一种激光焊缝同轴吹气保护装置及应用方法与流程

本发明涉及激光焊接吹气保护技术领域，更具体的说，特别涉及一种激光焊缝同轴吹气保护装置及应用方法。

背景技术：

同轴吹气保护方式是焊接中常用的焊缝保护方式，同轴吹气时，保护气流与激光束同轴，吹气没有方向选择，可减少吹气方向对焊接姿态的约束，可简化焊接轨迹编程，特别是在三维焊接情况下，同轴吹气方式更为灵活方便。

激光焊接过程中由于防飞溅气刀的存在，使得同轴吹气保护装置必须置于气刀下方，气刀部分是与外部空气相通的，同轴装置内部的激光通道也是与外界相通，也就是说同轴吹气装置的整个腔体无法做成封闭空间。进行同轴吹气时，外部空气容易通过激光通道卷入同轴保护气中进入熔池形成焊缝氧化，如何做到同轴气体与空气的隔离是焊缝无氧化保护的重要因素。另外，熔池凝固后的一段时间内仍处于高温状态，离开喷嘴位置气体保护后需要进行延时保护，否则暴露于空气当中同样会发生氧化。所以，要做到良好的焊缝保护，同轴保护气的空气隔离和焊后延时保护是两个关键因素。

技术实现要素：

本发明的目的在于针对现有技术存在的技术问题，提供一种激光焊缝同轴吹气保护装置及应用方法，该保护装置应用在焊接装置中，在对待焊接工件的焊接过程中，能够排除空气防止空气卷入造成焊缝氧化，还能够对高温焊缝进行延时保护。

为了解决以上提出的问题，本发明采用的技术方案为：

一种激光焊缝同轴吹气保护装置，该保护装置包括同轴喷嘴、环形气罩、下腔体、上腔体、第一进气嘴和第二进气嘴，所述上腔体、下腔体、环形气罩以及同轴喷嘴依次同轴固定安装；

其中，上腔体外表面上设有安装第一进气嘴的第一进气口，且上腔体的一侧端面向内设有与进气口连通的第一环形气道，另一侧端面向内设有通槽；

下腔体外表面上设有安装第二进气嘴的第二进气口，下腔体的一侧端面向内设有与第二进气口相连通的安装槽，安装槽的底面向外延伸形成具有凹槽的凸台，凹槽与上腔体的通槽相连通；下腔体的另一侧端面上设有至少一个下腔体气道，凸台的内部设有与所述下腔体气道及凹槽相连通的气槽，即凸台上气槽与凹槽之间形成夹层；

环形气罩的端面上设有通孔，其内部设有与下腔体的安装槽相连通的凹槽，通孔所在端面为出气面，出气面上分布有气孔；

下腔体的凸台端部设置在环形气罩的通孔内；同轴喷嘴设置在下腔体的凸台端部内，并与夹层端部之间形成与所述气槽相连通的环形气缝。

所述环形气缝的出气方向与同轴喷嘴轴向垂直。

所述下腔体的凸台为锥形凸台，气槽与锥形凸台的锥面平行，下腔体上的凹槽为锥形凹槽；上腔体上的凹槽也为锥形通槽。

所述下腔体上均匀分布有八个环形槽作为下腔体气道。

所述下腔体和上腔体均为圆周面，两者的圆周面上分别对称加工有第二进气口和第一进气口。

所述下腔体和上腔体之间设置有密封垫，密封垫上加工有通气孔。

所述环形气罩为圆柱体，其直径为56mm，材料选为铜滤片；环形气罩上出气面对应的圆周面加工成锥形。

一种激光焊缝同轴吹气保护装置的应用方法，该应用方法采用的焊接装置包括保护装置、连接支架和焊接头；

步骤S1：连接支架将保护装置设置在焊接头的下方，三者整体置于待焊接工件表面的上方；

步骤S2：分别调整焊接头和保护装置的高度至预设距离，并调整保护装置使其与激光束同轴；

步骤S3；向保护装置的第一进气嘴和第二进气嘴分别通入焊接保护气，并调整第一进气嘴和第二进气嘴的气体流量大小；

步骤S4：开启焊接头，焊接头以预设速度沿预设焊接方向前进，并发出激光穿过保护装置对待焊接工件进行激光焊接；

步骤S5：观察焊接过程的稳定性及焊接完成后焊缝的保护效果；

步骤S6：根据得到的稳定性及焊缝保护效果，返回步骤S2，重新调整后再次进行焊接。

所述保护装置与待焊接工件表面之间的距离为7mm。

所述第一进气嘴和第二进气嘴通入的气体为氩气，其气体流量大小分别设置有20L/min和40L/min；同轴喷嘴的出气流量调节在10～30L/min。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

1、本发明的保护装置采用环形气罩、下腔体和上腔体三者之间形成两路气体通道，并设置有第二进气嘴和第一进气嘴，下腔体和上腔体之间形成环形气缝，其中一路气体经过环形气缝后形成向上气流和向下气流，向上气流用于激光通道排空，向下气流经用于熔池保护，另一路气体用于高温焊缝延时保护，整个保护装置的结构简单，并能起到可靠的保护效果。

2、本发明中保护装置的应用方法，即；此外，通过调整保护装置与待焊接工件的预设距离，以及焊接保护气体的气体流量大小，能够对待焊接工件起到不同的保护作用，其调整和使用方便。

附图说明

图1为本发明焊接装置的结构示意图。

图2为本发明焊接装置的局部结构示意图。

图3为本发明激光焊缝同轴吹气保护装置的爆炸图。

图4为本发明激光焊缝同轴吹气保护装置的剖视图。

图5为本发明上腔体的结构示意图。

图6为本发明下腔体的结构示意图。

图7为本发明应用方法的流程示意图。

附图标记说明：111-同轴喷嘴、112-环形气罩、113-下腔体、114-密封垫、115-上腔体、116-第二进气嘴、117-第一进气嘴、118-锁紧螺钉、119-第一气流通道、1120-凹槽、1122-出气面、121-第二气流通道、124-环形气缝、1150-第一进气口、1151-环形气道、1152-锥形通槽、1130-第二进气口、1131-下腔体气道、1134-安装槽、1132-锥形凸台、1133-锥形凹槽、131-气槽

具体实施方式

为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的较佳实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容的理解更加透彻全面。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。

参阅图3或图4所示，本发明提供的一种激光焊缝同轴吹气保护装置，该保护装置包括同轴喷嘴111、环形气罩112、下腔体113、密封垫114、上腔体115、第一进气嘴117、第二进气嘴116和锁紧螺钉118。

同轴喷嘴111与激光束同轴，焊接时，同轴喷嘴111中心对准熔池进行吹气保护，通入气体为焊接保护气，可避免焊缝被空气氧化；本实施例中，出气流量可调节在10～30L/min，焊接保护气选为氩气，同轴喷嘴111的行径为8mm。

环形气罩112与所述同轴喷嘴111为同轴安装，通入气体为焊接保护气。环形气罩112为圆柱体，其上部端面上沿轴向加工有凹槽1120，凹槽1120底面的中心加工有通孔用于安装同轴喷嘴111。为了便于安装，其外侧圆周面的上部安装在下腔体113中，裸露在外的圆周面加工成锥形，底部端面作为出气面1122且使用材料为多孔隙介质，多孔隙介质具有一定的透气率，能承受一定的气体压力，整个出气面上的气孔分布均匀，可对离开熔池但仍处于高温状态的凝固焊缝继续进行防氧化保护，使焊缝光亮。本实施例中，环形气罩112的直径为56mm，材料选为铜滤片。

如附图4和图5所示，上腔体115为圆柱体，其圆周面上对称加工有第一进气口1150，用于安装第一进气嘴117，上腔体115的一侧端面上向内加工有环形凹槽作为上腔体环形气道1151，环形气道1151与第一进气口1150连通形成第一气流通道119，即第一进气嘴117与第一气流通道119相连通，保护气体从第一进气嘴117进入第一气流通道119(参阅图4)。上腔体115的另一侧端面上沿轴向加工有上宽下窄的锥形通槽1152。

如附图4和图6所示，下腔体113为圆柱体，其圆周面上对称加工有第二进气口1130，用于安装第二进气嘴116，第二进气嘴116与环形气罩112相连通，保护气体可从环形气罩112的出气面1122喷出。下腔体113的一侧端面上向内加工有与第二进气口1130相连通的安装槽1134，，安装槽的底面沿轴向延伸形成锥形凸台1132，锥形凸台1132内部中空，即锥形凸台1132的内部形成锥形凹槽1133，下腔体113的另一端面上沿周向均匀分布有八个环形槽作为下腔体气道1131。锥形凸台1132上加工有与其锥面平行的气槽131，气槽131的一端与下腔体气道1131相连通，即锥形凸台1132上形成夹层132，锥形凸台1132的顶部中心加工有柱体型腔，柱体型腔与气槽131的另一端、下腔体113的锥形凹槽1133相连通。

整体安装关系如下：

上腔体115、下腔体113、环形气罩112以及同轴喷嘴111依次同轴固定安装。即环形气罩112同轴安装在下腔体113的安装槽1134内，环形气罩112上部的圆周面与下腔体113安装槽1134的内壁连接，环形气罩112的凹槽1120与下腔体113的安装槽1134位置相对应且两者贯通形成第二气流通道121，锥形凸台1132的端部安装在环形气罩112的通孔内。同轴喷嘴111同轴安装在下腔体113内锥形凸台1132的端部内即圆柱形型腔内，同轴喷嘴111的底部端面与下腔体113内夹层132的端部之间形成环形气缝124，即环形气缝124由同轴喷嘴111与下腔体113安装在一起后形成，环形气缝124的出气方向与同轴喷嘴111的轴向垂直，在本实施例中，环形气缝124的高度为2mm。

上腔体115和下腔体113同轴设置，密封垫114设置在下腔体113和上腔体115之间的端面上，三者通过锁紧螺钉118固连。密封垫114上的通气孔与下腔体气道1131和上腔体环形气道1151相连通，第一气流通道119由上腔体环形气道1151、密封垫114的通气孔、下腔体气道1131和环形气缝124连通形成，进而与同轴喷嘴111相连通，上腔体115上的锥形通槽1152与下腔体113的锥形凹槽1133以及同轴喷嘴111相连通。上腔体115的第一进气口1150上安装第一进气嘴117，下腔体113的第二进气口1130上安装第二进气嘴116。

上述中，上腔体115的锥形通槽1152和下腔体113的锥形凹槽1133依次连通形成一个完整的锥形槽，为了便于焊接时激光束的顺利通过，保证激光焊接过程的可靠性。下腔体113上形成锥形凸台1132，为了使锥形凸台1132顶部与环形气罩112连接的面积最小，并使第二气流通道121下端尽量与环形气罩112凹槽的底面积相同，这样可以增加环形气罩112出气面的出气量，从而起到最有效的延时保护作用。

上述中，锥形凸台1132上气槽131与锥形凸台1132锥形面平行，这样可以保证环形焊缝124的出气方向与同轴喷嘴111轴向垂直，使得通过环形焊缝124的焊接保护气能够形成两路即向上气流122和向下气流123。

本发明的工作原理如下：

保护装置分为两路气体通路，其中一路从第一进气嘴117进入的焊接保护气流经第一气流通道119后，分别通入下腔体115上的八个下腔体气道1131，并进过气槽131后汇聚于环形气缝124处，由环形气缝124向中心方向对吹碰撞形成两路气流，分别为向上气流122和向下气流123，向下气流123通过同轴喷嘴111吹入熔池进行焊接保护，向上气流122依次通道锥形凹槽1133和锥形通槽1152后用于排除上方空气，防止空气卷入造成焊缝氧化。

另一路从第二进气嘴116通入焊接保护气体以后，在第二气流通道121内形成一定的压力，由于环形气罩112的出气面1122承受的气体压力分布均匀，整个面出气流量均匀，使对离开熔池但仍处于高温状态的凝固焊缝继续进行防氧化保护，使焊缝光亮，即实现对高温焊缝的延时保护。

经过上述两路气体良好的配合关系，即分别由第一进气嘴117和第二进气嘴116进入的气体通路，从而对焊缝具有稳定良好的保护效果。

本发明还提供一种激光焊缝同轴吹气保护装置的应用方法，参阅图1和图2所示，该应用方法采用的焊接装置包括上述保护装置110、连接支架120和焊接头130。

如附图7所示，该应用方法的具体步骤如下：

步骤S1：将所述保护装置110、焊接头130、连接支架120安装好后置于待焊接工件的表面上方，且保护装置110和激光束同轴，焊接头130发出的激光束穿过保护装置110的中心后，对准待焊接工件的焊缝接头。

本步骤中，将连接支架120的一端与所述保护装置110相连接，另一端与焊接头130相连接。待焊接工件放置好后，将保护装置110和焊接头130置于待焊接工件的表面上方。

本实施例中，在上述步骤S1之前，上述焊接方法还包括：对待焊接工件的表面进行清洁处理。由于工件表面可能存在灰尘等其他一些杂质，焊接时可能会使焊缝出现飞溅和气孔等现象。因此，在焊接前对待焊接工件的表面进行清洁可改善焊接效果。

步骤S2：调整所述焊接头130的高度，并调整保护装置110与待焊接工件及激光束之间的相对位置关系。

本步骤中，调整焊接头130与待焊接工件表面的间隔预设距离，即焊接过程中具有预设的离焦量。离焦量就是焦点离作用物质间的距离，离焦量对焊接质量的影响很大。

焊接头130的高度调整好之后，再进行调整保护装置110与待焊工件和激光束之间的相对位置关系。先调整保护装置110与激光束同轴，然后通过调节连接支架120的高度将保护装置110与调节至与待焊接工件到预设距离。本实施例中，保护装置110与待焊接工件表面之间的距离为7mm，两者之间的距离过大使得保护效果差，距离过小则容易碰撞。

步骤S3；向保护装置110的第一进气嘴117和第二进气嘴116分别通入相对应的焊接保护气，并调节好两个气嘴的气体流量大小。

本实施例中，第一进气嘴117通入氩气，流量设置为20L/min；第二进气嘴116也通入氩气，流量设置为40L/min。

步骤S4：开启焊接头130，并使焊接头130以预设速度沿预设焊接方向前进，焊接头130发出激光穿过保护装置100对待焊接工件进行激光焊接。

本步骤中，焊接头130安装于运动机构机床或机器人之上，可使焊接头130以预设速度沿焊缝方向进行激光焊接。在本实施例中，焊接速度及激光功率可根据焊接工件的板厚进行相对应的设置。

步骤S5：观察焊接过程的稳定性及焊接完成后焊缝的保护效果。

本步骤中，在焊接过程，观察焊接飞溅及熔池是否稳定，焊后焊缝的保护效果是否良好，焊缝表面成形是否均匀等。

步骤S6：根据得到的稳定性及焊缝保护效果，返回步骤S2，重新调节第一进气嘴117和第二进气嘴116的气体流量及保护装置110的高度位置再次进行焊接，直至焊缝保护效果良好。

上述中，根据观察到的焊接过程稳定性及焊缝成型及保护效果，调节各进气口的流量以及同轴吹气保护装置与工件的高度位置关系，需重复进行多次，直至得到良好的焊接效果。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。