CN117564518B - 一种真空激光焊接装置及焊接方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种真空激光焊接装置及焊接方法，真空激光焊接装置包括焊接箱，形成激光焊接的真空腔；激光焊枪，设置在焊接箱的外侧，用于焊接待焊工件；动态烟尘防护装置，动态烟尘防护装置包括内锥体部，内锥体部的内部空间呈锥形设置，内锥体部的内径沿远离镜片的方向逐渐缩小，在内锥体部的内侧壁上设置有进气孔，进气孔用于向内锥体部内部输送防护气体；移动组件，设置在焊接箱内，用于带动待焊工件移动；抽真空装置，与焊接箱连接，用于抽吸焊接箱内部空气，以形成真空焊接环境。本发明通过动态烟尘防护装置的设置，能够有效避免大功率激光焊接厚板过程中产生的烟尘对激光焊接过程稳定性的影响，从而解决长时间焊接过程的稳定性问题。

Description

一种真空激光焊接装置及焊接方法

技术领域

本发明涉及有色金属焊接技术领域，具体而言，涉及一种真空激光焊接装置及焊接方法。

背景技术

大厚度钛合金材料的应用越来越广泛，例如球壳式载人潜水器的载人舱、深海潜航器等。针对钛合金厚板焊接，激光焊接能够实现良好的接头质量，但是激光焊接需要在真空室内进行，大型钛合金结构件由于受尺寸限制无法进行激光焊接。窄间隙焊接方法在钛合金厚板焊接中应用广泛，但由于厚度较大，窄间隙焊需进行多层多道焊接，焊接效率低，同时厚板焊接的变形控制难度大，不能满足大型结构的高效焊接。

二十世纪80年代，研究人员提出在真空条件下进行激光焊接，能够提高激光能量利用率，提高入射激光的穿透能力能够大幅增加焊缝熔深，但由于激光器功率的限制，其焊缝的深宽比远远低于电子束焊接，因此，钛合金厚板更多采用电子束焊接。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。

现有技术中，真空激光焊接装备结构复杂，且在焊接过程中未考虑金属烟尘对真空环境、激光防护玻璃等方面的影响，也没有相应的防护措施，无法满足长时间稳定真空激光焊接。

中国专利CN202110350724.9公开了一种可实现真空激光焊镜片气冷和防护的***式激光入口装置，包括：主体块、空腔、环形台阶、入射镜片、水平孔、竖直孔、镜片盖、进气阀和法兰盘；空腔垂直主体块上表面并贯穿主体块，主体块顶部设置有环形台阶，入射镜片放置在环形台阶上，主体块上表面左右两侧向下设置有竖直孔，主体块左右两侧内部设置有水平孔，水平孔与竖直孔连接，入射镜片上端安装镜片盖，镜片盖通过螺栓与主体块连接，进气阀与主体块左右两侧螺纹连接，进气阀与水平孔连通，法兰盘与主体块固定连接。该专利通过在防护装置中通入惰性气体，在装置空腔中产生一个正压环境来阻止焊接飞溅和金属蒸气污染入射镜片，能够在一定程度上保护入射镜片。但是，该专利存在以下两个问题：一是由于需要利用惰性气体冷却入射镜片，使得惰性气体的流量较大，从而导致真空环境的真空度较低，无法获得高真空度的焊接环境，影响焊缝的熔深；二是由于惰性气体吹到入射镜片上再反射入空腔中，其流向无法控制，在空腔内形成紊流，紊流容易带动部分金属蒸汽进入空腔，该部分金属蒸汽在空腔中随惰性气体无序流动，并逐渐累积，同样会对入射镜片造成污染，防护效果不佳。

发明内容

本发明解决的问题是，现有技术中，真空激光焊接装置无法及时排除产生的烟尘，焊接过程中的金属蒸汽容易对镜片造成影响，导致焊接过程稳定性不足。

本发明公开了一种真空激光焊接装置，包括：

焊接箱，所述焊接箱用于形成激光焊接的真空腔；

激光焊枪，所述激光焊枪设置在焊接箱的外侧，用于产生激光以焊接待焊工件；

动态烟尘防护装置，所述动态烟尘防护装置与所述激光焊枪相对应地设置在焊接箱上，在所述动态烟尘防护装置上设置有镜片，所述激光焊枪产生的激光透过镜片对待焊工件进行焊接；所述动态烟尘防护装置包括内锥体部，所述内锥体部的内部空间呈锥形设置，所述内锥体部的内径沿远离镜片的方向逐渐缩小，在内锥体部的内侧壁上设置有进气孔，所述进气孔用于向内锥体部内部输送防护气体；所述内锥体部的锥度在1.6-2.8之间，将内锥体部的高度记为L，所述进气孔在内锥体部上的高度为L/3~2L/3，使得进入内锥体部内部的气体在进气孔的两侧均形成有序的流场，以阻止焊接时产生的烟尘进入内锥体部内；

移动组件，所述移动组件设置在焊接箱内，所述移动组件用于带动待焊工件移动；

抽真空装置，所述抽真空装置与所述焊接箱连接，用于抽吸焊接箱内部空气，以形成真空焊接环境。

通过动态烟尘防护装置中内锥体部以及其侧壁上进气孔的设置，在真空焊接的过程中通过进气孔向内锥体部输送保护气体，保护气体在内锥体部中形成多方向的有序的流场，从而可以有效地避免焊接时的金属蒸汽对镜片造成污染或者损坏，有效地保证了镜片的使用安全性，也提升了真空激光焊接连续作业的稳定性。此外，焊接箱的设置，可以将待焊工件整体放置进真空空间内，再在移动组件的带动下相对激光焊枪移动，以进行待焊工件的焊接，由于待焊工件整体处于焊接箱内，因而焊接箱在抽真空后具有较好的真空保持能力，由于存在保护气体输送的环节，能够配合抽真空装置实现进气量与抽气量的动态平衡，在避免焊接时的烟尘进入动态烟尘防护装置的同时，使得真空度可以在10Pa~1000Pa之间自由设定，显著提高了真空焊接时对于真空度要求的适配性。

进一步的，所述焊接箱包括箱体和箱盖，所述箱盖可拆卸地密封盖设在所述箱体上，用于形成真空腔，所述动态烟尘防护装置设置在箱盖上，和/或，所述动态烟尘防护装置设置在箱体前侧板和后侧板的至少一个上，在所述移动组件上设置有可更换的平焊台或横焊组件，所述平焊台与箱盖上的动态烟尘防护装置配合设置，所述横焊组件与箱体前侧板和/或后侧板上的动态烟尘防护装置配合设置。

所述箱盖拆下时，用于更换移动组件上的平焊台或横焊组件，或者，用于放置待焊工件，更换或者放置完成后，将箱盖与箱体密封连接，即可进行相应的焊接操作，简单便捷，当动态烟尘防护装置设置在箱盖上时，在移动组件上设置平焊台，便于对待焊工件进行平焊，当动态烟尘防护装置设置在箱体前侧板和后侧板的至少一个上时，在移动组件上设置横焊组件，便于对待焊工件进行横焊，通过上述设置，使得所述焊接装置可以适应不同的焊接需求，提高了其适配性。

进一步的，在所述箱体的顶端设置有第四法兰，在所述第四法兰上设置有第四凹槽，在所述第四凹槽中设置有第一密封件，所述第一密封件用于箱体与箱盖之间的配合密封。

所述第一密封件的设置可以提升箱体与箱盖之间的密封性能，从而保证激光焊接时的真空度。

进一步的，所述移动组件包括前后移动组件、移动台和左右移动组件，所述移动台设置在前后移动组件上，所述前后移动组件能够带动所述移动台在前后方向上移动，所述左右移动组件设置在所述移动台上，所述平焊台或横焊组件设置在所述左右移动组件上，所述左右移动组件能够带动所述平焊台或横焊组件在左右方向上移动。

通过前后移动组件的设置，可以在前后方向上调整平焊台上待焊工件与激光焊枪对齐，从而使得真空激光焊接顺利进行，或者，调整横焊组件上待焊工件与激光焊枪的距离，以利于调整对焦。

进一步的，所述前后移动组件包括前后移动导轨、前后移动滑块和限位块，所述前后移动导轨固定设置在箱体的底部，所述前后移动滑块可移动地设置在所述前后移动导轨上，所述移动台与所述前后移动滑块固定连接，所述限位块用于限定前后移动滑块的位移。

通过上述设置，可以实现移动台在前后方向上的移动，进而带动待焊工件进行移动，以便在平焊时使待焊部位与激光焊枪对齐，在横焊时进行激光的对焦调整。

进一步的，所述左右移动组件包括左右移动导轨、左右移动滑块、传感器，所述左右移动导轨固定设置在移动台上，所述左右移动滑块可移动地设置在所述左右移动导轨上，所述平焊台或横焊组件与所述左右移动滑块连接。

所述左右移动组件的设置使得待焊工件在焊接过程中可以相对激光焊枪移动，从而实现待焊工件的完整焊接。

进一步的，所述横焊组件包括横焊支撑台、平移夹持组件、竖移支撑组件和连接板，所述连接板与所述移动组件连接，所述横焊支撑台与所述连接板固定连接，所述平移夹持组件和竖移支撑组件设置在所述横焊支撑台上靠近动态烟尘防护装置的一侧，所述平移夹持组件用于夹持待焊工件，并能够带动待焊工件相对于横焊支撑台在左右方向上移动，所述竖移支撑组件用于支撑所述待焊工件，并能够带动待焊工件在上下方向上移动。

所述横焊支撑台与所述连接板垂直设置，在此情况下，可以将待焊工件竖直设置，从而实现真空激光焊接的横焊，满足了多种焊接方式的需求，所述平移夹持组件和竖移支撑组件的设置，使得能够对待焊工件的位置进行上下左右的调整，以保证激光焊枪能够进行精准的焊接。

进一步的，在所述横焊支撑台与连接板之间设置有支撑板，所述支撑板用于加强横焊支撑台与连接板的连接稳定性。

该设置可以显著增强横焊组件的强度，以使其满足大厚度板材的横焊需求。

进一步的，所述动态烟尘防护装置包括第一法兰、动态防护部、防护座和镜片，所述第一法兰用于将所述镜片密封设置在所述动态防护部的第一端，所述防护座密封设置在所述动态防护部的第二端，所述防护座用于与所述焊接箱固定连接，所述内锥体部设置在动态防护部内。

通过上述设置，可以避免烟气进入动态防护部内部，从而有效地保护镜片不受损坏，保证了激光焊接的效率和质量。

本发明还公开了一种焊接方法，采用如上所述的真空激光焊接装置，包括如下步骤：

步骤S1：将待焊工件加工成I型坡口，在装配前对加工后的坡口表面及边缘30mm内的母材进行打磨，再清洗去除油污；

步骤S2：将焊接箱的箱盖取下，将待焊工件固定装配安装在箱体内，将箱盖密封设置在箱体上；

步骤S3：启动抽真空装置对焊接箱内真空腔抽真空；

步骤S4：真空度达到施焊要求时启动激光焊枪进行焊接，激光依次通过镜片和动态烟尘防护装置，对待焊工件进行焊接；焊接时，通过进气孔向内锥体部持续输入保护气体；移动组件带动焊接工件移动，实现待焊工件的持续焊接；抽真空装置与动态烟尘防护装置同步工作，保证焊接箱内真空度的稳定；

步骤S5：完成焊接。

通过上述步骤的设置，在焊接过程中，内锥体部内形成惰性气体的动态流动流场，在内锥体部中的两端形成压差，惰性气体在靠近待焊部件的一端处挤压空间，可以有效地抑制激光焊接过程中烟尘、金属蒸汽等进入内锥体部导致镜片污染，通过抽真空装置与动态烟尘防护装置同步工作的设置，使得激光焊接时，在向内锥体部持续输入一定流量的保护气体的同时，也抽出等量的气体，从而维持了焊接箱中真空度的稳定性，保证了真空激光焊接的连续性和稳定性。

相对于现有技术，本发明所述的真空激光焊接装置及焊接方法具有以下优势：

通过动态烟尘防护装置的设置，能够有效避免大功率激光焊接厚板过程中产生的烟尘对激光焊接过程稳定性的影响，从而解决长时间焊接过程的稳定性问题；

本申请提供的真空激光焊接装置的焊接厚度可以达到常压激光焊接厚度的2-3倍，且采用该真空激光焊接装置焊接的钛合金的接头强度系数能达到0.95以上，优于常压激光焊接；

通过平焊台和横焊组件的可更换设置，能够满足不同待焊工件的焊接需求，显著提升了真空激光焊接装置的适配性；

本发明提供的真空激光焊接装置结构简单，操作简便，在保证真空度的同时，避免焊接时的烟尘对镜片造成影响，提升了真空激光焊接的稳定性。

附图说明

图1为本发明实施例所述真空激光焊接装置的立体结构示意图；

图2为本发明实施例所述真空激光焊接装置的另一角度的立体结构示意图；

图3为本发明实施例所述真空激光焊接装置的俯视图；

图4为图3中A-A部位的剖面结构示意图；

图5为本发明实施例所述真空激光焊接装置的主视图；

图6为图5中B-B部位的剖面结构示意图；

图7为本发明实施例所述真空激光焊接装置的箱盖打开后，且平焊台设置在移动组件上时的立体结构示意图；

图8为本发明实施例所述移动组件的立体结构示意图；

图9为本发明实施例所述横焊组件设置在移动组件上时的立体结构示意图；

图10为本发明实施例所述横焊组件设置在移动组件上时另一角度的立体结构示意图；

图11为本发明实施例所述动态烟尘防护装置的立体结构示意图；

图12为本发明实施例所述动态烟尘防护装置另一角度的立体结构示意图；

图13为本发明实施例所述动态烟尘防护装置的侧视图；

图14为图13中C-C部位的剖面结构示意图；

图15为本发明实施例所述动态防护部的立体结构示意图；

图16为本发明实施例所述动态防护部另一角度的立体结构示意图；

图17为本发明实施例所述第一法兰的立体结构示意图；

图18为本发明实施例所述防护座的立体结构示意图；

图19为本发明实施例所述防护座另一角度的立体结构示意图；

图20为本发明实施例所述动态烟尘防护装置中的气体流动模拟图。

附图标记说明：

100、动态烟尘防护装置；110、第一法兰；111、第一中心孔；112、第一凹槽；113、第一螺钉孔；120、动态防护部；121、内锥体部；1211、进气孔；122、第二法兰；1221、第二螺钉孔；123、第一台阶面；1231、第二凹槽；124、第三法兰；1241、第三螺钉孔；1242、第二台阶面；1243、第二中心孔；125、第一凸环；1251、第三凹槽；130、防护座；131、第三台阶面；132、第四台阶面；133、第五台阶面；134、第二凸环；140、镜片；200、焊接箱；210、箱体；211、真空腔；212、第四法兰；2121、第四凹槽；220、箱盖；230、第一密封件；240、驱动罩；300、真空泵组；310、泵体；320、驱动件；400、抽真空管路；500、阀体；600、移动组件；610、前后移动组件；611、前后移动导轨；612、前后移动滑块；613、限位块；620、移动台；630、左右移动组件；631、左右移动导轨；632、左右移动滑块；633、传感器；700、平焊台；710、平焊垫块槽；800、待焊工件；900、横焊组件；910、横焊支撑台；911、横焊垫块槽；920、平移夹持组件；930、竖移支撑组件；940、连接板；950、支撑板。

具体实施方式

为使本发明目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

下面结合附图具体描述本发明实施例的一种真空激光焊接装置及焊接方法。

实施例1

本实施例提供一种真空激光焊接装置，如图1-图20所示，包括：

焊接箱200，所述焊接箱200用于形成激光焊接的真空腔211；

激光焊枪（附图未示出），所述激光焊枪设置在焊接箱200的外侧，用于产生激光以焊接待焊工件；

动态烟尘防护装置100，所述动态烟尘防护装置100与所述激光焊枪相对应地设置在焊接箱200上，在所述动态烟尘防护装置100上设置有镜片140，所述激光焊枪产生的激光透过镜片140对待焊工件进行焊接；所述动态烟尘防护装置100包括内锥体部121，所述内锥体部121的内部空间呈圆锥台形设置，所述内锥体部121的内径沿远离镜片140的方向逐渐缩小，在内锥体部121的内侧壁上设置有进气孔1211，所述进气孔1211用于向内锥体部121内部输送防护气体；

移动组件600，所述移动组件600设置在焊接箱200内，所述移动组件600用于带动待焊工件移动；

抽真空装置，所述抽真空装置与所述焊接箱200连接，用于抽吸焊接箱200内部空气，以形成真空焊接环境。

现有技术中，真空激光焊接时通常对镜片140无相应的保护措施，使得镜片140暴露在焊接过程产生的金属蒸汽中，容易导致镜片140损坏，影响真空激光焊接连续作业的稳定性。在本实施例中，通过动态烟尘防护装置100中内锥体部121以及其侧壁上进气孔1211的设置，在真空焊接的过程中通过进气孔1211向内锥体部121输送保护气体，保护气体在内锥体部121中形成多方向的有序的流场，如图20所示，从而可以有效地避免焊接时的金属蒸汽对镜片140造成污染或者损坏，有效地保证了镜片140的使用安全性，也提升了真空激光焊接连续作业的稳定性。此外，由于本申请中焊接箱200的设置，可以将待焊工件整体放置进真空空间内，再在移动组件600的带动下相对激光焊枪移动，以进行待焊工件的焊接，由于待焊工件整体处于焊接箱200内，因而焊接箱200在抽真空后具有较好的真空保持能力，由于存在保护气体输送的环节，能够配合抽真空装置实现进气量与抽气量的动态平衡，在避免焊接时的烟尘进入动态烟尘防护装置100的同时，使得真空度可以在10Pa~1000Pa之间自由设定，显著提高了真空焊接时对于真空度要求的适配性。需要说明的是，所述保护气体为惰性气体。

具体的，所述动态烟尘防护装置100包括第一法兰110、动态防护部120、防护座130和镜片140，所述第一法兰110用于将所述镜片140密封设置在所述动态防护部120的第一端，所述防护座130密封设置在所述动态防护部120的第二端，所述防护座130用于与所述焊接箱200固定连接，所述内锥体部121设置在动态防护部120内。

其中，所述动态防护部120的第一端靠近激光焊枪设置，在激光焊接过程中，尤其是钛合金的焊接过程中，会产生大量的烟气，如果这些烟气进入动态烟尘防护装置100内，将会严重污染镜片140，降低其透光性，导致激光焊接效果和效率不佳，严重时会导致镜片140损坏，在本实施例中，通过上述设置，可以避免烟气进入动态防护部120内部，从而有效地保护镜片140不受损坏，保证了激光焊接的效率和质量。

在本实施例中，如图14、图15所示，在所述动态防护部120的第一端设置有第二法兰122，在所述第二法兰122上设置有第一台阶面123，所述第一台阶面123用于与第一法兰110配合形成镜片140的安装空间。其中，在所述第一法兰110上设置有第一中心孔111和若干第一螺钉孔113，在所述第二法兰122上对应设置有第四中心孔和若干第二螺钉孔1221，所述第四中心孔与第一中心孔111对应设置，所述第一螺钉孔113与第二螺钉孔1221对应设置。

通过上述设置，将所述镜片140设置在第一台阶面123上，可以保证镜片140的设置稳定性，从而有助于激光焊接的顺利进行。

作为其中一个较佳的实施例，如图14、图17所示，在所述第一法兰110上设置有第一凹槽112，在所述第一台阶面123上设置有第二凹槽1231，所述第一凹槽112用于在镜片140与第一法兰110之间设置第二密封件，所述第二凹槽1231用于在镜片140与动态防护部120之间设置第三密封件。通过上述设置，可以显著提升镜片140安装后的密封性，从而保证焊接时焊接空间的真空度。

在本实施例中，如图14所示，在所述动态防护部120的第二端设置有第三法兰124，在所述第三法兰124靠近防护座130的一侧设置有第一凸环125，所述第一凸环125用于与防护座130配合装配，在所述第一凸环125上设置有第三凹槽1251，所述第三凹槽1251用于在所述动态防护部120与防护座130之间设置第四密封件。通过第一凸环125的设置，可以实现动态防护部120与防护座130之间的快速定位装配，提升装配效率，通过所述第四密封件的设置，可以实现动态防护部120与防护座130之间的密封装配，从而有效地提升所述动态烟尘防护装置100的密封效果，以保证真空激光焊接的焊接效果。需要说明的是，在所述第三法兰124上还设置有若干第三螺钉孔1241，所述第三螺钉孔1241用于与防护座130配合固定。

作为本发明的一个实施例，如图15所示，在所述第三法兰124上设置有第二中心孔1243，经过镜片140的激光穿过所述第二中心孔1243进入焊接箱200中进行焊接，在所述第二中心孔1243的周向设置有第二台阶面1242。在所述第二法兰122上设置有第四中心孔，所述第一台阶面123设置在所述第四中心孔的周向上，所述第四中心孔的直径大于第二中心孔1243的直径，从而形成相应的内锥体部121，所述第二台阶面1242的设置用于辅助设置其他部件，如设置有透光孔的挡片等，从而调节激光可以穿过的孔径的大小，也可以增强动态烟尘防护装置100对烟尘的压制作用，提升其防护效果。

在本实施例中，如图18所示，所述防护座130包括第三中心孔以及围绕第三中心孔设置的若干个台阶面，若干个所述台阶面的内径沿远离动态防护部120的方向依次缩小。通过上述设置，使得动态防护部120第二端通过第二中心孔1243排出的保护气体可以在若干个台阶面形成的锥形空间，一方面可以减少进入该空间的金属蒸汽和烟尘量，另一方面在第二中心孔1243中排出的向下的气流带动下，该空间内的金属蒸汽和烟尘也形成旋涡状流场，并逐渐被向下的气流带出该空间，从而有效地阻止焊接时的烟尘进入该空间，更进一步地对动态防护部120的内锥体部121形成保护，避免焊接时的烟尘对镜片140造成影响，显著地提升了真空激光焊接的连续性和稳定性。

具体在本实施例中，如图18所示，所述防护座130包括依次设置的第三台阶面131、第四台阶面132、第五台阶面133，所述第三台阶面131设置在靠近所述动态防护部120的一端，所述第五台阶面133设置在远离所述动态防护部120的一端，所述第三台阶面131的内径>第四台阶面132的内径>第五台阶面133的内径，所述第三台阶面131用于与第一凸环125配合装配。所述第三台阶面131的设置使得所述动态防护部120与防护座130之间形成嵌套装配结构，使得两者可以快速定位装配，显著地提升了动态烟尘防护装置100的装配效率。

作为本发明的可选的实施例，如图19所示，在所述防护座130远离动态防护部120的一端设置有第二凸环134，所述第二凸环134用于所述防护座130的嵌套装配。具体的，所述防护座130用于与所述焊接箱200的嵌套装配，通过该设置，能够对防护座130形成初步的定位，有利于后续的焊接固定。

在本实施例中，所述内锥体部121的锥度在1.6-2.8之间，优选的，所述内锥体部121的锥度为2.1。当所述内锥体部121的锥度在上述范围内时，当防护气体进入内锥体部121时，其流动状态如图20所示，在此情况下，可以有效地阻止焊接时产生的烟尘进入内锥体部121内，从而对镜片140起到良好的保护作用。

如图14所示，将所述内锥体部121靠近镜片140一侧的孔径记为D1，将靠近防护座130一侧的孔径记为D2，将内锥体部121的高度记为L，则D1在70-100mm之间，D2在35-55mm之间，L在30-50mm之间。优选的，D1=130mm，D2=45mm，L=40mm。将锥度记为K，则K=（D1-D2）/L。通过上述设置，可以在真空激光焊接时对镜片140起到良好的保护作用，从而使得真空激光焊接可以连续稳定运行。

作为其中一个较佳的实施例，所述进气孔1211在内锥体部121上的高度为L/3~2L/3。其中，进气孔1211在内锥体部121上的高度是指，在内锥体部121的高度方向上，进气孔1211的中心轴到内锥体部121远离镜片140一端的距离。通过进气孔1211位置的设置，使得进入内锥体部121内部的气体在进气孔1211的两侧均形成若干有序的流场，从而有效地挤压内锥体部121远离镜片140一端的空间，有效地抑制激光焊接过程中烟尘、金属蒸汽等进入内锥体部121导致镜片140污染，提升了真空激光焊接的焊接效果。如图20所示，在所述进气孔1211下侧的内锥体部121空间中，靠近中心的位置形成旋涡状的流场，靠近内锥体部121中锥形面的气流均向下流动，并且在内锥体部121的底部汇集形成稳定向下的气流，该气流可以有效地阻止焊接时的金属蒸汽和烟尘进入内锥体部121内，在个别情况下，即使有少量焊接时产生的金属蒸汽和烟尘进入内锥体部121中，也会在旋涡状流场和向下气流的带动下被快速排出，不会向上流动污染镜片140，从而对镜片140形成了完整有效的保护，相对于现有技术极大地提升了镜片140的防护效果。

可选地，通过所述进气孔1211进入内锥体部121的保护气体流量在0.5-1L/min。当保护气体的进气流量在上述范围内时，可以有效地抑制烟尘气体的上升，从而对镜片140起到良好的保护作用。本实施例可以以较小的进气量完成对镜片140的有效防护，该进气量对于真空度的影响也较小，使得本实施例提供的真空激光焊接装置的真空度可以达到10Pa，从而在提升镜片140防护效果的同时，还能够满足高真空度的焊接需求。

作为本发明的实施例，如图2、图4、图7、图10所示，所述焊接箱200包括箱体210和箱盖220，所述箱盖220可拆卸地密封盖设在所述箱体210上，用于形成真空腔211，所述动态烟尘防护装置100设置在箱盖220上，和/或，所述动态烟尘防护装置100设置在箱体210前侧板和后侧板的至少一个上，在所述移动组件600上设置有可更换的平焊台700或横焊组件900，所述平焊台700与箱盖220上的动态烟尘防护装置100配合设置，所述横焊组件900与箱体210前侧板和/或后侧板上的动态烟尘防护装置100配合设置。所述箱盖220拆下时，用于更换移动组件600上的平焊台700或横焊组件900，或者，用于放置待焊工件，更换或者放置完成后，将箱盖220与箱体210密封连接，即可进行相应的焊接操作，简单便捷，当动态烟尘防护装置100设置在箱盖220上时，在移动组件600上设置平焊台700，便于对待焊工件进行平焊，当动态烟尘防护装置100设置在箱体210前侧板和后侧板的至少一个上时，在移动组件600上设置横焊组件900，便于对待焊工件进行横焊，通过上述设置，使得本实施提供的焊接装置可以适应不同的焊接需求，提高了其适配性。

作为一个较佳的实施例，如图6所示，在所述箱体210的顶端设置有第四法兰212，在所述第四法兰212上设置有第四凹槽2121，在所述第四凹槽2121中设置有第一密封件230，所述第一密封件230用于箱体210与箱盖220之间的配合密封。其中，所述第四法兰212用于与箱盖220连接，两者可通过螺接或卡接连接，在此不再加以赘述。所述第一密封件230的设置可以提升箱体210与箱盖220之间的密封性能，从而保证激光焊接时的真空度。

在本实施例中，如图8-图10所示，所述移动组件600包括前后移动组件610、移动台620和左右移动组件630，所述移动台620设置在前后移动组件610上，所述前后移动组件610能够带动所述移动台620在前后方向上移动，所述左右移动组件630设置在所述移动台620上，所述平焊台700或横焊组件900设置在所述左右移动组件630上，所述左右移动组件630能够带动所述平焊台700或横焊组件900在左右方向上移动。通过前后移动组件610的设置，可以在前后方向上调整平焊台700上待焊工件与激光焊枪对齐，从而使得真空激光焊接顺利进行，或者，调整横焊组件900上待焊工件与激光焊枪的距离，以利于调整对焦。

作为其中一个可选的实施例，如图9所示，所述前后移动组件610包括前后移动导轨611、前后移动滑块612和限位块613，所述前后移动导轨611固定设置在箱体210的底部，所述前后移动滑块612可移动地设置在所述前后移动导轨611上，所述移动台620与所述前后移动滑块612固定连接，所述限位块613用于限定前后移动滑块612的位移。通过上述设置，可以实现移动台620在前后方向上的移动，进而带动待焊工件进行移动，以便在平焊时使待焊部位与激光焊枪对齐，在横焊时进行激光的对焦调整。

在本实施例中，如图8所示，所述左右移动组件630包括左右移动导轨631、左右移动滑块632、传感器633，所述左右移动导轨631固定设置在移动台620上，所述左右移动滑块632可移动地设置在所述左右移动导轨631上，所述平焊台700或横焊组件900与所述左右移动滑块632连接。所述左右移动组件630的设置使得待焊工件800在焊接过程中可以相对激光焊枪移动，从而实现待焊工件800的完整焊接，所述传感器633用于检测左右移动滑块632的位置，以控制待焊工件800焊接时的位移。

作为本发明的一个实施例，如图9、图10所示，所述横焊组件900包括横焊支撑台910、平移夹持组件920、竖移支撑组件930和连接板940，所述连接板940与所述移动组件600连接，所述横焊支撑台910与所述连接板940固定连接，所述平移夹持组件920和竖移支撑组件930设置在所述横焊支撑台910上靠近动态烟尘防护装置100的一侧，所述平移夹持组件920用于夹持待焊工件800，并能够带动待焊工件800相对于横焊支撑台910在左右方向上移动，所述竖移支撑组件930用于支撑所述待焊工件800，并能够带动待焊工件800在上下方向上移动。其中，所述横焊支撑台910与所述连接板940垂直设置，在此情况下，可以将待焊工件800竖直设置，从而实现真空激光焊接的横焊，满足了多种焊接方式的需求，所述平移夹持组件920和竖移支撑组件930的设置，使得能够对待焊工件800的位置进行上下左右的调整，以保证激光焊枪能够进行精准的焊接。其中，所述平移夹持组件920与设置在其相对一侧的T型螺栓和压块（附图未示出）配合夹持待焊工件800，所述T型螺栓和压块为标准件，在此不再加以限定。

作为其中一个较佳的实施例，在所述横焊支撑台910与连接板940之间设置有支撑板950，所述支撑板950用于加强横焊支撑台910与连接板940的连接稳定性。该设置可以显著增强横焊组件900的强度，以使其满足大厚度板材的横焊需求。

在本实施例中，如图1-图5所示，所述抽真空装置包括真空泵组300、抽真空管路400和阀体500，所述抽真空管路400一端与真空泵组300连接，另一端与焊接箱200连接，所述阀体500设置在抽真空管路400管路上。其中，所述真空泵组300包括泵体310和驱动件320，所述驱动件320带动泵体310运行，通过抽真空管路400抽吸焊接箱200内部空间中的气体，从而使焊接空间形成真空环境，所述阀体500用于启闭抽真空管路400，从而辅助控制焊接箱200中的真空度。在其中一个实施例中，所述驱动件320为电机。

相对应的，在所述平焊台700上设置有平焊垫块槽710，所述平焊垫块槽710用于设置焊接垫块。在所述横焊支撑台910靠近动态烟尘防护装置100的一侧设置有横焊垫块槽911，所述横焊垫块槽911用于设置焊接垫块。所述焊接垫块用于防止真空激光焊接过程中的热量、烟尘和金属渣等对待焊工件800表面的损害，减少焊接缺陷，提高焊接质量。

可选的，如图7所示，在所述焊接箱200的左侧或右侧设置有驱动罩240，所述驱动罩240用于密封设置驱动装置，所述驱动装置用于驱动左右移动组件630运动。所述驱动罩240内部空间与焊接箱200内部空间连通，其整体呈密封设置，一方面可以缩小焊接箱200的空间占用，另一方面可以保证焊接箱200内部空间的真空度。

实施例2

本实施例提供一种焊接方法，用于如实施例所述的真空激光焊接装置，所述焊接方法包括如下步骤：

步骤S1：将待焊工件加工成I型坡口，在装配前对加工后的坡口表面及边缘30mm内的母材进行打磨，再清洗去除油污；

步骤S2：将焊接箱的箱盖取下，将待焊工件固定装配安装在箱体内，将箱盖密封设置在箱体上；

步骤S3：启动抽真空装置对焊接箱内真空腔抽真空；

步骤S4：真空度达到施焊要求时启动激光焊枪进行焊接，激光依次通过镜片和动态烟尘防护装置，对待焊工件进行焊接；焊接时，通过进气孔向内锥体部持续输入保护气体；移动组件带动焊接工件移动，实现待焊工件的持续焊接；抽真空装置与动态烟尘防护装置同步工作，保证焊接箱内真空度的稳定；

步骤S5：完成焊接。

通过上述步骤的设置，在焊接过程中，内锥体部121内形成惰性气体的动态流动流场，如图20所示，在内锥体部121中的两端形成压差，惰性气体在靠近待焊部件的一端处挤压空间，可以有效地抑制激光焊接过程中烟尘、金属蒸汽等进入内锥体部121导致镜片140污染，通过抽真空装置与动态烟尘防护装置同步工作的设置，使得激光焊接时，在向内锥体部121持续输入一定流量的保护气体的同时，也抽出等量的气体，从而维持了焊接箱200中真空度的稳定性，保证了真空激光焊接的连续性和稳定性。

本实施例提供的面向高适应性真空激光焊接装置及焊接方法，可应用于钛合金、钢、铝合金等金属结构焊接。

采用实施例1提供的真空激光焊接装置及实施例2提供的焊接方法制造的钛合金工件接头焊接强度系数不低于0.95。

实施例3

本实施例提供采用实施例1所述的真空激光焊接装置和实施例2提供的焊接方法进行的焊接实例，材料为船用Ti80合金，在深潜器、船舶装备上广泛应用，其服役环境对冲击韧性有较高的要求。

成形原材料为Ti80钛合金板材，试板厚度60mm。将Ti80钛合金基板表面进行机械打磨，然后分别用丙酮、酒精溶剂超声波清洗去除油污，干燥待用；将清洗后的工件测量好尺寸后置于平焊台700上，并用夹具固定好；采用实施例1提供的真空激光焊接装置及实施例2提供的焊接方法进行焊接，焊接速度为0.6-1.5m/min、激光功率为16-20KW、真空度为10-1000Pa。整个激光焊接过程在真空环境下进行，焊接试板表面不发生氧化，成形构件表面为银白色或淡黄色。

焊接后采用X射线探伤仪对按上述步骤完成的真空激光焊接接头进行无损检测，焊缝质量满足NB 47013-2015 І级要求。利用金相显微镜对接头组织进行分析，利用电子万能实验机进行焊接接头拉伸试验测试，采用摆锤式冲击试验机对接头进行冲击韧性测试。

采用本发明进行Ti80合金的真空激光焊接，穿透厚度是普通激光焊的3倍左右，焊接接头无钉尖缺陷。此外，真空激光焊接Ti80合金能够获得良好的接头性能，抗拉强度系数达到99%，冲击吸收功高于母材，如表1所示。

表1 真空激光焊接Ti80合金接头性能对比

材料	抗拉强度Rm/MPa	冲击吸收功KV2/J
			Ti80母材	870、875、860	50、59、55
焊缝	865、850、860	60、61、65

除了焊接厚度及性能优于常压激光焊接接头，本发明的真空激光焊接方法还能够实现持续高效的真空激光焊接，在舰船和深海装备领域有着重要的意义和应用前景。

需要说明，本发明中所有进行方向性和位置性指示的术语，诸如：“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”、“顶”、“低”、“尾端”、“首端”、“中心”等，仅用于解释在某一特定状态下各部件之间的相对位置关系、连接情况等，仅为了便于描述本发明，而不是要求本发明必须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。另外，在本发明中涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。另外，全文中出现的“和/或”的含义，包括三个并列的方案，以“A和/或B”为例，包括A方案、或B方案、或A和B同时满足的方案。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”、“固定”等应做广义理解，例如，“固定”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

虽然本发明披露如上，但本发明并非限定于此。任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，均可作各种更动与修改，因此本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。

Claims (10)

1.一种真空激光焊接装置，其特征在于，包括：

焊接箱（200），所述焊接箱（200）用于形成激光焊接的真空腔（211）；

激光焊枪，所述激光焊枪设置在焊接箱（200）的外侧，用于产生激光以焊接待焊工件；

动态烟尘防护装置（100），所述动态烟尘防护装置（100）与所述激光焊枪相对应地设置在焊接箱（200）上，在所述动态烟尘防护装置（100）上设置有镜片（140），所述激光焊枪产生的激光透过镜片（140）对待焊工件进行焊接；所述动态烟尘防护装置（100）包括内锥体部（121），所述内锥体部（121）的内部空间呈锥形设置，所述内锥体部（121）的内径沿远离镜片（140）的方向逐渐缩小，在内锥体部（121）的内侧壁上设置有进气孔（1211），所述进气孔（1211）用于向内锥体部（121）内部输送防护气体；所述内锥体部（121）的锥度在2.1-2.8之间，将内锥体部（121）的高度记为L，所述进气孔（1211）在内锥体部（121）上的高度为L/3~2L/3，使得进入内锥体部（121）内部的气体在进气孔（1211）的两侧均形成有序的流场，在所述进气孔（1211）下侧的内锥体部（121）空间中，靠近中心的位置形成旋涡状的流场，靠近内锥体部（121）中锥形面的气流均向下流动，并且在内锥体部（121）的底部汇集形成稳定向下的气流，以阻止焊接时产生的烟尘进入内锥体部（121）内；通过所述进气孔（1211）进入内锥体部（121）的保护气体流量在0.5-1L/min；

所述动态烟尘防护装置（100）还包括第一法兰（110）、动态防护部（120）、防护座（130），所述第一法兰（110）用于将所述镜片（140）密封设置在所述动态防护部（120）的第一端，所述防护座（130）密封设置在所述动态防护部（120）的第二端，所述内锥体部（121）设置在动态防护部（120）内；所述防护座（130）包括第三中心孔以及围绕第三中心孔设置的若干个台阶面，若干个所述台阶面的内径沿远离动态防护部（120）的方向依次缩小；

移动组件（600），所述移动组件（600）设置在焊接箱（200）内，所述移动组件（600）用于带动待焊工件移动；

抽真空装置，所述抽真空装置与所述焊接箱（200）连接，用于抽吸焊接箱（200）内部空气，以形成真空焊接环境；

焊接时，抽真空装置与动态烟尘防护装置同步工作，在向内锥体部（121）持续输入一定流量的保护气体的同时，也抽出等量的气体。

2.如权利要求1所述的真空激光焊接装置，其特征在于，所述焊接箱（200）包括箱体（210）和箱盖（220），所述箱盖（220）可拆卸地密封盖设在所述箱体（210）上，用于形成真空腔（211），所述动态烟尘防护装置（100）设置在箱盖（220）上，和/或，所述动态烟尘防护装置（100）设置在箱体（210）前侧板和后侧板的至少一个上，在所述移动组件（600）上设置有可更换的平焊台（700）或横焊组件（900），所述平焊台（700）与箱盖（220）上的动态烟尘防护装置（100）配合设置，所述横焊组件（900）与箱体（210）前侧板和/或后侧板上的动态烟尘防护装置（100）配合设置。

3.如权利要求2所述的真空激光焊接装置，其特征在于，在所述箱体（210）的顶端设置有第四法兰（212），在所述第四法兰（212）上设置有第四凹槽（2121），在所述第四凹槽（2121）中设置有第一密封件（230），所述第一密封件（230）用于箱体（210）与箱盖（220）之间的配合密封。

4.如权利要求2所述的真空激光焊接装置，其特征在于，所述移动组件（600）包括前后移动组件（610）、移动台（620）和左右移动组件（630），所述移动台（620）设置在前后移动组件（610）上，所述前后移动组件（610）能够带动所述移动台（620）在前后方向上移动，所述左右移动组件（630）设置在所述移动台（620）上，所述平焊台（700）或横焊组件（900）设置在所述左右移动组件（630）上，所述左右移动组件（630）能够带动所述平焊台（700）或横焊组件（900）在左右方向上移动。

5.如权利要求4所述的真空激光焊接装置，其特征在于，所述前后移动组件（610）包括前后移动导轨（611）、前后移动滑块（612）和限位块（613），所述前后移动导轨（611）固定设置在箱体（210）的底部，所述前后移动滑块（612）可移动地设置在所述前后移动导轨（611）上，所述移动台（620）与所述前后移动滑块（612）固定连接，所述限位块（613）用于限定前后移动滑块（612）的位移。

6.如权利要求4所述的真空激光焊接装置，其特征在于，所述左右移动组件（630）包括左右移动导轨（631）、左右移动滑块（632）、传感器（633），所述左右移动导轨（631）固定设置在移动台（620）上，所述左右移动滑块（632）可移动地设置在所述左右移动导轨（631）上，所述平焊台（700）或横焊组件（900）与所述左右移动滑块（632）连接。

7.如权利要求2所述的真空激光焊接装置，其特征在于，所述横焊组件（900）包括横焊支撑台（910）、平移夹持组件（920）、竖移支撑组件（930）和连接板（940），所述连接板（940）与所述移动组件（600）连接，所述横焊支撑台（910）与所述连接板（940）固定连接，所述平移夹持组件（920）和竖移支撑组件（930）设置在所述横焊支撑台（910）上靠近动态烟尘防护装置（100）的一侧，所述平移夹持组件（920）用于夹持待焊工件（800），并能够带动待焊工件（800）相对于横焊支撑台（910）在左右方向上移动，所述竖移支撑组件（930）用于支撑所述待焊工件（800），并能够带动待焊工件（800）在上下方向上移动。

8.如权利要求7所述的真空激光焊接装置，其特征在于，在所述横焊支撑台（910）与连接板（940）之间设置有支撑板（950），所述支撑板（950）用于加强横焊支撑台（910）与连接板（940）的连接稳定性。

9.如权利要求1-8中任一项所述的真空激光焊接装置，其特征在于，所述动态烟尘防护装置（100）包括第一法兰（110）、动态防护部（120）、防护座（130）和镜片（140），所述第一法兰（110）用于将所述镜片（140）密封设置在所述动态防护部（120）的第一端，所述防护座（130）密封设置在所述动态防护部（120）的第二端，所述防护座（130）用于与所述焊接箱（200）固定连接，所述内锥体部（121）设置在动态防护部（120）内。

10.一种焊接方法，其特征在于，采用如权利要求1-9中任一项所述的真空激光焊接装置，包括如下步骤：

步骤S1：将待焊工件加工成I型坡口，在装配前对加工后的坡口表面及边缘30mm内的母材进行打磨，再清洗去除油污；

步骤S2：将焊接箱的箱盖取下，将待焊工件固定装配安装在箱体内，将箱盖密封设置在箱体上；

步骤S3：启动抽真空装置对焊接箱内真空腔抽真空；

步骤S4：真空度达到施焊要求时启动激光焊枪进行焊接，激光依次通过镜片和动态烟尘防护装置，对待焊工件进行焊接；焊接时，通过进气孔向内锥体部持续输入保护气体；移动组件带动焊接工件移动，实现待焊工件的持续焊接；抽真空装置与动态烟尘防护装置同步工作，保证焊接箱内真空度的稳定；

步骤S5：完成焊接。