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申请/专利权人：中国机械总院集团哈尔滨焊接研究所有限公司

摘要：一种激光焊接多功能负压气体保护装置及保护方法。小批量多品种激光焊接时，突出问题是由于反复更换工装严重影响生产效率，焊接过程易出现气孔、成形不均匀、熔深损失严重等问题。本发明组成包括：负压围挡（1），负压围挡内安装有隔离分流舱（2），隔离分流舱后侧安装有尾拖罩（3），尾拖罩上方分别安装有2个进气管（4），负压围挡的一侧安装有直保通道进气管（15），隔离分流舱外形为方柱形实体结构，并且与垂直方向成为20°~50°角，隔离分流舱内部上方依次具有压缩空气喷射气室（8）、渐变过渡结构（9）、一字型出气口（10），下方具有直输式气体保护通道（11）并与分流舱进气孔（12）相通。本发明用于激光焊接多功能负压气体保护装置。

主权项：1.一种激光焊接多功能负压气体保护装置，其组成包括：负压围挡，其特征是：所述的负压围挡内安装有隔离分流舱，所述的隔离分流舱后侧安装有尾拖罩，所述的尾拖罩上方分别安装有2个进气管，所述的负压围挡的一侧安装有直保通道进气管，所述的隔离分流舱外形为方柱形实体结构，并且与垂直方向成为20°~50°角，所述的隔离分流舱内部上方依次具有压缩空气喷射气室、渐变过渡结构、一字型出气口，下方具有直输式气体保护通道并与分流舱进气孔相通，所述的分流舱进气孔与所述的直保通道进气管相通;所述的隔离分流舱底面高于尾拖罩底端1~2mm；所述的负压围挡包括前围板，所述的前围板内侧固定有2个侧围板，所述的侧围板内侧固定所述的尾拖罩的侧体，所述的负压围挡底端贴近于焊接试板表面;所述的尾拖罩包括拖罩外壳，所述的拖罩外壳为矩形中空壳体结构，其内部依次设置多孔纤维过滤网、细铜网，2个所述的进气管平均分布于拖罩外壳顶部，其底端穿过拖罩外壳的顶壁并伸入拖罩外壳内。

全文数据：激光焊接多功能负压气体保护装置及保护方法[0001]技术领域：本发明涉及焊接设备技术领域，具体涉及一种激光焊接多功能负压气体保护装置及保护方法。[0002]背景技术：目前在工业上进行小批量多品种激光焊接生产时，一个突出问题是由于反复更换工装而严重影响到生产效率，焊接过程极为不稳，极易出现气孔、成形不均匀、熔深损失严重。在激光焊接钦合金、错合金、不锈钢、碳钢、局强钢等材料时，为了避免焊缝由于高温氧化导致性能下降，因此都需要采取一定的保护措施，目前施加焊缝正面气体保护是最为常见、有效的保护方法；因为对不同板厚的激光焊接时，焊缝正面气体保护方式一般存在较大的差异，如3〜8mm中厚板焊接时，由于能量输出较大、焊缝熔宽较大、冷却速度较慢，一般采用保护范围大且气流均匀的拖罩式气体保护形式，而在2mm以下的薄板焊接时，由于拖罩式气体保护形式下保护气体气流较大，熔化区冷却速度过快流动性变差，容易在焊接过程中造成烧穿或焊漏不均匀情况，所以只能采用直管式气体保护形式;此外，在焊件厚度在8mm以上采用高功率甚至万瓦级超高功率激光焊接时，由于过于剧烈的热能转换效应和等离子体羽辉及金属蒸汽的强烈干扰，使得焊接过程极为不稳，极易出现气孔、成形不均匀、熔深损失严重等焊接问题目前还无法有效解决。[0003]发明内容：本发明的目的是提供一种激光焊接多功能负压气体保护装置及保护方法，实现对钛合金、铝合金、不锈钢、碳钢、高强钢等多种焊接材料、0〜20mm不同板厚、1〜30kW不同级别热输入下的优质激光焊接。[0004]上述的目的通过以下的技术方案实现：一种激光焊接多功能负压气体保护装置，其组成包括:所述的负压围挡内安装有隔离分流舱，所述的隔离分流舱后侧安装有尾拖罩，所述的尾拖罩上方分别安装有2个进气管，所述的负压围挡的一侧安装有直保通道进气管，所述的隔离分流舱外形为方柱形实体结构，并且与垂直方向成为2〇°〜5〇°角，所述的隔离分流舱内部上方依次具有压缩空气喷射气室、渐变过渡结构、一字型出气口，下方具有直输式气体保护通道并与分流舱进气孔相通，所述的分流舱进气孔与所述的直保通道进气管相通。[0005]所述的激光焊接多功能负压气体保护装置，所述的负压围挡包括前围板，所述的前围板内侧固定有2个侧围板，所述的侧围板内侧固定所述的尾拖罩的侧体，所述的负压围挡底端贴近于焊接试板表面。[0006]所述的激光焊接多功能负压气体保护装置，所述的尾拖罩包括拖罩外壳，所述的拖罩外壳为矩形中空壳体结构，其内部依次设置多孔纤维过滤网、细铜网，2个所述的进气管平均分布于拖罩外壳顶部，其底端穿过拖罩外壳的顶壁并伸入拖罩外壳内。[0007]—种激光焊接多功能负压气体保护装置及保护方法，该方法包括如下步骤:首先激光焊接多功能负压气体保护装置主要由负压围挡、隔离分流舱、尾拖罩3部分构成，分别位于保护装置的前、中、后位置，所述的隔离分流舱工作时位于激光匙孔后1•5〜5mm位置，其底面与焊件表面平行，内部由保护气通道和压缩空气喷射气室2个独立的气路组成，为上下结构设计，直输式气体保护通道位于下层，工作时负责向熔池表面直接吹入保护气体，排除空气，防止熔池金属高温氧化，在较大功率焊接时也可适当调大保护气流量值，在不至于熔池表面产生剧烈波动的前提下，适当扩大匙孔开口直径，提高匙孔稳定性;所述压缩空气喷射气室位于上层，工作时压缩空气从顶端进气口流入气室，整流后由气室底部的一字型出气口以气刀形式喷出，起到阻碍并改变等离子体羽辉及金属蒸汽喷射轨迹的作用;压缩空气气刀高度为15〜3〇mm，压缩空气气流压力范围为〇〜iMPa，根据焊接功率不同做相应调节；所述的尾拖罩连接于隔离分流舱后端，用于保护形成过程中的焊缝不被氧化，拖罩外壳为矩形中空壳体设计并且开口向下，其前端与隔离分流舱紧密连接，工作时，保护气体通过进气管进入尾拖罩内，在通过多孔纤维过滤网时保护气体得到缓冲和均匀分配，然后通过细铜网过滤后可使保护气体进一步均匀分配，并在尾拖罩与焊缝表面间形成流速均匀的平流层，将焊缝周围空气排开，并使焊缝在保护气氛下最终凝固成形，从而有效提高焊缝表面质量；所述的隔离分流舱底面高于尾拖罩底端1〜2mm，便于部分保护气以平流方式向前流动覆盖焊点区域；通过前围板、2个侧围板和隔离分流舱前端面共同围成一个围挡区域，负压围挡低端贴近于焊接试板表面，负压围挡主要用于大功率激光焊接，焊接时激光匙孔位于围挡区域内，在焊点上方的压缩空气以气刀形式喷出时，会在周围形成一个负压区，前围板和2个侧围板作用是在焊缝两侧及前方形成一个气流屏蔽区，防止周围空气在负压驱动下形成紊流进入熔池保护区，前围板的高度5〜10mm，低于20〜35mm高度的侧围板，让空气刀可以无阻碍释放，在激光匙孔附近形成一个负压区，该区域空气很难介入而保护气体可以由所述隔离分流舱底端空隙处无阻碍的进入负压区，负压区压力仅与压缩空气和保护气体气流大小有关；当大功率激光焊接时，随着激光匙孔深度的增加，可适当调大所述隔离分流舱压缩空气压力值，起到提高负压区真空度，加速匙孔内向外喷射的金属蒸汽及等离子体的运动速度，进而降低与激光束的接触时间，减小等离子体生成，降低等离子体及金属蒸汽对激光束的散射及吸收作用，提高热源效率及稳定性，增加熔深，减小气孔缺陷的作用；激光焊接多功能负压气体保护装置在不同焊接条件下，通过调节隔离分流舱中压缩空气压力值、保护气流量值以及尾拖罩保护气进气压力值3者的合理匹配关系，实现对不同焊接材料、不同板厚，不同级别热输入下的优质激光焊接;所述负压围挡为了进一步提高对周围空气的阻隔效果，还可在围板的底部区域再增设一些密封物质或空气阻隔机构；在压缩空气喷射气室与一字型出气口间，采用气路直径的渐变过渡结构设计，能够进一步提高空气刀的喷射速度，减小发散角度，提高所述负压围挡区域的真空效果。[0008]有益效果：1•本发明主要是提供一种通用型多功能负压气体保护装置，能够有效的实现对钛合金、铝合金、不锈钢、碳钢、高强钢等多种焊接材料、〇〜20mm不同板厚、1〜3〇kW不同级别热输入下的优质激光焊接。[0009]本发明的隔离分流舱的一体化设计解决了直管式气体保护在空间上无法增设正面气刀保护的技术难题，而且装置体积得到有效减小同时，更有利于降低空气刀距焊点上方的高度，尤其在大功率激光厚板焊接时，可更加有效的阻断或改变激光匙孔喷射出的等离子体羽辉、金属蒸汽和金属飞派的喷射轨迹，一方面可有效保护焊枪光学模块不被飞溅损坏，另一方面起到有效疏散在激光束通道上的等离子体及金属蒸汽，降低对激光的散射及吸收作用，提高热源效率和焊接稳定性作用。[0010]本发明的隔离分流舱的直输式气体保护通道结构与直管式气体保护结构相近，而尾拖罩结构具有保护宽度大、气流均匀的拖罩式气体保护特点，因此二者相结合后保护气体以气柱和平流层两种模式共同作用于焊点区域，形成一个充满保护气体的集中受压区和一个平流覆盖层，在2mm以下的薄板激光焊接时，由于隔离分流舱为实体结构设计，通过隔离分流舱底部从尾拖罩流向焊接区域的保护气体主要以平流方式流动，不会直接吹向熔化区，所以不会造成熔化区较大的热量流失，因此只需要调节好隔离分流舱的保护气流量，控制好熔化区金属凝固速度和流动性，即可有效防止薄板焊接过程中的烧穿或焊漏不均匀情况;在3〜8mm的中厚板大功率焊接时，适当增加集中受压区的气流压力，有利于保护气体进入激光匙孔内部，扩大匙孔开口直径，提高匙孔稳定性，降低气孔和飞派倾向，而尾拖罩提供的平流覆盖层也可以有效隔离焊点区域上方的空气，防止熔池表面氧化，并给焊缝提供持续的保护气氛直至最终凝固成形，因此本发明可同时满足对不同板厚激光焊接的技术要求，并更易于获得接头性能优良表面美观的优质焊缝。[0011]本发明在不考虑空气刀影响或空气刀影响较小时，负压围挡不但可以防止周围空气介入，还可阻挡进入焊接区域的保护气体向四周扩散而集中于围挡区域内，有助于延长焊点上方保护气氛的停留时间和纯净度，提高保护气体利用效率，所以，在薄板焊接时能够保证焊点上方保护气氛具有较高纯净度同时，有效降低保护气流量，减小气流对焊点区域的冷却效果，提高焊点处金属熔体的流动性，保证焊接成形质量，因此，该项设计对2mm以下薄板焊接具有较好效果。[0012]本发明在大功率或万瓦级超大功率激光焊接时，隔离分流舱的缩空气以气刀形式高速喷出在焊点上方形成负压场，负压围挡在焊缝两侧及前方形成一个气流屏蔽区防止周围空气介入，当空气刀带走的气体量大于保护气体的补给量时，就会在激光匙孔上方形成一定的真空度，通过该项设计能够有效降低激光匙孔内部及周围环境的气体压力，起到加速激光匙孔内外等离子体及金属蒸汽的快速疏散作用，一方面可降低等离子体及金属蒸汽对激光的散射及吸收，进而可提高热源效率，起到增加焊缝熔深的效果，另一方面可在一定程度上抑制等离子体羽辉生成，降低焊接处的热反应剧烈程度，提高焊接稳定性，改善焊缝成形，同时减小孔内压力波动幅值，提高激光匙孔稳定性，减小气孔生成倾向，因此，该项设计对万瓦级超大功率厚板焊接的有益效果更为突出。[0013]本发明对于3〜20mm的中厚板大功率焊接时，具有明显的焊接熔深增强效果，可实现对无坡口或小坡口下中厚板对接试板的一次性穿透焊接，因此可以有效减少焊道次数和焊材填充量，大幅提高焊接效率节省焊材损耗，有效降低总体热输入，减少中厚板多层多道焊接变形量，提高焊缝力学性能，同时有利于实现绿色低碳工业制造。[0014]本发明对于20mm以上大厚板大功率焊接同样具有一定的有益效果。[0015]本发明的拖罩外壳上平面与焊枪本体刚性连接，能够使焊枪与保护装置组成一体结构，便于焊接过程焊点及熔化区始终处于保护装置的有效区域内，有效地保证了焊接质量。[0016]附图说明：附图1是本发明的结构示意图。[0017]附图2是本发明的立体结构示意图。[0018]具体实施方式：实施例1:一种激光焊接多功能负压气体保护装置，其组成包括:负压围挡1，所述的负压围挡内安装有隔离分流舱2,所述的隔离分流舱后侧安装有尾拖罩3，所述的尾拖罩上方分别安装有2个进气管4,所述的负压围挡的一侧安装有直保通道进气管15，所述的隔离分流舱外形为方柱形实体结构，并且与垂直方向成为20°〜50°角，所述的隔离分流舱内部上方依次具有压缩空气喷射气室8、渐变过渡结构9、一字型出气口1〇，下方具有直输式气体保护通道丨丄并与分流舱进气孔12相通，所述的分流舱进气孔12与所述的直保通道进气管15相通。[0019]实施例2:根据实施例1所述的激光焊接多功能负压气体保护装置，所述的负压围挡包括前围板13,所述的前围板内侧固定有2个侧围板14,所述的侧围板内侧固定所述的尾拖罩的侧体，所述的负压围挡底端贴近于焊接试板表面。[0020]实施例3:根据实施例1所述的激光焊接多功能负压气体保护装置，所述的尾拖罩包括拖罩外壳5,所述的拖罩外壳为矩形中空壳体结构，其内部依次设置多孔纤维过滤网6、细铜网7,2个所述的进气管平均分布于拖罩外壳顶部，其底端穿过拖罩外壳的顶壁并伸入拖罩外壳内；所述的尾拖罩外壳上平面与焊枪本体刚性连接，能够使焊枪与保护装置组成一体结构。[0021]实施例4:一种利用实施例1-3所述的激光焊接多功能负压气体保护装置的保护方法，本方法是：首先激光焊接多功能负压气体保护装置主要由负压围挡、隔离分流舱、尾拖罩3部分构成，分别位于保护装置的前、中、后位置，所述的隔离分流舱工作时位于激光匙孔后1.5〜5mm位置，其底面与焊件表面平行，内部由直输式气体保护通道和压缩空气喷射气室2个独立的气路组成，为上下结构设计，直输式气体保护通道位于下层，工作时负责向熔池表面直接吹入保护气体，排除空气，防止熔池金属高温氧化，在较大功率焊接时也可适当调大保护气流量值，在不至于熔池表面产生剧烈波动的前提下，适当扩大匙孔开口直径，提高匙孔稳定性；所述压缩空气喷射气室位于上层，工作时压缩空气从顶端进气口流入气室，整流后由气室底部的一字型出气口以气刀形式喷出，起到阻碍并改变等离子体羽辉及金属蒸汽喷射轨迹的作用；压缩空气气刀尚度为15〜30mm，压缩空气气流压力范围为〇〜lMPa，根据焊接功率不同做相应调节；所述的尾拖罩连接于隔离分流舱后端，用于保护形成过程中的焊缝不被氧化，拖罩外壳为矩形中空壳体设计并且开口向下，其前端与隔离分流舱紧密连接，工作时，保护气体通过进气管进入尾拖罩内，在通过多孔纤维过滤网时保护气体得到缓冲和均匀分配，然后通过细铜网过滤后可使保护气体进一步均匀分配，并在尾拖罩与焊缝表面间形成流速均匀的平流层，将焊缝周围空气排开，并使焊缝在保护气氛下最终凝固成形，从而有效提高焊缝表面质量；所述的隔离分流舱底面高于尾拖罩底端1〜2mm，便于部分保护气以平流方式向前流动覆盖焊点区域；通过前围板、2个侧围板和隔离分流舱前端面共同围成一个围挡区域，负压围挡低端贴近于焊接试板表面，负压围挡主要用于大功率激光焊接，焊接时激光匙孔位于围挡区域内，在焊点上方的压缩空气以气刀形式喷出时，会在周围形成一个负压区，前围板和2个侧围板作用是在焊缝两侧及前方形成一个气流屏蔽区，防止周围空气在负压驱动下形成紊流进入熔池保护区，前围板的高度5〜10mm，低于20〜35mm高度的侧围板，让空气刀可以无阻碍释放，在激光匙孔附近形成一个负压区，该区域空气很难介入而保护气体可以由所述隔离分流舱底端空隙处无阻碍的进入负压区，负压区压力仅与压缩空气和保护气体气流大小有关；当大功率激光焊接时，随着激光匙孔深度的增加，可适当调大所述隔离分流舱压缩空气压力值，起到提高负压区真空度，加速匙孔内向外喷射的金属蒸汽及等离子体的运动速度，进而降低与激光束的接触时间，减小等离子体生成，提高热源效率及稳定性，增加熔深，减小气孔缺陷的作用；激光焊接多功能负压气体保护装置在不同焊接条件下，通过调节隔离分流舱中压缩空气压力值、保护气流量值以及尾拖罩保护气进气压力值3者的合理匹配关系，实现对不同焊接材料、不同板厚，不同级别热输入下的优质激光焊接;所述负压围挡为了进一步提高对周围空气的阻隔效果，还可在围板的底部区域再增设一些密封物质或空气阻隔机构；在压缩空气喷射气室与一字型出气口间，采用气路直径的渐变过渡结构设计，能够进一步提高空气刀的喷射速度，减小发散角度，提高所述负压围挡区域的真空效果。

权利要求：1.一种激光焊接多功能负压气体保护装置，其组成包括：负压围挡，其特征是:所述的负压围挡内安装有隔离分流舱，所述的隔离分流舱后侧安装有尾拖罩，所述的尾拖罩上方分别安装有2个进气管，所述的负压围挡的一侧安装有直保通道进气管，所述的隔离分流舱外形为方柱形实体结构，并且与垂直方向成为20°〜50°角，所述的隔离分流舱内部上方依次具有压缩空气喷射气室、渐变过渡结构、一字型出气口，下方具有直输式气体保护通道并与分流舱进气孔相通，所述的分流舱进气孔与所述的直保通道进气管相通。2.根据权利要求1所述的激光焊接多功能负压气体保护装置，其特征是:所述的负压围挡包括前围板，所述的前围板内侧固定有2个侧围板，所述的侧围板内侧固定所述的尾拖罩的侧体，所述的负压围挡底端贴近于焊接试板表面。3.根据权利要求2所述的激光焊接多功能负压气体保护装置，其特征是:所述的尾拖罩包括拖罩外壳，所述的拖罩外壳为矩形中空壳体结构，其内部依次设置多孔纤维过滤网、细铜网，2个所述的进气管平均分布于拖罩外壳顶部，其底端穿过拖罩外壳的顶壁并伸入拖罩外壳内。4.一种利用权利要求1_3之一所述的激光焊接多功能负压气体保护装置的保护方法，其特征是:该方法包括如下步骤：首先激光焊接多功能负压气体保护装置主要由负压围挡、隔离分流舱、尾拖罩3部分构成，分别位于保护装置的前、中、后位置，所述的隔离分流舱工作时位于激光匙孔后丨.5〜5mm位置，其底面与焊件表面平行，内部由保护气通道和压缩空气喷射气室2个独立的气路组成，为上下结构设计，直输式气体保护通道位于下层，工作时负责向熔池表面直接吹入保护气体，排除空气，防止熔池金属高温氧化，在较大功率焊接时也可适当调大保护气流量值，在不至于熔池表面产生剧烈波动的前提下，适当扩大匙孔开口直径，提高匙孔稳定性;所述压缩空气喷射气室位于上层，工作时压缩空气从顶端进气口流入气室，整流后由气室底部的一字型出气口以气刀形式喷出，起到阻碍并改变等离子体羽辉及金属蒸汽喷射轨迹的作用;压缩空气气刀高度为15〜30mm，压缩空气气流压力范围为〇〜lMPa，根据焊接功率不同做相应调节；所述的尾拖罩连接于隔离分流舱后端，用于保护形成过程中的焊缝不被氧化，拖罩外壳为矩形中空壳体设计并且开口向下，其前端与隔离分流舱紧密连接，工作时，保护气体通过进气管进入尾拖罩内，在通过多孔纤维过滤网时保护气体得到缓冲和均匀分配，然后通过细铜网过滤后可使保护气体进一步均匀分配，并在尾拖罩与焊缝表面间形成流速均匀的平流层，将焊缝周围空气排开，并使焊缝在保护气氛下最终凝固成形，从而有效提高焊缝表面质量；所述的隔离分流舱底面高于尾拖罩底端l~2mm，便于部分保护气以平流方式向前流动覆盖焊点区域；通过前围板、2个侧围板和隔离分流舱前端面共同围成一个围挡区域，负压围挡低端贴近于焊接试板表面，负压围挡主要用于大功率激光焊接，焊接时激光匙孔位于围挡区域内，在焊点上方的压缩空气以气刀形式喷出时，会在周围形成一个负压区，前围板和2个侧围板作用是在焊缝两侧及前方形成一个气流屏蔽区，防止周围空气在负压驱动下形成紊流进入熔池保护区，前围板的高度5〜10圓，低于20〜35mm高度的侧围板，让空气刀可以无阻碍释放，在激光匙孔附近形成一个负压区，该区域空气很难介入而保护气体可以由所述隔离分流舱底端空隙处无阻碍的进入负压区，负压区压力仅与压缩空气和保护气体气流大小有关；当大功率激光焊接时，随着激光匙孔深度的增加，可适当调大所述隔离分流舱压缩空气压力值，起到提高负压区真空度，加速匙孔内向外喷射的金属蒸汽及等离子体的运动速度，进而降低与激光束的接触时间，减小等离子体生成，降低等离子体及金属蒸汽对激光束的散射及吸收作用，提高热源效率及稳定性，增加熔深，减小气孔缺陷的作用；激光焊接多功能负压气体保护装置在不同焊接条件下，通过调节隔离分流舱中压缩空气压力值、保护气流量值以及尾拖罩保护气进气压力值3者的合理匹配关系，实现对不同焊接材料、不同板厚，不同级别热输入下的优质激光焊接;所述负压围挡为了进一步提高对周围空气的阻隔效果，还可在围板的底部区域再增设一些密封物质或空气阻隔机构；在压缩空气喷射气室与一字型出气口间，采用气路直径的渐变过渡结构设计，能够进一步提高空气刀的喷射速度，减小发散角度，提高所述负压围挡区域的真空效果。

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