技术领域
[0001] 本
发明涉及一种焊接技术，特别是涉及一种气体
浮力辅助焊接装置及利用该装置的焊接方法。
背景技术
[0002]
激光焊接是激光技术应用的一个重要领域。其具有热输入量小、焊接
精度高、残余
应力低、深宽比大、易于自动化控制等优点得到了广泛的开发应用，特别是在难焊材料及特殊结构的焊接领域，目前已成功应用在航空、航天、
汽车、造船、
电子、核电等制造领域，受到世界各国的极大重视。随着激光技术的发展，
激光器所能达到的功率越来越高，单道激光所能焊接的厚度也越来越大。但是随着焊接厚度的增加，熔池下表面所受的重力也增大，其表面
张力无法平衡重力，造成熔池塌陷，底部
驼峰等焊接
缺陷，使得
焊缝质量不高，影响焊接应用。
[0003] 目前国内外针对此方面的研究主要集中在添加背衬
支撑和电磁辅助支撑焊接方面，通过添加背衬的方式辅助焊接虽然有效解决了焊接过程中塌陷的问题，但其无法实现小孔的全穿透焊接，而完全渗透焊接可以有效地抑制由于其小孔底部尖端的不稳定而导致的工艺孔隙率的发展。例如：Oliver Seffer等人利用复合焊接实现了23mm厚度的X70管线
钢金属板的单面焊接，在不使用焊接
衬垫材料的情况下焊接会造成相当大的根部脱落。通过采用金属带焊接背衬，防止了根部脱落，但这种方式不适合焊接
铝合金等需要全穿透焊接的材料。电磁辅助支撑的装置过于复杂，工作效率不高，且在焊接
磁性材料时会存在
磁滞现象，应用场所受限。例如：为改善焊接质量，消除熔池重力的影响，Andre Fritzsche等人采用了耦合电
磁场的方法。其基本原理为：在熔池下方分别放置永磁
铁和电
磁铁，电磁铁产生变化的磁场，利用
电磁感应在
工件内产生
电流，而此电流受到永磁铁产生磁场作用产生洛伦兹力，利用这个力平衡熔池所受的重力，从而达到改善焊接质量的目的。但这种方法也存在较为明显的缺点，由于产生的磁场范围有限，在焊接过程中只能保持
电磁场固定而工件移动的方式，不适用于大型工件的焊接；磁性的工件在变化的电磁场中会有磁滞，所以这种方法只适用于焊接无磁性的工件。
发明内容
[0004] 为实现上述在焊接厚度的增加时，熔池下表面所受的重力增大，其表面张力无法平衡重力，造成熔池塌陷，底部驼峰等焊接缺陷，使得焊缝质量不高，影响焊接应用的问题。本发明提供如下技术方案：
[0005] 本发明的技术方案是提供了一种气体浮力辅助焊接装置，包括焊接平台、气压支撑装置，其特征在于：
[0006] 所述气压支撑装置包括气压
控制器、气瓶、导气管、气压支撑本体、气室、进气口电磁
阀、气压
传感器、出气口
电磁阀、透明玻璃；
[0007] 所述气压支撑装置
水平放置在焊接平台上，所述气压支撑本体左端面设置有进气口电磁阀，所述气压支撑本体右端面上设置有气压传感器和出气口电磁阀，所述透明玻璃设置在气压支撑本体的右端面，所述工件紧密安装在气压支撑本体缺口正上方，与气压支撑本体构成封闭气室，所述导气管连通气瓶和进气口电磁阀，所述气压控制器控制进气口电磁阀和出气口电磁阀以及气压传感器；在焊接过程中，气室中的气压控制器通过气压传感器不断读取气室中的气压值并与设定的目标气压值相比较，进而通过控制出气口电磁阀和进气口电磁阀流量大小，使得气室中的气压维持稳定。
[0008] 进一步地，气体浮力辅助焊接装置还具有高速相机拍摄系统，高速相机拍摄系统包括高速摄像机、辅助
光源灯头、落地
支架、
半导体激光器、辅助光源传导光纤；所述高速摄像机和辅助光源灯头安装于落地支架上，所述辅助光源传导光纤连通半导体激光器和辅助光源灯头，辅助光源功率的大小由计算机通过控制半导体激光器实现。
[0009] 进一步地，气体浮力辅助焊接装置还激光系统，激光系统包括激光头、激光传导光纤、光纤激光器、计算机，所述光纤激光器通过计算机控制激光的输出和功率的大小，所述激光传导光纤传递光纤激光器输出的激光至激光头，所述激光头通过
螺栓连接于ABB
机器人，激光头的运动由ABB机器人控制。
[0010] 进一步地，气室中使用的气体为氩气或氮气。
[0011] 本发明还提供了一种利用
权利要求1所述的气体浮力辅助焊接装装置进行焊接的方法，包括：
[0012] 步骤1、焊接开始前，将工件放置于气压支撑本体上，打开激光系统使用光纤激光器发出指示光通过控制ABB机器人的运动进行激光光斑聚焦；
[0013] 步骤2、打开气瓶，在气压控制器中设定相应的目标气压值，气压控制器通过气压传感器读取气室中的气压值并与设定的目标气压值相比较，通过控制进气口电磁阀和出气口电磁阀的开口大小调节气室内部气压；
[0014] 步骤3、打开高速相机拍摄系统，调整好高速摄像机和辅助光源灯头倾斜
角度至有良好拍摄
视野，通过计算机调整好半导体激光器辅助光源功率参数值，然后输出辅助光源对拍摄视野进行补光，拍摄文件储存在计算机中；
[0015] 步骤4、通过计算机调整好光纤激光器功率参数值，然后输出激光进行焊接，气压控制器对气室中的气压进行闭环控制，高速摄像机在需要采集焊缝图像时启动快
门进行
图像采集[0016] 本发明的有益效果：
[0017] (1)本发明提供一种新型的焊接方法及其装置，提出了底部气压法，设计了相关的装置，采用高速相机拍摄了无底部压力条件下的厚板焊接过程中下表面熔池脱落而导致形成的缺陷，并验证了底部压力法设计的可行性，在有底部表压力的情况下，得到成形质量较高的焊接接头，解决了在焊接厚度的增加时，熔池下表面所受的重力增大，其表面张力无法平衡重力，造成熔池塌陷，底部驼峰等焊接缺陷，使得焊缝质量不高，影响焊接应用的问题，对高功率焊接厚板的工业应用具有较大意义。
[0018] (2)本发明由于通过焊缝下面的气体压力抵消焊接熔池所受的重力，消除了塌陷、驼峰等焊接缺陷，提高了焊接质量，增大了激光器的可焊接厚度，结构简单，易于推广应用。
[0019] (3)本发明除用于激光焊接外，亦可用于
电弧焊、激光电弧复合焊等其他焊接方式，对于罐体、壳体等焊缝底部可以组成
密闭空间的工件，亦可不需要气室205。对于焊接过程中，气室205内气压变化比较剧烈的情况，亦可通过设置多个进气口电磁阀206和出气口电磁阀208进行气压调节。对于焊缝间隙较大的工件，亦可先进行一次低功率的焊接，密封焊接间隙，再使气室205内充满一定压力的气体。
附图说明
[0020] 图1是气体浮力辅助焊接装置的示意图；
[0021] 图2是气室示意图；
[0022] 图3是高速相机拍摄系统示意图；
[0023] 图4是熔池下表面的受力情况示意图；
[0024] 图5是16mm厚度316L
不锈钢无气压支撑厚板焊接焊缝上下表面形貌示意图；
[0025] 图6是16mm厚度316L不锈钢有气压支撑厚板焊接焊缝下上表面形貌示意图；
[0026] 图7是20mm厚度316LN不锈钢无气压支撑厚板焊接焊缝上下表面形貌示意图；
[0027] 图8是20mm厚度316LN不锈钢有气压支撑厚板焊接焊缝上下表面形貌示意图。
[0028] 其中：1-焊接平台、2-气压支撑装置、201-气压控制器、202-气瓶、203-导气管、204-气压支撑本体、205-气室、206-进气口电磁阀、207-气压传感器、208-出气口电磁阀、
209-透明玻璃、3-工件、4-激光系统、401-激光头、402-激光传导光纤、403-光纤激光器、
404-计算机、5-ABB机器人、6-高速相机拍摄系统、601-高速摄像机、602-辅助光源灯头、
603-落地支架、604-半导体激光器、605-辅助光源传导光纤。
具体实施方式
[0029] 以下将结合附图1对本发明的技术方案进行详细说明。
[0030] 如图1-3所示，一种气体浮力辅助焊接装置，包括焊接平台1、气压支撑装置2、工件3、激光系统4、ABB机器人5、高速相机拍摄系统6；
[0031] 所述气压支撑装置2包括气压控制器201、气瓶202、导气管203、气压支撑本体204、气室、进气口电磁阀206、气压传感器207、出气口电磁阀208、透明玻璃209；
[0032] 所述气压支撑装置2水平放置在焊接平台1上，所述气压支撑本体204左端面设置有进气口电磁阀206，所述气压支撑本体204右端面上分别设置有气压传感器207和出气口电磁阀208，所述透明玻璃209设置在气压支撑本体204的右端面，所述工件3紧密安装在气压支撑本体204缺口正上方，与气压支撑本体204构成封闭气室，所述导气管203连通气瓶202和进气口电磁阀206，所述气压控制器201控制进气口电磁阀206和出气口电磁阀208以及气压传感器207；
[0033] 所述激光系统包括激光头401、激光传导光纤402、光纤激光器403、计算机404，所述光纤激光器403通过计算机404控制激光的输出和功率的大小，所述激光传导光纤402传递光纤激光器输出的激光至激光头401，所述激光头401通过螺栓连接于ABB机器人5，激光头401的运动由ABB机器人5控制；
[0034] 所述高速相机拍摄系统6包括高速摄像机601、辅助光源灯头602、落地支架603、半导体激光器604、辅助光源传导光纤605、计算机404，所述高速摄像机601和辅助光源灯头602安装于落地支架上，所述辅助光源传导光纤605连通半导体激光器604和辅助光源灯头
602，辅助光源功率的大小由计算机404通过控制半导体激光器604实现。
[0035] 所述气室205，在焊接过程中，由于
焊接飞溅等因素会对气室205内的气压大小造成干扰，因此气压控制器201通过气压传感器207不断读取气室中的气压值并与设定的目标气压值相比较，进而通过控制出气口电磁阀208和进气口电磁阀206流量大小，构成一个完整的闭环控制系统，进一步使得气室中的气压维持稳定。
[0036] 所述高速摄像机601和辅助光源灯头602平行安装于落地支架上，且高速摄像机601辅助光源灯头602与透明玻璃209倾斜放置在气压支撑本体204的右侧，使得拍照视野更加清晰可见。
[0037] 所述气室205中使用的气体为氩气或氮气。
[0038] 参考图4：焊接过程中，随着试件厚度的增加，熔池塌陷的问题变得越来越严重，甚至到了“透则漏”的地步。为解决厚板焊接过程中出现的熔池塌陷的问题，首先
对焊接过程中熔池下表面的受力情况进行了分析，以寻找熔池塌陷产生的原因。对于熔池的下表面而言，其需要承受整个熔池所产生的向下的重力；其次，由于焊接过程中整个熔池内的溶液处于不断流动的状态，尤其是小孔前沿存在向下流动的溶液，其会对熔池下表面施加向下的动压力；熔池下表面会产生向上的表面张力以平衡其所受的向下的作用力。而当下表面的最大表面张力不足以平衡其所受的重力和动压力时，溶液就会在熔池中脱落，造成熔池内的溶液不足以填满焊缝而产生塌陷等缺陷。
[0039] 焊接过程中，熔池下表面所受到的自身重力的大小为：
[0040] ph＝ρg0h (3.1)
[0041] 其中，ρ为材料
密度；g0为重力系数；h为试件厚度。
[0042] 熔池内溶液向下流动造成的动压力：
[0043]
[0044] 其中，v为溶液向下的流动速度。
[0045] 熔池下表面表面张力的大小可表示为：
[0046]
[0047] 其中γ为液体表面张力系数，R1，R2为底部熔池横向和纵向的
曲率半径。
[0048] 假定
曲率半径R2为沿焊接方向，则R2→∞，则上式可简化为：
[0049]
[0050] 其中，R为熔池下表面横向的曲率半径。
[0051] 若要维持焊接过程中熔池的
稳定性，则下表面所能提供的最大表面张力应该可以平衡熔池下表面所受的重力和动压力之和。而当
接触角α＝90°时，熔池下表面的表面张力达到最大值，此时R＝w/2，w为熔池下表面的熔宽。
[0052] 熔池达到稳定的条件为：
[0053] ph+pl≤Δp (3.5)
[0054] 将最大表面张力及下表面所受的重力及动压力带入上公式可得：
[0055]
[0056] 上式即为熔池下表面达到受力平衡与各参数之间的关系。由上式可知，对于一定厚度的试件，一方面可以通过减小溶液向下的流动速度来减小熔池下表面所受的动压力，但熔池向下的流动速度较难检测，各种材料之间熔池的流动特性也不相同，相对于重力，其作用力所起的作用大小还不明确。另一方面可以通过减小熔宽来提高其表面张力以达到焊接稳定的目的，但熔宽的减小往往意味着更快的焊接速度，更高的功率密度，由此造成所需的激光器功率极高；其次较窄的熔宽也对工件的加工精度、夹具的工装精度、光束的对中性等提出了更高的要求；这些都将会限制厚板激光焊接的应用。
[0057] 基于以上分析，本发明其基本原理是在焊缝下方通过辅助装置与工件构成一个封闭气室，在气室中充满一定气压的气体，通过气体的压力抵消焊接时熔池所受的重力，从而提高焊接质量。在焊缝的底部营造高气压的氛围，利用焊缝上下表面的气压差来平衡熔池下表面表面张力无法平衡的重力和动压力，来达到熔池稳定的目的，此时熔池下表面稳定的条件为：
[0058] ph+pl≤Δp+p (3.7)
[0059] 其中p为熔池下表面所受的表压力。
[0060] 此式与式3.5相比较可知，底部表压力的引入可以和表面张力一起平衡熔池下表面所受的重力和动压力，维持熔池的稳定，且表压力的大小可以根据焊接状况的改变而进行调节，调节也较为方便。
[0061] 该
实施例还提供了一种利用气体浮力辅助焊接装装置的焊接方法，包括：
[0062] 步骤1、焊接开始前，将工件3放置于气压支撑本体204上，打开激光系统4使用光纤激光器403发出指示光通过控制ABB机器人5的运动进行激光光斑聚焦；
[0063] 步骤2、打开气瓶202，根据工件厚度等因素在气压控制器201中设定相应的目标气压值，气压控制器201通过气压传感器207读取气室205中的气压值并与设定的目标气压值相比较，通过控制进气口电磁阀206和出气口电磁阀208的开口大小调节气室内部气压，使其接近设定的目标气压值；
[0064] 步骤3、打开高速相机拍摄系统6，调整好高速摄像机601和辅助光源灯头602倾斜角度至有良好拍摄视野，通过计算机404调整好半导体激光器604辅助光源功率参数值，然后输出辅助光源对拍摄视野进行补光，拍摄文件储存在计算机404中；
[0065] 步骤4、通过计算机404调整好光纤激光器403功率参数值，然后输出激光进行焊接，气压控制器201对气室205中的气压进行闭环控制，高速摄像机601在需要采集焊缝图像时启动快门进行图像采集。
[0066] 实例1：
[0067] 对16mm厚度的316L不锈钢上下表面焊缝形貌进行了试验观察，采用的工艺参数为激光功率16kW，焊接速度0.65m/min，焊接过程中，对于本试验所采用的的试件1，熔池下表面所受的重力为：
[0068] ph＝ρg0h＝7.98×9.8×16≈1.3kPa
[0069] 其中，ρ为316L不锈钢液体的密度，g0为重力系数，约为9.8m/s2，h为试件厚度。
[0070] 如图5所示图中为无气压支撑厚板焊接焊缝上表面形貌图(a)和焊缝下表面形貌图(b)，上表面的焊缝切割痕迹非常明显，而下表面焊缝较宽，焊接质量极差。如图6所示图中为有气压支撑厚板焊接焊缝上表面形貌图(a)和焊缝下表面形貌图(b)，与无辅助支撑焊接所得到的焊缝相比，上表面未出现熔池塌陷，下表面无任何飞溅，成形质量也较高，且由于气盒内充满了氩气或氮气，隔绝了
氧气，使得熔池下表面免受氧化的作用，大大提高了焊接的质量。
[0071] 实例2：
[0072] 对20mm厚度316LN不锈钢上下表面焊缝形貌进行了试验观察，采用的工艺参数为激光功率16kW，焊接速度0.80m/min，焊接过程中，对于本试验所采用的的试件2，熔池下表面所受的重力为：
[0073] ph＝ρg0h＝7.98×9.8×20≈1.6kPa
[0074] 其中，ρ为316LN不锈钢液体的密度，g0为重力系数，约为9.8m/s2，h为试件厚度。
[0075] 如图7所示图中为无气压支撑厚板焊接焊缝上表面形貌图(a)和焊缝下表面形貌图(b)，可以看出焊缝上表面有严重的塌陷、下表面有巨大的驼峰，焊接质量较差。如图8所示图中为有气压支撑厚板焊接焊缝上表面形貌图(a)和焊缝下表面形貌图(b)，与无气压支撑焊接所得到的焊缝相比，上表面未出现熔池塌陷，下表面无驼峰，成形高质量焊缝。
[0076] 通过上述两组实施例可以发现，无气压支撑厚板焊接，相对于20mm厚度的316LN不锈钢，16mm厚度的316L不锈钢产生的熔池塌陷现象更加明显，但两者的焊接质量都较差；有气压支撑厚板焊从上述两组试验中，可以看出气压支撑法很好的抑制了厚板全穿透焊接中熔池塌陷的问题，获得了很好的焊接质量，且所需的底部表压力极小，对于20mm厚度的不锈钢试件，只需1.6kPa的底部表压力，而一个
大气压强的约为101kPa，故气室内的绝对压强仅为102.6kPa，这意味着即使板厚更厚的试件，气压支撑法也具有良好的适用性。
[0077] 虽然上面结合本发明的优选实施例对本发明的原理进行了详细的描述，本领域技术人员应该理解，上述实施例仅仅是对本发明的示意性实现方式的解释，并非对本发明包含范围的限定。实施例中的细节并不构成对本发明范围的限制，在不背离本发明的精神和范围的情况下，任何基于本发明技术方案的等效变换、简单替换等显而易见的改变，均落在本发明保护范围之内。
