CN103170753A - 外加高频磁场的激光熔化极电弧旁轴复合焊接装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及外加高频磁场的激光熔化极电弧旁轴复合焊接装置，包括焊机、焊枪、焊丝、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。与现有的技术相比，本发明的有益效果是：具有体积小、成本低、实用性强的特点，激磁线圈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，提高电磁利用率和电弧自身稳定燃烧能力，促进熔滴顺利过渡和熔池金属的充分流动，降低焊接过程中产生飞溅和焊缝中的气孔等缺陷，由于激磁线圈本身电磁搅拌作用有利于熔池金属的流动以及焊缝晶粒组织的细化，降低焊缝气孔率和裂纹率，提高焊接接头组织性能，优化了激光熔化极电弧旁轴复合焊接工艺，有广阔的市场前景。

Description

外加高频磁场的激光熔化极电弧旁轴复合焊接装置及方法

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熔化极电弧旁轴复合焊接装置及方法。

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，激光熔化极电弧复合焊接，虽然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，仍然存在一定的焊接飞溅影响焊接表面形貌及焊缝成型质量，尤其是焊接铝、铜等激光高反材料时，还存在比较严重的气孔、驼峰等焊接缺陷，另外，激光所产生的光致等离子体会对激光产生屏蔽作用，同时这种屏蔽作用会影响电弧稳定燃烧的能力和熔化极焊熔滴的顺利过渡，影响焊接质量，继续降低激光利用率，影响电弧稳定燃烧的能力，同时还会对熔化极焊熔滴过渡过程和熔池金属流动产生不良影响，产生焊接飞溅、气孔等缺陷，影响焊缝成形质量。

在激光喷嘴和工件之间外加高频磁场，能够使等离子体中的带电粒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，提高焊接电弧稳定燃烧能力，同时由于屏蔽效应的减弱和外加磁场本身对熔滴过渡的促进作用，焊接飞溅和气孔率会降低。

基于以上认识，本发明提出一种外加磁场的激光熔化极电弧旁轴复合焊接装置及方法，利用外加磁场，减弱激光产生的光致等离子体对激光的屏蔽作用，提高电弧自身稳定燃烧能力，促进熔滴顺利过渡和熔池金属的充分流动，降低焊接过程中产生的飞溅和焊缝中的气孔等缺陷，除此之外，外加高频磁场本身由于电磁搅拌作用有利于熔池金属的流动以及焊缝晶粒组织的细化，降低焊缝气孔率和裂纹率，提高焊接接头组织性能，进而从各方面有效改善激光熔化极电弧旁轴复合焊接的焊缝成形，装置体积小，成本低，与激光电弧复合焊接头连接方式简便，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减小光致等立体对激光的屏蔽作用，提高电弧自身稳定燃烧能力，促进熔滴顺利过渡和熔池金属的充分流动，降低焊接过程中产生的飞溅和焊缝中的气孔的外加高频磁场的激光电弧旁轴复合焊接装置及方法。

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熔化极电弧旁轴复合焊接装置，包括焊机、焊枪、焊丝、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焊丝相连接，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。

所述的激磁线圈由6-8mm的铜管缠绕而成，其线圈匝数为4-6匝，铜管外侧套有不锈钢保护罩，将铜管中产生的磁场包围在封闭的密闭空间，使铜管产生的磁场充分加到焊接区域，提高电磁利用率；铜管内部通有冷却水，铜管通过接线柱与激磁电源相连接，其电压为10-20伏，激磁线圈产生频率为1～20KHz的高频磁场。

所述的焊枪熔化极气体保护焊枪。

外加高频磁场的激光电弧旁轴复合焊接方法，按以下步骤完成：

1）首先将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，使激磁线圈在激光熔化极电弧旁轴复合焊接区域产生频率为1～20KHz的高频磁场，在激光熔化极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，减小光致等立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，提高激光熔化极电弧旁轴复合焊接中电弧自身稳定燃烧能力，由于屏蔽效应的减弱以及磁场本身对熔滴的促进作用，还会使复合焊接过程中的熔滴顺利过渡，进而改善激光熔化极电弧旁轴复合焊接工艺；

3）打开保护气进行焊接，观察焊缝成形情况，通过调节1～200A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1～20KHz的激磁电流频率来调整高频磁场的引入频率，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1～500A的焊接电流和1～6000W的激光功率下，外加高频磁场比不加磁场激光熔化极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。

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熔化极电弧旁轴复合焊接装置及方法，具有体积小、成本低、实用性强的特点，激磁线圈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，提高电磁利用率和电弧自身稳定燃烧能力，促进熔滴顺利过渡和熔池金属的充分流动，降低焊接过程中产生飞溅和焊缝中的气孔等缺陷，由于激磁线圈本身电磁搅拌作用有利于熔池金属的流动以及焊缝晶粒组织的细化，降低焊缝气孔率和裂纹率，提高焊接接头组织性能，优化了激光熔化极电弧旁轴复合焊接工艺，有广阔的市场前景。

附图说明

图1 是本发明的结构图。

1—焊机  2—焊枪  3—焊丝  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熔化极电弧旁轴复合焊接装置，包括焊机1、焊枪2、焊丝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与焊丝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；所述的激磁线圈5由6-8mm的铜管缠绕而成，其线圈匝数为4-6匝，铜管外侧套有不锈钢保护罩，将铜管中产生的磁场包围在封闭的密闭空间，使铜管产生的磁场充分加到焊接区域，提高电磁利用率；铜管内部通有冷却水，铜管通过接线柱与激磁电源6相连接，其电压为10-20伏，激磁线圈5产生频率为1～20KHz的高频磁场；所述的焊枪熔化极气体保护焊枪。

外加高频磁场的激光熔化极电弧旁轴复合焊接方法，按以下步骤完成：

1）首先将焊机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在激光熔化极电弧旁轴复合焊接区域产生频率为1～20KHz的高频磁场，在激光熔化极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，减小光致等立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，提高激光熔化极电弧旁轴复合焊接中电弧自身稳定燃烧能力，由于屏蔽效应的减弱以及磁场本身对熔滴的促进作用，还会使复合焊接过程中的熔滴顺利过渡，进而改善激光熔化极电弧旁轴复合焊接工艺；

3）打开保护气进行焊接，观察焊缝成形情况，通过调节1～200A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1～20KHz的激磁电流频率来调整高频磁场的引入频率，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1～500A的焊接电流和1～6000W的激光功率下，外加高频磁场比不加磁场激光熔化极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。

实施例一

镀锌钢板Q345B与7075铝合金材料的激光熔化极电弧旁轴复合焊接，利用外加高频磁场辅助激光熔化极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：直流熔化极焊接，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，焊丝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 (4)

1.外加高频磁场的激光熔化极电弧旁轴复合焊接装置，其特征在于，包括焊机、焊枪、焊丝、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焊丝相连接，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。

2.根据权利要求1所述的外加高频磁场的激光熔化极电弧旁轴复合焊接装置，其特征在于，所述的激磁线圈由6-8mm的铜管缠绕而成，其线圈匝数为4-6匝，铜管外侧套有不锈钢保护罩，将铜管中产生的磁场包围在封闭的密闭空间，使铜管产生的磁场充分加到焊接区域，提高电磁利用率；铜管内部通有冷却水，铜管通过接线柱与激磁电源相连接，其电压为10-20伏，激磁线圈产生频率为1～20KHz的高频磁场。

3.根据权利要求1所述的外加高频磁场的激光熔化极电弧旁轴复合焊接装置，其特征在于，所述的焊枪熔化极气体保护焊枪。

4.根据权利要求1所述的外加高频磁场的激光熔化极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，使激磁线圈在激光熔化极电弧旁轴复合焊接区域产生频率为1～20KHz的高频磁场，在激光熔化极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，减小光致等立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，提高激光熔化极电弧旁轴复合焊接中电弧自身稳定燃烧能力，由于屏蔽效应的减弱以及磁场本身对熔滴的促进作用，还会使复合焊接过程中的熔滴顺利过渡，进而改善激光熔化极电弧旁轴复合焊接工艺；

3）打开保护气进行焊接，观察焊缝成形情况，通过调节1～200A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1～20KHz的激磁电流频率来调整高频磁场的引入频率，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1～500A的焊接电流和1～6000W的激光功率下，外加高频磁场比不加磁场激光熔化极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。

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