專利名稱：激光焊接等離子體側(cè)吸負(fù)壓裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明適用于激光焊接領(lǐng)域，尤其適于高功率激光器進(jìn)行中厚板和大厚板焊接的激光焊接等離子體側(cè)吸負(fù)壓裝置。
背景技術(shù)：
激光焊接作為ー種高能束焊接方法，具有速度快、效率高、焊縫深寬比大、熱影響區(qū)小、エ件變形小等諸多優(yōu)點(diǎn)，與真空電子束焊接相比，不需真空室、適用性強(qiáng)，對焊接エ件大小沒有限制，已經(jīng)在汽車車身等薄壁構(gòu)件的焊接中普遍應(yīng)用。但在重型機(jī)械、艦船、核電、汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子、重大裝備等制造領(lǐng)域中，特別是在40mm以上的大厚度材料的焊接中目前尚未得到有效的應(yīng)用。其主要原因是由于激光焊接通常是在大氣常壓或保護(hù)氣體環(huán)境下進(jìn)行，在此條件下激光焊接產(chǎn)生的金屬蒸汽和光致等離子體對激光(尤其是波長較長的CO2激光)具有散射、折射和吸收作用，且這種屏蔽作用隨著激光功率的増大而愈顯強(qiáng)大，從而阻礙了激光束向焊接熔池小孔中進(jìn)一步輸送能量，即便采用目前國內(nèi)現(xiàn)有的輸出功率最大的激光器，其一次穿透的焊接熔池深度也相當(dāng)有限；而在相同的輸出功率條件下，激光焊接的熔池深度也難以達(dá)到真空電子束的焊接熔池深度，且焊縫表面成形較差，易出現(xiàn)氣孔，是大厚度材料激光焊接的瓶頸問題。針對如何有效抑制高功率激光深熔焊接時(shí)產(chǎn)生的等離子體和消除因小孔效應(yīng)導(dǎo)致的焊縫深層氣孔，目前的解決辦法主要有兩類，一類是在真空室內(nèi)進(jìn)行激光焊接，另ー類是采用側(cè)吹氣體的方法抑制激光焊接中的等離子體。相關(guān)研究表明，前者對等離子體的抑制效果比較好，熔深可以得到明顯提高，且焊縫中的氣孔可以得到有效抑制，但需要把エ件置于真空室內(nèi)，操作效率低，且エ件尺寸受真空室大小的限制，無法用于核電、艦船、重大裝備等大厚度構(gòu)件的焊接；而后者雖然簡單易行，也不受エ件尺寸大小的限制，但其對等離子體的抑制效果受到諸如激光功率、保護(hù)氣體種類、側(cè)吹氣體流量和吹氣ロ位置等許多因素的影響，穩(wěn)定性較差，在深熔焊條件下，因小孔熔池尖端殘留氣體引起的焊縫氣孔問題尚未得到有效解決。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供ー種激光焊接等離子體側(cè)吸負(fù)壓裝置，以解決現(xiàn)有技術(shù)中高功率激光深熔焊接時(shí)產(chǎn)生的等離子體和因小孔效應(yīng)導(dǎo)致的焊縫深層氣孔，從而存在大真空室抽氣效率低，エ件尺寸受限制的問題，同時(shí)也利于解決采用側(cè)吹保護(hù)氣體引起的等離子體抑制效果不穩(wěn)定、氣孔難以控制的問題。ー種激光焊接等離子體側(cè)吸負(fù)壓裝置，可安裝于任何ー個(gè)激光焊接槍頭，包括一 固定在所述激光焊接槍頭上的負(fù)壓腔裝置，所述負(fù)壓腔裝置與激光焊接槍頭相固定，與待焊エ件之間可作相對運(yùn)動，所述負(fù)壓腔裝置設(shè)置在待焊エ件表面焊接熔池區(qū)域上方，用于快速抽氣，以在所述固定于激光槍頭的封閉腔內(nèi)產(chǎn)生低于大氣常壓的局部負(fù)壓，使得焊接熔池周圍形成負(fù)壓環(huán)境。較佳地，負(fù)壓腔裝置包括套筒、用于向負(fù)壓腔內(nèi)充入惰性保護(hù)氣體的氣罩、氣管及透鏡，套筒的至少一端套設(shè)有中空的氣罩，透鏡直接設(shè)置在套筒的上方或通過所述氣罩設(shè)置在套筒的上方，套筒的側(cè)壁上設(shè)置氣管，所述氣管的另一端連接真空泵，套筒的底端開放狀，所述套筒內(nèi)形成負(fù)壓腔。另外，所述焊接的激光為CO2激光，所述透鏡采用ZnSe透鏡；或所述焊接的激光為光纖激光或Nd:YAG激光，所述透鏡采用石英玻璃透鏡。所述ZnSe透鏡和所述石英玻璃透鏡上均鍍有增透膜。還有，套筒的上部和下部分別設(shè)置氣罩，并且上部和下部分別開有至少ー排便于向負(fù)壓腔內(nèi)充入惰性保護(hù)氣體的密集充氣孔。下出氣ロ的方向向下，在負(fù)壓腔下沿形成一圈密集的“氣簾”，上出氣ロ的方向則向內(nèi)偏下。最好地，套筒或用于向負(fù)壓腔內(nèi)充入惰性保護(hù)氣體的氣罩采用具有散熱特性的材質(zhì)制成。還有，本裝置還包括在所述負(fù)壓腔內(nèi)壁設(shè)置ー個(gè)對腔內(nèi)壓カ進(jìn)行檢測的絕對壓力傳感器。所述氣管與真空泵連接之間設(shè)置ー以過濾掉焊接過程中產(chǎn)生煙塵和雜質(zhì)的過濾器。所述氣管與真空泵連接之間設(shè)置冷卻器。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益效果
本發(fā)明的激光焊接等離子體側(cè)吸負(fù)壓裝置，可安裝于任何ー個(gè)激光焊接槍頭，可有效的抑制高功率激光深熔焊接時(shí)產(chǎn)生的等離子體和消除因小孔效應(yīng)導(dǎo)致的焊縫深層氣孔，且エ件大小不受限制，使用靈活方便、穩(wěn)定性好，焊接質(zhì)量較高、焊接過程穩(wěn)定性増加。本發(fā)明適用于采用高功率激光器對中厚板和大厚板的焊接加工，可應(yīng)用于諸如重型機(jī)械、艦船、核電、汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子、重大裝備等亟待對大厚度材料進(jìn)行焊接的制造領(lǐng)域，在厚板件焊接方面發(fā)揮激光焊接的優(yōu)勢
本發(fā)明還保護(hù)包括該激光焊接等離子體側(cè)吸負(fù)壓裝置的焊接系統(tǒng)。


圖1A、圖IB為本發(fā)明一實(shí)施例負(fù)壓腔裝置的結(jié)構(gòu)示意 圖2為圖I負(fù)壓腔裝置的截面剖視 圖3為圖I負(fù)壓腔的套筒結(jié)構(gòu)示意 圖4為圖I負(fù)壓腔裝置在焊接板件上結(jié)構(gòu)示意圖。圖中I.套筒，2.氣罩，3.氣管，4.透鏡，5.上進(jìn)氣ロ，6.下進(jìn)氣ロ，7.氣罩進(jìn)氣凹槽，8.上出氣ロ，9.下出氣ロ，10.抽氣方向，11.激光入射方向，12.進(jìn)氣方向，13.激光移動方向。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖詳細(xì)描述本發(fā)明。從理論上分析，作為高能束焊接方法的激光焊接與電子束焊接在輸出的功率密度方面是相當(dāng)?shù)?，而電子束焊接已能?shí)現(xiàn)300_厚的板件焊接，因此采用激光焊接方法是可以實(shí)現(xiàn)對大厚板的焊接加工的。由于電子束焊接需要真空室，エ件尺寸大小受到限制，因此解決激光焊接大厚板件的問題受到越來越多的關(guān)注和重視，本發(fā)明應(yīng)運(yùn)而生。ー種激光焊接等離子體側(cè)吸負(fù)壓裝置，可安裝于任何ー個(gè)激光焊接槍頭，所述負(fù)壓腔裝置與所述激光焊接槍頭相固定，與待焊接エ件之間可作相對運(yùn)動，所述負(fù)壓腔裝置置于所述待焊エ件表面焊接熔池區(qū)域上方，用于快速抽氣，以在所述固定于激光槍頭的封閉腔內(nèi)產(chǎn)生低于大氣常壓的局部負(fù)壓，使得焊接熔池周圍形成負(fù)壓環(huán)境本發(fā)明最大的改進(jìn)點(diǎn)在于負(fù)壓腔裝置，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖IA-圖IB所示，主要由套筒1，氣罩2，氣管3，透鏡4等組成。將限制エ件尺寸大小的真空室縮小為一個(gè)在熔池周圍形成局部負(fù)壓的負(fù)壓腔，將其固定在激光槍頭上隨之運(yùn)動，從氣管3快速抽氣，套筒I內(nèi)的等離子體和金屬蒸汽從氣管3被吸出，套筒I內(nèi)形成負(fù)壓，氣罩2和透鏡4分別起保護(hù)和密封作用，從而使激光焊接過程在負(fù)壓環(huán)境下進(jìn)行。本發(fā)明首先要解決的問題是套筒I的密封性，因?yàn)楗糜谪?fù)壓腔外，所以無法象真空室一樣進(jìn)行完全的密封，因此只能在套筒I內(nèi)形成局部的負(fù)壓，而這個(gè)負(fù)壓腔所能達(dá)到的真空度與套筒I的密封性緊密相關(guān)。具體技術(shù)方案是在套筒I的頂端用透鏡4進(jìn)行頂部的密封，由于激光要從套筒I上部穿過，所以要根據(jù)所用的激光類型選用不同的透鏡材料，對于CO2激光，采用ZnSe透鏡；對于光纖激光或Nd = YAG激光，則采用石英玻璃透鏡，透鏡上鍍有增透膜。而在套筒的底端必須是開放式的，從而實(shí)現(xiàn)在熔池上方對激光焊接產(chǎn)生的等離子體和金屬蒸汽進(jìn)行抽吸。其次，要保證熔池受到惰性氣體的保護(hù)。如果只是簡單的對等離子體和金屬蒸汽進(jìn)行抽吸，那么外界空氣流會從套筒I底端進(jìn)入，對腔體內(nèi)部負(fù)壓介質(zhì)和焊接熔池造成影響，從而嚴(yán)重影響焊接過程的穩(wěn)定性，并最終影響焊接質(zhì)量。具體技術(shù)方案是向套筒I內(nèi)充入惰性氣體。如圖3所示套筒的上部和下部都開有ー排密集的充氣孔，便于向負(fù)壓腔內(nèi)充入惰性保護(hù)氣體(Ar氣或He氣)。其中，下出氣ロ 9的方向向下，以便在負(fù)壓腔下沿形成ー圈密集的“氣簾”，從而減少外界氣流對腔體內(nèi)部負(fù)壓介質(zhì)和焊接熔池的影響；上出氣ロ 8的方向則向內(nèi)偏下，以便減少焊接飛濺或煙塵對透鏡的污染。圖2中，惰性氣體通過氣罩2的上進(jìn)氣ロ 5和下進(jìn)氣ロ 6充入，然后通過氣罩進(jìn)氣凹槽7向套筒I充入，最后從上進(jìn)氣ロ 8和下進(jìn)氣ロ 9流出形成保護(hù)。激光焊接側(cè)吸負(fù)壓裝置的具體實(shí)施方式
如圖4所示，激光從11方向通過透鏡4到達(dá)エ件進(jìn)行焊接，真空泵從10方向通過氣管3對套筒I內(nèi)進(jìn)行抽氣，惰性氣體從12方向向氣罩內(nèi)充入對焊接熔池和負(fù)壓介質(zhì)進(jìn)行保護(hù)，整個(gè)裝置固定在激光焊接槍頭上，同步跟隨激光器沿13方向?qū)ΕM(jìn)行焊接，或負(fù)壓腔與激光焊接槍頭均固定不動，エ件相對于焊槍作相對運(yùn)動。本發(fā)明為大厚度結(jié)構(gòu)件的激光焊接開創(chuàng)了一條新的思路，通過與激光焊接槍頭同步運(yùn)動的負(fù)壓腔來抑制高功率激光深熔焊接時(shí)產(chǎn)生的等離子體和消除因小孔效應(yīng)導(dǎo)致的焊縫深層氣孔，解決了大真空室抽氣效率低，エ件尺寸受限制的問題，同時(shí)也解決采用側(cè)吹保護(hù)氣體引起的等離子體抑制效果不穩(wěn)定、易產(chǎn)生氣孔的問題。激光焊接等離子體側(cè)吸負(fù)壓裝置還包括在所述負(fù)壓腔內(nèi)壁設(shè)置ー個(gè)對腔內(nèi)壓カ進(jìn)行檢測的絕對壓カ傳感器。另外，所述氣管與真空泵連接之間還可以設(shè)置ー以過濾掉焊接過程中產(chǎn)生煙塵和雜質(zhì)的過濾器。并且，在氣管與真空泵連接之間還可以再設(shè)置冷卻器。
此處公開的本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例只是用于幫助闡述本發(fā)明。優(yōu)選實(shí)施例并沒有詳盡敘述所有的細(xì)節(jié)，也不限制該發(fā)明僅為所述的具體實(shí)施方式
。顯然，根據(jù)本說明書的內(nèi)容，可作很多的修改和變化。本說明書選取并具體描述這些實(shí)施例，是為了更好地解釋本發(fā)明的原理和實(shí)際應(yīng)用，從而使所屬領(lǐng)域技術(shù)人員能很好地利用本發(fā)明。本發(fā)明僅受權(quán)利要求書及其全部范圍和等效物的限 制。
權(quán)利要求
1.ー種激光焊接等離子體側(cè)吸負(fù)壓裝置，可安裝于激光焊接槍頭；其特征在于，所述負(fù)壓腔裝置與激光焊接槍頭相固定，與待焊接エ件之間可作相對運(yùn)動，所述負(fù)壓腔裝置設(shè)置在所述待焊エ件表面焊接熔池區(qū)域上方，用于快速抽氣，以在所述固定于激光槍頭的封閉腔內(nèi)產(chǎn)生低于大氣常壓的局部負(fù)壓，使得焊接熔池周圍形成負(fù)壓環(huán)境。
2.如權(quán)利要求I所述的裝置，其特征在于，負(fù)壓腔裝置包括套筒、用于向負(fù)壓腔內(nèi)充入惰性保護(hù)氣體的氣罩、氣管及透鏡，套筒的至少一端套設(shè)有中空的氣罩，透鏡直接設(shè)置在套筒的上方或通過所述氣罩設(shè)置在套筒的上方，套筒的側(cè)壁上設(shè)置氣管，所述氣管的另一端連接真空泵，套筒的底端開放狀，所述套筒內(nèi)形成負(fù)壓腔。
3.如權(quán)利要求2所述的裝置，其特征在于，其中， 所述焊接的激光為CO2激光，所述透鏡采用ZnSe透鏡；或 所述焊接的激光為光纖激光或Nd:YAG激光，所述透鏡采用石英玻璃透鏡；所述透鏡上均應(yīng)鍍有增透膜。
4.如權(quán)利要求2所述的裝置，其特征在干，套筒的上部和下部分別設(shè)置氣罩，并且上部和下部分別開有至少ー排便于向負(fù)壓腔內(nèi)充入惰性保護(hù)氣體的密集充氣孔。
5.如權(quán)利要求4所述的裝置，其特征在干，下出氣ロ的方向向下，在負(fù)壓腔下沿形成一圈密集的“氣簾”，上出氣ロ的方向則向內(nèi)偏下。
6.如權(quán)利要求2所述的裝置，其特征在于，套筒或用于向負(fù)壓腔內(nèi)充入惰性保護(hù)氣體的氣罩采用具有散熱特性的材質(zhì)制成。
7.如權(quán)利要求I或2所述的裝置，其特征在于，還包括在所述負(fù)壓腔內(nèi)壁設(shè)置ー個(gè)對腔內(nèi)壓カ進(jìn)行檢測的絕對壓カ傳感器。
8.如權(quán)利要求I或2所述的裝置，其特征在于，所述氣管與真空泵連接之間設(shè)置ー以過濾掉焊接過程中產(chǎn)生煙塵和雜質(zhì)的過濾器。
9.如權(quán)利要求I或2所述的裝置，其特征在于，所述氣管與真空泵連接之間設(shè)置冷卻器。
全文摘要
一種激光焊接等離子體側(cè)吸負(fù)壓裝置，可安裝于任何一個(gè)激光焊接槍頭，所述負(fù)壓腔裝置與所述激光焊接槍頭相固定，與待焊接工件之間可作相對運(yùn)動，所述負(fù)壓腔裝置置于所述待焊工件表面焊接熔池區(qū)域上方，用于快速抽氣，以在所述固定于激光槍頭的封閉腔內(nèi)產(chǎn)生低于大氣常壓的局部負(fù)壓，使得焊接熔池周圍形成負(fù)壓環(huán)境。本發(fā)明可有效的抑制高功率激光深熔焊接時(shí)產(chǎn)生的等離子體和消除因小孔效應(yīng)導(dǎo)致的焊縫深層氣孔，且工件大小不受限制，使用靈活方便、穩(wěn)定性好，焊接質(zhì)量較高、焊接過程穩(wěn)定性增加。
文檔編號B23K26/12GK102642085SQ20121009532
公開日2012年8月22日 申請日期2012年4月1日 優(yōu)先權(quán)日2012年4月1日
發(fā)明者華學(xué)明, 唐新華, 崔海超, 張悅, 楊海瀾, 羅燕, 蘆鳳桂, 金鑫, 黃堅(jiān) 申請人:上海交通大學(xué)