体压缩法控制等离子体的固定激光深熔焊接喷嘴及其控制方法

摘要

本发明公开了一种体压缩法控制等离子体的固体激光（固体激光器是激光器的一种，发射的激光习惯称为固体激光）深熔焊接喷嘴及其实现控制的方法，该方法采用辅助气流的动力压缩和激光焊接喷嘴冷却头的冷却压缩控制光致等离子体的上浮和横向扩张，并通过保护气流抑制环境气氛对光致等离子体和熔池的扰动，以获得稳定的光致等离子体。因此，采用本发明可以在利用固体激光器的激光深熔焊接时抑制等离子体的向上、横向的膨胀，全方位的压缩等离子体，有效的维系等离子体的稳定性，从而易于获得稳定的焊接过程和良好的焊缝成形，能够广泛地应用于激光焊接领域。

说明书

技术领域

本发明涉及一种固体激光深熔焊接喷嘴及其控制方法，应用于固体激光器进行激光深熔焊接过程中光致等离子体的控制，属于激光焊接领域。 

背景技术

激光焊接技术已成为材料加工领域的重要连接手段之一，激光焊接技术的难点主要在于焊接过程的不稳定性。主要表现为焊接过程中光致等离子体的形态波动和上下起伏，其结果是焊接熔池的扰动和焊接过程的中断，从而影响焊缝成形和焊接过程的稳定性。因此，改善焊接过程稳定性的重要方法就是光致等离子体的控制。目前，光致等离子体的控制方法有以下几种： 

一、利用辅助气体通过合适的角度和方位作用在光致等离子体上，以期改善激光焊接过程的稳定性，但是，这种方法一般未对辅助气体的气流压力与等离子体膨胀力的对应关系加以考虑，致使辅助气体会对熔池和等离子体带来冲击，加剧熔池的扰动和等离子体的形态波动。

二、采用填充焊丝或粉末作用在等离子体区域，能够加强等离子体与激光和熔池的能量耦合，可是等离子体有加剧膨胀的趋势。 

三、利用等离子体的电磁特性外加辅助电磁场作用在对光致等离子体区域，该法对等离子体的作用效果不太显著。 

四、抽真空法，在近似真空的环境中，加剧等离子体的湮灭，可是技术难点限制了其应用。 

由此可知：目前还未有适当的技术手段，能够有效地改善激光焊接过程的稳定性。 

发明内容

为了有效地控制采用固体激光器时，激光深熔焊接过程中的光致等离子体，本发明提供了一种采用体压缩法控制激光熔深焊接光致等离子体的方法，该方法能全方位压缩等离子体，同时抑制环境气氛对等离子体和熔池的冲击，从而获得稳定的焊接过程。 

为实现以上的技术目的，本发明将采取以下的技术方案： 

一种采用体压缩法控制激光熔深焊接光致等离子体的方法，采用辅助气流的动力压缩和激光焊接喷嘴冷却头的冷却压缩控制光致等离子体的上浮和横向扩张，并通过保护气流抑制环境气氛对光致等离子体和熔池的扰动，以获得稳定的光致等离子体。

进一步地，将辅助气流经过倒锥形设置的激光焊接喷嘴内流道收缩后，通过激光焊接喷嘴冷却头作用于光致等离子体，实现辅助气流的动力压缩；将激光焊接喷嘴冷却头配置冷却装置，促使置于光致等离子体上方的激光焊接喷嘴冷却头能够通过冷却的方式压制光致等离子体的上浮和横向扩张。 

本发明的另一个技术目的是提供一种基于上述采用体压缩法控制激光熔深焊接光致等离子体方法的激光焊接喷嘴，包括外壳体以及固定安装于外壳体内的喷嘴主体，且喷嘴主体外壁与外壳体内壁之间存在间隙；所述喷嘴主体配置有用于控制光致等离子体的辅助气流装置、保护气流装置以及冷却装置；辅助气流装置包括辅助气流输入导管；保护气流装置包括保护气腔室以及与保护气腔室连通的保护气流输入导管；冷却装置包括冷却室以及分别与冷却室连通的冷却液输入导管、冷却液输出导管；保护气腔室、冷却室通过置于喷嘴主体外壁与外壳体内壁所形成间隙内的套管分隔而成，所述套管的两端均与喷嘴主体的外壁液密封连接；喷嘴主体的内流道通过透光玻璃板分隔成上腔室和下腔室，透光玻璃板与喷嘴主体的内壁气密封连接，所述下腔室包括按照激光入射方向顺序连接的圆柱段、收缩段以及扩张段，且收缩段的小端与扩张段的小端光滑过渡连接，圆柱段与辅助气体输入导管连通，而扩张段的大端为喷嘴主体的喷射口。 

所述外壳体按照喷嘴主体内激光的发射方向分体设置为上外壳分体和下外壳分体；上外壳分体与喷嘴主体连接，下外壳分体靠近上外壳分体的一端与喷嘴主体固定，而下外壳分体背离上外壳分体的另一端活动设置，且喷嘴主体外壁与外壳体内壁之间存在的间隙为喷嘴主体外壁与下外壳分体内壁之间所存在的环形间隙。 

所述套管的两端面分别与下腔室收缩段的大端以及下腔室扩张段的大端相齐平。 

所述保护气腔室通过均衡气筛分隔成保护气进气室以及保护气均衡出气室，该均衡气筛包括环形连接件以及均布在环形连接件环面上的气孔；所述环形连接件的内圆面固定安装在喷嘴主体的外壁，所述气孔的出口端面与下腔室收缩段的大端齐平，所述保护气输入导管与保护气体进气室连通。 

所述冷却液输入导管靠近喷嘴主体的出口设置，而冷却液输出导管靠近下腔室收缩段的大端设置。 

与冷却室相对应的喷嘴主体的外壁开设导流槽。 

根据以上的技术方案，可以实现以下的有益效果： 

激光从喷嘴主体轴线入射到喷嘴下方的工件表面，焊接过程中产生的光致等离子体的上浮和膨胀会受到喷嘴主体冷却头（最下端锥形主体冷却头）的冷压缩，喷嘴主体冷却头用冷却液降温，并在喷嘴主体上开设导流槽，以利于冷却液的循环，使喷嘴主体冷却头对光致等离子体具有良好冷压缩效果。同时，喷嘴主体内流道的下腔室包括按照激光入射方向顺序连接的圆柱段、收缩段以及扩张段，与其上腔室用激光透射玻璃板分开，辅助气体进入下腔室后会先在收缩段产生压缩，再经扩张段流出，通过调整收缩段、扩张段二者的锥度以及连接过渡曲线，使得扩张段喷出的气流压力分布与光致等离子体的膨胀力分布相匹配，从而有效地控制等离子体的扰动和上下起伏，使等离子体只能横向扩张，而其横向扩张又受到了下端扩张段所配置冷却装置的冷压缩。保护气体进入保护气导管后，经均衡气筛后获得流态良好的气流，作用在工件表面，抑制环境气氛对等离子体和熔池的冲击，同时也抑制喷嘴与工件间隙处的等离子体横向扩张。从而，激光深熔焊接时，采用该喷嘴，可以有效地控制等离子体的形态波动和上下起伏，使等离子体在焊接过程中维持稳定的状态。

另外，本发明结构简单、小巧，便于安装和焊接过程中的调节，采用本发明可以在利用固体激光器的激光深熔焊接时抑制等离子体的向上、横向的膨胀，全方位的压缩等离子体，有效的维系等离子体的稳定性，从而易于获得稳定的焊接过程和良好的焊缝成形，能够广泛地应用于激光焊接领域。 

附图说明

图1是本发明所述激光焊接喷嘴的结构示意图； 

图2是本发明所述激光焊接喷嘴的喷嘴主体结构示意图；

其中：上外壳分体1；定位螺钉2；透光玻璃板3；保护气流输入导管4；均衡气筛5；第一密封圈6；冷却液输入导管7；套管8；第二密封圈9；下外壳分体10；冷却液输出导管11；辅助气流输入导管12；第三密封圈13；卡环14；喷嘴主体15；下腔室扩张段16；下腔室扩张段与下腔室收缩段之间的过渡连接曲线17；导流槽18；下腔室收缩段19。

A为激光入射方向。 

具体实施方式

附图非限制性地公开了本发明所涉及优选实施例的结构示意图；以下将结合附图详细地说明本发明的技术方案。 

本发明公开了一种采用体压缩法控制激光熔深焊接光致等离子体的方法，其采用三种并行方式进行光致等离子体的控制，即：采用辅助气流的动力压缩和激光焊接喷嘴冷却头的冷却压缩控制光致等离子体的上浮和横向扩张，并通过保护气流抑制环境气氛对光致等离子体和熔池的扰动，以获得稳定的光致等离子体。其中，本发明将辅助气流经过倒锥形设置的激光焊接喷嘴内流道收缩后，通过激光焊接喷嘴冷却头作用于光致等离子体，实现辅助气流的动力压缩；将激光焊接喷嘴冷却头配置冷却装置，促使置于光致等离子体上方的激光焊接喷嘴冷却头能够通过冷却的方式压制光致等离子体的上浮和横向扩张。 

本发明的另一个技术目的是提供一种基于上述采用体压缩法控制激光熔深焊接光致等离子体方法的激光焊接喷嘴，如图1至2所示，该激光焊接喷嘴包括外壳体以及固定安装于外壳体内的喷嘴主体，且喷嘴主体外壁与外壳体内壁之间存在间隙；所述喷嘴主体配置有用于控制光致等离子体的辅助气流装置、保护气流装置以及冷却装置；辅助气流装置包括辅助气流输入导管；保护气流装置包括保护气腔室以及与保护气腔室连通的保护气流输入导管；冷却装置包括冷却室以及分别与冷却室连通的冷却液输入导管、冷却液输出导管；保护气腔室、冷却室通过置于喷嘴主体外壁与外壳体内壁所形成间隙内的套管分隔而成，所述套管的两端均与喷嘴主体的外壁通过第一密封圈、第二密封圈液密封连接，且套管通过螺纹配合连接的方式与喷嘴主体固定；喷嘴主体的内流道通过透光玻璃板分隔成上腔室和下腔室，本发明中，在透光玻璃板上方设置卡环，以对透光玻璃板的安装位置进行限制，而在透光玻璃板的下方设置第三密封圈，使得透光玻璃板与喷嘴主体的内壁气密封连接，另外，本发明对卡环施加预紧力，使得卡环能够卡在喷嘴主体的内壁，导致透光玻璃板能够紧压第三密封圈；所述下腔室包括按照激光入射方向顺序连接的圆柱段、收缩段以及扩张段，且收缩段的小端与扩张段的小端光滑过渡连接，圆柱段与辅助气体输入导管连通，而扩张段的大端为喷嘴主体的喷射口。 

所述外壳体按照喷嘴主体内激光的发射方向分体设置为上外壳分体和下外壳分体；上外壳分体通过定位螺钉与喷嘴主体连接，因此，通过调节定位螺钉与喷嘴主体的轴向安装位置，实现本发明所述整个喷嘴的定位高度；下外壳分体靠近上外壳分体的一端与喷嘴主体固定，而下外壳分体背离上外壳分体的另一端活动设置，且喷嘴主体外壁与外壳体内壁之间存在的间隙为喷嘴主体外壁与下外壳分体内壁之间所存在的环形间隙。所述套管的两端面分别与下腔室收缩段的大端以及下腔室扩张段的大端相齐平。所述保护气腔室通过均衡气筛分隔成保护气进气室以及保护气均衡出气室，该均衡气筛包括环形连接件以及均布在环形连接件环面上的气孔；所述环形连接件的内圆面固定安装在喷嘴主体的外壁，所述气孔的出口端面与下腔室收缩段的大端齐平，所述保护气输入导管与保护气体进气室连通。所述冷却液输入导管靠近喷嘴主体的出口设置，而冷却液输出导管靠近下腔室收缩段的大端设置。与冷却室相对应的喷嘴主体的外壁开设导流槽，用于对输入的冷却液进行引流循环。 

使用时，辅助气体通过辅助气流输入导管进入下腔室，经下腔室收缩段的压缩处理后，通过下腔室扩张段的大端出口作用于等离子体。保护气体从保护气流输入导管进入保护气进气室后，经均衡气筛的均衡处理后，通过保护气均衡出气室的出口作用在工件表面。冷却液通过冷却液输入导管输入冷却室，经导流槽引流循环后，从冷却液输出导管流出，从而对下腔室进行有效的冷却。同时，冷却液输入导管靠近下腔室的大端设置，即有效地冷却了喷嘴的冷却头，对光致等离子具有良好的冷却压缩效果。 

激光焊接时，通过调节辅助气体流量的大小和辅助气体流量，匹配其他相应的焊接工艺参数，就可以有效控制等离子体以获得稳定的焊接过程和良好的焊缝成形。