激光电弧复合焊气体保护装置及激光电弧复合焊机

摘要

本发明公开了一种激光电弧复合焊气体保护装置，以及带有该气体保护装置的激光电弧复合焊机。本发明的激光电弧复合焊气体保护装置，其包括：保护气室，具有用于连接激光头的连接端和与该连接端相对的开口端；喷气装置，装于所述保护气室内并用于从至少二个方向朝所述开口端喷射保护气体；电弧焊装置安装部，位于所述保护气室侧壁，用于安装电弧焊装置。本发明的激光电弧复合焊机，包括激光头和电弧焊装置，其还包括上述的激光电弧复合焊气体保护装置，该气体保护装置的保护气室连接端连接于所述激光头下方，所述电弧焊装置安装于所述电弧焊装置安装部。本发明结构简单，可有效防止因等离子体漂移而屏蔽激光。

说明书

技术领域

本发明有关一种激光复合焊设备，具体而言是涉及一种激光电弧复合焊气体保护装置及带有该气体保护装置的激光电弧复合焊机。

背景技术

激光焊接作为一种精密、高效、快速的高能束焊接方法，在航空航天领域得到了越来越广泛的应用。但常规的激光焊接也存在着一些问题和缺陷，比如激光能量利用率低、装配精度要求高、设备昂贵等。为了解决这些问题，现有技术中提出了几种新的激光焊接技术：一种是多焦点激光焊接技术，这种焊接方法可以提高激光能量利用率，提高焊接过程的稳定性，改善焊缝质量，同时可降低对装配精度的要求。另一种是复合焊接技术，即采用激光和其他热源共同作为焊接热源，这种工艺可以有效增加熔深，提高效率，还可以在很大程度上改善接头性能，降低设备成本。激光电弧复合热源焊接是将物理性质和能量传输机制截然不同的两种热源复合在一起，同时作用于同一加工位置。激光与电弧的复合使得两种热源既充分发挥了各自优势，又相互弥补了对方的不足，从而形成了一种全新高效的热源。

在上述激光电弧复合焊接中，保护气体的作用都至关重要，在高功率CO₂激光焊接中，高功率密度的激光束照射在试件表面时，母材金属在极短的时间内被加热、熔化、蒸发以及电离。由金属离子、保护气离子、蒸气和电子等组成等离子体首先形成于试件的表面，高的等离子体蒸气压力冲击熔化的金属材料形成小孔，最终形成深熔焊接。如果功率密度继续增加，等离子体将离开工件表面，形成等离子体屏蔽，将阻碍焊接的进行。因此必须利用保护气体控制等离子体的漂移，同时实现对焊缝的保护。在TIG或MIG焊接中，保护气体直接影响电弧焊接特性，决定焊接工艺稳定性、焊缝成形和接头性能。显然，在激光-电弧复合焊接工艺中，保护气体对工艺过程和焊缝成形同样具有重要的影响和重要的作用，其研究具有重要的理论和工程意义。因此，在激光电弧复合焊接头集成设计时，气体保护结构的设计也要满足一定要求，目前已有使用保护气体进行保护焊接的技术通常是在焊接头侧面设置保护气体导管，用于向焊缝喷射保护气体，保护焊缝避免与空气接触，从而保证接缝处焊接性能，但该种导管为在焊缝处形成一定厚度的保护气层，保护气体流速不能太高，因而并不能有效压制等离子体的漂移及由此产生的激光屏蔽作用。因此要在有效控制气体方向和流速，改善了焊接质量的基础上，设计出合理的气体保护结构。

此外，对于诸如激光-TIG复合焊接作为一种结合了两种焊接热源的新型焊接方法，对于它的控制过程既需要考虑它们单独作用时的焊接参数，同时也需要考虑它们复合后的参数控制如电弧与激光作用点的距离等。因此在激光-TIG复合焊接头设计过程中必须分别考虑独自热源的位置参数调节和两热源之间的相对位置参数调节功能。

TIG焊接过程中弧长的大小是影响焊缝成形及电弧能量密度的最主要因素之一。为了得到均匀的高质量的焊接接头，在整个焊接过程中电弧长度必须保持不变，然而由于工件表面的不平整，钨极的烧损等因素的影响，电弧长度会发生变化，因此在焊枪设计过程中，要求可以实现电弧弧长的位置调整，具有实时的单独电弧弧长位置调整功能。此外，激光复合焊接都存在一个获得最大熔深的热源间距D。这就表明最能体现这种热源协同效果的位置参量就是电弧与激光作用点的距离。因此为了得到均匀的熔深和优良的表面成形，D必须保持相对恒定。但是由于工件的表面高低变化和钨极的烧损必然导致D跟随发生改变，为此需要在焊接过程中进行实时的热源间距调整。因此在焊枪设计过程中，要求可以实现D的调整，以满足实时的两个热源相对位置调整功能。

发明内容

有鉴于此，本发明要解决的技术问题在于提供一种结构简单，可有效防止因等离子体漂移而屏蔽激光的激光电弧复合焊气体保护装置，以及带有该气体保护装置的激光电孤复合焊机。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

一种激光电弧复合焊气体保护装置，其包括：

保护气室，具有用于连接激光头的连接端和与该连接端相对的开口端；

喷气装置，装于所述保护气室内并用于从至少二个方向朝所述开口端喷射保护气体；

电弧焊装置安装部，位于所述保护气室侧壁，用于安装电弧焊装置。

在本发明的一个实施例中，所述喷气装置为至少二个喷嘴，各喷嘴沿所述保护气室内壁均匀分布。

优选地，各喷嘴通过连接件连接在位于所述保护气室侧壁的下连接孔并与保护气体供给装置连通，所述连接件具有用于与上述保护气室内壁连接的上连接端和用于与所述喷嘴连接的下连接端，该上连接端与下连接端之间具有一夹角，使得喷嘴指向所述开口端。

优选地，所述喷嘴内装有柱形导流芯，在该导流芯上对称设有至少二条导流槽，各导流槽沿所述柱形导流芯的表面螺旋布置。

优选地，所述喷嘴为四个。

在本发明的另一个实施例中，所述喷气装置为喷气环，该喷气环安装在保护气室靠近连接端的位置，在该喷气环的边缘设有进气孔，内部设有环腔，该进气孔通过位于保护气室侧壁的上连接孔与保护气体供给装置连通，在所述喷气环的下表面对称设有至少二个与上述环腔连通的喷气口，各喷气口分别指向所述开口端。

优选地，所述进气孔沿所述喷气环的切向设置。

优选地，所述喷气口呈环形布置。

在本发明可选择的实施例中，所述电弧焊装置安装部包括沿所述保护气室侧壁轴向设置的第一长圆形孔、在该长圆形孔二侧平行设置的二个第一滑板及位于所述第一滑板之间的第一滑块，在所述第一滑板上相对开有第一槽孔，所述第一滑块通过螺栓连接在所述第一槽孔之间，在所述第一滑块上设有用于安装所述电弧焊装置的第一安装孔，在该第一安装孔二侧及底部装有微调螺钉。

可选择的，安装在所述第一安装孔内的电弧焊装置为TIG焊枪。

优选地，所述电弧焊装置安装部还包括在所述保护气室侧壁与所述第一长圆形孔相对位置设置的第二长圆形孔、在该第二长圆形孔的二侧平行设置的二个第二滑板及位于所述第二滑板之间的第二滑块，在所述第二滑板上相对开有第二槽孔，所述第二滑块通过螺栓连接在所述第二槽孔之间，在所述第二滑块上设有用于安装送丝机构的第二安装孔，在该第二安装孔侧面及底部装有微调螺钉。

本发明的激光电弧复合焊机，包括激光头和电弧焊装置，其还包括上述的激光电弧复合焊气体保护装置，该气体保护装置的保护气室连接端连接于所述激光头下方，所述电弧焊装置安装于所述电弧焊装置安装部。

所述电弧焊装置为TIG焊装置，包括TIG焊枪和送丝机构，所述TIG焊枪安装于所述电弧焊装置安装部的第一滑块，而所述送丝机构安装于所述电弧焊装置安装部的第二滑块。

与现有技术相比，本发明由于设有保护气室便于保护气体的聚集，使得焊缝保护区域大，可以有效的保护宽焊缝的成形质量，喷气装置从至少二个方向喷射保护气体，形成多角度喷射可以使等离子可以向四面不同的方向漂移，有效防止等离子体屏蔽的产生，同时由于喷气流量大，大流量的气体也可以有效的控制等离子的漂移，从而可有效避免因等离子漂移所导致的对焊接激光的屏蔽效应，因此采用本发明气体保护装置的激光电弧复合焊机可以适用于更高功率条件的激光焊接，从而可以获得更高的焊接速度。

此外，由于本发明采用二个以上方向喷气的喷气装置，所以产生的飞溅不易被吹进喷嘴内部，有效的保护了喷嘴在焊接时免受飞溅的堵塞，也便于喷嘴的清理。

另外，本发明的气体保护装置还具有优良的扩展性，实验表明，氩气和氮气的混合气体可以更有效的保护焊缝，在二个以上方向喷出的氩气和氮气混合气体保护下，可以在高功率的激光条件下，高速度的焊接条件下起到很好的保护作用，而喷嘴设计为四个可以实现对称的混合气体的产生。同侧的二个喷嘴分别通入氩气和氮气，在焊接厚板的时候可以改变保护气体的种类。使其能在高功率的条件下进行激光焊接。

而在本发明的TIG电弧焊装置中，由于设置了送丝机构，能够填充焊丝，填充的焊丝具有以下优点：改善熔敷金属的冶金行为，可以获得所需要的焊缝性能及显微组织；改善焊缝的表面成型，避免焊接表面凹陷、咬边等缺陷的产生，提高焊接接头的质量水平；降低产品结构焊接前的装配精度要求，适应产品工业化生产的需要。

所述电弧焊装置安装部采用滑板和滑块结构，通过调节滑块位置实现电弧焊装置的位置调节、通过滑块侧面设置的微调螺钉可以实现对电弧焊装置角度的微调，从而获得电弧和激光热源之间以及焊丝与热源之间的较佳的距离，而且可以弥补电极因烧损而导致的热源之间的距离变化。采用本发明的气体保护装置的激光电弧复合焊机可以实现激光-TIG复合焊接整体结构的改进、集成和系统优化。

本发明气体保护装置除了适用于激光-TIG复合焊机外，也适用于激光-MIG复合焊机。

附图说明

图1是本发明激光-TIG复合焊机的正面结构示意图。

图2是图1的仰视图。

图3是图1的左视图。

图4是图3的A-A剖视图。

图5是图1中气体保护装置的正视图。

图6是图5的俯视图。

图7是图6的左视图。

图8是图5中保护气室的右视图。

图9是图8的左视图。

图10是图8的俯视图。

图11是8的B-B剖视图。

图12是喷嘴的结构示意图。

图13是喷气环的结构示意图。

图14是第一滑块的结构示意图。

图15是第二滑块的结构示意图。

图16是连接喷嘴的连接件的结构示意图。

图中

100、激光头                110、上连接筒

120、平移台                130、上托板

140、摆动机构              141、步进电机

142、偏心块                143、推杆

150、旋转台                160、下托板

170、反射腔                180、升降筒

200、电弧焊装置            210、TIG焊枪

220、送丝机构              300、气体保护装置

310、保护气室              311、连接端

312、开口端                313、上连接孔

314、下连接孔              315、第一长圆形孔

316、第二长圆形孔          317、螺孔

320、电弧焊装置安装部      321、第一滑板

322、第一滑块              323、第一槽孔

324、第一安装孔            325、微调螺钉孔

326、第二滑板              327、第二滑块

328、第二槽孔              329、第二安装孔

330、中板

340、喷气装置              341、喷嘴

3411、导流芯               3412、导流槽

342、连接件                3421、上连接端

3422、下连接端             343、喷气环

3431、进气孔               3432、环腔

3433、喷气孔               3434、环槽

400、支撑架

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述。

图1～图4所示是本发明的激光-TIG复合焊机，其中图1是本发明激光-TIG复合焊机的正面结构示意图。图2是图1的仰视图。图3是图1的左视图。图4是图3的A-A剖视图。

如图1～图4所示，该激光电弧复合焊机，包括激光头100和电弧焊装置200，其还包括气体保护装置300，该气体保护装置300的保护气室310连接端311连接于所述激光头100下方，所述电弧焊装置200安装于电弧焊装置安装部320。激光头100与气体保护装置300通过支撑架400彼此连接固定。

所述激光头包括从上到下依次设置的上连接筒110、平移台120、上托板130、旋转台150、下托板160、反射腔170和升降筒180等部件，摆动机构140连接于上托板130与下托板160之间，用于驱动上下托板，使二者之间产生相对运动。所述上连接筒110用于与激光发生器连接，以接收高能激光束。平移台120与上连接筒110连接并在下方设有导轨供上托板120平行移动。所述旋转台150和反射腔170分别位于下托板的上方和下方，在摆动机构动作时，将上下托板的相对运动分解为上托板130的直线运动和下托板160的摆动，在下托板160摆动时，带动旋转台150和反射腔170绕升降筒180轴线转动，并使输出激光束在一定范围内摆动形成一具有摆动幅度的激光束，在焊接时能增加焊缝熔池的宽度，改进焊接质量。

在本实施例中，所述摆动机构140包括步进电机141、偏心块142和推杆143，步进电机141安装在上托板130上，偏心块142分别连接于步进电机轴和推杆143，通过步进电机141带动偏心块142，而将偏心运动转换为上托板和下托板的相对运动。

图5～图7所示的是本发明气体保护装置300，其中图5是图1中气体保护装置的正视图。图6是图5的俯视图。图7是图6的左视图。

如图5～图7所示，本发明的气体保护装置300，其包括：保护气室310、喷气装置340和电弧焊装置安装部320。

参见图8～图10，所述保护气室310具有用于连接激光头100的连接端311和与该连接端31相对的开口端312，连接端上设有螺孔317；该保护气室通过螺孔与一中板330连接并通过中板330连接于所述激光头100的升降筒180下方。具体连接方式是将中板连接于所述支撑架400一端，支撑架400另一端连接于激光头100的平移台上，支撑架400的连接孔可以为条形孔，在上述升降筒180升降时，条形孔可以起到微调的作用。

所述喷气装置340装于所述保护气室310内并用于从至少二个方向朝所述开口端312喷射保护气体。

所述电弧焊装置安装部320位于所述保护气室310侧壁，用于安装电弧焊装置200。

在本实施例中，所述喷气装置340包括四个喷嘴341，各喷嘴341沿所述保护气室310内壁均匀分布。

各喷嘴341通过连接件342连接在位于所述保护气室侧壁的下连接孔314并与保护气体供给装置(图略)连通。所述连接件342具有用于与保护气室310内壁连接的上连接端3421和用于与所述喷嘴连接的下连接端3422，参见图16。该上连接端与下连接端之间具有一夹角，使得喷嘴341指向所述开口312。

所述喷嘴341内装有柱形导流芯3411，在该导流芯3411上对称设有至少二条导流槽3412，本实施例中导流槽数是三条，各导流槽3412沿所述柱形导流芯3411的表面螺旋布置。螺旋状的导流槽可使保护气体从喷嘴呈螺旋柱状喷出，保护气体喷出喷嘴后由于减压膨胀，形成实心圆锥体形的保护气层，可获得了较厚的气流保护层，则保护气流的抗外界干扰能力强，保护效果稳定可靠，而多个实心气体保护气层可以有效防止等离子气体膨胀漂移，从而避免屏蔽现象的产生。

所述喷嘴341也可为二个以上数量。

在本实施例中，所述喷气装置340还包括喷气环343，该喷气环343安装在保护气室310靠近连接端311的位置，在该喷气环343的边缘设有进气孔3431，内部设有环腔3432，该进气孔通过位于保护气室侧壁的上连接孔313与保护气体供给装置连通，在所述喷气环的的下表面对称设有二十四个喷气口3433，各喷气口分别指向所述开口端312，二十四个喷气口布置成四个环形，每个环包括六个喷气孔。上述喷气口为二个以上即可。

所述进气孔3431沿所述喷气环343的切向设置。进气孔切向设置有利于保护气体在喷气环内的分布，使得各喷气孔的喷气压力均衡。

喷气环343周边还设有环槽3434，而在保护气室310靠近连接端的位置设有螺钉孔，通过在螺钉孔内旋入顶丝顶入环槽3434，而将喷气环343与保护气室310安装在一起。

如图5～图7和图8～图10所示，所述电弧焊装置安装部320包括沿所述保护气室侧壁轴向设置的第一长圆形孔315、在该长圆形孔二侧平行设置的二个第一滑板321及位于所述第一滑板之间的第一滑块322，在所述第一滑板321上相对开有第一槽孔323，所述第一滑块322通过螺栓连接在所述第一槽孔323之间，在所述第一滑块322上设有用于安装所述电弧焊装置的第一安装孔324，在该第一安装孔二侧及底部设有微调螺钉孔325，内装有微调螺钉。

在本实施例中，所述电弧焊装置200为TIG焊装置，其包括TIG焊枪210和送丝机构220，其中所述TIG焊枪210安装于所述电弧焊装置安装部320的第一滑块的第一安装孔324内，而所述送丝机构安装于与所述TIG焊枪相对的另一侧保护气室侧壁。

上述电弧焊装置安装部320所安装的TIG焊枪210可通过第一滑块在第一槽孔中滑动实现高度方向的调节，并可以通过TIG焊枪在第一安装孔的轴向移动实现轴向调节，还可通过微调螺钉325实现TIG焊枪的角度微调，从而可以将TIG焊枪焊极调整到与激光照射点具有合适的距离，使得二个热源之间的间距得以保持一最佳值。

所述电弧焊装置安装部320还包括与所述第一长圆形孔315相对设置的第二长圆形孔316、在该第二长圆形孔316的二侧平行设置的二个第二滑板326及位于所述第二滑板326之间的第二滑块327，在所述第二滑板上相对开有第二槽孔328，所述第二滑块327通过螺栓连接在所述第二槽孔328之间，在所述第二滑块上设有用于安装送丝机构220的第二安装孔329，在该第二安装孔侧面及底部设有微调螺钉孔325，内装有微调螺钉325。同理，该电弧焊装置安装部320也可调节送丝机构220与激光照射点或焊接点的距离。

上面是以激光-TIG复合焊为例对本发明进行的说明，实际上，本发明也可用于激光-MIG复合焊，此时只需省略TIG焊枪，并且将送丝机构的焊丝作为一个电极即可。

另外，在上述实施例中喷气装置也是以喷嘴和喷气环同时使用为例进行的说明，但本发明并不限于上述实施例，例如所述喷嘴或喷气环也可以单独使用，仍能实现本发明的目的。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，也可以将上述技术内容进行组合形成其他的技术方案，这些改进和润饰，以及形成的其他技术方案也应视为本发明的保护范围。