一种厚板超窄间隙激光填丝焊接用的气保护装置的制作方法

本发明涉及激光加工技术领域，属于激光填丝焊接熔池及焊缝金属气保护装置，具体说的是一种厚板超窄间隙激光填丝焊接用的气保护装置。

背景技术：

厚板焊接结构在船舶制造、海洋工程、核电设备等领域有着广泛的应用，对于常规30mm左右厚度的厚板焊接时，坡口间隙为8mm～10mm以下为窄间隙焊接，5mm以下为超窄间隙焊接。超窄间隙激光填丝焊接是指采用激光为热源，焊丝为填充材料的一种超窄间隙多层多道焊接方法，具有热输入低、焊接变形小等优点。由于坡口深而窄，焊接气保焊装置无法伸入坡口内部，对保护气流挺度要求高，且多层多道焊接过程中要求气保焊装置与工件表面高度保持一致，现有普通气保焊装置无法满足要求。尽管国内外研究者先后发明了侧向送气和吸气的焊缝随动保护方法及装置（CN201410608433）和可伸缩喷嘴装置（CN201310501123.9）的窄间隙焊接气保焊装置，但均存在各自的局限性：侧向送气和吸气的焊缝随动保护装置（CN201410608433）通过侧向吹气和吸气相结合，虽然可以将焊接烟尘移离焊槽，并抑制等离子体对激光的屏蔽作用，但容易导致焊接区域保护气体产生紊流，影响焊缝保护效果。

技术实现要素：

本发明的目的是为厚壁构件全自动超窄间隙激光填丝焊接装备开发气保焊装置，解决现有厚板超窄间隙激光填丝焊接气保焊装置保护效果不稳定问题，提出了一种用于厚板结构超窄间隙激光填丝焊接熔池及焊缝气保护装置。

为实现上述技术目的，所采用的技术方案是：一种厚板超窄间隙激光填丝焊接用的气保护装置，即设置在被焊工件上方的气保护拖罩，所述的气保护拖罩包括主保护气接口、副保护气接口、气流镇静筛（多层铜丝网）、主保护气流管和副保护气流管，主保护气流经主保护气接口、气流镇静筛和主保护气流管吹入被焊工件焊接区域，压制激光金属蒸汽羽，保护焊接熔池，主保护气流的流量为20 L/min～ 50L/min；副保护气流经副保护气接口、气流镇静筛和副保护气流管吹入被焊工件焊接区域，保护过热焊缝金属，副保护气流的流量为15 L/min～ 40L/min。

本发明所述的主保护气流的流量大于副保护气流的流量。

本发明所述的主保护气流和副保护气流倾斜吹向被焊工件焊接区域。

本发明所述的主保护气流和副保护气流的倾斜角度相同。

本发明所述的主保护气流和副保护气流向焊接方向倾斜。

本发明所述的气保护拖罩的吹气面与被焊工件的上表面平齐。

本发明在焊接时，所述的气保护拖罩的吹气面与被焊工件的上表面之间的距离为3mm-10mm。

本发明的有益效果是：

1、保护气经气流镇静筛和气流管可在短距离内有效降低紊流，提高了保护气流挺度，可实现对熔池的有效保护；气保护拖罩采用主、副保护气流设计方案，主保护气流用于抑制金属蒸气羽和保护焊接熔池，副保护气流用于保护焊缝金属，提高了焊接保护效果。

2、主保护气流和副保护气流倾斜吹向被焊工件焊接区域，该种气流在被焊工件坡口内部形成层流，进一步提高了保护效果。

附图说明

图1为本发明的使用状态结构示意图；

图2为本发明气保护拖罩的结构示意图；

图3为图2的仰视结构示意图；

图4为本发明高度调节运动机构的结构示意图；

图5为本发明高度调节运动机构驱动方式示意图；

图中：1为被焊工件；2为填充焊道；3为激光束；4为导电嘴；5为填充焊丝；6为法兰；7为气保护拖罩；701为吹气面；8为高度调节模块；9为高度调节杆；10为伺服马达；11为高度传感器；12为传感器电缆；13为可编程控制器；14为外部控制电缆；15为伺服马达控制电缆；16为主保护气接口；17为副保护气接口；18为气流镇静筛；19为主保护气流管；20为主保护气流；21为副保护气流管；22为副保护气流，23为高度调节器基座；24为滑轨支座；25为连接螺栓；26、高度调节运动机构。

具体实施方式

主要发明内容：

（1）一种厚板超窄间隙激光填丝焊接用的气保护装置（如图1所示），通过高度传感器11监测气保护拖罩7与被焊工件1上表面之间的距离，监测数据通过传感器电缆12输入可编程控制器13；可编程控制器13控制伺服马达10驱动气保护拖罩7上下运动，实现对气保护拖罩7的高度自适应调节。

（2）该装置由下述部件组成：法兰6、气保护拖罩7、高度调节模块8、高度调节杆9、伺服马达10、高度传感器11、传感器电缆12、可编程控制器13、外部控制电缆14和伺服马达控制电缆15。法兰6用于气保护装置与焊枪或其它外部装置连接；气保护拖罩7的高度调节运动机构26由高度调节模块8、高度调节杆9和伺服马达10组成，高度调节模块8不动，高度调节杆9带动气保护拖罩7运动；气保护拖罩7与高度调节杆9通过螺栓连接，吹气面701与待焊工件平行；高度传感器11通过螺栓固定在气保护拖罩7的两侧，吹气面701与高度传感器11的感应面齐平，保证感应时的高度准确。

（3）可编程控制器13通过传感器电缆12、外部控制电缆14和伺服马达控制电缆15分别于高度传感器11、外部控制系统和伺服马达10连接。其中外部控制系统（如机器人）通过外部控电缆14控制可编程控制器13的启动与关闭：焊接过程开始时，开启可编程控制器13，实现气保护拖罩高度的自适应调节；焊接过程结束后，关闭可编程控制器13，气保护拖罩返回初始位置（高度最高处）。

（4）高度调节杆9与高度调节模块8的连接如图4所示。其中高度调节模块8由高度调节器基座23、滑轨支座24通过连接螺栓25连接组成。高度调节器座23套设高度调节杆9上，滑轨支座24通过连接螺栓25将未卡设在高度调节杆9的端面固定在高度调节器基座23上，高度调节杆9与滑轨支座24为典型的直线导轨结构，高度调节杆9的截面为工字型，与其相匹配的滑轨支座24卡设在高度调节杆9上，可沿高度调节杆9上下滑动。

高度调节杆9与伺服马达10的连接如图5所示，为齿轮齿条结构。伺服马达10旋转带动高度调节杆9沿高度调节模块8中滑轨支座24上下运动，从而实现高度调节。

（5）当高度传感器11监测值大于零位设置值时，可编程控制器13驱动伺服马达10驱动高度调节杆9沿高度调节模块8向下运动，直至监测值与零位设置值相等；反之，当高度传感器11监测值小于零位设置值时，可编程控制器13驱动伺服马达10驱动高度调节杆9沿高度调节模块8向上运动，直至监测值与零位设置值相等。

（6）气保护拖罩7高度调节范围为0mm～110mm，调节精度0.5mm，响应时间0.1s；可编程控制器13的响应时间为0.1s；高度传感器的测量精度0.1mm；气保护拖罩7与被焊工件1上表面的距离为3mm～10mm。

（7）气保护拖罩结构如图2所示：拖罩前部为主保护气流，用于抑制金属蒸气羽和保护熔池；后部为副保护气流，用于保护焊缝；主保护气流经主保护气接口16、气流镇静筛18和主保护气流管19吹入被焊工件焊接区域，流量为20 L/min～ 50L/min；副保护气流经副保护气接口17、气流镇静筛18和副主保护气流管21吹入被焊工件坡口，流量为15 L/min～ 40L/min，主保护气流管19和副保护气流管21为铜管。

（8）气保护拖罩的主、副气流以倾斜的形式吹向被焊工件上表面，其倾斜的角度相同，并同时向焊接方向倾斜（如图2所示），气流与被焊工件上表面的夹角为30-80°，采用倾斜的形式进行气保护，可以加大主、副气流的流量，即使流量大，也不会产生紊流。

采用本发明气保焊装置进行高强钢厚板的窄间隙激光填丝焊接，主要设备为机器人激光填丝焊接系统及本发明所述气保焊装置。具体实施方式如下：

（1）气保护拖罩初始位置及零位设置：高度自适应调节装置处于关闭状态时，气保焊拖罩处于初始位置，即气保焊拖罩的最高位置；气保护拖罩与被焊工件上表面距离5mm处为气保护拖罩的零位。

（2）打底焊道焊接：机器人运行至打底焊道起弧位置后暂停运动，通过外部控制电缆向私服马达发出开启信号，高度自适应调节装置开始进行气保护拖罩高度监测及自适应调节。气保焊拖罩在私服马达的驱动下沿高度调节模块向下运动至距被焊工件上表面5mm（设置值）处，可编程控制器向机器人反馈信号，机器人启动焊接。打底焊道收弧后，机器人暂停运动，通过外部控制电缆向可编程控制器发出关闭信号，可编程控制器驱动伺服马达将气保护拖罩沿高度调节杆运动至初始位置并锁定。

（3）填充焊道焊接：机器人运行至填充焊道起弧位置后暂停运动，通过外部控制电缆向私服马达发出开启信号，高度自适应调节装置开始进行气保护拖罩高度监测及自适应调节。具体调节过程与打底焊道焊接时气保焊拖罩高度调节相同。