抑制厚板激光穿透焊接下塌缺陷的方法及气体加载装置制造方法及图纸

本发明专利技术属于激光焊接相关技术领域，其公开了一种抑制厚板激光穿透焊接下塌缺陷的方法及气体加载装置。该方法包括：在焊接厚板时，在厚板的焊缝背面设置气体加载装置，以冷却熔池。该气体加载装置包括：与厚板接触面直接接触的槽体以及控制装置，其中，控制装置用于控制槽体内气体的温度和流速。本发明专利技术首次提出在待焊厚板背面焊缝区域外加低温气体，提供低温和高压环境，调控熔池的热力学与动力学行为，加速焊接过程中熔池的凝固速率，对熔池提供支撑力的作用，抑制熔池向焊缝背面的流动，消除焊缝背面的下塌缺陷。本发明专利技术无需真空、电磁等设备，简单实用，可适应工业生产的实际需求。

【技术实现步骤摘要】
抑制厚板激光穿透焊接下塌缺陷的方法及气体加载装置
本专利技术属于激光焊接相关
，更具体地，涉及一种抑制厚板激光穿透焊接下塌缺陷的方法及气体加载装置。
技术介绍
厚板(板厚不小于20mm)焊接是轨道交通、船舶海洋及航空航天等领域高服役性能装备大型构件制造过程中的关键技术，这类构件具有厚壁大尺寸、接头形式及服役环境复杂等特点，其焊接质量直接决定了装备的服役性能和寿命。近年来，随着光纤激光器的诞生以及激光技术的不断进步，激光器的光束质量不断改善、光电转换效率不断提高、输出功率不断增大，基于此发展起来的厚板高功率激光焊接技术具有能量密度高、焊接速度快、热输入量小、柔性好、易于实现自动化等优势，使其成为了近年来厚板焊接领域的重要研究方向之一。然而，在厚板激光焊接过程中极易产生如图1所示的下塌缺陷，在下塌缺陷形成的同时，由于熔化金属在焊缝背面的聚集，还会导致焊缝下凹及咬边等缺陷，影响接头的性能。下塌缺陷产生的主要原因在于：一方面，厚板焊接厚板焊接需要大功率激光，该条件下激光与材料的相互作用剧烈，产生的光致羽辉数量多、速度快，熔池深度和宽度大，造成熔池所受的羽辉喷发反作用力和重力增大，熔池向焊缝背面流动的驱动力增加，从而导致下塌缺陷的形成倾向增加；另一方面，大功率激光热输入量大，熔池冷却与凝固速度慢，熔池向焊缝背面流动聚集的时间增加，亦会导致下塌缺陷的形成倾向增加。上述两方面因素的共同作用导致厚板激光焊接过程中极易形成下塌缺陷。因此，如何有效调控焊接过程熔池的受力和流动是下塌缺陷抑制的关键。现有的下塌缺陷抑制方法主要包括外加背面衬底、真空辅助焊接法和电磁辅助焊接法。其中，外加背面衬底法即在焊缝背面外加陶瓷等可承受高温的衬垫，通过直接接触熔池的方法支撑熔池，抑制熔化金属向焊缝背面的流动和聚集，从而达到消除焊缝背面下塌缺陷的目的；真空辅助焊接法即在真空环境下进行激光焊接，该条件下材料的熔沸点降低，光致羽辉的数量与熔化面积大幅减少，熔池所受到的羽辉喷发反作用力及重力显著减小，熔池向焊缝背面流动的倾向降低，从而达到消除焊缝背面下塌缺陷的目的；电磁辅助焊接法通过对待焊工件通电并外加磁场形成作用于熔池的洛伦兹力，补偿熔池背面表面张力的不足，维持熔池的受力平衡，抑制熔池向焊缝背面的流动，从而达到消除焊缝背面下塌缺陷的目的。现有研究多集中于通过改变熔池的受力状态从而抑制下塌缺陷的形成，具有各自局限性：外加背面衬底法需要在整个焊缝背面加入衬垫，由于衬底与工件不可能完全无间隙贴合，焊接过程中熔池会向间隙处流动，导致焊缝背面出现成形不均、未熔合及裂纹等缺陷，难以满足工业生产需要；真空辅助焊接法需要真空环境才能实现下塌缺陷的抑制，导致其焊件结构和尺寸受真空室环境限制、成本较高，难以满足工业生产的实际需求；电磁辅助焊接法需要在外加电场和磁场环境的协同作用下才能实现下塌缺陷的抑制，其工艺与设备复杂、电磁输出稳定性控制困难，亦难以满足工业生产的实际需求。因此，亟待设计一种可以有效抑制激光焊接下塌缺陷的方法及装置，以解决现有技术中焊接下塌缺陷的技术问题。
技术实现思路
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本专利技术提供了一种抑制厚板激光穿透焊接下塌缺陷的方法及气体加载装置，本专利技术首次提出在待焊厚板背面焊缝区域外加低温环境，加速焊接过程中熔池的凝固速率和流动行为，抑制熔池向焊缝背面的流动，消除焊缝背面的下塌缺陷。本专利技术无需真空、电磁等设备，简单实用，可适应工业生产的实际需求。为实现上述目的，按照本专利技术的一个方面，提供了一种抑制厚板激光穿透焊接下塌缺陷的方法，所述方法包括：在焊接厚板时，在所述厚板的焊缝背面设置气体加载装置，并将所述厚板与所述气体加载装置的开口密封，以实现所述气体加载装置中的气体与所述厚板直接接触，进而冷却熔池并通过气体压强对熔池施加一定的支撑力，其中，所述气体加载装置提供的气体温度范围为-50℃～25℃，提供的压强范围为1atm～1.1atm。优选地，所述气体加载装置的开口通过密封胶与厚板密封。优选地，所述气体为压缩空气、氮气或两者的混合气。按照本专利技术的另一个方面，提供了一种气体加载装置，所述气体加载装置包括开口与所述厚板直接接触的槽体以及控制装置，其中，所述控制装置用于控制所述槽体内气体温度和流速。优选地，所述控制装置包括混合室，所述混合室包括第一进口、第二进口和出口，其中，所述出口与所述槽体连接，所述第一进口和第二进口处均设有控制阀。优选地，所述混合室内设置与所述混合室密封接触的调节板，以通过调节所述调节板的位置控制进入所述槽体的气体速度和压强。优选地，所述混合室的外表面设有调节旋钮，所述调节旋钮用于调节所述调节板的位置。优选地，所述调节板的数量为两个，所述第一进口和第二进口设于两调节板之间区域。总体而言，通过本专利技术所构思的以上技术方案与现有技术相比，本专利技术提供的抑制厚板激光穿透焊接下塌缺陷的方法及气体加载装置至少具有如下技术效果：1.本申请的方法首次提出在厚板焊缝背面设置低温环境，通过抑制焊接过程中熔池的凝固速率和流动行为实现下塌缺陷的抑制，操作简单方便；2.本申请中气体温度的设置范围为-50℃～25℃，可以实现熔池凝固速率的有效调控，从而改善熔池的热力学行为；3.本申请中气体压强的设置范围为1atm～1.1atm，可以有效调控熔池背面所受的支撑力，从而改善熔池的动力学行为；4.本申请中的中低温气体为压缩空气、氮气或两者的混合气，环保无污染；5本申请中的低温装置包括控制装置，可实现对熔池冷却速率的精确控制，可在第一进口和第二进口内设置不同气体，通过调节两进口处气体的比例，进而控制混合气体的温度，进而调控熔池的凝固速率；6.通过设置调节板可以调节混合室内压力，进而控制出口的气体的流速和压强，进而控制熔池与气体温度的转换速度以及气体对熔池的支撑力大小；7.本申请与与外加背面衬底法相比，熔池不会产生受迫流动，成形不均、未熔合及裂纹等缺陷的形成倾向低；与真空辅助焊接法相比，该方法无需制造真空环境，焊接结构和尺寸不受真空室尺寸限制、适应性强、成本低廉；与电磁辅助焊接法相比，该方法无需制造电磁环境，焊接结构和尺寸不受电磁加载有效范围限制、工艺与设备简单、可控性好。附图说明图1示意性示出了根据本公开实施例的厚板焊接过程中下塌缺陷的示意图；图2示意性示出了根据本公开实施例的抑制厚板激光穿透焊接下塌缺陷的方法实施环境示意图；图3示意性示出了根据本公开实施例的气体加载装置的结构示意图；图4示意性示出了根据本公开实施例的气体加载装置的工作过程结构示意图；图5示意性示出了根据本公开实施例的图4所示结构A-A剖视图。在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：100-槽体，200-控制装置，210-调节板，220-第一进口，230-第二进口，240-调节旋钮，250-出口，110-槽体出口，120-开口。具体实施方式为了使本专利技术的目本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种抑制厚板激光穿透焊接下塌缺陷的方法，其特征在于，所述方法包括：在焊接厚板时，在所述厚板的焊缝背面设置气体加载装置，并将所述厚板与所述气体加载装置的开口密封，以实现所述气体加载装置中的气体与所述厚板直接接触，进而冷却熔池并通过气体压强对熔池施加一定的支撑力，其中，所述气体加载装置提供的气体的温度范围为-50℃～25℃，提供的压强范围为1atm～1.1atm。/n

【技术特征摘要】
1.一种抑制厚板激光穿透焊接下塌缺陷的方法，其特征在于，所述方法包括：在焊接厚板时，在所述厚板的焊缝背面设置气体加载装置，并将所述厚板与所述气体加载装置的开口密封，以实现所述气体加载装置中的气体与所述厚板直接接触，进而冷却熔池并通过气体压强对熔池施加一定的支撑力，其中，所述气体加载装置提供的气体的温度范围为-50℃～25℃，提供的压强范围为1atm～1.1atm。


2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述气体加载装置的开口通过密封胶与厚板密封。


3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述气体为压缩空气、氮气或两者的混合气。


4.一种权利要求1～3任意一项所述抑制厚板激光穿透焊接下塌缺陷的方法中的气体加载装置，其特征在于，所述气体加载装置包括开口(120)与所述厚板直接接触的槽体(100)以及控制装置(200)，其中，所述控制装置(200)用于控制所述槽体(100)内气体温度和流速。


5.根据权利要求4所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：张熊，王春明，米高阳，蒋平，邵新宇，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：湖北;42