CN103658984A - 激光焊接等离子体侧吸负压装置及激光焊接*** - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种激光焊接等离子体侧吸负压装置及激光焊接***。本发明的侧吸负压装置，包括透镜模块和负压模块，所述透镜模块和所述负压模块连接，其中，所述透镜模块，用于固定透镜；所述负压模块，用于使焊缝上方形成负压环境；所述负压模块包括负压腔和与所述负压腔连通的抽气管，所述透镜模块设置在所述负压腔的上部，所述负压腔的下部可与待焊接构件接触，所述抽气管设置在所述负压腔的侧壁，通过抽气装置与所述抽气管连接可使所述负压腔内形成负压环境。与现有技术相比，本发明的负压腔缩小了焊件上方抽气腔室的体积，改善了腔室密封性设计，提高了抽气效率，从而提高负压腔的真空度，抑制激光焊接产生等离子体的效果更佳。
Description
技术领域
本发明涉及激光焊接领域，特别涉及一种适用于尺寸较大的厚板及中厚板焊接的激光焊接等离子体侧吸负压装置及激光焊接***。
背景技术
高功率激光器在中厚板的焊接上有着焊接速度快、焊后变形小、焊接接头质量良好等优点。发挥激光优势，实现大厚度板的激光焊接一直是学术界和工业界高度关注的问题。激光焊接未在大厚度板上广泛应用的主要原因是激光焊接通常是在大气常压或保护气体环境下进行，在此条件下激光焊接产生的光致等离子体（主要对于CO2激光器）和金属蒸汽（主要对于YAG激光器、光纤激光器和碟片激光器等）对激光具有散射、折射和吸收作用，且这种屏蔽作用随着激光功率的增大而愈显强大，从而阻碍了激光束向焊接熔池小孔中进一步输送能量。
目前抑制等离子体的方法有多种，应用最广泛的是侧吹法，但抑制效果有限，能完全抑制住等离子体的方法只有真空法。对于真空激光焊，需将工件置于真空室内，操作效率低，且工件大小受真空室尺寸的限制，不利于进行大厚度构件的焊接，失去了与同为高能束焊的真空电子束焊的竞争优势。针对以上问题，中国的发明专利申请CN102642085A公开了一种激光焊接等离子体侧吸负压装置，该负压装置包括套筒、气管和透镜，套筒的上部和下部分别设置有用于向套筒内充入惰性保护气体的气罩，透镜设置在套筒的上部或连接在气罩上，套筒的侧壁上设置有气管，所述气管与真空泵连接，套筒的底端开放，所述套筒内部形成负压腔。气罩上开有一排便于向负压腔内充入惰性保护气体的密集充气孔。该负压装置与激光焊接枪头相固定，与焊接工件之间可作相对运动，该负压装置设置在所述待焊接工件表面焊接熔池区域上方，用于快速抽气，通过对焊缝上方的负压腔进行抽气使焊缝上方形成负压环境，其不仅保留了激光焊接的优势，焊接工件大小不受限制，也实现了通过负压抑制等离子体。但是存在以下缺陷：
1、焊接时，通过下充气孔吹入惰性保护气体形成气帘来隔绝空气和腔内环 境，而负压腔下端是开口的，进气量大，导致负压腔内能达到的真空度有限，使得抑制等离子体的效果不佳；
2、该激光焊接等离子体侧吸负压装置的结构较简单，防金属飞溅效果不佳，在实际焊接应用中存在镜片烧损的问题。
发明内容
本发明目的在于提供一种激光焊接等离子体侧吸负压装置，以解决现有技术中的激光焊接等离子体侧吸负压装置在焊接时，通过下充气孔吹入惰性保护气体形成气帘来隔绝空气和腔内环境，而负压腔下端是开口的，进气量大，导致负压腔内能达到的真空度有限，使得抑制等离子体的效果不佳的技术性问题。
本发明的另一目的在于提供包括上述的激光焊接等离子体侧吸负压装置的激光焊接***，以解决现有技术中的激光焊接等离子体侧吸负压装置在焊接时，通过下充气孔吹入惰性保护气体形成气帘来隔绝空气和腔内环境，而负压腔下端是开口的，进气量大，导致负压腔内能达到的真空度有限，使得抑制等离子体的效果不佳的技术性问题。
本发明目的通过以下技术方案实现：
一种激光焊接等离子体侧吸负压装置，应用于激光焊接***，包括透镜模块和负压模块，所述透镜模块和所述负压模块连接，其中，
所述透镜模块，用于固定透镜；
所述负压模块，用于使焊缝上方形成负压环境；所述负压模块包括负压腔和与所述负压腔连通的抽气管，所述透镜模块设置在所述负压腔的上部，所述负压腔的下部可与待焊接构件接触，所述抽气管设置在所述负压腔的侧壁，通过抽气装置与所述抽气管连接可使所述负压腔内形成负压环境。
优选地，还包括挡飞溅模块，所述挡飞溅模块包括依次连接的气刀模块、固定模块和锥形孔模块，所述气刀模块与所述透镜模块连接，所述锥形孔模块与所述负压模块连接，其中，
所述锥形孔模块，用于阻挡金属液滴和金属蒸汽向所述透镜模块的透镜溅射和接触；
所述固定模块，用于与激光枪连接；
所述气刀模块，用于充入惰性保护气体以阻挡金属液滴和金属蒸汽向所述透镜模块的透镜溅射和接触。
优选地，所述负压模块、所述锥形孔模块、所述固定模块、所述气刀模块和所述透镜模块各模块之间设有密封结构。
优选地，所述密封结构包括相互配合的凹槽和凸台，所述凹槽和所述凸台之间用O型圈密封。
优选地，所述锥形孔模块包括倒锥形通孔，所述倒锥形通孔的下端与所述负压腔的上部连通。
优选地，所述固定模块上设有通气孔和用于与激光枪枪头连接的连接结构，所述通气孔与所述倒锥形通孔连通。
优选地，所述通气孔为倒锥形，所述通气孔与所述倒锥形通孔的轴心相同。
优选地，所述气刀模块上设有气刀和空腔，所述气刀的出气口与所述空腔连通，所述空腔与所述通气孔连通。
优选地，所述空腔的侧壁设有抽气管，所述抽气管与所述气刀的出气口相对。
优选地，所述透镜模块上设有透镜固定孔和循环水通路，透镜设置在所述固定孔中，所述循环水通路设置在透镜外侧。
优选地，所述负压模块、所述锥形孔模块、所述固定模块、所述气刀模块和所述透镜模块各模块之间可拆卸连接。
一种激光焊接***，包括激光焊接等离子体侧吸负压装置和激光枪，所述激光焊接等离子体侧吸负压装置与所述激光枪的枪头连接，所述激光焊接等离子体侧吸负压装置为上述的激光焊接等离子体侧吸负压装置。
与现有技术相比，本发明有以下有益效果：
1、本发明的负压腔缩小了焊件上方抽气腔室的体积，改善了工件与负压腔间的密封性设计，提高了抽气效率，从而提高负压腔的真空度，抑制激光焊接产生等离子体的效果更佳；
2、本发明利用倒锥形腔体空间和扁平高速气流（或同轴气流）阻碍了金属飞溅对透镜的破坏，有效地解决了现有装置存在的防金属飞溅效果不佳的问题， 使用方便灵活、稳定可靠；
3、本发明的各模块之间通过密封结构密封，提高了装置的密封性，从而提高了负压腔可达到的真空度；
4、本发明适用于采用高功率激光器对中厚板和大厚板的焊接加工，可应用于重型机械、核电、汽轮机转子等需对大厚度材料进行焊接的制造领域，在厚板件焊接方面发挥激光焊接的优势。
附图说明
图1为本发明的激光焊接等离子体侧吸负压装置的一优选实施例的结构示意图；
图2为图1的实施例的剖视图；
图3为本发明的负压模块的结构示意图；
图4为本发明的负压模块的剖视图；
图5为本发明的锥形孔模块的结构示意图；
图6为本发明的锥形孔模块的剖视图；
图7为本发明的固定模块的结构示意图；
图8为本发明的气刀模块的结构示意图；
图9为本发明的气刀模块的剖视图；
图10为本发明的透镜模块的结构示意图；
图11为本发明的透镜模块的剖视图；
图12为本发明的激光焊接等离子体侧吸负压装置在焊接板件工作的示意图。
上述图中各编号代表的部件名称如下：
1-负压模块，2-锥形孔模块，3-固定模块，4-气刀模块，5-透镜模块，11-抽气管，12-抽气管接口，13-压力传感器接口，14-负压腔，15-凹槽，21-倒锥形通孔，22-密封槽，23-凸台，31-螺纹孔，32-通气孔，41-气刀，411-气刀出气口，412-气刀进气口，42-抽气口，43-同轴气流，44-横向扁平气流，45-抽气管，46-空腔，51-透镜，52-透镜固定孔，53-循环水进/出口，54-循环水通路，60-激光束方向，70-气刀模块抽气方向，80负压模块抽气方向，90焊接方向。
具体实施方式
从理论上分析，相比于传统的焊接方法，高功率激光焊接有着焊接速度快、焊后变形小、焊接接头质量良好等优点。随着超高功率、高光束质量工业激光器技术的成熟、激光与材料相互作用机理研究的深入、激光焊接方法和工艺技术的不断创新，使得激光焊接在大厚板方面有着非常大的潜力。由于高功率激光器在船舶、核电等重大设备制造领域的突破应用，以及电子束焊接方法因真空室对工件尺寸大小的限制，为高功率激光器在大厚板方面的突破提供了良好的时机，本发明应运而生。
本发明的激光焊接等离子体侧吸负压装置，应用于激光焊接***，包括透镜模块5和负压模块1，透镜模块5和负压模块1连接，其中，透镜模块5，用于固定透镜；负压模块1，用于使焊缝上方形成负压环境；负压模块1包括负压腔14和与负压腔14连通的抽气管11，透镜模块5设置在负压腔14的上部，负压腔14的下部可与待焊接构件接触，抽气管11设置在负压腔14侧壁的抽气管接口12处，通过抽气装置与抽气管连接可使负压腔内形成负压环境。本发明的负压腔缩小了焊件上方抽气腔室的体积，改善了工件与负压腔间的密封性设计，提高了抽气效率，从而提高负压腔的真空度，抑制激光焊接产生等离子体的效果更佳。
以下结合附图，详细说明本发明。
请参阅图1、2，优选地，本发明还包括挡飞溅模块，挡飞溅模块包括依次连接的气刀模块4、固定模块3和锥形孔模块2，气刀模块4与透镜模块5连接，锥形孔模块2与负压模块1连接，其中，锥形孔模块，用于阻挡金属液滴和金属蒸汽向透镜模块的透镜溅射和接触；固定模块，用于与激光枪连接；气刀模块，用于充入惰性保护气体以阻挡金属液滴和金属蒸汽向透镜模块的透镜溅射和接触。
请参阅图5、6，在本实例中，锥形孔模块2包括倒锥形通孔21，倒锥形通孔21的下端与负压腔14的上部连通。锥形孔模块的倒锥形通孔21一方面可让激光通过，另一方面由于与负压腔连通处的孔较小，大部分的飞溅金属都被阻挡，只有少部分的金属可从小孔进入上面的模块。
请参阅图7，在本实例中，固定模块3上设有通气孔32和用于与激光枪枪 头连接的连接结构，通气孔32的下端与倒锥形通孔21连通。通气孔32优选为倒锥形，通气孔32与倒锥形通孔21的轴心相同。连接结构包括设置在固定模块上的螺纹孔31，固定模块通过支架固定在激光枪头上使整个装置与激光头一起运动。固定模块可增大透镜模块与待焊接构件之间的距离以减少飞溅金属与透镜的接触来保护透镜。
请参阅图8、9，在本实例中，气刀模块4上设有气刀41和空腔46，气刀41的出气口411与空腔46连通，空腔46与通气孔32的上端连通。还可在空腔46的侧壁设置抽气管45，抽气管45与气刀41的出气口411相对。工作时，使惰性保护气体从气刀进气口412进入气刀，通过扁平窄小的出气口411形成高速吹出的片状气流。与出气口411相对的抽气管45可连接抽气装置对吹出的气体抽气，以形成横向片状高速气流44，即气刀，可阻挡金属液滴飞溅以保护透镜。也可将抽气口42封住，吹出的气体向下流动，通过锥形孔模块下部窄小的孔进入负压腔形成同轴气流43，通过向下的气流阻挡飞溅的金属向上运动以保护透镜。
请参阅图10、11，在本实例中，透镜模块5上设有透镜固定孔52和循环水通路54，透镜51设置在固定孔52中，循环水通路54设置在透镜51外侧。透镜模块用来装载和固定透镜，使激光能进入负压腔的同时保证负压腔的密封性。根据不同类型的激光器来选择不同类型的镜片。对于CO2激光器，采用ZnSn透镜；对于Nd:YAG或光纤激光器，则采用石英玻璃透镜。为增强镜片激光透过率，透镜需镀增透膜。透镜模块在放置镜片的周围设置有循环水通路，通过循环水进/出口53接入循环水可冷却因吸收少量激光而发热的镜片。
在本实例中，负压模块1、锥形孔模块2、固定模块3、气刀模块4和透镜模块5各模块之间可拆卸连接。在本实例中，各模块之间通过螺丝连接。各功能模块相互独立，易于拆卸、维修和改装。
在本实例中，负压模块1、锥形孔模块2、固定模块3、气刀模块和4透镜模块5各模块之间设有密封结构。在本实例中，密封结构包括相互配合的凹槽15和凸台23，凹槽15和凸台23之间用O型圈密封，密封圈设置在密封槽22上，可保证腔体的密封性，如图4、5所示。
可在负压腔侧壁开设用于安装压力传感器的螺纹口13，可通过安装压力传 感器对腔内压力进行检测。
负压腔的整体高度小于透镜焦距，可适应各个范围的离焦量参数调节。各模块可由铝质材料制作，以保证良好的散热，且质量小便于移动安装。
本发明还提供一种激光焊接***，包括激光焊接等离子体侧吸负压装置和激光枪，激光焊接等离子体侧吸负压装置与激光枪的枪头连接，激光焊接等离子体侧吸负压装置为上述的激光焊接等离子体侧吸负压装置。
请参阅图12，本发明的激光焊接等离子体侧吸负压装置的工作过程如下：激光从方向60通过透镜进入负压腔到达待焊接构件进行焊接，真空泵从方向80通过抽气管11对负压腔14进行抽气，另一个抽气装置从方向70对抽气管45抽气形成横向气刀以阻挡金属飞溅，整个侧吸负压装置固定在激光焊接枪头上，跟随激光器同步沿方向90对构件进行焊接，或侧吸负压装置与激光焊接枪头均固定不动，构件相对于焊枪作相对运动。对于侧吸负压装置与构件间因相对滑移存在的间隙，由于抽气速度远远大于进气速度，从而可在负压腔14实现较高的真空度。
本发明利用倒锥形腔体空间和扁平高速气流（或同轴气流）阻碍了金属飞溅对透镜的破坏，有效地解决了现有装置存在的防金属飞溅效果不佳的问题，使用方便灵活、稳定可靠。本发明的各模块之间通过密封结构密封，提高了装置的密封性，从而提高了负压腔可达到的真空度。
本发明适用于采用高功率激光器对中厚板和大厚板的焊接加工，可应用于重型机械、核电、汽轮机转子等需对大厚度材料进行焊接的制造领域，在厚板件焊接方面发挥激光焊接的优势。
以上公开的仅为本申请的几个具体实施例，但本申请并非局限于此，任何本领域的技术人员能思之的变化，都应落在本申请的保护范围内。
Claims (12)
1.一种激光焊接等离子体侧吸负压装置，应用于激光焊接***，其特征在于，包括透镜模块和负压模块，所述透镜模块和所述负压模块连接，其中，
所述透镜模块，用于固定透镜；
所述负压模块，用于使焊缝上方形成负压环境；所述负压模块包括负压腔和与所述负压腔连通的抽气管，所述透镜模块设置在所述负压腔的上部，所述负压腔的下部可与待焊接构件接触，所述抽气管设置在所述负压腔的侧壁，通过抽气装置与所述抽气管连接可使所述负压腔内形成负压环境。
2.如权利要求1所述的激光焊接等离子体侧吸负压装置，其特征在于，还包括挡飞溅模块，所述挡飞溅模块包括依次连接的气刀模块、固定模块和锥形孔模块，所述气刀模块与所述透镜模块连接，所述锥形孔模块与所述负压模块连接，其中，
所述锥形孔模块，用于阻挡金属液滴和金属蒸汽向所述透镜模块的透镜溅射和接触；
所述固定模块，用于与激光枪连接；
所述气刀模块，用于充入惰性保护气体以阻挡金属液滴和金属蒸汽向所述透镜模块的透镜溅射和接触。
3.如权利要求2所述的激光焊接等离子体侧吸负压装置，其特征在于，所述负压模块、所述锥形孔模块、所述固定模块、所述气刀模块和所述透镜模块各模块之间设有密封结构。
4.如权利要求3所述的激光焊接等离子体侧吸负压装置，其特征在于，所述密封结构包括相互配合的凹槽和凸台，所述凹槽和所述凸台之间用O型圈密封。
5.如权利要求2所述的激光焊接等离子体侧吸负压装置，其特征在于，所述锥形孔模块包括倒锥形通孔，所述倒锥形通孔的下端与所述负压腔的上部连通。
6.如权利要求5所述的激光焊接等离子体侧吸负压装置，其特征在于，所述固定模块上设有通气孔和用于与激光枪枪头连接的连接结构，所述通气孔与所述倒锥形通孔连通。
7.如权利要求6所述的激光焊接等离子体侧吸负压装置，其特征在于，所述通气孔为倒锥形，所述通气孔与所述倒锥形通孔的轴心相同。
8.如权利要求6所述的激光焊接等离子体侧吸负压装置，其特征在于，所述气刀模块上设有气刀和空腔，所述气刀的出气口与所述空腔连通，所述空腔与所述通气孔连通。
9.如权利要求8所述的激光焊接等离子体侧吸负压装置，其特征在于，所述空腔的侧壁设有抽气管，所述抽气管与所述气刀的出气口相对。
10.如权利要求1所述的激光焊接等离子体侧吸负压装置，其特征在于，所述透镜模块上设有透镜固定孔和循环水通路，透镜设置在所述固定孔中，所述循环水通路设置在透镜外侧。
11.如权利要求2所述的激光焊接等离子体侧吸负压装置，其特征在于，所述负压模块、所述锥形孔模块、所述固定模块、所述气刀模块和所述透镜模块各模块之间可拆卸连接。
12.一种激光焊接***，包括激光焊接等离子体侧吸负压装置和激光枪，所述激光焊接等离子体侧吸负压装置与所述激光枪的枪头连接，其特征在于，所述激光焊接等离子体侧吸负压装置为权利要求1-11中任意一项所述的激光焊接等离子体侧吸负压装置。
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