CN103612019A - 一种磁力搅拌的co2激光-tig电弧复合焊接方法 - Google Patents

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Abstract

一种磁力搅拌的CO2激光-TIG电弧复合焊接方法。本发明公开了一种通过纵向磁场实现熔池磁力搅拌的方法，在CO2激光-TIG电弧复合焊接基础之上增加纵向磁场实现焊接组织晶粒细化及能量耦合效率提高的功能，其通过合理的功率、焦距、离焦量、氦保护气体流量等CO2激光工艺参数，钨极直径D、弧长、焊接电流、气体流量等TIG电弧工艺参数，以及磁感应强度、频率等纵向磁场工艺参数的设置，提高了激光-电弧复合焊接的能量耦合效率及焊缝成形质量。

Description

一种磁力搅拌的CO2激光-TIG电弧复合焊接方法
技术领域
本发明涉及激光材料加工技术领域，特别是涉及激光-电弧复合焊接方法。
背景技术
激光-电弧复合焊接将物理性质、能量传输机制截然不同的两种热源复合在一起，同时作用在工件的同一加工位置，通过两热源相互作用及复合热源与工件作用，完成焊接过程。激光-电弧复合焊接在汽车、航空航天、船舶等行业中获得了广泛的应用，例如奥迪A8铝合金轿车的侧顶梁及大众高档汽车Phaeton的铝合金车门等均采用的是复合焊接技术。激光-电弧复合焊接技术极大的发挥了激光和电弧两个独立热源各自的优点,如激光热源具有高的能量密度、极优的指向性、及透明介质传导的特性，电弧等离子体具有高的热-电转化效率、低廉的设备成本的运行成本、技术发展成熟等优势，同时也衍生出了很多新的特点，如高能量密度、高能量利用率、高的电弧稳定性、较低的工装准备精度以及待焊接工件表面质量等。
但是，随着产品性能的提高，进一步提高激光-电弧复合焊接的能量耦合效率及焊缝成形质量成为了一种必然。专利（CN103170753A）公开了一种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，在激光-电弧复合焊接的时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。这种方法通过对焊枪施加高频磁场，改善了高能场耦合效率，但未对焊缝组织成形质量进行直接控制。
发明内容
基于上述激光-电弧复合焊接焊缝成形质量问题，本发明的目的在于提供一种磁力搅拌的CO2激光-TIG电弧复合焊接方法，通过直流电磁铁产生的纵向磁场可对焊接熔池产生热力搅拌以实现晶粒细化及焊缝组织的调控。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种磁力搅拌的CO2激光-TIG电弧复合焊接方法，通过直流电磁铁不同方向的电流密度j和磁感应强度B共同决定洛伦兹力F，该力通过改变熔池液态金属流动状态实现熔池几何形状的变化，实现组织晶粒细化；基于外加纵向磁场进行磁力搅拌的CO2激光-TIG电弧复合焊接，包括以下步骤：
1）构建CO2激光-TIG电弧复合焊接系统；
2）将直流电磁铁通过螺栓固定在工件下面，并与工件接触；
3）设定CO2激光工艺参数：CO2激光功率1.5～5KW，焦距110～150mm，离
焦量0mm,焊接速度30～270m/min；
4）设定TIG电弧工艺参数：钨极直径
Figure BDA0000414882520000021
电弧长度1.0～3.0mm，焊接电流40～280A，焊接速度30～270m/min,Ar气体流量5-18L/min；
5）设定直流电磁铁工艺参数：磁感应强度B为0.02T～0.06T，频率为2Hz～15Hz；
6）系统通电：CO2激光器产生激光束，TIG电弧产生电弧，直流电磁铁产生的磁场具有一定的磁感应强度方向；
7）进行复合焊接：在母材焊接位置进行焊接，洛伦兹力改变高温形成的熔池几何形状和匙孔，冷却形成焊缝。
其中步骤1）包括：将电弧电源的正极接工件，电弧电源负极接电弧喷嘴中的电极夹套，通过电极夹套固定钨电极并为之供电。
其中，根据洛伦兹力公式F=j×B及左手定则，通过改变直流电磁铁通电方向的不同，可以改变磁感应强度B的方向，实现洛伦兹力方向的改变，通过直流电磁特频率与TIG电弧频率匹配，实现熔池内熔融金属加/减速流动。
本发明具有以下的有益效果：本发明通过同等条件下的多次实验，可以发现其能有效的提高能量场耦合效率，有效控制复合焊接过程中的焊接组织成形质量及晶粒过大等问题。
附图说明
图1为本发明一种磁力搅拌的CO2激光-TIG电弧复合焊接方法的示意图；
图2为本发明所用的直流电磁铁的示意图；
图3为本发明一种外加纵向磁场磁力搅拌示意图；
图4为本发明前，CO2激光-TIG电弧复合焊接焊缝形貌图；
图5为本发明一种洛伦兹力与焊接方向相同的焊缝形貌图；
图6为本发明一种洛伦兹力与焊接方向相反的焊缝形貌图。
图中：1、激光束；2、电极夹套；3、喷嘴；4、钨电极；5、工件；6、直流电磁铁；7、熔池；8、磁感应强度B方向；9、焊缝；10、母材；11、匙孔；12、电弧。
附图给出的磁力搅拌的CO2激光-TIG电弧复合焊接方法的示意图，仅为帮助理解本发明的要点，在实际应用时可根据具体情况进行改造，并不限于此结构。
具体实施方式
为能进一步了解本发明的特征、技术手段及所要达到具体目的、功能。本发明涉及加工方法及工艺参数，下面结合附图与具体实施方式，对本发明作进一步详细描述，本发明包括以下步骤：
1）构建CO2激光-TIG电弧复合焊接系统：电弧电源的正极接工件5，电弧电源负极接电弧喷嘴3中的电极夹套2，通过电极夹套固定钨电极4并为之供电；
2）将直流电磁铁6通过螺栓固定在工件5下面，并与工件5接触；
3）设定CO2激光工艺参数：CO2激光功率1.5～5KW，焦距110～150mm，离焦量0mm,焊接速度30～270m/min；
4）设定TIG电弧工艺参数：钨电极4直径电弧长度1.0～3.0mm，焊接电流40～280A，焊接速度30～270m/min,Ar气体流量5-18L/min；
5）设定直流电磁铁6工艺参数：磁感应强度B为0.02T～0.06T，频率为2Hz～15Hz；
6）系统通电：CO2激光器产生激光束1，TIG电弧产生电弧12，直流电磁铁6产生的磁场具有一定的磁感应强度方向8；
7）进行复合焊接：在母材10焊接位置进行焊接，洛伦兹力改变高温形成的熔池7几何形状和匙孔11，冷却形成焊缝9。
通过图5－6与图4的焊缝对比可以看出，本发明能够有效提高能量场耦合效率，有效控制复合焊接过程中的焊接组织成形质量及晶粒过大等问题。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明保护的范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种磁力搅拌的CO2激光-TIG电弧复合焊接方法，通过直流电磁铁产生的纵向磁场，对CO2激光-TIG电弧复合焊接中熔池液态金属流动状态进行改变以实现熔池几何形状的变化，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
1）构建CO2激光-TIG电弧复合焊接系统；
2）将直流电磁铁通过螺栓固定在工件下面，并与工件接触；
3）设定CO2激光工艺参数：CO2激光功率1.5～5KW，焦距110～150mm，离焦量0mm,焊接速度30～270m/min；
4）设定TIG电弧工艺参数：钨极直径
Figure FDA0000414882510000011
电弧长度1.0～3.0mm，焊接电流40～280A，焊接速度30～270m/min,Ar气体流量5-18L/min；
5）设定直流电磁铁工艺参数：磁感应强度B为0.02T～0.06T，频率为2Hz～15Hz；
6）系统通电：CO2激光器产生激光束，TIG电弧产生电弧，直流电磁铁产生的磁场具有一定的磁感应强度方向；
7）进行复合焊接：在母材焊接位置进行焊接，洛伦兹力改变高温形成的熔池几何形状和匙孔，冷却形成焊缝。
2.根据权利要求1所述的一种磁力搅拌的CO2激光-TIG电弧复合焊接方法，其中步骤1）包括：将电弧电源的正极接工件（5），电弧电源负极接电弧喷嘴（3）中的电极夹套（2），通过电极夹套固定钨电极（4）并为之供电。
3.根据权利要求1或2所述的一种磁力搅拌的CO2激光-TIG电弧复合焊接方法，其中根据洛伦兹力公式F=j×B及左手定则，通过改变直流电磁铁通电方向的不同，可以改变磁感应强度B的方向，实现洛伦兹力方向的改变，通过直流电磁特频率与TIG电弧频率匹配，实现熔池内熔融金属加/减速流动。
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