專利名稱：復(fù)雜空間形狀鈦合金薄壁件的激光焊接夾具與保護(hù)裝置的制作方法
復(fù)雜空間形狀鈦合金薄壁件的激光焊接夾具與保護(hù)裝置技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于焊接夾具與保護(hù)裝置領(lǐng)域，特別針對(duì)空間形狀復(fù)雜、焊接時(shí)易變形且易氧化的鈦合金薄壁件。背景技術(shù)：
在醫(yī)療、航空航天、汽車等領(lǐng)域，為了滿足外形美觀、流線型良好等要求，常涉及復(fù)雜空間形狀的薄壁件。對(duì)于一些較大型的復(fù)雜構(gòu)件很難整體一次成型，需要先分段制造再焊接為整體。這些薄壁件剛性差，在焊接過程中易變形，且對(duì)于激光焊等精密焊接而言，對(duì)焊縫位置的偏離很敏感，所以需要使用合適的焊接夾具定位以保證整體尺寸。目前常采用的方法是利用CAD技術(shù)提取待焊件三維模型，在此基礎(chǔ)上采用先進(jìn)的數(shù)控技術(shù)加工出與該構(gòu)件內(nèi)表面完全貼合的背靠模。這種夾具定位準(zhǔn)確，但復(fù)雜曲面的加工費(fèi)用高昂，不利于推廣。
另外，對(duì)于一些易氧化金屬，焊接過程中氣體保護(hù)非常重要，保護(hù)效果的好壞對(duì)鈦合金焊接接頭力學(xué)性能有很大影響。以航空業(yè)中廣泛使用的鈦合金為例，空氣中鈦在250°C 開始吸氫，50(TC開始吸氧，60(TC開始吸氮，且隨溫度升高，鈦吸收氣體的能力進(jìn)一步增強(qiáng)[I]。因此鈦合金焊接時(shí)必須采取惰性氣體保護(hù)措施或?qū)⒑讣糜谡婵帐抑?。但由于真空保護(hù)成本過高，工件尺寸也受到很大限制，因此鈦合金的激光焊接通常采用惰性氣體保護(hù)方法，對(duì)焊縫正面與背面的高溫區(qū)域進(jìn)行全面保護(hù)，直至溫度降至約200°C時(shí)為止。激光焊接中保護(hù)裝置對(duì)焊縫區(qū)的保護(hù)效果成為影響鈦合金焊接質(zhì)量的關(guān)鍵。國(guó)內(nèi)外焊接工作者也針對(duì)此設(shè)計(jì)了多種方案，北京有色金屬研究總院王家淳于2001年提到了帶有后拖保護(hù)罩的氣體保護(hù)裝置[2]，中國(guó)石化集團(tuán)高飛提到了針對(duì)圓管對(duì)接的專用環(huán)形拖罩[3]，北京工業(yè)大學(xué)曹娜于2006年設(shè)計(jì)了開放式的氣體保護(hù)槍[4]。意大利學(xué)者G. Tani [5] 2007年發(fā)表在《Applied Surface Science》上的文章中采用Fluent軟件模擬分析了噴嘴位置、氣體類型及流量的關(guān)系，據(jù)此設(shè)計(jì)了開放式的氣體保護(hù)槍。然而這些保護(hù)裝置僅僅針對(duì)直線焊縫或圓環(huán)焊縫而設(shè)計(jì)，但對(duì)于形狀復(fù)雜的鈦合金構(gòu)件，焊縫空間曲率變化較大，在焊接過程中，無論是后拖保護(hù)罩還是開放式氣體保護(hù)槍都存在“氣體保護(hù)死區(qū)”，保護(hù)效果欠佳。
因此，對(duì)于空間形狀復(fù)雜的鈦合金薄壁件激光焊接而言，需要解決夾具費(fèi)用高昂與氣體保護(hù)裝置難以實(shí)現(xiàn)兩個(gè)方面的問題。
[I]順洪，彭善德，鞏凡.TC4鈦合金激光搭接焊的研究[J].電焊機(jī)，2006. 36 (6) 24 - 29.
[2]王家淳.消除鈦合金激光焊接的缺陷[J].焊接技術(shù)，2001，30 (I) 16 一 17.
[3]高飛.鈦及鈦合金材料的焊接技術(shù)[J].石油化工建設(shè).2006. 28⑷38 — 42.
[4]曹娜.鈦合金激光焊接工作頭研制[D].北京北京工業(yè)大學(xué)，2006.
[5] Tani G, Ascari A, Campana G, et a I. A Study on shielding gas contamination in laserwelding of non-ferrous alIoys[J] · Applied SurfaceScience, 2007，254 904—907.
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種復(fù)雜空間形狀鈦合金薄壁件的激光焊接夾具與保護(hù)裝置，以解決上述技術(shù)問題。
為達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案予以實(shí)現(xiàn)。
一種復(fù)雜空間形狀鈦合金薄壁件的激光焊接夾具與保護(hù)裝置，包括夾具、氣體保護(hù)裝置和下部支撐座；所述夾具為背靠模；背靠模的外表面與焊件的內(nèi)表面吻合；焊件由第一待焊件與第二待焊件通過焊縫連接而成；第一待焊件與第二待焊件通過若干壓緊板固定于夾具上；第一待焊件與第二待焊件之間待焊接的縫隙正對(duì)背靠模上的通氣槽；氣體保護(hù)裝置包括保護(hù)側(cè)板、柔性銅罩和下部密封板；保護(hù)側(cè)板、柔性銅罩、下部密封板在焊件周圍形成封閉腔；通氣槽內(nèi)設(shè)有背面通氣管；柔性銅罩與焊件之間設(shè)有正面通氣管。
本發(fā)明進(jìn)一步的改進(jìn)在于背靠模使用原子灰為原料制成。
本發(fā)明進(jìn)一步的改進(jìn)在于通氣槽的三個(gè)面均包覆有薄鈦板。
本發(fā)明進(jìn)一步的改進(jìn)在于通氣槽內(nèi)設(shè)有兩根背面通氣管，所述背面通氣管上均勻分布有若干氣孔，所述兩根背面通氣管的進(jìn)氣方向相反。
本發(fā)明進(jìn)一步的改進(jìn)在于所述氣孔的直徑為2mm。
本發(fā)明進(jìn)一步的改進(jìn)在于背面通氣管從下部密封板兩側(cè)的孔中穿插而過。
本發(fā)明進(jìn)一步的改進(jìn)在于保護(hù)側(cè)板上設(shè)有間隙，柔性銅罩置于一對(duì)保護(hù)側(cè)板的間隙中；固定于激光頭上的側(cè)吹通氣管穿插于柔性銅罩上，柔性銅罩能夠在激光頭的帶動(dòng)下沿著與保護(hù)側(cè)板的間隙相同的軌跡移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)密封狀態(tài)下的焊接。
本發(fā)明進(jìn)一步的改進(jìn)在于所述夾具固定于下部支撐座上。
本發(fā)明進(jìn)一步的改進(jìn)在于保護(hù)側(cè)板通過側(cè)板調(diào)節(jié)板固定于下部密封板上。
相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)本發(fā)明解決了現(xiàn)有夾具數(shù)控加工周期長(zhǎng)、 費(fèi)用昂貴的問題，以及復(fù)雜軌跡焊縫氣體保護(hù)難以有效實(shí)現(xiàn)的問題；相比數(shù)控加工夾具的方法，原子灰背靠模夾具定位準(zhǔn)確、制備簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)實(shí)用；設(shè)計(jì)的氣體保護(hù)裝置容易加工、保護(hù)效果良好。

圖I為焊接夾具與氣體保護(hù)裝置整體結(jié)構(gòu)示意圖2為柔性銅罩透視后的焊接夾具與氣體保護(hù)裝置整體結(jié)構(gòu)示意圖3為示例焊件連接后的側(cè)視圖4a為待焊復(fù)雜形狀薄壁件的正視圖；圖4b為待焊復(fù)雜形狀薄壁件的俯視圖5為原子灰夾具示意圖6為焊件夾持定位示意圖7為背部氣體保護(hù)裝置結(jié)構(gòu)示意圖8為正面氣體保護(hù)裝置結(jié)構(gòu)示意圖9為正面氣體保護(hù)裝置結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)圖。具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說明。
為了清晰地表達(dá)本發(fā)明的結(jié)構(gòu)與使用方法，通過一空間結(jié)構(gòu)較復(fù)雜的構(gòu)件作為待焊件來說明。
( I)整體工裝構(gòu)成
參閱圖I與圖2，本夾具與保護(hù)工裝發(fā)明主體包括夾具2、氣體保護(hù)裝置3和下部支撐座4。為使表述更加清楚，以焊件I的裝夾與保護(hù)為例進(jìn)行說明。
(2)示例焊件說明
參閱圖3及圖4所示，焊件I是第一待焊件101與第二待焊件102通過焊縫103 連接而成，第一待焊件101與第二待焊件102為復(fù)雜形狀薄壁件。
待焊件外形復(fù)雜、剛性差的特點(diǎn)導(dǎo)致了裝夾定位的難度；在氣體保護(hù)方面，焊縫 103是曲率變化的空間曲線，采用現(xiàn)有技術(shù)的拖罩或開放式焊槍焊接過程中均存在氣體保護(hù)死區(qū)，無法做到良好的氣體保護(hù)。
(3)夾具
前面提到，對(duì)于復(fù)雜形狀件的激光焊接而言，夾具工裝的數(shù)控加工存在費(fèi)用高昂的問題，此處提出了一種經(jīng)濟(jì)實(shí)用的夾具方案。
參閱圖5及圖6，第一待焊件101與第二待焊件102安裝于仿形制備的原子灰背靠模201上，背靠模201上固定有8個(gè)壓緊板202，通過螺栓203實(shí)現(xiàn)對(duì)第一待焊件201與第二待焊件202的定位。安裝時(shí)焊縫103正對(duì)背靠模201上的通氣槽204，背靠模201上開有螺孔205，用于和支撐座4 (參閱圖I)固定。
背靠模201使用原子灰為原料制成。原子灰原料來源易，成本低，可在常溫常壓下成型，制備工藝簡(jiǎn)單，一般被用作汽車等行業(yè)刷漆底層或者制作小模型，未有報(bào)道用作焊接工裝夾具。
在第一待焊件101與第二待焊件102的基礎(chǔ)上，按照相關(guān)工藝步驟制備原子灰背靠模。所制備的背靠模201的外表面與焊件I的內(nèi)表面完全吻合，而且具有耐熱性能好，機(jī)械強(qiáng)度高，重量輕，模身光潔度高，壽命長(zhǎng)，二次加工容易實(shí)現(xiàn)的優(yōu)點(diǎn)。
(4)氣體保護(hù)裝置
參閱圖7至圖9，氣體保護(hù)裝置3包括焊縫正面氣體保護(hù)結(jié)構(gòu)與焊縫背面氣體保護(hù)結(jié)構(gòu)，共兩個(gè)部分。焊縫正面氣體保護(hù)結(jié)構(gòu)包括保護(hù)側(cè)板301、柔性銅罩302、側(cè)吹通氣管 303、激光頭304、側(cè)板調(diào)節(jié)板305、螺栓306、側(cè)板固定板307、下部密封板308和正面通氣管 309 ;焊縫背面氣體保護(hù)結(jié)構(gòu)包括背面通氣管310和薄鈦板311。
4. I、焊縫背面氣體保護(hù)結(jié)構(gòu)
參閱圖7，焊縫背面氣體保護(hù)結(jié)構(gòu)主要是通過背面通氣管310來實(shí)現(xiàn)，該背面通氣管310放置于通氣槽204中，并從下部密封板308兩側(cè)的孔中穿插而過。背面通氣管310 上均勻分布著多個(gè)直徑為2_的氣孔，兩根背面通氣管310分別從相反方向進(jìn)氣，這種設(shè)計(jì)可以最大程度地保證氣流沿焊縫均勻分布，使焊縫背部各處均能得到有效保護(hù)。通氣槽204 的三個(gè)面均用薄鈦板311包覆，可有效防止激光透過焊縫后對(duì)原子灰背靠模201造成的破壞。
4. 2、焊縫正面氣體保護(hù)結(jié)構(gòu)
焊縫正面氣體保護(hù)結(jié)構(gòu)采用密封式保護(hù)，由保護(hù)側(cè)板301、柔性銅罩302、下部密封板308圍在焊件I周圍形成封閉腔，氣體通過穿插于下部密封板308上的正面通氣管309 進(jìn)入封閉腔中形成保護(hù)氣氛。柔性銅罩302置于保護(hù)側(cè)板301的間隙中，固定于激光頭304 上的側(cè)吹通氣管303穿插于柔性銅罩302上，柔性銅罩302可在激光頭304的帶動(dòng)下沿預(yù)定軌跡移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)整個(gè)焊接過程的封閉保護(hù)。
權(quán)利要求
1.一種復(fù)雜空間形狀鈦合金薄壁件的激光焊接夾具與保護(hù)裝置，其特征在于，包括夾具(2)、氣體保護(hù)裝置(3)和下部支撐座(4)；所述夾具(2)為背靠模(201);背靠模(201)的外表面與焊件(I)的內(nèi)表面吻合；焊件 (O由第一待焊件(101)與第二待焊件(102)通過焊縫(103)連接而成；第一待焊件(101) 與第二待焊件(102)通過若干壓緊板(202)固定于夾具(2)上；第一待焊件(101)與第二待焊件(102)之間待焊接的縫隙正對(duì)背靠模(201)上的通氣槽(204)；氣體保護(hù)裝置(3)包括保護(hù)側(cè)板(301)、柔性銅罩(302)和下部密封板(308);保護(hù)側(cè)板 (301)、柔性銅罩(302)、下部密封板(308)在焊件(I)周圍形成封閉腔；通氣槽(204)內(nèi)設(shè)有背面通氣管(310);柔性銅罩(302)與焊件(I)之間設(shè)有正面通氣管(309)。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種復(fù)雜空間形狀鈦合金薄壁件的激光焊接夾具與保護(hù)裝置，其特征在于，背靠模(201)使用原子灰為原料制成。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種復(fù)雜空間形狀鈦合金薄壁件的激光焊接夾具與保護(hù)裝置，其特征在于，通氣槽(204)的三個(gè)面均包覆有薄鈦板(311)。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種復(fù)雜空間形狀鈦合金薄壁件的激光焊接夾具與保護(hù)裝置，其特征在于，通氣槽(204)內(nèi)設(shè)有兩根背面通氣管(310)，所述背面通氣管(310)上均勻分布有若干氣孔，所述兩根背面通氣管(310)的進(jìn)氣方向相反。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種復(fù)雜空間形狀鈦合金薄壁件的激光焊接夾具與保護(hù)裝置，其特征在于，所述氣孔的直徑為2mm。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種復(fù)雜空間形狀鈦合金薄壁件的激光焊接夾具與保護(hù)裝置，其特征在于，背面通氣管(310)從下部密封板(308)兩側(cè)的孔中穿插而過。
7.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種復(fù)雜空間形狀鈦合金薄壁件的激光焊接夾具與保護(hù)裝置，其特征在于，保護(hù)側(cè)板(301)上設(shè)有間隙，柔性銅罩(302)置于一對(duì)保護(hù)側(cè)板(301)的間隙中；固定于激光頭(304)上的側(cè)吹通氣管(303)穿插于柔性銅罩(302)，柔性銅罩(302)能夠在激光頭(304)的帶動(dòng)下沿著與保護(hù)側(cè)板的間隙相同的軌跡移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)密封狀態(tài)下的焊接。
8.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種復(fù)雜空間形狀鈦合金薄壁件的激光焊接夾具與保護(hù)裝置，其特征在于，所述夾具(2)固定于下部支撐座(4)上。
9.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種復(fù)雜空間形狀鈦合金薄壁件的激光焊接夾具與保護(hù)裝置，其特征在于，保護(hù)側(cè)板(301)通過側(cè)板調(diào)節(jié)板(305)固定于下部密封板(308)上。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種復(fù)雜空間形狀鈦合金薄壁件的激光焊接夾具與保護(hù)裝置，包括夾具、氣體保護(hù)裝置和下部支撐座；所述夾具為背靠模；背靠模的外表面與焊件的內(nèi)表面吻合；第一待焊件與第二待焊件通過若干壓緊板固定于夾具上；第一待焊件與第二待焊件之間待焊接的縫隙正對(duì)背靠模上的通氣槽；氣體保護(hù)裝置包括保護(hù)側(cè)板、柔性銅罩和下部密封板；保護(hù)側(cè)板、柔性銅罩、下部密封板在焊件周圍形成封閉腔；通氣槽內(nèi)設(shè)有背面通氣管；柔性銅罩與焊件之間設(shè)有正面通氣管；柔性銅罩可在激光頭的帶動(dòng)下沿預(yù)定軌跡移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)整個(gè)焊接過程的封閉保護(hù)。本發(fā)明解決了數(shù)控加工夾具周期長(zhǎng)、費(fèi)用昂貴的問題，以及復(fù)雜軌跡焊縫氣體保護(hù)難以有效實(shí)現(xiàn)的問題。
文檔編號(hào)B23K37/04GK102935568SQ201210462108
公開日2013年2月20日 申請(qǐng)日期2012年11月15日 優(yōu)先權(quán)日2012年11月15日
發(fā)明者張建勛, 劉宏, 郭濤, 成書民, 陳文革, 徐梅, 云海濤, 李向利, 牛靖, 朱彤 申請(qǐng)人:西安交通大學(xué)