CN112207433A - 一种用于连续激光焊接的气体保护装置及方法 - Google Patents

一种用于连续激光焊接的气体保护装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于激光焊接技术领域，具体提供了一种用于连续激光焊接的气体保护装置及方法，通过调节气刀块的位置和姿态以使得气刀块出气口对准焊缝处，具体地，控制激光焊接处高压空气横向吹气模块出射高压空气用于横吹焊缝处以吹走焊接处的飞溅物；控制激光焊接处混合保护气模块出射高压混合气以保护焊缝熔池；控制焊缝后部高温区保护气模块出射惰性气体以保护焊缝防止被氧化；控制气刀冷却模块对气刀块进行冷却；控制抽吸气模块对焊缝处进行抽吸。正确的吹气和保护会有效保护焊缝熔池减少甚至避免被氧化；有效减小焊接过程中产生的飞溅；促使焊缝熔池凝固时均匀铺展，使得焊缝成型均匀美观；有效减小金属蒸汽羽辉或者等离子云对激光的屏蔽作用。

Description

一种用于连续激光焊接的气体保护装置及方法
技术领域
本发明属于激光焊接技术领域，具体涉及一种用于连续激光焊接的气体保护装置及方法。
背景技术
激光焊接是通过光学***将激光束聚焦在很小的区域内，在极短的时间内使被焊处形成一个能量高度集中的热源区，从而使被焊物熔化并重新结晶形成牢固的焊点和焊缝，在激光焊接的过程中，焊接工件表面吸收大量的热量而迅速融化并进一步汽化，在焊接工件上方形成羽辉，羽辉在激光光束的入射路径上，对激光进行吸收和散射，从而影响焊接质量和焊接熔深，吸收能量后的羽辉易产生等离子体，等离子体形成后又会吸收和折射激光，对激光光束产生屏蔽效应，进而再一次影响焊接熔深，同时激光焊接如果没有保护有效的保护措施和方法，焊接处气体或保护气体很容易以气泡形式进入熔池而被残留在焊缝，形成气孔，另外在激光焊接过程中极易产生飞溅物，飞溅物会污染激光焊接头的保护镜片，从而影响焊接质量。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种结构简单、成本低的用于连续激光焊接的气体保护装置及方法，以解决上述技术问题。
为此，本发明提供了一种用于连续激光焊接的气体保护装置，包括抽吸气模块、气刀冷却模块及气刀保护模块，所述气刀保护模块包括气刀块，所述气刀块包含激光焊接处高压空气横向吹气模块、激光焊接处混合保护气模块及焊缝后部高温区保护气模块；
所述抽吸气模块用于将激光焊接过程中产出的烟雾以及飞溅及时抽吸干净，所述激光焊接处混合保护气模块用于保护焊缝熔池，所述焊缝后部高温区保护气模块用于保护焊缝防止被氧化，所述激光焊接处高压空气横向吹气模块用于横吹焊缝处以吹走焊接处的飞溅物，并同时减小金属蒸汽羽辉或等离子云对激光的屏蔽作用，所述气刀冷却模块用于冷却所述气刀块。
优选地，所述抽吸气模块包括抽风模块固定块、抽风模块Z轴调整块、抽风模块X轴调整块、抽风模块旋转轴夹紧块及抽风筒；
所述抽风筒通过所述抽风模块固定块与焊接头固定连接，所述抽风模块Z轴调整块与所述抽风模块固定块固定连接实现Z轴移动，所述抽风模块X轴调整块与所述抽风模块Z轴调整块固定连接实现X轴方向移动，所述抽风模块旋转轴夹紧块与所述抽风模块X轴调整块固定连接实现Y轴方向旋转调节。
优选地，所述抽风模块Z轴调整块、抽风模块X轴调整块及抽风模块旋转轴夹紧块依次通过腰形孔固定连接。
优选地，所述气刀保护模块包括用于驱动所述气刀块姿态调节的三轴云台，焊缝位于所述气刀块的吹气轨迹内。
优选地，所述三轴云台采用丝杆驱动结构，所述三轴云台的移动精度为0.1mm，旋转精度为1°。
优选地，所述激光焊接处高压空气横向吹气模块用于向焊缝处吹空气，所述空气的工作压力不低于0.5MPA，并通过气管连接到气刀块的空气进口处。
优选地，所述激光焊接处混合保护气模块用于将氮气与氩气进行混合，该混合气的工作压力不低于0.5MPA，工作流量为20L/Min。
优选地，所述氮气与氩气分别通过气管连接到气刀块的两路混合气进口处，该两路混合气通道在气刀块的前部分是各自独立的，且该两路独立的氮气与氩气在出口处前方10mm距离处同时进入气刀块的混合气保护腔内汇合成一体。
优选地，所述焊缝后部高温区保护气模块用于输出氮气或者氩气。
本发明还提供了一种用于连续激光焊接的气体保护方法，采用如前任一项所述的用于连续激光焊接的气体保护装置对焊缝进行保护，具体包括：
通过调节气刀块的位置和姿态以使得气刀块出气口对准焊缝处，其中，所述气刀块包含激光焊接处高压空气横向吹气模块、激光焊接处混合保护气模块及焊缝后部高温区保护气模块；
控制激光焊接处高压空气横向吹气模块出射高压空气用于横吹焊缝处以吹走焊接处的飞溅物；
控制激光焊接处混合保护气模块出射高压混合气以保护焊缝熔池；
控制焊缝后部高温区保护气模块出射惰性气体以保护焊缝防止被氧化；
控制气刀冷却模块对气刀块进行冷却；
控制抽吸气模块对焊缝处进行抽吸。
本发明的有益效果：本发明提供的这种用于连续激光焊接的气体保护装置及方法，通过调节气刀块的位置和姿态以使得气刀块出气口对准焊缝处，具体地，控制激光焊接处高压空气横向吹气模块出射高压空气用于横吹焊缝处以吹走焊接处的飞溅物；控制激光焊接处混合保护气模块出射高压混合气以保护焊缝熔池；控制焊缝后部高温区保护气模块出射惰性气体以保护焊缝防止被氧化；控制气刀冷却模块对气刀块进行冷却；控制抽吸气模块对焊缝处进行抽吸。正确的吹气和保护会有效保护焊缝熔池减少甚至避免被氧化；有效减小焊接过程中产生的飞溅；促使焊缝熔池凝固时均匀铺展，使得焊缝成型均匀美观；有效减小金属蒸汽羽辉或者等离子云对激光的屏蔽作用，增大激光的有效利用率；有效减少焊缝气孔。
以下将结合附图对本发明做进一步详细说明。
附图说明
图1是本发明用于连续激光焊接的气体保护装置的结构主视图；
图2是本发明用于连续激光焊接的气体保护装置的结构左视图；
图3是本发明用于连续激光焊接的气体保护装置的结构俯视图；
图4是本发明用于连续激光焊接的气体保护装置的结构气刀块的结构示意图。
附图标记说明：1、激光激光焊接头；2、焊接头固定板；3、抽风模块固定块；4、抽风模块Z轴调整块；5、抽风模块X轴调整块；6、抽风模块旋转轴夹紧块；7、抽风筒；8、焊接工件；9、气刀Z轴粗调板；10、气刀旋转调整装置；11、过渡板；12、气刀Z轴微调装置；13、转换板；14、气刀X轴粗调板；15、气刀X轴微调装置；16、气刀Y轴微调装置；17、气刀Y轴过渡板；18、气刀Y轴粗调板；19、气刀块连接板；20、气刀块；21、气刀横吹片；22、气刀横吹腔。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征；在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
本发明提供了一种用于连续激光焊接的气体保护装置，如图1至图4所示，包括抽吸气模块、气刀冷却模块及气刀保护模块，所述气刀保护模块包括气刀块，所述气刀块包含激光焊接处高压空气横向吹气模块、激光焊接处混合保护气模块及焊缝后部高温区保护气模块；所述抽吸气模块用于将激光焊接过程中产出的烟雾以及飞溅及时抽吸干净，所述激光焊接处混合保护气模块用于保护焊缝熔池，所述焊缝后部高温区保护气模块用于保护焊缝防止被氧化，所述激光焊接处高压空气横向吹气模块用于横吹焊缝处以吹走焊接处的飞溅物，并同时减小金属蒸汽羽辉或等离子云对激光的屏蔽作用，所述气刀冷却模块用于冷却所述气刀块。
激光焊接处混合保护气模块可以有效保护焊缝熔池，减少焊缝气孔，减小焊接过程中产生飞溅，促使焊缝熔池凝固时均匀铺展，使得焊缝成型均匀美观；焊缝后部高温区保护气模块能够有效地减少甚至避免焊缝被氧化；激光焊接处高压空气横向吹气模块可以有效防止和抑制飞溅物上升到焊接头，保护了焊接头保护镜片不被污染，同时有效减小金属蒸汽羽辉或者等离子云对激光的屏蔽作用，增大激光的有效利用率。气刀前冷却模块和气刀后冷却模块可以有效地保证该装置能够连续、长时间地正常工作，尤其是在高功率连续焊接作业时，该装置的冷却功能显得尤为重要。激光焊接处的抽吸气模块可以有效地将激光焊接过程中产出的烟雾以及飞溅及时抽吸干净，进一步地减少了焊接头保护镜片被污染的风险性和金属蒸汽羽辉、等离子云对激光的屏蔽作用，总之该发明的保护装置和保护方法对焊缝成型、焊缝质量、焊缝熔深及熔宽有很大的改善。
其中，抽风模块固定块3固定在焊接头固定板2上，抽风模块Z轴调整块4与抽风模块固定块3之间通过腰形孔固定连接，可以实现抽风筒7沿Z轴方向移动调整，抽风模块X轴调整块5与抽风模块Z轴调整块4通过腰形孔固定连接，可以实现抽风筒7沿X轴方向移动调整，抽风模块旋转轴夹紧块6与抽风模块X轴调整块5由半圆组成，可以实现抽风筒7沿Y轴方向移动调整和沿Y轴方向旋转调整，此种组合装置可以实现抽风筒7沿X/Y/Z三轴方向的移动调整和沿Y轴的旋转调整，调整抽风筒7的良好姿态会大大提高抽吸烟雾效果。
气刀Z轴粗调板9与焊接头固定板2嵌入式连接，并且气刀Z轴粗调板9可以沿X轴移动，当其移动到一定位置后，再由气刀X轴粗调板14将其锁紧，这样三者之间位置就处于确定和固定状态，固其可以实现气刀块20沿X轴方向移动粗调整，气刀旋转调整装置10与气刀Z轴粗调板9通过腰形孔相连接，可以实现气刀块20沿Z轴方向移动粗调整，过渡板11实现气刀旋转调整装置10和气刀Z轴微调装置12三者之间固定连接，转换板13实现气刀Z轴微调装置12和气刀X轴微调装置15三者之间固定连接，气刀Y轴微调装置16、气刀Y轴过渡板17、气刀Y轴粗调板18与气刀X轴微调装置15四者相互连接，气刀块连接板19与气刀Y轴粗调板18通过腰形孔相连接，可以实现气刀块20沿Y轴方向移动粗调整，气刀横吹片21、气刀横吹腔22与气刀块20相互连接，形成高压空气横吹腔体，此种组合装置可以实现气刀块20沿X/Y/Z三轴方向的粗移动调整，同时可以实现气刀块20沿X/Y/Z三轴方向的精移动调整和沿Y轴的精旋转调整，三个方向精移动功能均是通过微型导轨和微型丝杆来实现调整，最小调整量可以达到0.1mm,精旋转调整是通过微型精密蜗轮蜗杆实现，最小调整量可以达到1°，此种多功能调整组合设计装置可以满足焊接零件多工况条件的需求，大大提高其产品的适应性。
该发明的保护装置和保护方法对焊缝成型、焊缝质量、焊缝熔深及熔宽有很大的改善。正确的吹气和保护会有效保护焊缝熔池减少甚至避免被氧化；正确的吹气和保护可以有效减小焊接过程中产生的飞溅；正确的吹气和保护可以促使焊缝熔池凝固时均匀铺展，使得焊缝成型均匀美观；正确的吹气和保护可以有效减小金属蒸汽羽辉或者等离子云对激光的屏蔽作用，增大激光的有效利用率；正确的吹气和保护可以有效减少焊缝气孔，正确的冷却可以保证该装置长时间处于高温环境下正常工作。
本发明还提供了一种用于连续激光焊接的气体保护方法：
气刀块20设计为与工件保持45度倾斜，首先在以上X/Y/Z三轴方向的粗移动调整方向，将各调整装置固定、锁紧，然后通过气刀旋转调整装置10将气刀块20底部与焊接工件8的焊接面或焊缝平行，再通过气刀Z轴微调装置12调整气刀块20底部与焊缝面之间的距离为3mm～5mm，然后调整气刀Y轴微调装置16使得焊接头的红光光斑处于气刀块20出气口正中心线上，最后调整气刀X轴微调装置15使气刀块20最前端的吹气口的中心与焊接头的红光光斑重合，待气刀块20位置调整到合适的位置后，下一步就是设置各路气的压力和流量等参数，
第一路气：激光焊接处高压空气横向吹气模块出射空气，该路空气的工作压力不低于0.5MPA，通过气管连接到“20、气刀块”的空气进口处，瞬间充满高压空气腔，然后由气刀横吹片21与气刀横吹腔22之间0.1mm的间隙间高速、高压喷射出，这样就形成了一道不可见的高压力气帘，可以有效阻止和抑制焊接飞溅物穿透或上升，对焊接头保护镜片起到了很好的保护作用，同时，该气帘还可以吹散焊接处上空的金属蒸汽羽辉或者等离子云，有效减小金属蒸汽羽辉或者等离子云对激光的屏蔽作用，增大激光的有效利用率。
第二路气：激光焊接处混合保护气模块出射的混合保护气，该路混合气主要取决于被焊接工件的材质，不锈钢与普通碳钢材质，所使用的配比有一定的差别，大部分场所使用氮气与氩气进行混合，该混合气的工作压力不低于0.5MPA，工作流量大致为20L/Min,通过气管连接到气刀块20的两路混合气进口处，该两路混合气通道在气刀块20前部分是各自独立的，当该两路独立的混合气在出口处前方10mm距离处，同时进入气刀块20的混合气保护腔内汇合成一体，这样就可以对整个激光焊接加工处进行保护，能效保护焊缝熔池，减少焊缝气孔，减小焊接过程中产生飞溅，促使焊缝熔池凝固时均匀铺展，使得焊缝成型均匀美观。
第三路气：焊缝后部高温区保护气模块出射的纯保护气，该路纯保护气主要取决于被焊接工件的材质，不同材质使用的保护气有一定差别，大部分场所使用氮气或者氩气，该混合气的工作压力不低于0.5MPA，工作流量大致为25L/Min,通过气管连接到气刀块20的四路纯保护气进口处，该四路纯保护气通道在气刀块20前部分是各自独立的，当该四路独立的纯保护气在出口处前方10mm距离处，同时进入气刀块20的纯保护气保护腔内汇合成一体，这样就可以对焊后焊缝的高温区进行保护，能有效地减少甚至避免焊缝被氧化。
另外在气刀块20的出口处，将会形成一个第二路气与第三路气的混合汇合区域，该区域的保护气将能够对焊缝表面氧化和焊缝成形进行保护。
第四路：前端冷却水循环水和后端冷却水循环水，该两路水均是独立循环使用和冷却，由于气刀块20距离激光焊接处非常近，该区域温度较高，极易受激光焊接影响导致气刀块20温度过高，尤其是对于10小时以上的连续焊接，该冷却功能就尤为重要，通过这两路冷却水循环水可以保证气刀块20外部高温环境的影响。
第五路：抽吸气模块对工件的表面产生吸气负压形成抽吸气路，当高压空气、混合保护气、纯保护气以及冷却水路均调整准备完成后，最后需调整抽吸气路，抽风筒7底部与气刀块20大致相平，且该抽吸气路大致与保护气相对于焊接头中心线对称，通过在焊接过程中对激光焊接加工处进行抽吸气，一方面可以有效地将焊接产生的飞溅及有害气体迅速抽走，另外会进一步地吸收焊接处上方的金属蒸汽羽辉、等离子云等对激光有屏蔽作用的物质，通过调整第一路和第二路保护气的大小以及第五路抽吸气的大小，可以大大提高焊接处保护气保护的稳定性和区域性。
该方案主要应用于石油管道行业、压力容器行业以及大型板料激光拼焊行业，其优势尤其在长焊缝或者连续焊缝上能够得到很好的展示，可以有效地保护焊缝，使焊接表面成型更加均匀，同时可以达到焊接表面无氧化或无明显氧化，现阶段该保护方法和装置已经实现了对6000米长连续焊缝的保护，随着用户和客户的需求，该保护方法和装置可以实现对万米以上连续焊缝的保护，对石油输送以及油田开采管道有着十分重大的贡献。
以上例举仅仅是对本发明的举例说明，并不构成对本发明的保护范围的限制，凡是与本发明相同或相似的设计均属于本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种用于连续激光焊接的气体保护装置，其特征在于：包括抽吸气模块、气刀冷却模块及气刀保护模块，所述气刀保护模块包括气刀块，所述气刀块包含激光焊接处高压空气横向吹气模块、激光焊接处混合保护气模块及焊缝后部高温区保护气模块；
所述抽吸气模块用于将激光焊接过程中产出的烟雾以及飞溅及时抽吸干净，所述激光焊接处混合保护气模块用于保护焊缝熔池，所述焊缝后部高温区保护气模块用于保护焊缝防止被氧化，所述激光焊接处高压空气横向吹气模块用于横吹焊缝处以吹走焊接处的飞溅物，并同时减小金属蒸汽羽辉或等离子云对激光的屏蔽作用，所述气刀冷却模块用于冷却所述气刀块。
2.根据权利要求1所述的用于连续激光焊接的气体保护装置，其特征在于：所述抽吸气模块包括抽风模块固定块、抽风模块Z轴调整块、抽风模块X轴调整块、抽风模块旋转轴夹紧块及抽风筒；
所述抽风筒通过所述抽风模块固定块与焊接头固定连接，所述抽风模块Z轴调整块与所述抽风模块固定块固定连接实现Z轴移动，所述抽风模块X轴调整块与所述抽风模块Z轴调整块固定连接实现X轴方向移动，所述抽风模块旋转轴夹紧块与所述抽风模块X轴调整块固定连接实现Y轴方向旋转调节。
3.根据权利要求2所述的用于连续激光焊接的气体保护装置，其特征在于：所述抽风模块Z轴调整块、抽风模块X轴调整块及抽风模块旋转轴夹紧块依次通过腰形孔固定连接。
4.根据权利要求1所述的用于连续激光焊接的气体保护装置，其特征在于：所述气刀保护模块包括用于驱动所述气刀块姿态调节的三轴云台，焊缝位于所述气刀块的吹气轨迹内。
5.根据权利要求4所述的用于连续激光焊接的气体保护装置，其特征在于：所述三轴云台采用丝杆驱动结构，所述三轴云台的移动精度为0.1mm，旋转精度为1°。
6.根据权利要求1所述的用于连续激光焊接的气体保护装置，其特征在于：所述激光焊接处高压空气横向吹气模块用于向焊缝处吹空气，所述空气的工作压力不低于0.5MPA，并通过气管连接到气刀块的空气进口处。
7.根据权利要求1所述的用于连续激光焊接的气体保护装置，其特征在于：所述激光焊接处混合保护气模块用于将氮气与氩气进行混合，该混合气的工作压力不低于0.5MPA，工作流量为20L/Min。
8.根据权利要求7所述的用于连续激光焊接的气体保护装置，其特征在于：所述氮气与氩气分别通过气管连接到气刀块的两路混合气进口处，该两路混合气通道在气刀块的前部分是各自独立的，且该两路独立的氮气与氩气在出口处前方10mm距离处同时进入气刀块的混合气保护腔内汇合成一体。
9.根据权利要求1所述的用于连续激光焊接的气体保护装置，其特征在于：所述焊缝后部高温区保护气模块用于输出氮气或者氩气。
10.一种用于连续激光焊接的气体保护方法，其特征在于，采用如权利要求1至9任一项所述的用于连续激光焊接的气体保护装置对焊缝进行保护，具体包括：
通过调节气刀块的位置和姿态以使得气刀块出气口对准焊缝处，其中，所述气刀块包含激光焊接处高压空气横向吹气模块、激光焊接处混合保护气模块及焊缝后部高温区保护气模块；
控制激光焊接处高压空气横向吹气模块出射高压空气用于横吹焊缝处以吹走焊接处的飞溅物；
控制激光焊接处混合保护气模块出射高压混合气以保护焊缝熔池；
控制焊缝后部高温区保护气模块出射惰性气体以保护焊缝防止被氧化；
控制气刀冷却模块对气刀块进行冷却；
控制抽吸气模块对焊缝处进行抽吸。
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