體壓縮法控制等離子體的固定雷射深熔焊接噴嘴及其控制方法
2023-10-24 01:01:37
專利名稱：體壓縮法控制等離子體的固定雷射深熔焊接噴嘴及其控制方法
技術領域：
本發明涉及一種固體雷射深熔焊接噴嘴及其控制方法，應用於固體雷射器進行雷射深熔焊接過程中光致等離子體的控制，屬於雷射焊接領域。
背景技術：
雷射焊接技術已成為材料加工領域的重要連接手段之一，雷射焊接技術的難點主要在於焊接過程的不穩定性。主要表現為焊接過程中光致等離子體的形態波動和上下起伏，其結果是焊接熔池的擾動和焊接過程的中斷，從而影響焊縫成形和焊接過程的穩定性。 因此，改善焊接過程穩定性的重要方法就是光致等離子體的控制。目前，光致等離子體的控制方法有以下幾種
一、利用輔助氣體通過合適的角度和方位作用在光致等離子體上，以期改善雷射焊接過程的穩定性，但是，這種方法一般未對輔助氣體的氣流壓力與等離子體膨脹力的對應關係加以考慮，致使輔助氣體會對熔池和等離子體帶來衝擊，加劇熔池的擾動和等離子體的形態波動。二、採用填充焊絲或粉末作用在等離子體區域，能夠加強等離子體與雷射和熔池的能量耦合，可是等離子體有加劇膨脹的趨勢。三、利用等離子體的電磁特性外加輔助電磁場作用在對光致等離子體區域，該法對等離子體的作用效果不太顯著。四、抽真空法，在近似真空的環境中，加劇等離子體的湮滅，可是技術難點限制了其應用。由此可知目前還未有適當的技術手段，能夠有效地改善雷射焊接過程的穩定性。
發明內容
為了有效地控制採用固體雷射器時，雷射深熔焊接過程中的光致等離子體，本發明提供了一種採用體壓縮法控制雷射熔深焊接光致等離子體的方法，該方法能全方位壓縮等離子體，同時抑制環境氣氛對等離子體和熔池的衝擊，從而獲得穩定的焊接過程。為實現以上的技術目的，本發明將採取以下的技術方案
一種採用體壓縮法控制雷射熔深焊接光致等離子體的方法，採用輔助氣流的動力壓縮和雷射焊接噴嘴冷卻頭的冷卻壓縮控制光致等離子體的上浮和橫向擴張，並通過保護氣流抑制環境氣氛對光致等離子體和熔池的擾動，以獲得穩定的光致等離子體。進一步地，將輔助氣流經過倒錐形設置的雷射焊接噴嘴內流道收縮後，通過雷射焊接噴嘴冷卻頭作用於光致等離子體，實現輔助氣流的動力壓縮；將雷射焊接噴嘴冷卻頭配置冷卻裝置，促使置於光致等離子體上方的雷射焊接噴嘴冷卻頭能夠通過冷卻的方式壓制光致等離子體的上浮和橫向擴張。本發明的另一個技術目的是提供一種基於上述採用體壓縮法控制雷射熔深焊接光致等離子體方法的雷射焊接噴嘴，包括外殼體以及固定安裝於外殼體內的噴嘴主體，且噴嘴主體外壁與外殼體內壁之間存在間隙；所述噴嘴主體配置有用於控制光致等離子體的輔助氣流裝置、保護氣流裝置以及冷卻裝置；輔助氣流裝置包括輔助氣流輸入導管；保護氣流裝置包括保護氣腔室以及與保護氣腔室連通的保護氣流輸入導管；冷卻裝置包括冷卻室以及分別與冷卻室連通的冷卻液輸入導管、冷卻液輸出導管；保護氣腔室、冷卻室通過置於噴嘴主體外壁與外殼體內壁所形成間隙內的套管分隔而成，所述套管的兩端均與噴嘴主體的外壁液密封連接；噴嘴主體的內流道通過透光玻璃板分隔成上腔室和下腔室，透光玻璃板與噴嘴主體的內壁氣密封連接，所述下腔室包括按照雷射入射方向順序連接的圓柱段、收縮段以及擴張段，且收縮段的小端與擴張段的小端光滑過渡連接，圓柱段與輔助氣體輸入導管連通，而擴張段的大端為噴嘴主體的噴射口。所述外殼體按照噴嘴主體內雷射的發射方向分體設置為上外殼分體和下外殼分體；上外殼分體與噴嘴主體連接，下外殼分體靠近上外殼分體的一端與噴嘴主體固定，而下外殼分體背離上外殼分體的另一端活動設置，且噴嘴主體外壁與外殼體內壁之間存在的間隙為噴嘴主體外壁與下外殼分體內壁之間所存在的環形間隙。所述套管的兩端面分別與下腔室收縮段的大端以及下腔室擴張段的大端相齊平。所述保護氣腔室通過均衡氣篩分隔成保護氣進氣室以及保護氣均衡出氣室，該均衡氣篩包括環形連接件以及均布在環形連接件環面上的氣孔；所述環形連接件的內圓面固定安裝在噴嘴主體的外壁，所述氣孔的出口端面與下腔室收縮段的大端齊平，所述保護氣輸入導管與保護氣體進氣室連通。所述冷卻液輸入導管靠近噴嘴主體的出口設置，而冷卻液輸出導管靠近下腔室收縮段的大端設置。與冷卻室相對應的噴嘴主體的外壁開設導流槽。根據以上的技術方案，可以實現以下的有益效果
雷射從噴嘴主體軸線入射到噴嘴下方的工件表面，焊接過程中產生的光致等離子體的上浮和膨脹會受到噴嘴主體冷卻頭(最下端錐形主體冷卻頭)的冷壓縮，噴嘴主體冷卻頭用冷卻液降溫，並在噴嘴主體上開設導流槽，以利於冷卻液的循環，使噴嘴主體冷卻頭對光致等離子體具有良好冷壓縮效果。同時，噴嘴主體內流道的下腔室包括按照雷射入射方向順序連接的圓柱段、收縮段以及擴張段，與其上腔室用雷射透射玻璃板分開，輔助氣體進入下腔室後會先在收縮段產生壓縮，再經擴張段流出，通過調整收縮段、擴張段二者的錐度以及連接過渡曲線，使得擴張段噴出的氣流壓力分布與光致等離子體的膨脹力分布相匹配，從而有效地控制等離子體的擾動和上下起伏，使等離子體只能橫向擴張，而其橫向擴張又受到了下端擴張段所配置冷卻裝置的冷壓縮。保護氣體進入保護氣導管後，經均衡氣篩後獲得流態良好的氣流，作用在工件表面，抑制環境氣氛對等離子體和熔池的衝擊，同時也抑制噴嘴與工件間隙處的等離子體橫向擴張。從而，雷射深熔焊接時，採用該噴嘴，可以有效地控制等離子體的形態波動和上下起伏，使等離子體在焊接過程中維持穩定的狀態。另外，本發明結構簡單、小巧，便於安裝和焊接過程中的調節，採用本發明可以在利用固體雷射器的雷射深熔焊接時抑制等離子體的向上、橫向的膨脹，全方位的壓縮等離子體，有效的維繫等離子體的穩定性，從而易於獲得穩定的焊接過程和良好的焊縫成形，能夠廣泛地應用於雷射焊接領域。
圖I是本發明所述雷射焊接噴嘴的結構示意圖2是本發明所述雷射焊接噴嘴的噴嘴主體結構示意其中上外殼分體I ;定位螺釘2 ;透光玻璃板3 ;保護氣流輸入導管4 ;均衡氣篩5 ;第一密封圈6 ;冷卻液輸入導管7 ;套管8 ;第二密封圈9 ;下外殼分體10 ;冷卻液輸出導管11 ； 輔助氣流輸入導管12 ;第三密封圈13 ;卡環14 ;噴嘴主體15 ;下腔室擴張段16 ;下腔室擴張段與下腔室收縮段之間的過渡連接曲線17 ;導流槽18 ;下腔室收縮段19。A為雷射入射方向。
具體實施例方式附圖非限制性地公開了本發明所涉及優選實施例的結構示意圖；以下將結合附圖詳細地說明本發明的技術方案。本發明公開了一種採用體壓縮法控制雷射熔深焊接光致等離子體的方法，其採用三種並行方式進行光致等離子體的控制，即採用輔助氣流的動力壓縮和雷射焊接噴嘴冷卻頭的冷卻壓縮控制光致等離子體的上浮和橫向擴張，並通過保護氣流抑制環境氣氛對光致等離子體和熔池的擾動，以獲得穩定的光致等離子體。其中，本發明將輔助氣流經過倒錐形設置的雷射焊接噴嘴內流道收縮後，通過雷射焊接噴嘴冷卻頭作用於光致等離子體，實現輔助氣流的動力壓縮；將雷射焊接噴嘴冷卻頭配置冷卻裝置，促使置於光致等離子體上方的雷射焊接噴嘴冷卻頭能夠通過冷卻的方式壓制光致等離子體的上浮和橫向擴張。本發明的另一個技術目的是提供一種基於上述採用體壓縮法控制雷射熔深焊接光致等離子體方法的雷射焊接噴嘴，如圖I至2所示，該雷射焊接噴嘴包括外殼體以及固定安裝於外殼體內的噴嘴主體，且噴嘴主體外壁與外殼體內壁之間存在間隙；所述噴嘴主體配置有用於控制光致等離子體的輔助氣流裝置、保護氣流裝置以及冷卻裝置；輔助氣流裝置包括輔助氣流輸入導管；保護氣流裝置包括保護氣腔室以及與保護氣腔室連通的保護氣流輸入導管；冷卻裝置包括冷卻室以及分別與冷卻室連通的冷卻液輸入導管、冷卻液輸出導管；保護氣腔室、冷卻室通過置於噴嘴主體外壁與外殼體內壁所形成間隙內的套管分隔而成，所述套管的兩端均與噴嘴主體的外壁通過第一密封圈、第二密封圈液密封連接，且套管通過螺紋配合連接的方式與噴嘴主體固定；噴嘴主體的內流道通過透光玻璃板分隔成上腔室和下腔室，本發明中，在透光玻璃板上方設置卡環，以對透光玻璃板的安裝位置進行限制，而在透光玻璃板的下方設置第三密封圈，使得透光玻璃板與噴嘴主體的內壁氣密封連接，另外，本發明對卡環施加預緊力，使得卡環能夠卡在噴嘴主體的內壁，導致透光玻璃板能夠緊壓第三密封圈；所述下腔室包括按照雷射入射方向順序連接的圓柱段、收縮段以及擴張段，且收縮段的小端與擴張段的小端光滑過渡連接，圓柱段與輔助氣體輸入導管連通， 而擴張段的大端為噴嘴主體的噴射口。所述外殼體按照噴嘴主體內雷射的發射方向分體設置為上外殼分體和下外殼分體；上外殼分體通過定位螺釘與噴嘴主體連接，因此，通過調節定位螺釘與噴嘴主體的軸向安裝位置，實現本發明所述整個噴嘴的定位高度；下外殼分體靠近上外殼分體的一端與噴嘴主體固定，而下外殼分體背離上外殼分體的另一端活動設置，且噴嘴主體外壁與外殼體內壁之間存在的間隙為噴嘴主體外壁與下外殼分體內壁之間所存在的環形間隙。所述套管的兩端面分別與下腔室收縮段的大端以及下腔室擴張段的大端相齊平。所述保護氣腔室通過均衡氣篩分隔成保護氣進氣室以及保護氣均衡出氣室，該均衡氣篩包括環形連接件以及均布在環形連接件環面上的氣孔；所述環形連接件的內圓面固定安裝在噴嘴主體的外壁， 所述氣孔的出口端面與下腔室收縮段的大端齊平，所述保護氣輸入導管與保護氣體進氣室連通。所述冷卻液輸入導管靠近噴嘴主體的出口設置，而冷卻液輸出導管靠近下腔室收縮段的大端設置。與冷卻室相對應的噴嘴主體的外壁開設導流槽，用於對輸入的冷卻液進行引流循環。使用時，輔助氣體通過輔助氣流輸入導管進入下腔室，經下腔室收縮段的壓縮處理後，通過下腔室擴張段的大端出口作用於等離子體。保護氣體從保護氣流輸入導管進入保護氣進氣室後，經均衡氣篩的均衡處理後，通過保護氣均衡出氣室的出口作用在工件表面。冷卻液通過冷卻液輸入導管輸入冷卻室，經導流槽引流循環後，從冷卻液輸出導管流出，從而對下腔室進行有效的冷卻。同時，冷卻液輸入導管靠近下腔室的大端設置，即有效地冷卻了噴嘴的冷卻頭，對光致等離子具有良好的冷卻壓縮效果。雷射焊接時，通過調節輔助氣體流量的大小和輔助氣體流量，匹配其他相應的焊接工藝參數，就可以有效控制等離子體以獲得穩定的焊接過程和良好的焊縫成形。
權利要求
1.一種採用體壓縮法控制雷射熔深焊接光致等離子體的方法，其特徵在於採用輔助氣流的動力壓縮和雷射焊接噴嘴冷卻頭的冷卻壓縮控制光致等離子體的上浮和橫向擴張， 並通過保護氣流抑制環境氣氛對光致等離子體和熔池的擾動，以獲得穩定的光致等離子體。
2.根據權利要求I所述採用體壓縮法控制雷射熔深焊接光致等離子體的方法，其特徵在於將輔助氣流經過倒錐形設置的雷射焊接噴嘴內流道收縮後，通過雷射焊接噴嘴冷卻頭作用於光致等離子體，實現輔助氣流的動力壓縮；將雷射焊接噴嘴冷卻頭配置冷卻裝置， 促使置於光致等離子體上方的雷射焊接噴嘴冷卻頭能夠通過冷卻的方式壓制光致等離子體的上浮和橫向擴張。
3.一種基於權利要求I所述採用體壓縮法控制雷射熔深焊接光致等離子體方法的雷射焊接噴嘴，包括外殼體以及固定安裝於外殼體內的噴嘴主體，且噴嘴主體外壁與外殼體內壁之間存在間隙；其特徵在於所述噴嘴主體配置有用於控制光致等離子體的輔助氣流裝置、保護氣流裝置以及冷卻裝置；輔助氣流裝置包括輔助氣流輸入導管；保護氣流裝置包括保護氣腔室以及與保護氣腔室連通的保護氣流輸入導管；冷卻裝置包括冷卻室以及分別與冷卻室連通的冷卻液輸入導管、冷卻液輸出導管；保護氣腔室、冷卻室通過置於噴嘴主體外壁與外殼體內壁所形成間隙內的套管分隔而成，所述套管的兩端均與噴嘴主體的外壁液密封連接；噴嘴主體的內流道通過透光玻璃板分隔成上腔室和下腔室，透光玻璃板與噴嘴主體的內壁氣密封連接，所述下腔室包括按照雷射入射方向順序連接的圓柱段、收縮段以及擴張段，且收縮段的小端與擴張段的小端光滑過渡連接，圓柱段與輔助氣體輸入導管連通，而擴張段的大端為噴嘴主體的噴射口。
4.根據權利要求3所述體壓縮法控制光致等離子體的雷射焊接噴嘴，其特徵在於所述外殼體按照噴嘴主體內雷射的發射方向分體設置為上外殼分體和下外殼分體；上外殼分體與噴嘴主體連接，下外殼分體靠近上外殼分體的一端與噴嘴主體固定，而下外殼分體背離上外殼分體的另一端活動設置，且噴嘴主體外壁與外殼體內壁之間存在的間隙為噴嘴主體外壁與下外殼分體內壁之間所存在的環形間隙。
5.根據權利要求3所述體壓縮法控制光致等離子體的雷射焊接噴嘴，其特徵在於所述套管的兩端面分別與下腔室收縮段的大端以及下腔室擴張段的大端相齊平。
6.根據權利要求3所述體壓縮法控制光致等離子體的雷射焊接噴嘴，其特徵在於所述保護氣腔室通過均衡氣篩分隔成保護氣進氣室以及保護氣均衡出氣室，該均衡氣篩包括環形連接件以及均布在環形連接件環面上的氣孔；所述環形連接件的內圓面固定安裝在噴嘴主體的外壁，所述氣孔的出口端面與下腔室收縮段的大端齊平，所述保護氣輸入導管與保護氣體進氣室連通。
7.根據權利要求3所述體壓縮法控制光致等離子體的雷射焊接噴嘴，其特徵在於所述冷卻液輸入導管靠近噴嘴主體的出口設置，而冷卻液輸出導管靠近下腔室收縮段的大端設置。
8.根據權利要求3所述體壓縮法控制光致等離子體的雷射焊接噴嘴，其特徵在於■ 與冷卻室相對應的噴嘴主體的外壁開設導流槽。
全文摘要
本發明公開了一種體壓縮法控制等離子體的固體雷射(固體雷射器是雷射器的一種，發射的雷射習慣稱為固體雷射)深熔焊接噴嘴及其實現控制的方法，該方法採用輔助氣流的動力壓縮和雷射焊接噴嘴冷卻頭的冷卻壓縮控制光致等離子體的上浮和橫向擴張，並通過保護氣流抑制環境氣氛對光致等離子體和熔池的擾動，以獲得穩定的光致等離子體。因此，採用本發明可以在利用固體雷射器的雷射深熔焊接時抑制等離子體的向上、橫向的膨脹，全方位的壓縮等離子體，有效的維繫等離子體的穩定性，從而易於獲得穩定的焊接過程和良好的焊縫成形，能夠廣泛地應用於雷射焊接領域。
文檔編號B23K26/14GK102601526SQ20121003797
公開日2012年7月25日 申請日期2012年2月20日 優先權日2012年2月20日
發明者周小衛, 張盛海, 李博, 沈以赴 申請人:南京航空航天大學