一种具有侧吹气背保护功能的激光焊接夹具的制作方法

本实用新型涉及一种具有侧吹气背保护功能的激光焊接夹具, 属于激光焊接技术领域。

背景技术：

激光焊是利用高能量密度的激光束作为热源进行焊接的一种高效精密的焊接方法。激光焊对于一些特殊的材料及结构的焊接具有非常重要的作用，这种焊接方法在航空航天、电子、汽车制造、核工业等高新技术领域中的应用日益增多。薄板对接或搭接结构在飞机结构、船舶结构、汽车结构等方面应用较广。然而，目前开展的激光焊接应用工艺仅注意对激光焊缝正面的保护，而忽略对于全熔透型焊缝的背面保护，对于一些特殊合金材料(钛合金)，其在焊透的情况下，焊缝背面金属易与空气中的氧、氢、氮等元素相互反应，生成其它物质，从而导致焊缝冶金缺陷，并严重影响最终焊缝力学性能，使激光焊接工艺失效，因此对于全熔透型焊缝的背面保护极其重要。另外，在全熔透焊接过程中，背面保护气吹气方式的不同会改变熔池根部的表面张力和热源作用，从而影响焊缝背面成形，吹气方式不当会导致焊缝背面粘连的金属飞溅增多以及导致焊缝根部易产生咬边缺陷，因此采用合适的背保护吹气方式也极其关键。

目前，常用的具有背保护功能激光焊接夹具所采用的背保护方式为铜管底部吹气，该类型夹具存在以下几个问题：①采用铜管底部吹气的方式，熔池背面的背保护气流流速快、不均匀且扰动较大，保护气流垂直分量大，其对小孔和熔池的冲击效果强，破坏小孔受力平衡，引起小孔形状的不断振荡，进而造成熔池的不稳定和焊缝表面成形不均匀，甚至会产生较大的咬边缺陷；此外，背保护气槽内保护气体的不均匀流动增加熔池根部热量的散失，影响焊缝根部的液态金属表面张力流动，从而不利于熔池中心的液态金属向两侧铺展，导致焊缝背面熔宽有所减小；②铜管与工件间距小，全熔透焊接时激光束照射到铜管表面向熔池根部反射，反射的激光束热源作用于熔池根部所产生的金属蒸汽反冲压力导致焊缝背面飞溅数量增多，又由于背保护气槽空间狭小金属飞溅空间受限，因此更多的金属飞溅粘连到焊缝及其周围母材；③铜管长期暴露在激光束照射之下易被烧蚀；④背保护气槽尺寸固定不变无法参数化调节。因此，对于全熔透型焊缝，为了控制背保护气槽内气流的不均匀流动，减少熔池热量的散失，改善焊缝背面成形缺陷，避免激光对背保护装置的烧蚀，实现气槽尺寸的参数化调节，必须设计合理的激光焊接夹具来解决此类问题。

技术实现要素：

针对现有技术中存在的不足，本实用新型提供了一种具有侧吹气背保护功能的激光焊接装置，其通采用侧吹方式的背保护装置，实现对背面保护气流的控制，惰性气体通过背保护气盒均布的进气嘴进入，穿过气盒内空腔流速减缓，从数量多均匀分布的多排小孔水平吹出，气体流速缓慢而均匀，由于气流的垂直分量较小，对熔池的动量冲击效果不明显，有利于维持激光深熔焊过程中的小孔受力平衡，使熔池保持稳定并在凝固过程中形成均匀的焊缝；且均匀的侧吹气流使熔池背面热量散失少、保温效果好，有利于熔池根部液态金属向焊缝两侧铺展，既增加了焊缝背面宽度也减小了咬边倾向。另外，其采用侧吹式背保护方式，相比于铜管底部吹气方式，通过影响焊缝根部固-液-气三相界面张力更有利于熔池根部液态金属向焊缝两侧铺展，从而减小了焊缝根部的咬边倾向；相比于在焊缝背面布置高反射率铜管，本实用新型的夹具可有效减弱反射的激光束对熔池根部的作用，从而减小熔池根部金属蒸汽反冲压力，因此焊缝背面飞溅数量减少，同时背保护气槽空间增大，熔池背面产生的金属飞溅更多地向气槽下面飞落，因此粘连到焊缝及其母材周围的金属飞溅数量减少，达到提高焊缝表面质量的目的；采用侧吹方式的背保护功能可以避免激光对背保护装置的烧蚀问题；背保护气槽宽度可以实现灵活调节。

本实用新型不仅可通过控制背保护气槽内部气体的流动，达到改善焊缝根部成形、控制熔池背面飞溅和咬边等缺陷目的，也可简单有效的满足激光焊接对焊件精度的工装要求，具有结构紧凑，装配精度高，适应不同板材等优点。此外，本实用新型适用于汽车板、船用甲板、飞机甲板、冷热轧板、航空航天专用钛合金板材等各种工业制造领域的激光焊接工装要求。

为了实现本实用新型，其采用了如下技术方案：

一种具有侧吹气背保护功能的激光焊接夹具，包括底板、垫板、压板、气盒、铜板、前端板、后端板、快速压头和压块，所述垫板包括左垫板和右垫板，所述压板包括左压板和右压板，所述气盒包括左气盒和右气盒，所述铜板包括左铜板和右铜板，左压板和右压板分别对应地置于左垫板和右垫板上，左气盒和右气盒平行放置于底板工作平面上，装配后的左垫板和左压板置于左气盒左侧的底板工作平面上，装配后的右垫板和右压板置于右气盒右侧的底板工作平面上；左气盒和右气盒的上表面分别固定左铜板和右铜板；前端板和后端板分别固定在底板两端，第一螺栓穿过前端板、第二螺栓穿过后端板对左气盒和右气盒进行约束；其特征在于：所述左气盒和右气盒之间为背保护气槽，左气盒和右气盒相对的侧面均分布有多排出气小孔，左气盒和右气盒的另一侧面均设置有进气口，惰性气体从进气口输入，穿过气盒内空腔，从出气小孔排入背保护气槽内；待焊工件置于铜板上表面，焊缝与背保护气槽中心线重合，工件两端分别压上压块并通过快速压头进行约束。

进一步地，所述底板两端分别设置有立板，立板上有螺栓孔，第一螺栓穿过前端板和一立板对左气盒和右气盒前端进行约束，第二螺栓穿过后端板和另一立板对左气盒和右气盒后端进行约束。

进一步地，所述垫板和压板装配后的间距可调节，左气盒和右气盒的间距可调节。

进一步地，所述底板的两端均左右对称地设置有2个T型槽，T型槽的竖直部分的方向平行于底板的左右方向，垫板和压板的两端均分别设置有1个U型槽，装配后，垫板的U型槽、压板的U型槽和底板的T型槽位置对应，可以实现底板与垫板、压板之间的快速固定，左气盒和右气盒之间的间距可在底板平面上滑动调节,垫板和压板装配后的间距可通过T型槽在底板工作平面上滑动调节进一步地，螺栓穿过U型槽将垫板和压板固定于底板T型槽上。

进一步地，所述压板与垫板装配面开有一个矩形通槽，用于工件的快速装卸，压板上表面开有螺钉孔，用于固定快速压头。

进一步地，所述气盒是空腔结构，外形尺寸500mm×60mm×30mm，腔体壁厚5mm，气盒一侧面开有4个直径12mm的进气孔，另一侧面开有三排出气孔，出气孔直径d=2mm，孔间距10mm，排间距7mm。

进一步地，所述前端板和后端板分别开有螺纹孔和通孔，螺钉穿过螺纹孔将前端板和后端板与底板固定，螺栓穿过通孔对于气盒进行约束。

进一步地，所述的激光焊接接头为对接或搭接焊接，焊缝为焊透型。

进一步地，所述的激光焊接的光源包括半导体激光器、光纤激光器、碟片激光器、全固态激光器、灯泵固体激光器、二氧化碳激光器，以及以上各种激光与其它热源的复合光源。

本实用新型的技术效果如下：

（1）通过设计具有侧吹方式的背保护装置，实现对背面保护气流的控制。在全熔透焊接过程中，背保护气槽内的惰性气体从两气盒侧面均匀吹出，气流垂直分量小，对熔池的冲击作用小，熔池波动减小，不破坏小孔的受力平衡，因此有利于获得成形均匀的焊缝；而且，均匀的侧吹气流使熔池背面热量散失少、保温效果好，有利于熔池根部液态金属向焊缝两侧铺展，既增加了焊缝背面宽度也减小了咬边倾向；

（2）通过两背保护气盒与底板形成的背保护气槽，可以有效减少全熔透焊接过程中反射的激光束对熔池根部的作用，减少熔池根部金属反冲压力，从而减少了焊缝背面飞溅数量；另一方面，背保护气槽空间增大，熔池背面产生的金属飞溅更多地向气槽下面飞落，因此粘连到焊缝及其母材周围的金属飞溅数量减少，达到提高焊缝表面质量的目的；

（3）通过采用侧吹气的背保护装置，有效避免了在全熔透焊接过程中激光束对气槽内部背保护装置的烧蚀；

（4）实现了背保护气槽宽度的灵活调节功能；

（5）本实用新型不仅可通过控制背保护气槽内部气体的流动，达到改善焊缝根部成形、控制熔池背面飞溅和咬边等缺陷目的，也可简单有效的满足激光焊接对焊件精度的工装要求，具有结构紧凑，装配精度高，适应不同板材等优点。此外，本发明适用于汽车板、船用甲板、飞机甲板、冷热轧板、航空航天专用钛合金板材等各种工业制造领域的激光焊接工装要求。

附图说明

图1是本实用新型的结构示意图；

图2是图1的剖视图；

图3是气盒结构示意图；

图4是底板结构示意图；

图中：1-底板、2-左气盒、3-右气盒、4-右垫板、5-右压板、6-快速压头、7-右铜板、8-压块、9-左压板、10-左垫板、11-前端板、12-后端板、13-左铜板、14-背保护气槽、15-进气嘴、16-工件。

具体实施方式

下面结合具体实施例和说明书附图对本实用新型的一种具有侧吹气背保护功能的激光焊接夹具作进一步阐述，但本发明的保护内容并不限于以下实施例。

如图1所示，一种具有侧吹气背保护功能的激光焊接夹具，包括底板、左垫板和右垫板、左压板和右压板、左气盒和右气盒、右铜板、左铜板、压块、前端板、后端板、快速压头和背保护气槽，左压板和右压板分别对应地置于左垫板和右垫板上，左气盒和右气盒平行放置于底板工作平面上，装配后的左垫板和左压板压板置于左气盒左侧的底板工作平面上，装配后的右垫板和右压板压板置于右气盒右侧的底板工作平面上；左气盒和右气盒的上表面分别固定左铜板和右铜板；前端板和后端板分别固定在底板两端，螺栓穿过前端板和后端板对左气盒和右气盒进行约束；所述左气盒和右气盒之间形成背保护气槽，左气盒和右气盒相对的侧面均分布有多排出气小孔，左气盒和右气盒的另一侧面均设置有进气口，惰性气体从进气口输入，穿过气盒内空腔，从出气小孔排入背保护气槽内；待焊工件置于铜板上表面，焊缝与背保护气槽中心线重合，工件两端分别压上压块并通过快速压头进行约束。螺栓穿过底板T型槽和垫板、压板的U型槽将垫板和压板与底板固定。

图2是图1的剖视图。待焊工件置于铜板上表面，焊缝与背保护气槽中心线重合，工件两端分别压上压块并通过快速压头进行约束，工件可通过压板和垫板装配面之间的矩形通槽进行快速装卸。两气盒和两垫板的间距可在底板工作平面上灵活调节以得到最佳的背保护气槽宽度。焊缝正下方为背保护气槽，惰性气体从进气嘴进入，穿过气盒空腔从背保护气槽侧面均匀分布的小孔吹出，焊接接头为激光对接和搭接接头，焊缝为全熔透型，焊接过程中持续输出均匀的惰性保护气体可防止全熔透型焊缝背面被氧化，控制焊缝根部飞溅和咬边缺陷。全熔透焊接时会有部分激光束穿过熔池传递到背保护气槽底部，采用侧面保护的方式可以有效避免穿透的激光对背保护装置的烧损，确保装置长期稳定使用。

由图3的气盒的结构示意图可知，气盒的一面开有4个进气孔，惰性气体通过进气嘴进入气盒内腔再由均匀分布的出气小孔侧向吹出。均匀的侧吹气流一方面可以控制熔池背面气流的扰动，达到控制焊缝背面飞溅和咬边缺陷的目的；另一方面，稳定的惰性气体保护气氛可控制焊缝背面热量的散失，达到增加激光焊接熔深的目的。

图4是底板结构示意图。开设的T型槽一方面可以实现底板与垫板、压板之间的快速固定，另一方面T型槽的长度决定两组垫板和压板装配后的间距大小。

对于焊接材料对空气中氧、氢、氮、水等成分元素敏感的金属和非金属材料都能适用。本实用新型可用于热导焊和深熔焊，可使用的焊接光源包括半导体激光器、光纤激光器、碟片激光器、全固态激光器、灯泵固体激光器、二氧化碳激光器，以及以上各种激光与其它热源的复合激光焊接。