激光焊接保护气喷嘴的改进

激光焊接保护气喷嘴的改进
1课题研究目的
激光焊接是一种新型的高效焊接方法，它和电弧焊一样，通常需要使用惰性气体进行保护，以防止器件氧化、氢化，而导致金属性能出现问题。

保护方法有二：在真空情况下进行高温焊接；在焊枪后方加上喷嘴或拖罩，在喷嘴或拖罩内通入惰性气体。

我们实验时选择了后者。

而设计保护气喷嘴的基本原则是在较高的温度及一定的气压下使惰性气体高速通过熔融金属，让焊缝在惰性气体的庇护下冷却，来实现保护目的。

在焊枪移动时，保证惰性气体在喷出时是层流以及扩大保护气的保护范围是至关重要的。

我们针对这一问题进行理论分析与实验设计，为保护气喷嘴的设计领域增添一份宝贵的科学依据并且制作出符合一定要求的喷嘴产品。

图1.激光焊接模拟装置图
2课题背景
一般情况下，保护气喷嘴的保护位置为焊枪的旁轴和同轴。

国内外对保护气旁轴喷嘴的研究也只局限在改造喷嘴的外部管件形状上面。

它们在一定程度上解决了某些问题，但对喷嘴的综合设计理念缺乏一个更普遍的共识。

而我们这次实验主要针对旁轴喷嘴的设计，对喷嘴口的形状设计以及内部管壁的设计提出了结构设想。

现今旁轴喷嘴的设计主要存在以下几个问题：大功率激光焊接的保护效果不良问题；气体喷出时层流不稳定问题；特殊焊缝问题；因高速焊接而导致降温不及时的焊件氧化问题。

现阶段很少有文献中能提出系统的喷嘴内部及外部的结构设计，且同时理想满足以上问题。

图2.现今的保护气喷嘴
3课题研究主要内容
3.1保护气喷嘴的材料选择：
选取紫铜作为喷嘴的主件。

紫铜的熔点高，不易使喷嘴受热变形，且紫铜的机械加工容易实现。

3.2保护气喷嘴设计依据：
喷嘴的孔径大小直接影响喷嘴的保护效果，在保护气压力一定的情况下，当喷嘴口径过小时，气体喷出速度较大，有利吹走因高温所产生的等离子体，；当喷嘴口径过大时，有利增大保护区域。

在喷嘴的端部横截面倾斜角度也会使出气范围有所改变。

如何恰当地选取较适当口径及倾斜角度的喷嘴成为首要解决的问题。

3.3保护气喷嘴的设计方案：
3.3.1分别设计了倾角为18°、30°、60°及口径为10mm 、11mm 、13mm 的横截面为圆形的
保护气喷嘴、倾斜角度为60°的横截面为三角形、正方形、菱形的保护气喷嘴。

角度：
口径：
口径：角度：
角度：口径： 口径：角度：
角度：口径：
口径：角度：
横截面积相同
横截面：
圆形
角度：
3.3.2将满足保护气理论依据的一定实验要求的喷嘴进行组合，制备成更具广谱应用价值的组合保护气喷嘴。

图3.单管旁轴保护气喷嘴图4.组合旁轴保护气喷嘴
3.4产品质量比较与检测：
进行了多组分别对不同口径、不同倾斜角度、不同横截面形状的喷嘴在不同实验环境下性能比较的实验，并列举了性能参数对比情况。

其中实验参数包括激光功率、焊枪移动速度、保护气压力。

3.5保护气喷嘴的气体喷出形态对比：
进行了对不同孔径、倾斜角度的保护气喷嘴进行烟雾测试，并分析保护气喷嘴气体喷出形态的形成原因。

进而对3管组合喷嘴进行烟雾测试，并制作成视频。

4结论
4.1单管保护气喷嘴的性能比较：（依据焊缝颜色）
4.1.1不同口径、60°喷嘴在不同实验环境下性能比较（如图）
由焊缝颜色可以判断：在焊接速度为低速、标准大气压的实验环境下，倾角为60°的喷嘴中，口径为11mm的喷嘴性能较佳，其在低、高功率时焊接质量都合格，因其在保护区域与抑制等离子体方面均达到最佳效果。

其次为10mm口径喷嘴，13mm口径喷嘴焊接效果最差。

4.1.2不同口径、30°喷嘴在不同实验环境下性能比较（如图）
由焊缝颜色可以判断：倾斜角度为30°的喷嘴中，10mm口径喷嘴适合高速焊接，是因为激光能量快速融化焊件，但等离子体还未来得及生成；13mm口径喷嘴在高速焊接质量
较好，同时在低功率、低速时焊缝银白，但熔深较小，因为等离子体对激光能量吸收较多，故应适当增大激光功率；口径为11mm的喷嘴虽然生成的焊缝质量基本合格，但逊色于11mm 口径、倾角60°的喷嘴。

4.1.3不同口径、18°喷嘴在不同实验环境下性能比较（如图）
由焊缝颜色可以判断：在低速焊接时，倾斜角度为18°的不同口径喷嘴在低、高功率条件下，焊接质量均不合格，因为当喷嘴末端与水平面平行时，横截面中心与激光中心距离较大，使气流无法快速到达最高温度区域，发生氧化及氢化。

4.1.4不同横截面形状、60°保护气喷嘴在不同实验环境下性能比较（如图）
由焊缝颜色可以判断：在低功率焊接时，倾斜角度为60°、横截面为非圆形的喷嘴与11mm口径、60°倾角的喷嘴在焊接时表现相似，且由于非圆形喷嘴的制作工艺复杂，成本较高，今后可由圆形喷嘴代替。

4.2单管保护气喷嘴的性能比较：（依据保护气喷出形态）
视频录制选用口吹烟雾来观察保护气形态，不同倾斜角度的喷嘴效果比较很明显。

理论分析：随着倾斜角度的增加，喷出气体中心向激光中心移动，有利形成层流，在保护区域滞留时间长，此时的60°倾角的喷嘴保护气形态较好。

30°倾角的喷嘴横截面较大，气体喷出区域较大，有利增大保护气保护范围。

4.3单管保护气喷嘴设计的综合分析：
由以上喷嘴的焊缝颜色分析与保护气喷出形态分析，可以清楚看出：口径为11mm、倾斜角度为60°的保护气喷嘴在抑制等离子体方面表现卓越，倾斜角度为30°的保护气喷嘴对增大保护气保护范围效果明显。

故对3管组合保护气喷嘴的设计思想如下：
表5：3管组合喷嘴设计思想
4.4组合保护气喷嘴的性能比较：（依据保护气喷出形态）
前面提到的四种方案，是依据各单管喷嘴在不同实验条件下，各自拥有不同的性能特点，将性能优异的喷嘴加以弥补与组合，形成3管组合保护气喷嘴。

通过4组组合喷嘴的视频观察，可以看出前面11mm对抑制等离子体的生成有效，后面30°或60°喷嘴对增大保护气范围有利，适当选取各喷嘴间的距离，使保护气形态为层流且稳定。

5问题、体会与收获
本次科技立项中，未能完成组合式喷嘴的实验焊接测试，原因是未能找到切实可行的方法解决试验台上多喷嘴的稳定性与易调节性。

但是通过本实验的多方数据处理，已将3管组合喷嘴思想交代清楚，为后续课题研究奠定了基础，为继续从事喷嘴设计提供了条件。

经过这一年的科技立项，我组二人在各方面能力得到了很大提升。

通过学习相关焊接材料，储备了宝贵的知识财富，同时深知科学研究要有百折不挠的态度，且锻炼了坚强的意志品质，为以后我们从事科研工作奠定了基石，同时更大地鼓舞了我们要坚定信念永远坚持下去，希望以后多参加这类活动，促进我们各方面的协同发展。