专利名称：复杂空间形状钛合金薄壁件的激光焊接夹具与保护装置的制作方法
复杂空间形状钛合金薄壁件的激光焊接夹具与保护装置技术领域：
本发明属于焊接夹具与保护装置领域，特别针对空间形状复杂、焊接时易变形且易氧化的钛合金薄壁件。背景技术：
在医疗、航空航天、汽车等领域，为了满足外形美观、流线型良好等要求，常涉及复杂空间形状的薄壁件。对于一些较大型的复杂构件很难整体一次成型，需要先分段制造再焊接为整体。这些薄壁件刚性差，在焊接过程中易变形，且对于激光焊等精密焊接而言，对焊缝位置的偏离很敏感，所以需要使用合适的焊接夹具定位以保证整体尺寸。目前常采用的方法是利用CAD技术提取待焊件三维模型，在此基础上采用先进的数控技术加工出与该构件内表面完全贴合的背靠模。这种夹具定位准确，但复杂曲面的加工费用高昂，不利于推广。
另外，对于一些易氧化金属，焊接过程中气体保护非常重要，保护效果的好坏对钛合金焊接接头力学性能有很大影响。以航空业中广泛使用的钛合金为例，空气中钛在250°C 开始吸氢，50(TC开始吸氧，60(TC开始吸氮，且随温度升高，钛吸收气体的能力进一步增强[I]。因此钛合金焊接时必须采取惰性气体保护措施或将焊件置于真空室中。但由于真空保护成本过高，工件尺寸也受到很大限制，因此钛合金的激光焊接通常采用惰性气体保护方法，对焊缝正面与背面的高温区域进行全面保护，直至温度降至约200°C时为止。激光焊接中保护装置对焊缝区的保护效果成为影响钛合金焊接质量的关键。国内外焊接工作者也针对此设计了多种方案，北京有色金属研究总院王家淳于2001年提到了带有后拖保护罩的气体保护装置[2]，中国石化集团高飞提到了针对圆管对接的专用环形拖罩[3]，北京工业大学曹娜于2006年设计了开放式的气体保护枪[4]。意大利学者G. Tani [5] 2007年发表在《Applied Surface Science》上的文章中采用Fluent软件模拟分析了喷嘴位置、气体类型及流量的关系，据此设计了开放式的气体保护枪。然而这些保护装置仅仅针对直线焊缝或圆环焊缝而设计，但对于形状复杂的钛合金构件，焊缝空间曲率变化较大，在焊接过程中，无论是后拖保护罩还是开放式气体保护枪都存在“气体保护死区”，保护效果欠佳。
因此，对于空间形状复杂的钛合金薄壁件激光焊接而言，需要解决夹具费用高昂与气体保护装置难以实现两个方面的问题。
[I]顺洪，彭善德，巩凡.TC4钛合金激光搭接焊的研究[J].电焊机，2006. 36 (6) 24 - 29.
[2]王家淳.消除钛合金激光焊接的缺陷[J].焊接技术，2001，30 (I) 16 一 17.
[3]高飞.钛及钛合金材料的焊接技术[J].石油化工建设.2006. 28⑷38 — 42.
[4]曹娜.钛合金激光焊接工作头研制[D].北京北京工业大学，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.
发明内容
本发明的目的在于提供一种复杂空间形状钛合金薄壁件的激光焊接夹具与保护装置，以解决上述技术问题。
为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现。
一种复杂空间形状钛合金薄壁件的激光焊接夹具与保护装置，包括夹具、气体保护装置和下部支撑座；所述夹具为背靠模；背靠模的外表面与焊件的内表面吻合；焊件由第一待焊件与第二待焊件通过焊缝连接而成；第一待焊件与第二待焊件通过若干压紧板固定于夹具上；第一待焊件与第二待焊件之间待焊接的缝隙正对背靠模上的通气槽；气体保护装置包括保护侧板、柔性铜罩和下部密封板；保护侧板、柔性铜罩、下部密封板在焊件周围形成封闭腔；通气槽内设有背面通气管；柔性铜罩与焊件之间设有正面通气管。
本发明进一步的改进在于背靠模使用原子灰为原料制成。
本发明进一步的改进在于通气槽的三个面均包覆有薄钛板。
本发明进一步的改进在于通气槽内设有两根背面通气管，所述背面通气管上均匀分布有若干气孔，所述两根背面通气管的进气方向相反。
本发明进一步的改进在于所述气孔的直径为2mm。
本发明进一步的改进在于背面通气管从下部密封板两侧的孔中穿插而过。
本发明进一步的改进在于保护侧板上设有间隙，柔性铜罩置于一对保护侧板的间隙中；固定于激光头上的侧吹通气管穿插于柔性铜罩上，柔性铜罩能够在激光头的带动下沿着与保护侧板的间隙相同的轨迹移动，实现密封状态下的焊接。
本发明进一步的改进在于所述夹具固定于下部支撑座上。
本发明进一步的改进在于保护侧板通过侧板调节板固定于下部密封板上。
相对于现有技术，本发明具有以下优点本发明解决了现有夹具数控加工周期长、 费用昂贵的问题，以及复杂轨迹焊缝气体保护难以有效实现的问题；相比数控加工夹具的方法，原子灰背靠模夹具定位准确、制备简单、经济实用；设计的气体保护装置容易加工、保护效果良好。
图I为焊接夹具与气体保护装置整体结构示意图2为柔性铜罩透视后的焊接夹具与气体保护装置整体结构示意图3为示例焊件连接后的侧视图4a为待焊复杂形状薄壁件的正视图；图4b为待焊复杂形状薄壁件的俯视图5为原子灰夹具示意图6为焊件夹持定位示意图7为背部气体保护装置结构示意图8为正面气体保护装置结构示意图9为正面气体保护装置结构细节图。具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。
为了清晰地表达本发明的结构与使用方法，通过一空间结构较复杂的构件作为待焊件来说明。
( I)整体工装构成
参阅图I与图2，本夹具与保护工装发明主体包括夹具2、气体保护装置3和下部支撑座4。为使表述更加清楚，以焊件I的装夹与保护为例进行说明。
(2)示例焊件说明
参阅图3及图4所示，焊件I是第一待焊件101与第二待焊件102通过焊缝103 连接而成，第一待焊件101与第二待焊件102为复杂形状薄壁件。
待焊件外形复杂、刚性差的特点导致了装夹定位的难度；在气体保护方面，焊缝 103是曲率变化的空间曲线，采用现有技术的拖罩或开放式焊枪焊接过程中均存在气体保护死区，无法做到良好的气体保护。
(3)夹具
前面提到，对于复杂形状件的激光焊接而言，夹具工装的数控加工存在费用高昂的问题，此处提出了一种经济实用的夹具方案。
参阅图5及图6，第一待焊件101与第二待焊件102安装于仿形制备的原子灰背靠模201上，背靠模201上固定有8个压紧板202，通过螺栓203实现对第一待焊件201与第二待焊件202的定位。安装时焊缝103正对背靠模201上的通气槽204，背靠模201上开有螺孔205，用于和支撑座4 (参阅图I)固定。
背靠模201使用原子灰为原料制成。原子灰原料来源易，成本低，可在常温常压下成型，制备工艺简单，一般被用作汽车等行业刷漆底层或者制作小模型，未有报道用作焊接工装夹具。
在第一待焊件101与第二待焊件102的基础上，按照相关工艺步骤制备原子灰背靠模。所制备的背靠模201的外表面与焊件I的内表面完全吻合，而且具有耐热性能好，机械强度高，重量轻，模身光洁度高，寿命长，二次加工容易实现的优点。
(4)气体保护装置
参阅图7至图9，气体保护装置3包括焊缝正面气体保护结构与焊缝背面气体保护结构，共两个部分。焊缝正面气体保护结构包括保护侧板301、柔性铜罩302、侧吹通气管 303、激光头304、侧板调节板305、螺栓306、侧板固定板307、下部密封板308和正面通气管 309 ;焊缝背面气体保护结构包括背面通气管310和薄钛板311。
4. I、焊缝背面气体保护结构
参阅图7，焊缝背面气体保护结构主要是通过背面通气管310来实现，该背面通气管310放置于通气槽204中，并从下部密封板308两侧的孔中穿插而过。背面通气管310 上均匀分布着多个直径为2_的气孔，两根背面通气管310分别从相反方向进气，这种设计可以最大程度地保证气流沿焊缝均匀分布，使焊缝背部各处均能得到有效保护。通气槽204 的三个面均用薄钛板311包覆，可有效防止激光透过焊缝后对原子灰背靠模201造成的破坏。
4. 2、焊缝正面气体保护结构
焊缝正面气体保护结构采用密封式保护，由保护侧板301、柔性铜罩302、下部密封板308围在焊件I周围形成封闭腔，气体通过穿插于下部密封板308上的正面通气管309 进入封闭腔中形成保护气氛。柔性铜罩302置于保护侧板301的间隙中，固定于激光头304 上的侧吹通气管303穿插于柔性铜罩302上，柔性铜罩302可在激光头304的带动下沿预定轨迹移动，实现整个焊接过程的封闭保护。
权利要求
1.一种复杂空间形状钛合金薄壁件的激光焊接夹具与保护装置，其特征在于，包括夹具(2)、气体保护装置(3)和下部支撑座(4)；所述夹具(2)为背靠模(201);背靠模(201)的外表面与焊件(I)的内表面吻合；焊件 (O由第一待焊件(101)与第二待焊件(102)通过焊缝(103)连接而成；第一待焊件(101) 与第二待焊件(102)通过若干压紧板(202)固定于夹具(2)上；第一待焊件(101)与第二待焊件(102)之间待焊接的缝隙正对背靠模(201)上的通气槽(204)；气体保护装置(3)包括保护侧板(301)、柔性铜罩(302)和下部密封板(308);保护侧板 (301)、柔性铜罩(302)、下部密封板(308)在焊件(I)周围形成封闭腔；通气槽(204)内设有背面通气管(310);柔性铜罩(302)与焊件(I)之间设有正面通气管(309)。
2.根据权利要求I所述的一种复杂空间形状钛合金薄壁件的激光焊接夹具与保护装置，其特征在于，背靠模(201)使用原子灰为原料制成。
3.根据权利要求I所述的一种复杂空间形状钛合金薄壁件的激光焊接夹具与保护装置，其特征在于，通气槽(204)的三个面均包覆有薄钛板(311)。
4.根据权利要求I所述的一种复杂空间形状钛合金薄壁件的激光焊接夹具与保护装置，其特征在于，通气槽(204)内设有两根背面通气管(310)，所述背面通气管(310)上均匀分布有若干气孔，所述两根背面通气管(310)的进气方向相反。
5.根据权利要求4所述的一种复杂空间形状钛合金薄壁件的激光焊接夹具与保护装置，其特征在于，所述气孔的直径为2mm。
6.根据权利要求4所述的一种复杂空间形状钛合金薄壁件的激光焊接夹具与保护装置，其特征在于，背面通气管(310)从下部密封板(308)两侧的孔中穿插而过。
7.根据权利要求I所述的一种复杂空间形状钛合金薄壁件的激光焊接夹具与保护装置，其特征在于，保护侧板(301)上设有间隙，柔性铜罩(302)置于一对保护侧板(301)的间隙中；固定于激光头(304)上的侧吹通气管(303)穿插于柔性铜罩(302)，柔性铜罩(302)能够在激光头(304)的带动下沿着与保护侧板的间隙相同的轨迹移动，实现密封状态下的焊接。
8.根据权利要求I所述的一种复杂空间形状钛合金薄壁件的激光焊接夹具与保护装置，其特征在于，所述夹具(2)固定于下部支撑座(4)上。
9.根据权利要求I所述的一种复杂空间形状钛合金薄壁件的激光焊接夹具与保护装置，其特征在于，保护侧板(301)通过侧板调节板(305)固定于下部密封板(308)上。
全文摘要
本发明涉及一种复杂空间形状钛合金薄壁件的激光焊接夹具与保护装置，包括夹具、气体保护装置和下部支撑座；所述夹具为背靠模；背靠模的外表面与焊件的内表面吻合；第一待焊件与第二待焊件通过若干压紧板固定于夹具上；第一待焊件与第二待焊件之间待焊接的缝隙正对背靠模上的通气槽；气体保护装置包括保护侧板、柔性铜罩和下部密封板；保护侧板、柔性铜罩、下部密封板在焊件周围形成封闭腔；通气槽内设有背面通气管；柔性铜罩与焊件之间设有正面通气管；柔性铜罩可在激光头的带动下沿预定轨迹移动，实现整个焊接过程的封闭保护。本发明解决了数控加工夹具周期长、费用昂贵的问题，以及复杂轨迹焊缝气体保护难以有效实现的问题。
文档编号B23K37/04GK102935568SQ201210462108
公开日2013年2月20日 申请日期2012年11月15日 优先权日2012年11月15日
发明者张建勋, 刘宏, 郭涛, 成书民, 陈文革, 徐梅, 云海涛, 李向利, 牛靖, 朱彤 申请人:西安交通大学