣方向和側(cè)吹氣方向可以垂直，或 吸氣方向和側(cè)吹氣方向可以成一定的角度。
[0045] 具體實施時，采用吸氣的方式吸走焊接過程中產(chǎn)生的煙塵以及撕開熔池上方包裹 著的等離子氣團(tuán)可以有多種方式，例如，可以采用兩個位置對稱的吸氣泵進(jìn)行對稱式吸氣， 吸走焊接過程中產(chǎn)生的煙塵以及撕開熔池上方包裹著的等離子氣團(tuán)；又如，采用吸氣泵進(jìn) 行吸氣時，吸氣泵可以跟隨焊接采用的激光頭移動（吸氣泵的吸氣口與激光空間位置保持 不變），也就是說，在焊接過程中，側(cè)吹氣方向、焊接方向和激光方向在同一平面內(nèi)，而吸氣 方向在與之垂直的平面內(nèi)。采用該種方式可以進(jìn)一步改善吸氣效果。
[0046] 基于同一發(fā)明構(gòu)思，本發(fā)明實施例中還提供了一種窄間隙激光焊接隨動的焊縫保 護(hù)裝置，如下面的實施例所述。由于該裝置解決問題的原理與窄間隙激光焊接隨動的焊縫 保護(hù)方法相似，因此該裝置的實施可以參見窄間隙激光焊接隨動的焊縫保護(hù)方法的實施， 重復(fù)之處不再贅述。
[0047] 圖2為本發(fā)明實施例中窄間隙激光焊接隨動的焊縫保護(hù)裝置的主視圖。如圖2所 示，該裝置包括：
[0048] 吹氣管，用于在焊接過程中，采用側(cè)吹氣的方式向焊接窄間隙內(nèi)吹入保護(hù)氣；
[0049] 吸氣泵，用于采用吸氣的方式，吸走焊接過程中產(chǎn)生的煙塵以及撕開熔池上方包 裹著的等離子氣團(tuán)。
[0050] 具體實施時，在焊接過程中，吹氣管可以采用側(cè)吹氣的方式向焊接窄間隙內(nèi)吹入 保護(hù)氣；吸氣泵采用吸氣的方式，吸走焊接過程中產(chǎn)生的煙塵以及撕開熔池上方包裹著的 等離子氣團(tuán)，使得焊接煙塵移離焊槽，避免煙塵在焊槽側(cè)壁聚集；并且，能夠改善等離子體 對激光的屏蔽作用，增加激光的吸收率，增加與焊材母材之間的潤濕性，從而增加窄間隙激 光焊接的穩(wěn)定性，避免焊接缺陷，便于在工業(yè)實際生產(chǎn)中的應(yīng)用推廣。
[0051] 圖3為本發(fā)明實施例中窄間隙激光焊接隨動的焊縫保護(hù)裝置的沿焊縫剖切面圖。 如圖3所示，為了有助于吸走焊接過程中產(chǎn)生的煙塵以及撕開熔池上方包裹著的等離子氣 團(tuán)，同時，避免將吹入的保護(hù)氣吸走，使得保護(hù)氣更易于鋪展，吸氣方向和側(cè)吹氣方向可以 不同，即吹氣管的吹氣口 12和吸氣泵的吸氣口 1、6可以在不同的高度方向。舉例來說，吹 氣管的吹氣口 12和吸氣泵的吸氣口 1、6可以垂直，也就是吸氣泵的吸氣口 1、6在垂直于焊 接方向的中心線組成的面（吸氣方向面），與吹氣管的吹氣口 12的中心線組成的面（側(cè)吹 氣方向面）可以垂直；或吹氣管的吹氣口 12和吸氣泵的吸氣口 1、6可以成一定的角度。
[0052] 如圖2所示，具體實施時，吸氣泵可以包括兩個位置對稱的吸氣泵，其中，兩個位 置對稱的吸氣泵的吸氣口 1、6進(jìn)行對稱式吸氣，吸走焊接過程中產(chǎn)生的煙塵以及撕開熔池 上方包裹著的等離子氣團(tuán)，使得焊縫中產(chǎn)生的焊接煙塵沿著兩側(cè)的焊槽壁爬升，相比單側(cè) 吸氣，本發(fā)明的兩側(cè)對稱吸氣方式，使得吸氣更均衡，吸氣效果更明顯。
[0053] 因為大多數(shù)現(xiàn)有的焊接煙塵吸收裝置只能針對一個焊接點進(jìn)行煙塵吸收，如果在 焊接過程中移動焊接點，焊接煙塵吸收裝置就不能對移動后的焊接點進(jìn)行煙塵吸收。而如 果在焊接過程中，采用吸氣泵跟隨焊接采用的激光頭移動，就能夠解決現(xiàn)有技術(shù)的上述問 題?；诖?，本發(fā)明裝置中的吸氣泵可以跟隨焊接采用的激光頭移動，保證在移動焊接點后 也可以對移動后的焊接點進(jìn)行煙塵的吸收。而為了保證吸氣泵跟隨所述焊接采用的激光頭 移動，可以使用裝配夾具將吸氣泵掛載在激光頭底座上，保持剛性固定；或者也可以將吸氣 泵直接焊接在激光頭底座上，以此來保持吸氣泵的吸氣口與激光空間位置不變。
[0054] 如圖2所示，為了處理被吸氣泵吸走的焊接過程中產(chǎn)生的煙塵，在具體實施時該 裝置還可以包括：對稱的尾氣微塵處理器9、16,其連接在吸氣泵上，用于處理吸氣泵吸走 的在焊接過程中產(chǎn)生的煙塵。采用尾氣微塵處理器只是處理煙塵的其中一種方式，還可以 將被吸氣泵吸走的焊接過程中產(chǎn)生的煙塵直接排出到大氣中，或者將吸氣泵連接到蓄水池 當(dāng)中。
[0055] 為了避免激光與吸氣口的相互干擾，影響形成的焊縫質(zhì)量，在具體實施時，將吸氣 泵的吸氣口至待焊接母材坡口的端面之間的距離設(shè)置為〇. 5毫米至5毫米。
[0056] 為了滿足焊接工藝需求，使得吸氣泵具有焊接工藝需求的吸力，需設(shè)置吸氣泵的 吸氣口的截面具有一定的尺寸。具體的，吸氣泵的吸氣口可以為矩形，矩形兩端為兩個半 圓，如圖4所示，其中17為半圓的直徑，18為矩形吸氣口的長度，其矩形的長和半圓的直徑 比約為3:1至5:1。設(shè)置成矩形只是其中一種方式，還可以將吸氣口做成各種形狀，比如圓 口、扁口、喇叭口等。具體吸力需求可以通過所焊材料特性以及圖2中的一些參數(shù)來近似計 算出，具體參數(shù)及其可選范圍見表1。
[0057] 表1參數(shù)及其可選范圍
[0058]

【權(quán)利要求】
1. 一種窄間隙激光焊接隨動的焊縫保護(hù)方法，其特征在于，該方法包括： 在焊接過程中，采用側(cè)吹氣的方式向焊接窄間隙內(nèi)吹入保護(hù)氣； 采用吸氣的方式，吸走焊接過程中產(chǎn)生的煙塵以及熔池上方包裹著的等離子氣團(tuán)。
2. 如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述吸氣方向和側(cè)吹氣方向不同。
3. 如權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，所述吸氣方向和側(cè)吹氣方向垂直。
4. 如權(quán)利要求1至3任一項所述的方法，其特征在于，采用吸氣的方式，吸走焊接過程 中產(chǎn)生的煙塵以及熔池上方包裹著的等離子氣團(tuán)，包括： 采用兩個位置對稱的吸氣泵進(jìn)行對稱式吸氣，吸走焊接過程中產(chǎn)生的煙塵以及熔池上 方包裹著的等離子氣團(tuán)。
5. 如權(quán)利要求1至3任一項所述的方法，其特征在于，采用吸氣的方式，吸走焊接過程 中產(chǎn)生的煙塵以及熔池上方包裹著的等離子氣團(tuán)，包括： 采用吸氣泵進(jìn)行吸氣，吸走焊接過程中產(chǎn)生的煙塵以及熔池上方包裹著的等離子氣 團(tuán)；所述吸氣泵跟隨所述焊接采用的激光頭移動。
6. -種窄間隙激光焊接隨動的焊縫保護(hù)裝置，其特征在于，該裝置包括： 吹氣管，用于在焊接過程中，采用側(cè)吹氣的方式向焊接窄間隙內(nèi)吹入保護(hù)氣； 吸氣泵，用于采用吸氣的方式，吸走焊接過程中產(chǎn)生的煙塵以及熔池上方包裹著的等 離子氣團(tuán)。
7. 如權(quán)利要求6所述的裝置，其特征在于，所述吸氣方向和側(cè)吹氣方向不同。
8. 如權(quán)利要求7所述的裝置，其特征在于，所述吸氣方向和側(cè)吹氣方向垂直。
9. 如權(quán)利要求6至8任一項所述的裝置，其特征在于，所述吸氣泵包括兩個位置對稱的 吸氣泵，所述兩個位置對稱的吸氣泵用于：進(jìn)行對稱式吸氣，吸走焊接過程中產(chǎn)生的煙塵以 及熔池上方包裹著的等離子氣團(tuán)。
10. 如權(quán)利要求6至8任一項所述的裝置，其特征在于，所述吸氣泵跟隨所述焊接采用 的激光頭移動。
11. 如權(quán)利要求6所述的裝置，其特征在于，該裝置還包括： 尾氣微塵處理器，用于處理吸氣泵吸走的在焊接過程中產(chǎn)生的煙塵。
12. 如權(quán)利要求6所述的裝置，其特征在于，所述吸氣泵的吸氣口至待焊接母材坡口的 端面之間的距離設(shè)置為0. 5毫米至5毫米。
13. 如權(quán)利要求6所述的裝置，其特征在于，所述吸氣泵的吸氣口與待焊接母材之間的 傾角設(shè)置為25°?75°。
14. 如權(quán)利要求6所述的裝置，其特征在于，所述吸氣泵的吸氣口下端至所述吹氣管的 吹氣口上端距離設(shè)置為3毫米至5毫米。
15. 如權(quán)利要求13所述的裝置，其特征在于，所述吸氣泵的吸氣口下端與熔池頂端的 距離為所述吸氣泵的吸氣口下端至所述吹氣管的吹氣口上端距離3倍至5倍。
16. 如權(quán)利要求6所述的裝置，其特征在于，所述吸氣泵的吸氣口下端至待焊接母材的 距離設(shè)置為〇. 5毫米至1. 5毫米。
17. 如權(quán)利要求6所述的裝置，其特征在于，所述吸氣泵的吸氣口為矩形，矩形兩端為 兩個半圓，所述矩形的長與半圓的直徑比為3:1至5:1。
【文檔編號】B23K26/70GK104475987SQ201410608433
【公開日】2015年4月1日 申請日期:2014年11月3日 優(yōu)先權(quán)日:2014年11月3日
【發(fā)明者】單飛虎, 鞏水利, 陶軍, 陳俐, 楊璟, 李嘉寧, 趙曉龍, 王翔宇 申請人:中國航空工業(yè)集團(tuán)公司北京航空制造工程研究所