CN107052576B - 流道腔体无飞溅高功率激光熔透焊的方法 - Google Patents

流道腔体无飞溅高功率激光熔透焊的方法 Download PDF

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Abstract

本发明提出一种流道腔体无飞溅高功率激光熔透焊的方法，该方法包括：进行焊接接头清理并在工件内壁上喷涂防飞溅剂；对工件进行装配，调整工装夹具确保焊接接头位置紧密贴合，并严格控制接头处错边大小；将激光焊接头移至待焊工件上方一预设高度，并使激光束对准工件焊接接头；将保护气罩安装于激光焊接头上，调整保护气罩与激光束、焊接接头至一预设相对位置；开启保护气罩，移动激光焊接头进行焊接接头激光点焊固定；以及工件腔体内通入惰性焊接保护气，调节好各激光焊接参数至预设值进行高功率激光连续焊接。能够有效地控制焊接飞溅的产生，确保流道腔体无飞溅。

Description

流道腔体无飞溅高功率激光熔透焊的方法
技术领域
本发明涉及激光加工方法，尤其涉及到流道腔体的激光焊接方法。
背景技术
激光焊接由于具有速度快、焊接深度大以及变形小等优点，因此被广泛应用于各行各业，尤其适用于一些精密部件及高质量焊接要求的产品。流道腔体类部件大量应用于能源行业，特别对于核电行业来说，其流道腔体部件的焊接厚度大，要求焊后变形小，并且对腔体内部焊后的表面要求极高：必须保证焊后，腔体内壁无附着的焊接飞溅颗粒以适应其严苛的应用环境，保证高安全性。
在高功率激光焊接条件下，随着板厚及激光功率的增加，焊接过程稳定性会变差，焊缝正反面的焊接飞溅也随着增加。由于激光焊接飞溅，受到激光参数、焊接速度、焊缝正反面保护方式、工件装配精度等众多因素的影响，因此如何控制焊接飞溅，是高要求流道腔体类部件焊接需要解决的难题。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的上述缺陷，提出一种流道腔体无飞溅高功率激光熔透焊的方法，能够有效地控制焊接飞溅的产生，确保流道腔体无飞溅。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种流道腔体无飞溅高功率激光熔透焊的方法，包括以下步骤：
进行焊接接头清理并在工件内壁上喷涂防飞溅剂；
对工件进行装配，调整工装夹具确保焊接接头位置紧密贴合，并严格控制接头处错边大小；
将激光焊接头移至待焊工件上方一预设高度，并使激光束对准工件焊接接头；
将保护气罩安装于激光焊接头上，调整保护气罩与激光束、焊接接头至一预设相对位置；
开启保护气罩，移动激光焊接头进行焊接接头激光点焊固定；以及
工件腔体内通入惰性焊接保护气，调节好各激光焊接参数至预设值进行高功率激光连续焊接。
其中，所述防飞溅剂喷出后可凝固为膏状；所述防飞溅剂在工件焊好后，可通过高压水流冲洗干净。
其中，所述的焊接接头位置紧密贴合是指，工件焊接接头紧密贴合的间隙小于0.05mm；所述的严格控制接头处错边大小是指，接头错边小于0.2mm。
其中，使保护气罩的前端面与激光焊接头发出的激光束的距离范围为3至10mm；并使保护气罩的下端面与工件上的焊接接头的距离范围为5至15mm。
其中，所述保护气罩为多功能保护气罩，具有横吹、侧吹和拖罩保护三项功能；其中，所述保护气罩横吹通入的惰性保护气体压力为0.2至0.5Mpa，侧吹通入的惰性保护气体流量为10至50L/min，拖罩通入的惰性保护气体压力为0.3至0.6Mpa。
其中，在点焊时，需开启保护气罩向工件腔体内通入惰性焊接保护气体，防止焊点被空气氧化；在进行连续焊接前，需要在工件腔体内通入惰性焊接保护气体，保护气体从流道入口通入并从流道出口流出，并保持保护气体流通直至焊接完成。
其中，在进行连续焊接过程中，使该预设高度的波动范围小于1mm，并使激光功率的波动范围小于10W。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案还是：提供一种基于流道腔体无飞溅高功率激光熔透焊装置的方法，所述流道腔体无飞溅高功率激光熔透焊装置包括激光焊接头和保护气罩，该保护气罩装设在该激光焊接头；其中，该激光焊接头位于待焊工件上方一预设高度，该保护气罩与该激光焊接头出射的激光束以及待焊工件上的焊接接头具有一预设相对位置；其中，所述方法包括步骤：
进行焊接接头清理并在工件内壁上喷涂防飞溅剂；对工件进行装配，调整工装夹具确保焊接接头位置紧密贴合，并严格控制接头处错边大小；将激光焊接头移至待焊工件上方一预设高度，并使激光束对准工件焊接接头；将保护气罩安装于激光焊接头上，调整保护气罩与激光束、焊接接头至一预设相对位置；开启保护气罩，移动激光焊接头进行焊接接头激光点焊固定；以及工件腔体内通入惰性焊接保护气，调节好各激光焊接参数至预设值进行高功率激光连续焊接。
其中，该保护气罩的前端面与激光束的距离范围为3至10mm；该保护气罩的下端面与工件上的焊接接头的距离范围为5至15mm。
其中，该预设高度的范围为0至15mm，在焊接过程中，使该预设高度的波动范围小于1mm，并使该激光焊接头提供的激光功率的波动范围小于10W。
本发明的有益效果在于，通过在焊缝背面防飞溅剂的选择，能够有效地降低焊接飞溅附着于流道腔体内壁；通过对工件安装精度的严格控制，能够有效地保证激光熔透焊的稳定性；通过焊缝正反面保护方式的选择，能够对焊缝起到良好的保护作用，使得焊缝光滑均匀无氧化，进一步能够减少焊接飞溅的产生；通过激光参数的精确控制，能够保证焊缝熔透的均匀性，防止激光功率密度不足造成的未熔透或是激光功率密度过大造成的大飞溅，从而能够有效地控制焊接飞溅的产生，确保流道腔体无飞溅。
附图说明
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
图1是本发明所涉工件的结构示意；
图2是本发明的装置与所述工件的结构示意；
图3是本发明的方法的流程示意图。
具体实施方式
现结合附图，对本发明的较佳实施例作详细说明。
参见图1和图2，图1是本发明所涉工件的结构示意。图2是本发明的装置与所述工件的结构示意。本发明所涉工件110包括：工件下板111和工件上板112。其中，工件下板111内空，形成有流道腔体113。工件下板111并设有与该流道腔体113连通的流道入口114和流道出口115。可以理解，工件上板112是与该工件下板111相配合的盖板，二者能够焊接到一起，形成一个流道腔体类部件。
本发明的装置包括保护气罩120和激光焊接头130。该激光焊接头130能够提供激光束131。在安装好工件110之后，将激光焊接头130移至工件110上方一预设高度。该预设高度为工件110接头处焊接厚度所适应的激光焦点高度。该激光焦点高度可通过预先在小试板上进行焊接测试而获得，是激光焊接的重要参数之一。在本实施例中，该激光焦点高度(即该预设高度)的范围为0至15mm。在激光焊接头130移动到达该预设高度之后，继续平移激光焊接头130，使从激光焊接头130出射的激光束131对准工件110的焊接接头，以便后续进行保护气罩120的安装。
保护气罩120安装于激光焊接头130上。通过调整安装位置，能够使保护气罩120的前端面与激光束131保持一预设距离。在本实施例中，该预设距离的范围为3至10mm。另外，保护气罩120的下端面与工件110上的焊接接头的距离范围为5至15mm。可以理解的是，保护气罩120与激光束131和工件110的距离过小或过大，都不利于保护气罩120对焊接熔池发挥充分的保护效果，致使对焊接飞溅控制效果变弱，不利于达到工件110的流道腔体113内无飞溅的要求。
具体而言，保护气罩120为多功能保护气罩，具有横吹、侧吹、拖罩保护三项功能。在焊接时，分别通入焊接保护气体，对高功率激光焊接所产生的等离子火焰及烟尘高度具有很好的抑制作用，能够减小高功率激光焊时，熔池上方等离子火焰及烟尘对激光束131的干扰和屏蔽作用，从而稳定焊接过程，减少焊接飞溅，同时还能够对焊缝起到良好的防氧化保护作用。在本实施例中，焊接时，保护气罩120的横吹通入的惰性保护气体压力为0.2至0.5Mpa；侧吹通入的惰性保护气体流量为10至50L/min；拖罩通入的惰性保护气体压力为0.3至0.6Mpa。
参见图3，图3是本发明的方法的流程示意图。本发明提供一种流道腔体无飞溅高功率激光熔透焊的方法，用于将工件上板112与工件下板111紧密贴合后，进行高功率激光熔透焊。焊接时，工件110的外侧表面(对应于焊缝的正面)采用保护气罩120进行保护；工件110的内侧表面(对应于焊缝的背面)通过在流道入口114通入惰性气体进行保护。焊接后，流道腔体113内壁无附着飞溅颗粒，能够满足高质量焊接要求。该方法具体包括以下步骤：
步骤S110、进行焊接接头清理并在工件内壁上喷涂防飞溅剂。具体地，在进行工件上板112和工件下板111的装配之前，先用清洗剂将工件上板112和工件下板111贴合的接头处清洗干净，除去影响焊接过程稳定性和焊缝质量的油污。然后，将清理干净的待焊接头包裹住，分别在工件上板112和工件下板111的内壁处喷涂防飞溅剂。喷涂完成之后，静放，等待防飞溅剂由液态凝固成膏状。
步骤S120、对工件进行装配，调整工装夹具确保焊接接头位置紧密贴合，并严格控制接头处错边大小。具体地，待前述步骤S110喷涂于工件内壁的防飞溅剂凝固成膏状后，去除工件上板112和工件下板111接头处的包裹物。将工件上板112和工件下板111放置于工装夹具上，夹紧工装将工件上板112和工件下板111焊接接头处紧密贴合。检查工件上板112和工件下板111的贴合情况，不断调整工装夹具，优化工件上板112与工件下板111贴合后焊接接头处的间隙和错边。可以理解的是，接头处间隙过大易造成激光的穿透性增加，会加大焊接过程中激光熔池背部的飞溅，焊后不利于去除飞溅；错边过大相当于增加了焊接厚度，会影响激光的熔透性，造成激光焊接过程不稳定而产生较大的飞溅以及造成焊缝成形不均匀。因此，必须严格控制工件上板112和工件下板111的装配间隙和错边的大小。在本实施例中，要求装配间隙小于0.05mm，错边小于0.2mm。
步骤S130、将激光焊接头移至待焊工件上方一预设高度，并使激光束对准工件焊接接头。具体地，在上述步骤S120安装好工件110之后，将激光焊接头130移至工件110上方一预设高度。在本实施例中，该预设高度的范围为0至15mm。在激光焊接头130移动到达预设高度之后，继续平移激光焊接头，使从激光焊接头130出射的激光束131对准工件110的焊接接头，以便后续进行保护气罩120的安装。
步骤S140、将保护气罩安装于激光焊接头上，调整保护气罩与激光束、焊接接头至一预设相对位置。具体地，在前述步骤S130确定好激光焊接头130与工件110的位置关系之后，将保护气罩120安装于激光焊接头130上，通过调整安装位置，使保护气罩120的前端面与激光束131保持一预设距离，保护气罩120的下端面与工件110上的焊接接头保持一预设距离。在本实施例中，保护气罩120前端面与激光束131的距离范围为3至10mm，保护气罩120的下端面与工件110上的焊接接头的距离范围为5至15mm。
步骤S150、开启保护气罩，移动激光焊接头进行焊接接头激光点焊固定。具体地，开启激光束131，移动激光焊接头130在工件110的焊接接头上进行激光打点焊。点焊时，需要开启保护气罩120，防止焊点被空气氧化发黑，影响后续的高功率激光连续焊。进行点焊固定时，可设置较小的点焊激光功率，达到固定工件上板112和工件下板111的目的即可。点焊的数量可视焊接接头的长度均匀设置：在焊接接头的首尾可各设置一点，中间部分可间隔一预设距离均匀分布。在本实施例中，焊点间隔距离为100至150mm。可以理解的是，本步骤中，激光点焊是为了更有效地固定工件110的工件上板112和工件下板111，防止在高功率焊接过程中，工件上板112和工件下板111由于焊接变形而张开或是发生错边。张开或错边均不利于焊接飞溅的控制，更严重地，有可能会使焊缝明显凹陷，造成工件110报废。
步骤S160、工件腔体内通入惰性焊接保护气，调节好各激光焊接参数至预设值进行高功率激光连续焊接。具体地，在焊接前，预先将惰性焊接保护气从工件110后端的流道入口114不断通入，并从工件110前端的流道出口115流出，该措施能够将流道腔体113内的空气排出，并防止空气进入流道腔体113内。通过惰性气体保护流道腔体113的内壁，有利于焊接飞溅的控制并提高焊缝质量。在本施例中，通入的惰性气体流量可设置为10～50L/min。流道内通入惰性焊接保护气之后，可设置好各激光焊接参数，主要包括激光功率、激光焦点高度、焊接速度等。这些参数可根据工件110实际所需焊接厚度，预先在试板上测试得出。考虑到：对于焊接飞溅的控制重点在于控制好激光焦点高度和激光功率的波动变化，在本实施例中，使激光焦点高度(即前述的预设高度)在焊接过程中的波动范围小于1mm，并使激光功率的波动范围小于10W。设置好各激光焊接参数后，开启保护气罩120，开启激光束131，移动激光焊接头130沿着工件110上的焊接接头进行高功率激光连续焊接。
步骤S170、工件焊接完成后，腔体内通入高压水清洗内部防飞溅剂及焊接灰尘。具体地，将高压水从工件110的流道入口114通入，经过流道腔体113后，从流道出口115排出。高压水流可对流道腔体113的内壁进行冲刷，带走焊接时形成的灰尘及步骤S110喷涂于工件内壁的防飞溅剂。
本发明的有益效果在于，通过对工件110的焊缝的背面(即流道腔体113的内壁)防飞溅剂的选择，能够有效地降低焊接飞溅附着于流道腔体113的内壁；通过对工件110的安装精度的严格控制，能够有效地保证激光熔透焊的稳定性；通过焊缝正反面保护方式的选择，能够对焊缝起到良好的保护作用，使得焊缝光滑均匀无氧化，进一步能够减少焊接飞溅的产生；通过激光参数的精确控制，能够保证焊缝熔透的均匀性，防止激光功率密度不足造成的未熔透或是激光功率密度过大造成的大飞溅，从而能够有效地控制焊接飞溅的产生，确保流道腔体无飞溅。
应当理解的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制，对本领域技术人员来说，可以对上述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改和替换，都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (10)

1.一种流道腔体无飞溅高功率激光熔透焊的方法，其特征在于：包括以下步骤：
进行焊接接头清理并在工件内壁上喷涂防飞溅剂；
对工件进行装配，调整工装夹具确保焊接接头位置紧密贴合，并严格控制接头处错边大小；
将激光焊接头移至待焊工件上方一预设高度，并使激光束对准工件焊接接头；
将保护气罩安装于激光焊接头上，调整保护气罩与激光束、焊接接头至一预设相对位置；
开启保护气罩，移动激光焊接头进行焊接接头激光点焊固定；以及
工件腔体内通入惰性焊接保护气，调节好各激光焊接参数至预设值进行高功率激光连续焊接。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述防飞溅剂喷出后可凝固为膏状；所述防飞溅剂在工件焊好后，可通过高压水流冲洗干净。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述的焊接接头位置紧密贴合是指，工件焊接接头紧密贴合的间隙小于0.05mm；所述的严格控制接头处错边大小是指，接头错边小于0.2mm。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：使保护气罩的前端面与激光焊接头发出的激光束的距离范围为3至10mm；并使保护气罩的下端面与工件上的焊接接头的距离范围为5至15mm。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述保护气罩为多功能保护气罩，具有横吹、侧吹和拖罩保护三项功能；其中，所述保护气罩横吹通入的惰性保护气体压力为0.2至0.5Mpa，侧吹通入的惰性保护气体流量为10至50L/min，拖罩通入的惰性保护气体压力为0.3至0.6Mpa。
6.根据权利要求1所述的流道腔体无飞溅高功率激光熔透焊的方法，其特征在于：在点焊时，需开启保护气罩向工件腔体内通入惰性焊接保护气体，防止焊点被空气氧化；在进行连续焊接前，需要在工件腔体内通入惰性焊接保护气体，保护气体从流道入口通入并从流道出口流出，并保持保护气体流通直至焊接完成。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：在进行连续焊接过程中，使该预设高度的波动范围小于1mm，并使激光功率的波动范围小于10W。
8.一种基于流道腔体无飞溅高功率激光熔透焊装置的方法，其特征在于，所述流道腔体无飞溅高功率激光熔透焊装置包括激光焊接头和保护气罩，该保护气罩装设在该激光焊接头；其中，该激光焊接头位于待焊工件上方一预设高度，该保护气罩与该激光焊接头出射的激光束以及待焊工件的焊接接头具有一预设相对位置；其中，所述方法包括步骤：
进行焊接接头清理并在工件内壁上喷涂防飞溅剂；对工件进行装配，调整工装夹具确保焊接接头位置紧密贴合，并严格控制接头处错边大小；将激光焊接头移至待焊工件上方一预设高度，并使激光束对准工件焊接接头；将保护气罩安装于激光焊接头上，调整保护气罩与激光束、焊接接头至一预设相对位置；开启保护气罩，移动激光焊接头进行焊接接头激光点焊固定；以及工件腔体内通入惰性焊接保护气，调节好各激光焊接参数至预设值进行高功率激光连续焊接。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于：该保护气罩的前端面与激光束的距离范围为3至10mm；该保护气罩的下端面与焊接接头的距离范围为5至15mm。
10.根据权利要求8所述的方法，其特征在于：该预设高度的范围为0至15mm，在焊接过程中，使该预设高度的波动范围小于1mm，并使该激光焊接头提供的激光功率的波动范围小于10W。
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