脉动负压激光增强型锁孔TIG焊接装置的制作方法

本实用新型专利涉及焊接设备技术领域，尤其涉及脉动负压激光增强型锁孔TIG焊接装置。

背景技术：

锁孔TIG(K-TIG)焊接技术是由澳大利亚政府联邦科学和工业研究组织(CSIRO) 开发的一种高速的单程全熔透焊缝焊接技术，与传统TIG焊相比，通过对焊枪结构进行调整，实现对钨极的高速冷却，使得电弧能量和电弧压力显著增加，同时在焊接过程中可形成一个高度稳定、自我纠错的全熔透焊接小孔，形成与穿孔型等离子弧相似的穿孔型焊接，实现大厚部件的高质量焊接。通常厚度在16mm以下的材料(如铁素体不锈钢、奥氏体不锈钢、双相不锈钢、钛合金、锆合金等)既不需要填丝也不需要开坡口，却能够以比传统 TIG焊接技术快100倍的速度进行焊接，实现单面焊接双面成型，生产效率较传统TIG焊大大提高。但在焊接厚板时，锁孔TIG由于电流较大且电弧形态与等离子弧相比较为舒展，使得热影响区范围较大，同时锁孔形状呈碗型，熔透区间很窄，实际应用过程中很难获得合适的参数，因此只能焊接液体表面张力系数比较高的金属，比如说钛合金，应用范围与实用性受到极大限制。

激光焊接技术是利用高能量密度的激光束作为热源的一种高效精密焊接方法。与传统的焊接方法相比，激光焊由于具有功率密度高、焊接速度快、热输入量小以及焊后变形小等显著优点，目前已在汽车制造、造船、航空航天、电子等工业领域得到了广泛的应用。但是激光焊接同时也存在焊接质量不稳定、材料对激光反射率高、接头性能差等缺点。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于针对上述技术问题，提供一种稳定的穿透力强的焊接装置。

为实现以上目的，本实用新型采用的技术方案为：脉动负压激光增强型锁孔TIG焊接装置，包括中空钨极、夹持中空钨极的钨极夹、与中空钨极同轴连接的真空负压管和绝缘气管(中空钨极、真空负压管、绝缘气管与真空负压接头外表面的同轴度在3μm以下)、激光器、激光器固定架、设置在激光器与中空钨极中央空腔之间的高透光玻璃、焊枪外体、导电体、隔离环、转接杆、转接头、导电杆绝缘套、气体转接头、真空负压接头、起绝缘保护作用的上绝缘体、下绝缘体和气罩、起锁紧作用的上螺母、下端螺母、锁紧螺母、脉冲电磁阀门、真空压力表、压力储罐、抽气泵。

下绝缘体分别在与导电体和焊枪外体的接触面处开有凹槽，与它们之间形成两个水通道；下绝缘体连接冷却水进水管，焊枪外体连接冷却水出水口；两个水通道通过下绝缘体上开设的通孔相连通，通过冷却水在两个水通道之间的循环，对钨极和焊枪进行强制冷却。冷却水由转接头流入下绝缘体，通过下绝缘体的两个水通道分别流向导电体和焊枪外体，冷却水在下绝缘体与导电体之间水通道的流动冷却钨极，冷却水在下绝缘体与导电体之间水通道的流动冷却焊枪。

在绝缘气管上部设有真空负压接头，与绝缘气管、真空负压管及中空钨极相连，与脉冲电磁阀门、压力储罐和抽气泵共同作用达到脉动负压状态，有效约束电弧形态，减小焊缝热影响区，增强电弧穿透力，且脉动的负压状态可使电弧产生震荡作用，对熔池有搅拌的效果，细化焊缝组织，配合激光增强作用，优化焊缝深宽比，焊缝成形更加美观。

脉冲电磁阀门由脉冲信号发生器控制，脉动负压频率范围为0～1KHz。

绝缘气管和真空负压管是中空的锥台，中空钨极为对称锥形，锥极直径为6～12mm，绝缘气管、真空负压管和中空钨极锥角均为60°，其内孔用于抽气形成脉动负压状态和透射激光。该锥形内孔便于汇聚激光，使激光功率密度分布均匀，增大激光功率密度，获得更大的焊接熔深。

气罩与焊枪外体之间形成面接触，连接面涂有导热硅脂，保证热量的有效散失。

激光器为半导体型激光器，波长为1064nm，光束聚焦后光斑直径为0.1mm，功率为 750W。

下绝缘体和导电体、及下绝缘体与焊枪外体之间均设有O型密封圈。

上绝缘体和下绝缘体为高强度绝缘塑料，隔离环为陶瓷材料。

激光器被锁孔焊枪上端的激光器固定架固定在激光气体转换头正上方，射出的激光经过光路系统的传递和出光头的聚焦，进入锁孔焊枪枪体中央，穿插过中空电极的中心孔，依次经过高透光玻璃、真空负压接头中央空腔、绝缘气管中央空腔、真空负压管中央空腔、中心钨极中央空腔后射出。

转接头上部装有玻璃片，用于透过激光并防止气体从上侧溢出，保证负压状态。

本实用新型脉动负压激光增强型锁孔TIG焊接装置是激光束穿过中空钨极聚焦于焊接工件的表面，激光束与锁孔TIG电弧共同作用于同一熔池而实现焊接的，对8-14mm，填丝情况下8-16mm的待焊材料具有良好的焊接效果。锥形中空锁孔TIG焊接装置，通过激光内部或者外部增强，使锁孔TIG在熔池底部实现稳定小尺寸匙孔形状动态控制，保证焊接过程的稳定性，改善了锁孔TIG的焊接质量，使焊缝形状更为合理，焊接过程更加稳定，同时脉动抽真空装置在中空钨极顶端形成负压环境，有效约束电弧形态，减小焊缝热影响区，增强电弧穿透力，且脉动的负压状态可使电弧产生震荡作用，对熔池有搅拌的效果，细化焊缝组织，配合激光增强作用，优化焊缝深宽比，焊缝成形更加美观，实现焊缝质量和焊接效率的提升与优化。具体有以下优点：

1.通过激光增强，使锁孔TIG在熔池底部实现稳定的穿孔状态，保证焊接过程的稳定性，改善了锁孔TIG的焊缝截面形状和焊接质量；

2.脉动负压状态可有效约束电弧形态，减小焊缝热影响区，增强电弧穿透力，且脉动的负压状态可使电弧产生震荡作用，对熔池有搅拌的效果，细化焊缝组织，配合激光增强作用，优化焊缝深宽比，焊缝成形更加美观

3.由于激光的形态较为收缩，可在在同等熔深的情况下减小锁孔TIG电弧的热输入，缩小热影响区的范围，改善组织；

4.锁孔TIG电弧与激光相互增强，电弧对工件表面有软化作用，会在一定程度上稀释光致等离子体和金属蒸汽，降低金属表面对激光的反射率，提高激光利用率。

附图说明

图1：本实用新型脉动负压激光增强型锁孔TIG焊接装置结构示意图；

图2：本实用新型脉动负压激光增强型锁孔TIG焊接装置焊接连接图。

其中：1.高透光玻璃；2.激光器固定架；3.顶部盖板；4.上螺帽；5.上绝缘体；6.导电体；7.真空负压管；8.下绝缘体；9.隔离环；10.钨极夹；11.锁紧螺母；12.气罩；13.中空钨极；14.下端螺母；15.焊枪外体；16.转接头；17.接线杆；18.导电杆绝缘套；19.气体转接头；20.绝缘气管；21.真空负压接头；22.激光器；23.光纤；24.气体脉冲电磁阀门；25.压力表；26.压力储罐；27.抽气泵。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本实用新型作进一步说明。

如图1所示，脉动负压激光增强型锁孔TIG焊接装置，包括高透光玻璃1、激光器固定架2、顶部盖板3、上螺帽4、上绝缘体5、导电体6、真空负压管7、下绝缘体8、隔离环9、钨极夹10、锁紧螺母11、气罩12、中空钨极13、下端螺母14、焊枪外体15、转接头16、接线杆17、导电杆绝缘套18、气体转接头19、绝缘气管20、真空负压接头21、激光器22、光纤23、脉冲电磁阀门24、真空压力表25、压力储罐26、抽气泵27。中空钨极13被钨极夹10 夹持，并通过锁紧螺母11固定在导电体6上，导电体6装配在焊枪外体15内，其上、下两端分别安装有上绝缘体5、下绝缘体6，顶部盖板3在上螺帽4的锁紧作用下对焊接装置内部构件进行纵向固定；为了保证抽气气路顺畅，中空钨极13上部依次装有真空负压管7、绝缘气管20、真空负压接头21。

下端螺母14通过一凸台将气罩12与焊枪外体15锁紧，隔离环9被安装在气罩12与导电体6之间，起到绝缘和改变气路的作用。接线杆17与导电体6连接，气体转换头19与上绝缘体5连接，转接头16与下绝缘体8连接。

激光器22通过激光器固定架2被固定在激光气体转换头21正上方，射出的激光经过依次经过高透光玻璃1、真空负压接头21中央空腔、高压气体绝缘顶丝20中央空腔、真空负压管7中央空腔、中空钨极13中央空腔后射出。

下绝缘体8与导电体6，及下绝缘体8与焊枪外体15之间均设有O型密封圈，下绝缘体8 分别与导电体6与焊枪外体15之间形成两个水通道；下绝缘体8连接冷却水进水管16，焊枪外体15连接冷却水出水口；两个水通道通过下绝缘体上开设的通孔相连通，分别对钨极和焊枪进行循环冷却。

中空钨极13端部为对称锥形，直径为6～12mm，端部锥角为60°，其内孔为锥孔，锥度为1/10，其内孔用于抽气形成脉动负压状态和透射激光，其中钨极下端内孔直径为0.2mm。上绝缘体和下绝缘体均为高强度绝缘塑料，隔离环9为陶瓷材料。焊接电源选用奥泰 WSME-630型焊机，电流在20～630A内可调，直流反接时脉冲电流、频率、占空比均可高精度预置。

冷却水循环设备选用CW-5300型冷水机，冷却水温度最低可达1.5℃。

焊接厚度为12mm的304不锈钢，焊接接头形式为对接接头，焊前依次确认冷却水循环，导电通道连通，气体通道效果，焊接时依次建立水、电、气连接，先开启冷却水循环系统，启动电源，设定合适的参数后开始焊接。如图2所示，焊接前先抽气使压力储罐达到负压状态，随后开启锁孔TIG焊接电源起弧，待电弧稳定后，用脉冲信号发生器控制脉冲电磁阀门，使中空钨极内部形成脉动负压状态，负压频率为100Hz，最后开启激光电源，激光束焦点在熔池底部，通过激光增强与脉动负压相互结合，有效约束电弧形态，使锁孔TIG 在熔池底部实现稳定小尺寸匙孔形状动态控制，有效减小焊缝热影响区，优化焊缝深宽比，保证焊接过程的稳定性，使焊缝形状更为合理，焊缝成形更加美观，实现焊缝质量和焊接效率的提升与优化。

实施例仅说明本实用新型的技术方案，而非对其进行任何限制；尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，对于本领域的普通技术人员来说，依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型所要求保护的技术方案的精神和范围。