CN103071937B - 外加高频磁场的激光-tig电弧旁轴复合焊接方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及外加高频磁场的激光-TIG电弧旁轴复合焊接方法，按以下步骤完成：1）首先将TIG焊机的正负极分别接至工件和焊枪，然后将激磁电源输出端接至激磁线圈上，将焊枪装卡在复合焊接头焊枪装夹机构上，确定焊接行走路径；2）打开激磁电源，给激磁线圈供电；3）打开保护气进行焊接，观察焊缝成形情况。与现有的技术相比，本发明的有益效果是：由于外加高频磁场，有效提高了电弧气动压力，电弧电流密度，使电弧热量分布更加集中，压缩了电弧半径，进而提高了电弧能量密度和电弧的挺度，而电弧自身能量密度的提高和电弧弧柱半径的压缩，十分有利于激光-TIG电弧旁轴复合焊接时电弧的稳定燃烧能力和冲击熔深能力的增加。
Description
技术领域
本发明涉及材料加工技术领域，特别涉及外加高频磁场的激光-TIG电弧旁轴复合焊接方法及装置。
背景技术
国内外研究表明，激光与电弧两种热源的有机复合，能够显著提高焊接效率和焊接质量，克服单一热源焊接时所存在的不足，然而，在大功率激光电弧复合焊接过程中，激光所产生的光致等离子体，一方面会对激光产生屏蔽作用，另一方面，由于这种光致等立体的存在，会使焊接电弧阳极斑点发生漂移，电弧稳定燃烧的能力下降。
专利文献：一种电磁电流耦合场辅助的激光TIG电弧复合熔钎焊方法和设备，专利申请号：201010171331.3，在外加磁场的方式上，采用外加低频磁场使电弧旋转扩张融化钎料，用于激光电弧复合焊接钎焊，其次，外加低频磁场使电弧热源的热输入平均了，电弧弧柱中心热输入降低，电弧本身冲击熔深能力和激光电弧复合焊接电弧稳定燃烧的能力降低，本发明中，外加高频磁场使焊接电弧发生磁压缩，焊接电弧的能量密度和挺度得到增加后，起到增加熔深和稳定电弧燃烧的作用，另外文献所述专利在焊接方法上属于一种激光填丝焊，TIG电弧是在钎料和钨极之间产生的而并非是钨极与工件之间，不是传统意义上的激光-TIG电弧复合焊接。
基于以上认识，本发明利用外加高频磁场，一方面作用于激光产生的光致等离子体，减小光致等立体对激光的屏蔽作用，提高激光利用率，另一方面作用于焊接电弧，提高电弧自身稳定燃烧能力和冲击熔深能力，有广阔的市场及应用前景。
发明内容
本发明的目的是提供一种提高激光利用率及电弧自身稳定燃烧能力和冲击熔深能力，进而改善激光-TIG电弧旁轴复合焊接工艺的外加高频磁场的激光-TIG电弧旁轴复合焊接方法及装置。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案实现：
外加高频磁场的激光-TIG电弧旁轴复合焊接方法，按以下步骤完成：
1)首先将TIG焊机的正负极分别接至工件和焊枪，然后将激磁电源输出端接至激磁线圈上，将焊枪装卡在复合焊接头焊枪装夹机构上，确定焊接行走路径；
2)打开激磁电源，由激磁电源产生的激磁电流，供电给与复合焊接头焊枪装卡机构连接的激磁线圈，使激磁线圈在激光-TIG电弧旁轴复合焊接区域产生频率为0～20KHz的高频磁场，在激光-TIG电弧旁轴复合焊接区域产生的高频磁场作用于激光产生的光致等离子体，减小光致等离子体对激光的屏蔽作用，提高激光利用率，同时，还作用于焊接电弧,由于外加磁场的高频率的变化和电弧等离子体和空气磁导率的差异，就会在电弧内外形成一个磁压力差△P，该磁压力差会对电弧产生高频磁压缩效应，提高电弧能量密度和挺度，压缩电弧半径，提高激光-TIG电弧旁轴复合焊接中电弧自身稳定燃烧能力和冲击熔深的能力；
3)打开保护气进行焊接，观察焊缝成形情况，通过调节0～200A的激磁电流和25％～75％的占空比来调整高频磁场的引入强度，通过调节0～20KHz的激磁电流频率来调整高频磁场的引入频率，改善激光-TIG电弧旁轴复合焊接焊缝成形工艺，焊缝熔深会随着激磁电流频率和磁场强度的增加而增加，在相同的0～500A的焊接电流和0～6000W的激光功率下，外加高频磁场比不加磁场激光-TIG电弧旁轴复合焊接的焊缝熔深有明显增加，增加幅度为10％～35％左右，焊接热影响区的晶粒组织变得细密，脆硬倾向明显降低。
外加高频磁场的激光-TIG电弧旁轴复合焊接方法所使用的装置，包括TIG焊机、焊枪、钨极、激磁线圈、激磁电源、复合焊接头焊枪装夹机构、连接件、激光头和复合焊接头连接件，所述的TIG焊机的正负极分别与工件和焊枪相连接，焊枪依次穿过复合焊接头焊枪装夹机构、连接件和激磁线圈与钨极相连接，激磁线圈两端分别与激磁电源的正负极相连接；所述的复合焊接头焊枪装夹机构通过复合焊接头连接件与激光头相连接；所述的复合焊接头焊枪装夹机构通过连接件与激磁线圈相连接。
与现有的技术相比，本发明的有益效果是：
外加高频磁场的激光-TIG电弧旁轴复合焊接方法及装置，具有体积小、成本低、使用简便的特点，由于外加高频磁场，有效提高了电弧气动压力，电弧电流密度，使电弧热量分布更加集中，压缩了电弧半径，进而提高了电弧能量密度和电弧的挺度，而电弧自身能量密度的提高和电弧弧柱半径的压缩，十分有利于激光-TIG电弧旁轴复合焊接时电弧的稳定燃烧能力和冲击熔深能力的增加；另一方面，能够使等离子体中的带电离子在洛伦兹力的作用下发生运动，其密度和分布以及等离子体的形状和位置均会发生改变，从而降低光致等离子体对激光的屏蔽效应，提高激光能量利用率，从而提高焊接效率和焊接过程稳定性，除此之外，高频磁场的引入还会增加熔池金属的流动能力，细化焊缝晶粒组织，进而从各方面有效改善激光-TIG电弧旁轴复合焊接的焊缝成形，有效优化了焊接工艺，有广阔的市场及应用前景。
附图说明
图1是本发明的结构图。
1—TIG焊机 2—焊枪 3—钨极 4—工件 5—激磁线圈 6—激磁电源 7—复合焊接头焊枪装夹机构 8—连接件 9—激光束 10—激光头 11—复合焊接头连接件
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式进一步说明：
如图1所示，本发明外加高频磁场的激光-TIG电弧旁轴复合焊接方法所使用的装置，包括TIG焊机1、焊枪2、钨极3、激磁线圈5、激磁电源6、复合焊接头焊枪装夹机构7、连接件8、激光头10和复合焊接头连接件11，所述的TIG焊机1的正负极分别与工件4和焊枪2相连接，焊枪2依次穿过复合焊接头焊枪装夹机构7、连接件8和激磁线圈5与钨极3相连接，激磁线圈5两端分别与激磁电源6的正负极相连接；所述的复合焊接头焊枪装夹机构7通过复合焊接头连接件11与激光头10相连接；所述的复合焊接头焊枪装夹机构7通过连接件8与激磁线圈5相连接。
外加高频磁场的激光-TIG电弧旁轴复合焊接方法，按以下步骤完成：
1)首先将TIG焊机1的正负极分别接至工件4和焊枪2，然后将激磁电源6输出端接至激磁线圈5上，将焊枪2装卡在复合焊接头焊枪装夹机构7上，确定焊接行走路径；
2)打开激磁电源6，由激磁电源6产生的激磁电流，供电给与复合焊接头焊枪装卡机构7连接的激磁线圈5，使激磁线圈5在激光-TIG电弧旁轴复合焊接区域产生频率为0～20KHz的高频磁场，在激光-TIG电弧旁轴复合焊接区域产生的高频磁场作用于激光产生的光致等离子体，减小光致等离子体对激光的屏蔽作用，提高激光利用率，同时，还作用于焊接电弧,由于外加磁场的高频率的变化和电弧等离子体和空气磁导率的差异，就会在电弧内外形成一个磁压力差△P，该磁压力差会对电弧产生高频磁压缩效应，提高电弧能量密度和挺度，压缩电弧半径，提高激光-TIG电弧旁轴复合焊接中电弧自身稳定燃烧能力和冲击熔深的能力；
2)打开保护气进行焊接，观察焊缝成形情况，通过调节0～200A的激磁电流和25％～75％的占空比来调整高频磁场的引入强度，通过调节0～20KHz的激磁电流频率来调整高频磁场的引入频率，改善激光-TIG电弧旁轴复合焊接焊缝成形工艺，焊缝熔深会随着激磁电流频率和磁场强度的增加而增加，在相同的0～500A的焊接电流和0～6000W的激光功率下，外加高频磁场比不加磁场激光-TIG电弧旁轴复合焊接的焊缝熔深有明显增加，增加幅度为10％～35％左右，焊接热影响区的晶粒组织变得细密，脆硬倾向明显降低。
使用本方法时，首先根据工件的材质、板厚、破口形式等，指定焊接工艺参数，如焊接电流、激光功率、焊接速度、保护气流量、钨极与工件距离等，这些工艺参数按照无外加磁场时激光-TIG电弧旁轴复合焊接标准工艺参数制定。
实施例一
镀锌钢板Q345B与7075铝合金材料的激光-TIG电弧旁轴复合焊接，利用外加高频磁场辅助激光-TIG电弧旁轴复合焊接方法，焊接工件4厚度为3mm，对接接头，复合焊接工艺参数为：直流TIG焊接，激磁电源6正极接到激磁线圈5的上端，激磁电源6负极接到激磁线圈5的下端，钨极3直径Φ2-4mm；焊接电流100-220A；激磁电流频率1～20KHz；占空比25％～50％；IPG YLS-6000光纤激光器，功率3500W，光斑直径1mm，焊接速度0.1-3.5m/min，通过参数优化，达到所需的接头性能。
上面所述仅是本发明的基本原理，并非对本发明作任何限制，凡是依据本发明对其进行等同变化和修饰，均在本专利技术保护方案的范畴之内。
Claims (2)
1.外加高频磁场的激光-TIG电弧旁轴复合焊接方法，其特征在于，按以下步骤完成：
1)首先将TIG焊机的正负极分别接至工件和焊枪，然后将激磁电源输出端接至激磁线圈上，将焊枪装卡在复合焊接头焊枪装夹机构上，确定焊接行走路径；
2)打开激磁电源，由激磁电源产生的激磁电流，供电给与复合焊接头焊枪装卡机构连接的激磁线圈，使激磁线圈在激光-TIG电弧旁轴复合焊接区域产生频率为0～20KHz的高频磁场，在激光-TIG电弧旁轴复合焊接区域产生的高频磁场作用于激光产生的光致等离子体，减小光致等离子体对激光的屏蔽作用，提高激光利用率，同时，还作用于焊接电弧,由于外加磁场的高频率的变化和电弧等离子体和空气磁导率的差异，就会在电弧内外形成一个磁压力差△P，该磁压力差会对电弧产生高频磁压缩效应，提高电弧能量密度和挺度，压缩电弧半径，提高激光-TIG电弧旁轴复合焊接中电弧自身稳定燃烧能力和冲击熔深的能力；
3)打开保护气进行焊接，观察焊缝成形情况，通过调节0～200A的激磁电流和25％～75％的占空比来调整高频磁场的引入强度，通过调节0～20KHz的激磁电流频率来调整高频磁场的引入频率，改善激光-TIG电弧旁轴复合焊接焊缝成形工艺，焊缝熔深会随着激磁电流频率和磁场强度的增加而增加，在相同的0～500A的焊接电流和0～6000W的激光功率下，外加高频磁场比不加磁场激光-TIG电弧旁轴复合焊接的焊缝熔深有明显增加，增加幅度为10％～35％左右，焊接热影响区的晶粒组织变得细密，脆硬倾向明显降低。
2.根据权利要求1所述的外加高频磁场的激光-TIG电弧旁轴复合焊接方法所使用的装置，其特征在于，包括TIG焊机、焊枪、钨极、激磁线圈、激磁电源、复合焊接头焊枪装夹机构、连接件、激光头和复合焊接头连接件，所述的TIG焊机的正负极分别与工件和焊枪相连接，焊枪依次穿过复合焊接头焊枪装夹机构、连接件和激磁线圈与钨极相连接，激磁线圈两端分别与激磁电源的正负极相连接；所述的复合焊接头焊枪装夹机构通过复合焊接头连接件与激光头相连接；所述的复合焊接头焊枪装夹机构通过连接件与激磁线圈相连接。
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