CN112935546A - 一种基于直冲式约束层的激光冲击焊接装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于直冲式约束层的激光冲击焊接装置，属于激光焊接技术领域，能够解决现有激光冲击焊接中沉浸式水约束层难以克服激光冲击波能量均匀性较差、以及焊接覆件与基件的加速空隙中易渗入水滴而影响焊接质量的问题。所述装置包括：直冲式喷头和送水单元；直冲式喷头包括透光顶盖、柱状腔体和腔体下锥冒；柱状腔体的侧壁上设置有进水端头；柱状腔体的底端设置有射流嘴，柱状腔体内的水从射流嘴喷出后形成水柱；柱状腔体的侧壁内设置有保护气通道，保护气通道用于将保护气体输送至水柱处以包围水柱；激光经透光顶盖后入射至柱状腔体内，并沿水柱方向传播；水柱冲击异形覆件上的吸收材料，以使异形覆件和基件焊接。本发明用于激光焊接。

Description

一种基于直冲式约束层的激光冲击焊接装置

技术领域

本发明涉及一种基于直冲式约束层的激光冲击焊接装置，属于激光焊接技术领域。

背景技术

激光冲击焊接技术是一种新型的激光冷焊接技术，具有可焊接材料种类多样化、可焊接材料形状多样化、可控性强、无接触式的优点。利用激光脉冲产生的冲击波赋予焊件一个高速动力形成撞击，两个待焊接工件的撞击表面间会产生界面波和射流的综合作用，表层在很高的压力波作用下可看做瞬间液体，形成射流，产生塑性流动，一方面射流清除了接触表面的吸附层、氧化层薄膜、油污等，使金属接触面露出有活性的清洁表面；另一方面射流原子在原子距离内相遇，从而在界面上形成冶金结合，实现焊接。

基于水的柔性特点，在激光冲击焊接技术中，水常用作约束层。采用水作为约束层，用水流覆盖住待焊接工件或者说将工件沉浸在水中，这种方式主要存在两种弊端：其一、对于异形面焊接件，沉浸式水约束层不能保证约束层的均匀性，又因为水层厚度通常较薄，在异形面的凹处和凸处的水层厚度差能达数倍之多，导致激光冲击波能量的不均匀，影响焊接质量的均匀性；其二、焊接覆件与基件的加速空隙中易渗入水滴影响高速撞击时的射流效应，影响焊接质量。

发明内容

本发明提供了一种基于直冲式约束层的激光冲击焊接装置，能够解决现有激光冲击焊接中沉浸式水约束层难以克服激光冲击波能量均匀性较差、以及焊接覆件与基件的加速空隙中易渗入水滴而影响焊接质量的问题。

本发明提供了一种基于直冲式约束层的激光冲击焊接装置，所述装置包括：直冲式喷头和送水单元；所述直冲式喷头包括透光顶盖、柱状腔体和腔体下锥冒，所述柱状腔体包括腔体侧壁和与所述腔体侧壁底端连接的锥形底壁；所述透光顶盖设置在所述柱状腔体的顶端，用于封闭所述柱状腔体的顶端开口；所述腔体下锥冒设置在所述锥形底壁的外侧，且与所述腔体侧壁底端固定；所述柱状腔体靠近所述透光顶盖的侧壁上设置有进水端头；所述送水单元用于通过所述进水端头向所述柱状腔体内送水；所述锥形底壁上设置有射流嘴，所述腔体下锥冒上具有与所述射流嘴位置对应的中空部分，所述柱状腔体内的水从所述射流嘴喷出后形成水柱；所述腔体侧壁内设置有保护气通道，所述保护气通道用于将保护气体输送至所述水柱处，以使所述保护气体包围所述水柱；所述柱状腔体的下方设置有水槽，所述水槽底板上设置有排水口；待焊接的异形覆件和基件置于所述水槽内；所述基件位于所述异形覆件与所述水槽底板之间，所述异形覆件远离所述基件的表面涂覆有吸收材料；激光经所述透光顶盖后入射至所述柱状腔体内，并沿所述水柱方向传播；所述水柱冲击所述吸收材料，以使所述异形覆件和所述基件焊接。

可选的，所述保护气通道包括：位于所述腔体侧壁内、且垂直于所述柱状腔体中心轴的第一气路和平行于所述柱状腔体中心轴的第二气路，以及所述腔体下锥冒的倾斜内壁与所述锥形底壁的倾斜外壁之间形成的第三气路；所述第二气路与所述第一气路连通，所述第三气路与所述第二气路连通；所述腔体侧壁上还设置有进气端头；保护气从所述进气端头进入所述第一气路中，并经由所述第一气路、所述第二气路和所述第三气路输送至所述水柱处，以包围所述水柱。

可选的，所述送水单元包括水处理结构和水加压结构；所述水处理结构用于对水流进行水质处理；所述水加压结构用于对处理后水流的压力进行调整，并将调整后水流输送至所述进水端头处。

可选的，所述进水端头为多个，多个所述进水端头均匀分布在所述柱状腔体靠近所述透光顶盖的侧壁上。

可选的，所述进水端头为2个或4个。

可选的，所述进气端头为多个，多个所述进气端头均匀分布在所述柱状腔体上位于所述进水端头正下方的侧壁上。

可选的，所述进气端头为2个或4个。

可选的，所述柱状腔体远离所述水槽的一侧设置有聚焦镜；所述聚焦镜的中心轴、所述柱状腔体的中心轴与所述水柱的中心轴同轴设置。

可选的，所述透光顶盖上设置有透光镜片，所述激光经所述透光镜片入射至所述柱状腔体内；所述透光顶盖的四周设有多个凹槽；每个所述凹槽中均设有第一锁紧孔，所述进光腔体盖通过所述第一锁紧孔内的螺钉与所述腔体侧壁顶端固定；所述腔体下锥冒包括锥形斜壁和连接在所述锥形斜壁大口端的环形平台；所述环形平台上设置有多个第二锁紧孔；所述腔体下锥冒通过所述第二锁紧孔内的螺钉与所述腔体侧壁底端固定。

可选的，所述锥形底壁上设置有安装孔；所述射流嘴上具有正对于所述通光镜片的贯穿的出射孔；所述柱状腔体内的水从所述出射孔射出后形成水柱；所述射流嘴为柱状；在所述射流嘴中心轴的方向上，所述射流嘴的外侧壁包括连接段和倾斜导向段；所述连接段螺纹连接于所述安装孔内；所述倾斜导向段具有导向弧面；所述导向弧面与所述锥形斜壁的竖向内侧壁形成出气腔；所述第三气路与所述出气腔连通；所述导向弧面用于将所述第三气路流出的保护气导向所述出气腔，以包围在所述水柱四周。

可选的，所述柱状腔体的内壁为圆柱形。

可选的，所述柱状腔体的内壁在所述柱状腔体的中心轴的方向上的长度与所述柱状腔体内径之比小于或等于5∶1。

可选的，所述透光镜片的厚度为4mm～6mm。

本发明能产生的有益效果包括：

本发明提供的基于直冲式约束层的激光冲击焊接装置，通过将普通水经过送水单元后，再由透光顶盖、射流嘴、柱状腔体的腔壁组成的稳腔内形成稳定的水流，由射流嘴输出水柱；水柱***设有保护气体；激光经透光顶盖入射到稳腔中，在水流中会聚由射流嘴输出，沿着水柱方向传播；水柱冲击到的地方就是焊接点。本发明有效的解决了沉浸式水约束层不能保证的约束层均匀性问题，以及焊接覆件与基件的加速空隙中易渗入水滴影响焊接质量的问题。

附图说明

图1为本发明实施例提供的基于直冲式约束层的激光冲击焊接装置结构示意图；

图2为本发明实施例提供的基于直冲式约束层的激光冲击焊接装置水处理示意图；

图3为本发明实施例提供的焊接异形面工件时直冲式约束层与沉浸式约束层的对比图；

图4为本发明提供的直冲式喷头正面立体示意图；

图5为本发明提供的直冲式喷头正面剖面示意图；

图6为本发明提供的直冲式喷头底部结构示意图；

图7为本发明提供的直冲式喷头中射流嘴正面剖面示意图。

部件和附图标记列表：

1、水处理结构；2、水加压结构；3、保护气通道；4、聚焦镜；5、透光顶盖；6、射流嘴；7、柱状腔体；8、排水口；9、稳腔；10、进水端头；11、水柱；12、保护气体；13、吸收材料；14、异形覆件；15、基件；16、废水；17、水槽；18、透光镜片；19、凹槽；20、第一锁紧孔；21、腔体侧壁；22、锥形底壁；23、腔体下锥冒；24、锥形斜壁；25、环形平台；26、进水路；27、进气端头；28、第一气路；29、第二气路；30、第三气路；31、出气腔；32、出射孔；33、连接段；34、倾斜导向段；35、导向弧面；36、第二锁紧孔。

具体实施方式

下面结合实施例详述本发明，但本发明并不局限于这些实施例。

本发明实施例提供了一种基于直冲式约束层的激光冲击焊接装置，参考图1至图7所示，所述装置包括：直冲式喷头和送水单元；直冲式喷头包括透光顶盖5、柱状腔体7和腔体下锥冒23，柱状腔体7包括腔体侧壁21和与腔体侧壁21底端连接的锥形底壁22；透光顶盖5设置在柱状腔体7的顶端，用于封闭柱状腔体7的顶端开口；腔体下锥冒23设置在锥形底壁22的外侧，且与腔体侧壁21底端固定；柱状腔体7靠近透光顶盖5的侧壁上设置有进水端头10；送水单元用于通过进水端头10向柱状腔体7内送水；锥形底壁22上设置有射流嘴6，腔体下锥冒23上具有与射流嘴6位置对应的中空部分，柱状腔体7内的水从射流嘴6喷出后形成水柱；腔体侧壁21内设置有保护气通道，保护气通道用于将保护气体12输送至水柱11处，以使保护气体12包围水柱11；柱状腔体7的下方设置有水槽17，水槽17底板上设置有排水口8；待焊接的异形覆件14和基件15置于水槽17内；基件15位于异形覆件14与水槽17底板之间，异形覆件14远离基件15的表面涂覆有吸收材料13；激光经透光顶盖5后入射至柱状腔体7内，并沿水柱11方向传播；水柱11冲击吸收材料13，以使异形覆件14和基件15焊接。

其中，保护气通道3包括：位于腔体侧壁21内、且垂直于柱状腔体7中心轴的第一气路28和平行于柱状腔体7中心轴的第二气路29，以及腔体下锥冒23的倾斜内壁与锥形底壁22的倾斜外壁之间形成的第三气路30；第二气路29与第一气路28连通，第三气路30与第二气路29连通；腔体侧壁21上还设置有进气端头27；保护气从进气端头27进入第一气路28中，并经由第一气路28、第二气路29和第三气路30输送至水柱11处，以包围水柱11。

本发明实施例对于进水端头10的设置数量不做限定，示例的，进水端头10可以为多个，多个进水端头10可以均匀分布在柱状腔体7靠近透光顶盖5的侧壁上。在实际应用中，进水端头10可以为2个或4个。本发明实施例对于进气端头27的设置数量亦不做限定，示例的，进气端头27可以为多个，多个进气端头27均匀分布在柱状腔体7上位于进水端头10正下方的侧壁上。在实际应用中，进气端头27可以为2个或4个。

参考图1所示，柱状腔体7的顶端设置透光顶盖5，用于压住水流；柱状腔体7的底部设置有射流嘴6；由透光顶盖5、射流嘴6、柱状腔体7的腔壁构成稳腔9，进水端头10通过进水路26与稳腔9相连，稳腔9用于形成稳定水流。柱状腔体7上端两侧对称的设有两处进水端头10。普通水经过送水单元后，在由透光顶盖5、射流嘴6、柱状腔体7的腔壁组成的稳腔9内形成稳定的水流，由射流嘴6输出水柱11。柱状腔体7的腔体侧壁21中设置有中空的保护气通道3，用于通入高压保护气体12。保护气体12包围在水柱11周围，改善水-空气界面，保证水柱11的层流长度。激光经透光顶盖5入射到稳腔9中，在水流中会聚由射流嘴6输出，最后沿着水柱11方向传播。水柱11冲击到的地方就是焊接点。

在实际应用中，参考图4至图7所示，透光顶盖5上设置有透光镜片18，激光经透光镜片18入射至柱状腔体7内；透光顶盖5的四周设有多个凹槽19；每个凹槽19中均设有第一锁紧孔20，透光顶盖5通过第一锁紧孔20内的螺钉与腔体侧壁21顶端固定。腔体下锥冒23包括锥形斜壁24和连接在锥形斜壁24大口端的环形平台25；环形平台25上设置有多个第二锁紧孔36；腔体下锥冒23通过第二锁紧孔36内的螺钉与腔体侧壁21底端固定。锥形底壁22上设置有安装孔；射流嘴6可拆卸安装于安装孔内。第二锁紧孔36均匀的分布在腔体下锥冒23的环形平台25的四周。

参考图5所示，射流嘴6上具有正对于透光镜片5的贯穿的出射孔32；柱状腔体7内的水从出射孔32射出后形成水柱11；射流嘴6为柱状；在射流嘴6中心轴的方向上，射流嘴6的外侧壁包括连接段33和倾斜导向段34；连接段33用于与安装孔螺纹连接；倾斜导向段34具有导向弧面35；导向弧面35与锥形斜壁24的竖向内侧壁形成出气腔31；第三气路30与出气腔31连通；导向弧面35用于将第三气路30流出的保护气体12导向出气腔31，以包围在水柱11四周，隔绝水柱11与空气的摩擦扰动，增加水柱11竖向的层流长度。其中，射流嘴6、出射孔32和导向弧面35均为圆环形分布设置。柱状腔体7的下端设有腔体下锥冒23，腔体下锥冒23与柱状腔体7的锥形底壁22之间形成一个第三气路30，用于引导保护气体12从出气腔31中流出，包围在从出射孔32射出的水柱11四周。其中，透光镜片的厚度可以设置为4mm～6mm。

通过改变出射孔32的贯穿直径，对应不同型号的射流嘴6，即可改变从稳腔9内出射水柱11的直径和层流长度。不同型号的射流嘴6均可通过螺纹转接固定于锥形底壁22的安装孔内，方便更换，结构简单。

结合附图2所示，待焊接异形覆件14上表面涂覆有吸收材料13，基件15放置于异形覆件14的下方；水柱11冲击在吸收材料13上表面。冲击焊接过程在水槽17内完成；水槽17的底部设置有一处排水口8。水柱11产生的水流沿着吸收材料13上表面流向水槽17底部，废水16经排水口8流出，使得异形覆件14和基件15不再浸没在水层中，防止异形覆件14与基件15的加速空隙中由于沉浸式水层设计渗入水滴，从而提高了焊接质量。

进一步的，送水单元包括水处理结构1和水加压结构2；水处理结构1用于对水流进行水质处理；水加压结构2用于对处理后水流的压力进行调整，并将调整后水流输送至进水端头10处。

在本发明实施例中，柱状腔体7远离水槽17的一侧设置有聚焦镜4；聚焦镜4的中心轴、柱状腔体7的中心轴与水柱11的中心轴同轴设置。

在实际应用中，柱状腔体7的内壁为圆柱形。柱状腔体7的内壁在柱状腔体7的中心轴的方向上的长度与柱状腔体7内径之比小于或等于5∶1。

结合附图3中(A)-(C)所示，图3中(A)和(B)为直冲式约束层的示意图，水柱11与激光正入射到异形面的吸收材料13的顶点，此时水柱11长度为L0；焊接过程中，激光随着水柱11横向移动了距离a，水柱11冲击到圆弧侧向某点，该点与顶点的高度差为△L，此时水柱11长度为L0’。对于传统的沉浸式水层，激光正入射到异形覆件14的吸收材料13的顶点，此时水层厚度为L1；相同的，激光横向移动了距离a，冲击到工件圆弧侧向某点，此时水层厚度为L1’，该点与顶点的高度差为△L1。通常对于沉浸式水约束层厚度L1不会超过几个毫米，甚至只有几十微米，基本与异形覆件14厚度相当；而对于异形覆件14，高度差△L能达到毫米量级，与异形覆件14厚度相当，甚至是其数倍。而水对于激光存在一定的吸收损耗、散射损耗等，激光经过水层厚度的变化率值增加数倍，导致激光的能量变化率改变数倍。所以对于传统的沉浸式水层，吸收材料13任意位置处的激光能量相差甚多，激光能量指数的变化率达100％，变化率严重影响冲击波形成的能量均匀性。

结合附图3(A)和3(B)所示，水柱11的长度L0≥100mm；激光随着水柱11横向移动后，水柱11落在异形覆件14的弧面处，前后产生的水柱11长度差△L0≤L0/100，激光经过的水层距离差减少了至少2个数量级。经水的综合损耗后，激光能量指数的变化率为≤1％，能量变化率相较沉浸式减小了2个数量级，由于异形面导致的能量不均匀性影响可忽略不计，提高了冲击波形成的能量均匀性，提高焊接质量。

以上所述，仅是本申请的几个实施例，并非对本申请做任何形式的限制，虽然本申请以较佳实施例揭示如上，然而并非用以限制本申请，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本申请技术方案的范围内，利用上述揭示的技术内容做出些许的变动或修饰均等同于等效实施案例，均属于技术方案范围内。

Claims (10)

1.一种基于直冲式约束层的激光冲击焊接装置，其特征在于，所述装置包括：直冲式喷头和送水单元；

所述直冲式喷头包括透光顶盖、柱状腔体和腔体下锥冒，所述柱状腔体包括腔体侧壁和与所述腔体侧壁底端连接的锥形底壁；所述透光顶盖设置在所述柱状腔体的顶端，用于封闭所述柱状腔体的顶端开口；所述腔体下锥冒设置在所述锥形底壁的外侧，且与所述腔体侧壁底端固定；所述柱状腔体靠近所述透光顶盖的侧壁上设置有进水端头；所述送水单元用于通过所述进水端头向所述柱状腔体内送水；

所述锥形底壁上设置有射流嘴，所述腔体下锥冒上具有与所述射流嘴位置对应的中空部分，所述柱状腔体内的水从所述射流嘴喷出后形成水柱；所述腔体侧壁内设置有保护气通道，所述保护气通道用于将保护气体输送至所述水柱处，以使所述保护气体包围所述水柱；

所述柱状腔体的下方设置有水槽，所述水槽底板上设置有排水口；待焊接的异形覆件和基件置于所述水槽内；所述基件位于所述异形覆件与所述水槽底板之间，所述异形覆件远离所述基件的表面涂覆有吸收材料；激光经所述透光顶盖后入射至所述柱状腔体内，并沿所述水柱方向传播；所述水柱冲击所述吸收材料，以使所述异形覆件和所述基件焊接。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述保护气通道包括：

位于所述腔体侧壁内、且垂直于所述柱状腔体中心轴的第一气路和平行于所述柱状腔体中心轴的第二气路，以及所述腔体下锥冒的倾斜内壁与所述锥形底壁的倾斜外壁之间形成的第三气路；所述第二气路与所述第一气路连通，所述第三气路与所述第二气路连通；

所述腔体侧壁上还设置有进气端头；保护气从所述进气端头进入所述第一气路中，并经由所述第一气路、所述第二气路和所述第三气路输送至所述水柱处，以包围所述水柱。

3.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述送水单元包括水处理结构和水加压结构；所述水处理结构用于对水流进行水质处理；所述水加压结构用于对处理后水流的压力进行调整，并将调整后水流输送至所述进水端头处；

优选的，所述进水端头为多个，多个所述进水端头均匀分布在所述柱状腔体靠近所述透光顶盖的侧壁上；

优选的，所述进水端头为2个或4个。

4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述进气端头为多个，多个所述进气端头均匀分布在所述柱状腔体上位于所述进水端头正下方的侧壁上；

优选的，所述进气端头为2个或4个。

5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述柱状腔体远离所述水槽的一侧设置有聚焦镜；所述聚焦镜的中心轴、所述柱状腔体的中心轴与所述水柱的中心轴同轴设置。

6.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述透光顶盖上设置有透光镜片，所述激光经所述透光镜片入射至所述柱状腔体内；

所述透光顶盖的四周设有多个凹槽；每个所述凹槽中均设有第一锁紧孔，所述进光腔体盖通过所述第一锁紧孔内的螺钉与所述腔体侧壁顶端固定；

所述腔体下锥冒包括锥形斜壁和连接在所述锥形斜壁大口端的环形平台；所述环形平台上设置有多个第二锁紧孔；所述腔体下锥冒通过所述第二锁紧孔内的螺钉与所述腔体侧壁底端固定。

7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述锥形底壁上设置有安装孔；

所述射流嘴上具有正对于所述通光镜片的贯穿的出射孔；所述柱状腔体内的水从所述出射孔射出后形成水柱；

所述射流嘴为柱状；在所述射流嘴中心轴的方向上，所述射流嘴的外侧壁包括连接段和倾斜导向段；所述连接段螺纹连接于所述安装孔内；

所述倾斜导向段具有导向弧面；所述导向弧面与所述锥形斜壁的竖向内侧壁形成出气腔；所述第三气路与所述出气腔连通；所述导向弧面用于将所述第三气路流出的保护气导向所述出气腔，以包围在所述水柱四周。

8.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述柱状腔体的内壁为圆柱形。

9.根据权利要求1或8所述的装置，其特征在于，所述柱状腔体的内壁在所述柱状腔体的中心轴的方向上的长度与所述柱状腔体内径之比小于或等于5:1。

10.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述透光镜片的厚度为4mm～6mm。

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