CN106312321A - 一种管道环缝局部真空激光焊接装置及基于该焊接装置的焊接方法 - Google Patents

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Abstract

一种管道环缝局部真空激光焊接装置及基于该焊接装置的焊接方法，涉及激光焊接技术领域。本发明是为了解决现有大尺度管材焊接需进行多层多道焊接和使用电子束焊接可行性差的问题。本发明外部局部真空壳体套接在待焊管道的外壁，外部局部真空壳体与待焊管道之间形成外部局部真空室；内部局部真空壳体嵌入在待焊管道的内壁；待焊管道的焊缝位于外部局部真空室与内部局部真空室之间；沿外部局部真空壳体周向开有一开口槽，动密封组件与该开口槽紧密配合；激光加工***通过动密封组件与外部局部真空室相连通，激光加工***发出的激光穿过开口槽射向待焊管道的焊缝；动密封组件能够带动激光加工***沿开口槽运动并保持外部局部真空室密封。

Description

一种管道环缝局部真空激光焊接装置及基于该焊接装置的焊 接方法
技术领域
本发明属于激光焊接技术领域。
背景技术
大尺寸，大厚度的管道广泛应用在石油化工，海洋工业和核工业领域。尤其在核工业领域，核废料掩埋装置等均为大尺寸，大厚度的管线。这些大尺寸，大厚度的管道环缝的传统焊接方法为钨极氩弧焊。由于厚度较大，钨极氩弧焊需进行多层多道焊接。为了避免裂纹，焊接过程需要预热，并且为了保证焊接质量，在下一层焊接前，需要进行焊缝无损检测。单从焊缝质量上考虑，真空电子束焊接是比较理想的焊接方法。可以实现低热输入的单道焊接。但是这类管道构建一般尺寸比较大，这类构建在真空室内焊接的可行性和经济性都比较差。
英国的TWI提出了局部真空电子束焊接方法并推进该项技术的实际应用，并且中国专利公布号CN1422722和CN2454075也发布一些局部真空电子束焊接装置及方法。但是局部真空电子束焊接对电子枪需要特殊设计，并且大气分子对电子的散射效应使得该项技术自上世纪60年代提出以来发展十分缓慢。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电子束焊接的大深宽比焊缝，并且真空激光焊接不需要达到电子束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。基于以上几点，局部真空激光焊接具有巨大的发展前景和实际应用价值。
发明内容
本发明是为了解决现有局部真空激光焊接技术需进行多层多道焊接、尺寸较大且可行性差的问题，现提供一种管道环缝局部真空激光焊接装置及基于该焊接装置的焊接方法。
一种管道环缝局部真空激光焊接装置，所述装置包括：激光加工***、外部局部真空壳体2-1、内部局部真空壳体3-1和动密封组件4；
外部局部真空壳体2-1套接在待焊管道6的外壁，外部局部真空壳体2-1与待焊管道6之间形成外部局部真空室；内部局部真空壳体3-1嵌入在待焊管道6的内壁，内部局部真空壳体3-1与待焊管道6之间形成内部局部真空室；待焊管道6的焊缝位于外部局部真空室与内部局部真空室之间；
外部局部真空壳体2-1为圆环形，沿其周向开有一开口槽2-3，动密封组件4与该开口槽2-3紧密配合；激光加工***通过动密封组件4与外部局部真空室相连通，使得激光加工***发出的激光穿过环形的开口槽2-3射向待焊管道6形成焊缝；动密封组件4能够带动激光加工***沿开口槽2-3运动，使激光在真空室内完成焊接，在焊接的过程中保持外部局部真空室密封。
外部局部真空室和内部局部真空室利用抽气组件进行抽真空。
抽气组件包括抽气泵5-1和抽气管道5-2；抽气泵5-1通过抽气管道5-2分别与外部局部真空室和内部局部真空室相连通。
激光加工***包括激光器1-1和激光加工头1-2；激光器1-1发出的激光通过激光加工头1-2射出，激光加工头1-2通过动密封组件4伸进外部局部真空室内部。
外部局部真空壳体2-1与待焊管道6之间设有外部密封胶圈2-2，内部局部真空壳体3-1与待焊管道6之间设有内部密封胶圈3-2。
动密封组件4包括动密封胶圈4-1、动密封控制机构4-2和导向机构4-3；
动密封胶圈4-1固定在开口槽2-3的外部，用于外部局部真空室的密封；
动密封控制机构4-2为顶部开口的盒体，动密封控制机构4-2左右相对的两个侧壁上设有开口4-5，动密封控制机构4-2利用两个开口4-5扣在动密封胶圈4-1上，该开口4-5与动密封胶圈4-1紧密配合，该动密封控制机构4-2的盒体底板开有通孔4-4，所述通孔4-4用于***激光加工头1-2；动密封控制机构4-2的盒体底板上设置有导向机构4-3，且导向机构4-3位于通孔4-4的上方或下方，导向机构4-3用于引导动密封胶圈4-1避开通孔4-4。
基于上述焊接装置的焊接方法，该方法为：
对外部局部真空室和内部局部真空室进行抽真空；
开启激光加工***，激光加工***输出的激光束与待焊管道6相对运动，使得激光束历遍整个待焊管道6形成焊缝，完成对待焊管道6焊接。
保持激光加工***静止，使待焊管道6以其轴线为轴旋转，完成激光加工***输出的激光束与待焊管道6的相对运动。
保持待焊管道6静止，驱动激光加工***沿待焊管道6的焊缝运动，完成激光加工***输出的激光束与待焊管道6的相对运动。
激光加工***输出的激光束与待焊管道6相对运动。
本发明的具体有益效果如下：
1、本发明所述的装置和方法相比传统管道焊接的钨极氩弧焊方法，无需多层多道焊接、焊接预热和层间的无损检测，能够实现单道焊接，具有快速高效的特点；
2、本发明所述的装置和方法相比于真空电子束焊接方法，对于大型构建无需大型真空室，解决了较长的抽真空时间，同时焊接成本明显降低；
3、本发明所述的装置和方法相比于局部真空电子束焊接装置更加简单，可操作性更强。
附图说明
图1为本发明所述的一种管道环缝局部真空激光焊接装置工作状态示意图；
图2为本发明所述的一种管道环缝局部真空激光焊接装置局部剖视图；
图3为具体实施方式三所述的动密封控制机构的结构示意图；
图4为具体实施方式三所述的动密封组件的结构示意图。
具体实施方式
具体实施方式一：参照图1和图2具体说明本实施方式，本实施方式所述的一种管道环缝局部真空激光焊接装置，所述装置包括：激光加工***、外部局部真空壳体2-1、内部局部真空壳体3-1和动密封组件4；
外部局部真空壳体2-1套接在待焊管道6的外壁，外部局部真空壳体2-1与待焊管道6之间形成外部局部真空室；内部局部真空壳体3-1嵌入在待焊管道6的内壁，内部局部真空壳体3-1与待焊管道6之间形成内部局部真空室；待焊管道6的焊缝位于外部局部真空室与内部局部真空室之间。
外部局部真空室和内部局部真空室利用抽气组件进行抽真空，抽气组件包括抽气泵5-1和抽气管道5-2；抽气泵5-1通过抽气管道5-2分别与外部局部真空室和内部局部真空室相连通。外部局部真空组件2与待焊管道6之间设有外部密封胶圈2-2，内部局部真空组件3与待焊管道6之间设有内部密封胶圈3-2。
外部局部真空壳体2-1为圆环形，沿其周向开有一开口槽2-3，动密封组件4与该开口槽2-3紧密配合；激光加工***通过动密封组件4与外部局部真空室相连通，使得激光加工***发出的激光穿过开口槽2-3射向待焊管道6的焊缝；动密封组件4能够带动激光加工***沿开口槽2-3运动，并保持外部局部真空室密封。
本实施方式中所述待焊管道6一般为大尺寸，大厚度管线或者管体，有待焊环缝。
本实施方式中抽气泵5-1通过抽气管道5-2分别于内部真空室的抽气接口和外部真空室的抽气接口相连，使得焊缝周围形成局部真空环境。抽气泵为旋转机械抽气泵，其通过抽气管道分别于内部真空室的抽气接口和外部真空室的抽气接口相连，使得焊缝周围形成局部真空环境。
外部真空壳体2-1位于待焊管道6外部，通过外部密封胶圈2-2与工件6之间密封，保证外部局部真空室的密封性。内部真空壳体3-1位于待焊管道6内部，通过内部密封胶圈3-2与待焊管道6之间密封，保证内部局部真空室的密封性。在焊缝周围形成一个密封空间，并且抽气***5对密封空间抽气，在焊缝周围形成局部真空。激光加工组件配合动密封组件4，实现激光进入外部局部真空室，并依靠待焊管道6与激光加工***1之间的相对运动实现局部真空激光加工。
具体实施方式二：本实施方式是对具体实施方式一所述的一种管道环缝局部真空激光焊接装置作进一步限定，本实施方式中，激光加工***包括激光器1-1和激光加工头1-2；激光器1-1发出的激光通过激光加工头1-2射出，激光加工头1-2通过动密封组件4与外部局部真空室相连通。
本实施方式中，激光器1-1为工业激光器1-1，所述工业激光器1-1可以为用于激光焊接的CO2激光器，光纤激光器或碟片激光器等。所述激光加工头1-2为工业激光加工头，例如：德国PRECTICE YW52激光加工头。对与光纤激光器和碟片激光器，工业激光器与激光加工头之间采用光纤传输激光，对于CO2激光器采用硬光路传输激光。
具体实施方式三：参照图3和图4具体说明本实施方式，本实施方式是对具体实施方式二所述的一种管道环缝局部真空激光焊接装置作进一步限定，本实施方式中，动密封组件4包括动密封胶圈4-1、动密封控制机构4-2和导向机构4-3；
动密封胶圈4-1固定在开口槽2-3的外部，用于外部局部真空室的密封；
动密封控制机构4-2为顶部开口的盒体，动密封控制机构4-2左右相对的两个侧壁上设有开口4-5，动密封控制机构4-2利用两个开口4-5扣在动密封胶圈4-1上，该开口4-5与动密封胶圈4-1紧密配合，该动密封控制机构4-2的盒体底板开有通孔4-4，所述通孔4-4用于***激光加工头1-2；动密封控制机构4-2的盒体底板上设置有导向机构4-3，且导向机构4-3位于通孔4-4的上方或下方，导向机构4-3用于引导动密封胶圈4-1避开通孔4-4。
本实施方式中，动密封胶圈4-1整体嵌入外部局部真空室的开口槽2-3内，动密封胶圈4-1同时也嵌入动密封控制机构4-2中，受动密封控制机构4-2内导向机构4-3的影响，具有弹性的动密封胶圈4-1在动密封控制机构4-2内部会有部分脱离局部真空室的开口槽，使得通孔4-4露出而不被动密封胶圈4-1所遮挡。动密封控制机构4-2控制密封胶圈4-1与激光加工头1-2的配合，使得在激光加工头1-2和待焊管道6发生相对运动的过程中，外部局部真空室的开口槽上激光对准位置密封条脱离，激光进入真空室，其他部位保持密封，可以形成满足局部真空激光焊接的局部真空，完成局部真空激光焊接。
具体实施方式四：本实施方式所述的基于具体实施方式一所述的焊接装置的焊接方法，本实施方式中，所述焊接方法具体包括以下步骤：
步骤一、在待焊管道6待焊位置内外分别安装内部局部真空室组件和外部局部真空室组件，利用静密封圈2-1和静密封圈2-1分别使得待焊管道6与外局部真空室壳体3-1和待焊管道6与内局部真空室壳体3-1之间形成良好的密封；
步骤二、安装激光加工头1-2，动密封控制机构4-1和动密封胶圈4-2，使得三者之间形成良好密封，并能协调工作；
步骤三、开动真空抽气泵5-1，分别对外部局部真空室和内部局部真空室进行抽真空，使得局部真空室内达到一定的局部真空度；
步骤四、控制激光器1-1出光，保持激光头1-2静置，协同控制动密封控制组件4-1和待焊管道6相对激光加工头1-2以一定速度运动，使得激光进入真空室完成激光焊接过程；
步骤五、焊接完毕后，将局部真空装置从工件周围拆下，完成整个环缝局部真空激光加工过程。
具体实施方式五：本实施方式所述的基于具体实施方式一所述的焊接装置的焊接方法，本实施方式中，所述焊接方法具体包括以下步骤：
步骤一、在待焊管道6待焊位置内外分别安装内部局部真空室组件和外部局部真空室组件，利用静密封圈2-1和静密封圈2-1分别使得待焊管道6与外局部真空室壳体3-1和待焊管道6与内局部真空室壳体3-1之间形成良好的密封；
步骤二、安装激光加工头1-2，动密封控制机构4-1和动密封胶圈4-2，使得三者之间形成良好密封，并能协调工作；
步骤三、开动真空抽气泵5-1，分别对外部局部真空室和内部局部真空室进行抽真空，使得局部真空室内达到一定的局部真空度；
步骤四、控制激光器1-1出光，保持待焊管道6静置，协同控制激光头1-2和动密封控制组件4-1相对待焊管道6以一定速度运动，使得激光进入真空室完成激光焊接过程；
步骤五、焊接完毕后，将局部真空装置从工件周围拆下，完成整个环缝局部真空激光加工过程。

Claims (10)

1.一种管道环缝局部真空激光焊接装置，其特征在于，所述装置包括：激光加工***、外部局部真空壳体(2-1)、内部局部真空壳体(3-1)和动密封组件(4)；
外部局部真空壳体(2-1)套接在待焊管道(6)的外壁，外部局部真空壳体(2-1)与待焊管道(6)之间形成外部局部真空室；内部局部真空壳体(3-1)嵌入在待焊管道(6)的内壁，内部局部真空壳体(3-1)与待焊管道(6)之间形成内部局部真空室；待焊管道(6)的焊缝位于外部局部真空室与内部局部真空室之间；
外部局部真空壳体(2-1)为圆环形，沿其周向开有一开口槽(2-3)，动密封组件(4)与该开口槽(2-3)紧密配合；激光加工***通过动密封组件(4)与外部局部真空室相连通，使得激光加工***发出的激光穿过环形的开口槽(2-3)射向待焊管道(6)形成焊缝；动密封组件(4)能够带动激光加工***沿开口槽(2-3)运动，使激光在真空室内完成焊接，在焊接的过程中保持外部局部真空室密封。
2.根据权利要求1所述的一种管道环缝局部真空激光焊接装置，其特征在于，外部局部真空室和内部局部真空室利用抽气组件进行抽真空。
3.根据权利要求2所述的一种管道环缝局部真空激光焊接装置，其特征在于，抽气组件包括抽气泵(5-1)和抽气管道(5-2)；抽气泵(5-1)通过抽气管道(5-2)分别与外部局部真空室和内部局部真空室相连通。
4.根据权利要求1或2所述的一种管道环缝局部真空激光焊接装置，其特征在于，激光加工***包括激光器(1-1)和激光加工头(1-2)；激光器(1-1)发出的激光通过激光加工头(1-2)射出，激光加工头(1-2)通过动密封组件(4)伸进外部局部真空室内部。
5.根据权利要求1或2所述的一种管道环缝局部真空激光焊接装置，其特征在于，外部局部真空壳体(2-1)与待焊管道(6)之间设有外部密封胶圈(2-2)，内部局部真空壳体(3-1)与待焊管道(6)之间设有内部密封胶圈(3-2)。
6.根据权利要求1或2所述的一种管道环缝局部真空激光焊接装置，其特征在于，动密封组件(4)包括动密封胶圈(4-1)、动密封控制机构(4-2)和导向机构(4-3)；
动密封胶圈(4-1)固定在开口槽(2-3)的外部，用于外部局部真空室的密封；
动密封控制机构(4-2)为顶部开口的盒体，动密封控制机构(4-2)左右相对的两个侧壁上设有开口(4-5)，动密封控制机构(4-2)利用两个开口(4-5)扣在动密封胶圈(4-1)上，该开口(4-5)与动密封胶圈(4-1)紧密配合，该动密封控制机构(4-2)的盒体底板开有通孔(4-4)，所述通孔(4-4)用于***激光加工头(1-2)；动密封控制机构(4-2)的盒体底板上设置有导向机构(4-3)，且导向机构(4-3)位于通孔(4-4)的上方或下方，导向机构(4-3)用于引导动密封胶圈(4-1)避开通孔(4-4)。
7.基于权利要求1所述焊接装置的焊接方法，其特征在于，该方法为：
对外部局部真空室和内部局部真空室进行抽真空；
开启激光加工***，激光加工***输出的激光束与待焊管道(6)相对运动，使得激光束历遍整个待焊管道(6)形成焊缝，完成对待焊管道(6)焊接。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，保持激光加工***静止，使待焊管道(6)以其轴线为轴旋转，完成激光加工***输出的激光束与待焊管道(6)的相对运动。
9.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，保持待焊管道(6)静止，驱动激光加工***沿待焊管道(6)的焊缝运动，完成激光加工***输出的激光束与待焊管道(6)的相对运动。
10.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，激光加工***输出的激光束与待焊管道(6)相对运动。
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PB01 Publication
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SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
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CB03 Change of inventor or designer information

Inventor after: Chen Yanbin

Inventor after: Jiang Meng

Inventor after: Tao Wang

Inventor after: Wang Shuliang

Inventor after: Hao Yu

Inventor after: Chen Ao

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