CN103769746A - 一种脉冲强磁场辅助激光焊接方法与设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种脉冲强磁场辅助激光焊接方法及设备，可用于激光点焊和缝焊，该方法是在整个焊接过程中，先将激光束照射到工件上形成焊接接头，再将脉冲强磁场施加于刚刚凝固的焊接接头及其周围区域，脉冲强磁场在工件表面产生压应力使接头区域发生塑性变形，释放残余应力，以降低焊接接头应力集中和结构变形程度，并提高焊接接头疲劳强度。设备包括激光器、脉冲强磁场发生器、数控系统、光学传输系统和激光脉冲强磁场复合加工头。加工头用于集成激光束和脉冲强磁场，调节电磁转换装置和工件表面的垂直间距，及其和激光束的水平间距。本发明可降低结构变形、提高焊接质量和加工效率，得到优于已有激光焊接工艺的加工效果。

Description

一种脉冲强磁场辅助激光焊接方法与设备

技术领域

本发明属于焊接技术，具体涉及一种脉冲强磁场辅助激光焊接方法与设备，尤其适用于金属材料薄壁结构的脉冲强磁场辅助激光焊接。

背景技术

焊接是金属材料结构件的重要加工手段，在车辆、航空航天、船舶、建筑、桥梁、压力容器等制造领域有着广泛应用。激光焊接技术是利用具有高能密度特性的激光作为热源加热熔化工件来实施焊接，具有焊接速度快、变形小、接头质量好、热影响区小，以及适用于各种金属材料，且易于实现自动化的一系列优点，是当前先进制造技术发展的热点。比如，空中客车A318、A340和A380等机型的机身制造中即采用激光焊接技术，不但大大简化了制造工艺，而且使机身减重18％，成本下降近25％。在汽车白车身(低碳钢、镀锌板等材料)的制造中，激光点焊工艺已经成为取代铆接、电阻点焊和电弧点焊的首选工艺。

作为一种熔焊工艺，激光焊接面临的最大问题是因热输入而导致的热变形，严重影响构件装配精度和结构整体性能，尤其是疲劳性能，尽管其热输入和热影响远小于传统的电阻焊和电弧焊工艺。已经开展的研究表明在激光焊接条件下，焊接热变形的控制常常存在一定困难。传统的焊后残余应力消除方法与矫形方法(诸如锤击、机械振动、焊后缓冷(时效法)、热处理等)耗时耗力，属于操作困难的离线式焊接应力消除方法，效果不佳。因此，如何实时在线改善激光焊接接头应力应变分布状态，消除或减小残余应力并降低结构变形，是促进激光焊接技术发展的关键。

脉冲强磁场成形技术是利用脉冲强磁场进行金属材料塑性成形加工的新型高能率加工方法：成形加工头悬浮于工件上方，当脉冲电流经过加工头内部的线圈时产生脉冲强磁场，引发金属工件内部形成感生涡流磁场，进而在工件内部形成强的电磁力以实现对金属材料的塑性加工。脉冲电磁力对工件表面产生的瞬间峰值压力可达近400MPa，变形区内金属流动的速度可达300m／s，是一种效率极高的塑形加工方法。因为上述技术特点，脉冲强磁场成形技术能够实现金属材料的在线加工和校形。

发明内容

本发明的目的在于提供一种脉冲强磁场辅助激光焊接方法与设备，本发明可以实时改善焊接接头的残余应力分布状态，降低结构变形，从而大幅度提高焊接接头的质量、结构制造精度和加工效率。

本发明提供的一种脉冲强磁场辅助激光焊接方法，其特征在于，焊接过程中先将激光束照射到工件上形成焊接接头，再将脉冲强磁场施加于刚刚凝固的焊接接头及其周围热影响区域，脉冲强磁场在工件表面产生压应力使接头区域发生塑性变形，释放残余应力，以降低焊接接头应力集中和结构变形程度，并提高焊接接头疲劳强度。

上述技术方案可以采用下述任一种或任几种方式进行改进：

(1)激光功率为300W～15000W，更优选的范围为1500W～5000W，对于点焊，单点焊接时间为0.05s～10s，更优选的范围为0.2s～3s；对于缝焊，焊接速度为0.5m／min～30m／min，更优选的范围为1m／min～6m／min。

(2)脉冲强磁场辅助激光焊接加工头可以沿Z轴(垂直于工件表面的方向)上下移动使作用于工件表面的激光光斑处于变焦状态，激光光斑直径为0.1mm～10mm，更优选的范围为0.5mm～5mm。

(3)在激光焊接过程中，可以采用振镜聚焦系统使激光束在工件表面沿半径方向摆动，以扩大激光束作用范围，并增强熔池流动，提高焊缝质量。激光束的摆幅为0.5mm～5mm，并且可以以圆形、椭圆形、矩形、三角形、八字形等图形方式进行摆动，但不局限于这些形式。

(4)所述激光焊接工艺可以填充材料来改善焊接冶金过程，提高接头质量，填充材料以薄膜、粉末或丝材的形式进行添加。

(5)所述激光焊接工艺除了单一激光焊接方法外，还可以在激光热源旁加装电弧热源作为次级热源，采用效率更高、焊接缺陷更少的激光-电弧复合焊接方法来提高焊缝质量。

(6)电磁转换装置和工件表面的间距为0.5mm～50mm，更优选的范围为2mm～10mm；脉冲磁场强度为0.05T-90T，更优选的范围为0.5T-50T；磁场脉宽为1μs～3s，更优选的范围为100μs～500ms。对于点焊，所述的特定延迟时间的范围为0.5s～300s，优选范围为5s～60s；对于缝焊，所述的特定延迟时间由电磁转换装置与激光束中轴的水平间距除以焊接速度得到，电磁转换装置与激光束水平间距的范围为10mm～500mm，优选范围为30mm～50mm。

本发明提供的实现上述脉冲强磁场辅助激光焊接方法的设备，包括激光器、脉冲强磁场发生器、数控系统、光学传输系统、激光脉冲强磁场复合加工头和加工机床；

所述激光器为固体激光器或气体激光器，所述光学传输系统分别与激光器和激光聚焦系统相连，用于激光束的传输；所述脉冲强磁场发生器用于产生脉冲强磁场，所述激光脉冲强磁场复合加工头用于集成激光束和脉冲强磁场；所述加工机床用于安装激光脉冲强磁场复合加工头或工件；

所述数控系统分别与激光器、脉冲强磁场发生器和加工机床的电信号连接，用于控制三者工作，使通过激光脉冲强磁场复合加工头出射的激光束和脉冲强磁场共同作用于工件上。

作为上述脉冲强磁场辅助激光焊接设备技术方案的改进，所述激光脉冲强磁场复合加工头包括激光聚焦系统、电磁转换装置和复合焊接位置调节装置。所述激光聚焦系统用于激光束的聚焦。所述电磁转换装置用于将电流转换为强磁场。所述激光脉冲强磁场复合加工头有两种结构设计。对应激光点焊，加工头中的激光聚焦系统、电磁转换装置、点焊位置调节装置采用同轴对称设计，电磁转换装置中部设有用于激光束穿过的通孔，复合点焊位置调节装置的运动滑轨相对于激光聚焦系统的中心对称安装，不干扰激光束的聚焦和传输；复合点焊位置调节装置的一端固定安装在激光聚焦系统上，另一端活动安装电磁转换装置；电磁转换装置能够通过复合点焊位置调节装置沿Z轴(垂直于工件表面的方向)上下移动以调节其和工件表面的垂直间距。对应激光缝焊，激光聚焦系统和电磁转换装置采用旁轴设计，分别安装于缝焊位置调节装置的两侧；复合缝焊位置调节装置的一端固定安装在激光聚焦系统上，另一端活动安装电磁转换装置，电磁转换装置能够通过复合缝焊位置调节装置调节其相对于工件表面的垂直间距，以及相对于激光束的水平间距。

作为上述关于脉冲强磁场辅助激光焊接设备技术方案的进一步改进，所述激光聚焦系统的聚焦方式为激光振镜扫描聚焦，或者透镜聚焦，或者铜镜反射聚焦。激光振镜扫描聚焦方式能够通过振镜扫描镜组中光学镜片的偏转实现激光束在工件表面的快速扫描，控制焊缝形貌和微观组织。

作为上述关于脉冲强磁场辅助激光焊接设备技术方案的进一步改进，可在所述激光热源旁加装电弧热源作为次级热源，组成焊接效率更高、缺陷更少的激光-电弧复合焊接方法来提高焊缝质量，所采用的电弧热源形式包括惰性气体钨极氩弧焊(TIG)、熔化极惰性／活性气体保护焊(MIG／MAG)、埋弧焊等。

作为上述关于脉冲强磁场辅助激光焊接设备技术方案的进一步改进，可在所述激光聚焦系统旁加装填充材料系统，填充材料以薄膜、粉末或丝材的形式进行添加。

作为上述关于脉冲强磁场辅助激光焊接设备技术方案的进一步改进，所述电磁转换装置包括集磁器和脉冲强磁场线圈；集磁器为中空结构，电磁脉冲线圈套装在集磁器上。

本发明能够克服已有激光焊接工艺的缺点，实现金属材料的高效率、高精度和高质量制造。本发明具有如下技术效果：

(1)本发明是基于试验发现、理论研究和工程实践首次提出的一种脉冲强磁场辅助激光焊接金属材料的方法与设备，既可以应用于激光缝焊工艺也可以应用于激光点焊工艺。本发明所述方法是激光焊接工艺完成后，在特定延迟时间内，施加脉冲强磁场于固态焊缝，能够快速准确的以在线方式施加压应力于焊缝区域，通过塑性变形降低结构变形并提高接头疲劳强度，适用于已有焊接工艺在焊缝组织性能上满足要求，但需要采取人工时效去除应力来减小结构变形或提高抗疲劳强度的情况。

(2)本发明所述方法在焊后存在脉冲强磁场和接头应力应变场的相互作用，并由此形成一系列新效应、新机制，以及增强的加工效果，从而解决现有激光焊接工艺加工金属材料时难以克服的接头质量控制和结构变形问题。

(3)本发明所述方法和设备能够在激光焊接工艺刚刚完成后，通过脉冲强磁场在工件表面形成的电磁力，使接头及其周围区域发生塑性变形，改变焊接过程中产生的非协调应变，释放焊后残余应力，均匀化接头区域的应力分布状态，从而降低因焊接热力效应而形成的应力集中和结构变形程度，并提高接头疲劳强度。本发明能够以在线方式快速准确的达到上述加工效果，远优于传统焊接中诸如锤击、机械振动、焊后缓冷(时效法)、热处理等耗时耗力，且大型构件操作困难的离线式焊接应力消除方法。

(4)本发明所述设备设计有同轴和旁轴脉冲强磁场辅助激光加工头，可满足不同的应用需求。

(5)因为上述增强的加工效果，本发明制造的结构变形可以得到有效控制，且焊缝强度优于已有激光焊接工艺。和已有的激光焊接工艺相比，本发明的接头抗拉强度提高10％以上，疲劳强度提高20％以上。

(6)本发明适用于包括铝合金、镁合金、钛合金、高温合金、钢铁材料在内的绝大部分金属材料；不但可用于加工规整的圆筒、平板薄壁结构件，还可用于椭圆、汽车白车身等复杂曲面结构的焊接制造。

(7)脉冲强磁场辅助激光焊接方法可以大幅度减轻结构质量，简化工艺流程，提高加工质量和生产效率，降低制造成本、劳动强度和噪音污染，是一种绿色环保、高效清洁的先进制造技术，能够满足当前航空航天、车辆制造、空间技术等领域对结构轻量化、绿色制造的迫切需求。

附图说明

图1为采用同轴式加工头的脉冲强磁场辅助激光点焊设备的结构示意图。

图2为采用旁轴式加工头的脉冲强磁场辅助激光缝焊设备结构示意图，图中标出了电磁转换装置和激光束水平间距，以及其和工件表面的垂直间距的定义。

图3a为采用激光振镜扫描聚焦方式的脉冲强磁场辅助激光点焊与缝焊示意图。

图3b为采用透射聚焦方式的脉冲强磁场辅助激光点焊与缝焊示意图。

图3c为采用铜镜反射聚焦方式的脉冲强磁场辅助激光点焊与缝焊示意图。

图4为采用激光-电弧复合焊接工艺的脉冲强磁场辅助激光点焊与缝焊示意图。

图5为脉冲强磁场辅助激光点焊焊缝的表面形状。

图6为脉冲强磁场辅助激光点焊与缝焊方法的接头截面形状。

图7为已有激光点焊工艺的加工效果图。

图8为脉冲强磁场辅助激光点焊工艺的加工效果图。

图9为已有激光缝焊工艺的加工效果图。

图10为脉冲强磁场辅助激光缝焊工艺的加工效果图。

图11为圆筒结构件脉冲强磁场辅助激光点焊设备的示意图。

图12为平板结构件脉冲强磁场辅助激光点焊设备的示意图。

图13为用于环缝焊接的脉冲强磁场辅助激光缝焊设备示意图。

图中，1.激光器，2.脉冲强磁场发生器，3.数控系统，4.光学传输系统，5.激光脉冲强磁场复合加工头，51.激光聚焦系统，511.激光振镜扫描聚焦镜组，512.透镜聚焦镜组，513.铜镜反射聚焦镜组，52.复合焊接位置调节装置，53.电磁转换装置，531.集磁器，532.脉冲强磁场线圈，54.电弧焊枪，6.激光束，7.夹具，8.填充材料，9.工件，91.已有激光点焊工艺加工后的工件，92.脉冲强磁场辅助激光点焊工艺加工后的工件，93.已有激光缝焊工艺加工后的工件，94.脉冲强磁场辅助激光缝焊工艺加工后的工件，10.激光点焊焊缝，101.未熔透点焊焊缝，102.全熔透点焊焊缝，11.点焊脉冲强磁场作用区，12.加工机床，13.激光缝焊焊缝，131.未熔透缝焊焊缝，132.全熔透焊缝，14.缝焊脉冲强磁场作用区。

具体实施方式

激光焊接和脉冲强磁场成形技术本身是两个独立技术，在并行发展至今的二三十年内，两者在各自领域都取得了很大的进展。但是，激光焊接和脉冲强磁场成形这两种工艺相结合以后，对由此形成的增强的加工效果还缺乏认识。本发明正是基于试验发现、理论研究和工程实践，提供一种适用于金属材料的脉冲强磁场辅助激光焊接方法及设备，解决现有激光焊接工艺所面临的工程问题，实现金属材料高质量、高效率和高精度焊接加工。

本发明方法可以应用于激光点焊与激光缝焊工艺。在用于激光点焊时，激光束作用到工件上形成点焊焊缝，然后在激光点焊工艺刚刚完成的特定延迟时间内启动并施加脉冲强磁场于固态焊缝区域，最终完成焊接任务。在用于激光缝焊时，激光束作用到工件上形成焊接接头，脉冲强磁场在特定延迟时间内施加于已经凝固的焊接接头及其周围区域，延迟时间的长短取决于两个参数，一是强磁场作用区与激光束水平间距除以焊接速度得到；二是根据焊接接头冷却过程对组织结构特征的影响规律来确定，使得强磁场的力效应在焊缝及热影响区中能够产生的压应力最大。这一技术方案的主要目的是利用脉冲强磁场在工件表面产生的压应力使凝固接头及其周围区域发生塑性变形，释放残余应力，从而降低结构件的应力集中和变形程度。这一技术方案能够在焊接完成后，以在线方式快速准确地减少或者消除焊接接头区域的应力集中程度，降低结构变形并提高接头疲劳强度，远优于传统焊接中诸如锤击、机械振动、焊后缓冷(时效法)、热处理等耗时耗力，且大型构件操作困难的离线式焊接应力消除方法。

本发明将激光焊接工艺和脉冲强磁场加工工艺有机结合起来，可以控制接头区域的应力应变和残余应力分布状态，降低结构变形，形成远优于已有激光焊接工艺的加工效果。

本发明所述方法原理图如图1和图2所示。

本发明所述技术方案的具体步骤为：

激光器1产生激光束6作用到工件9上形成激光焊接接头，脉冲强磁场在特定延迟时间内施加于已经凝固的焊接接头及其周围区域，完成焊接任务。此时脉冲强磁场在工件表面产生压应力使接头区域发生塑性变形，释放残余应力，从而降低接头应力集中和结构变形程度，并提高接头疲劳强度。

在上述技术方案中，如果需要改善接头成分来提高焊接质量，可以按照加工需求在焊接过程中添加填充材料8，填充材料的类型为薄膜、粉末或丝材。

在上述技术方案中，如果需要改变激光束聚焦方式来满足不同的应用需求，并提高接头质量，激光聚焦系统51可以采用如图3a所示的激光振镜扫描聚焦镜组511，或者如图3b所示透射聚焦镜组512，或者如图3c所示的铜镜反射聚焦镜组513。

在上述技术方案中，如果需要提高焊接质量，焊接方法不局限于单一激光焊接方法，可以选用如图4所示的激光-电弧复合焊接方法。

如果单次脉冲作用后的接头仍然存在较大变形，无法满足应用需求，可以根据实际情况，继续在焊缝区域施加一次或多次脉冲强磁场来降低接头区域的残余应力和应力集中程度，从而进一步降低构件变形并提高接头疲劳强度。

上述技术方案的工艺参数范围为：激光功率300W～15000W，优选范围1500W～5000W；对于点焊，单点焊接时间为0.05s～10s，更优选的范围为0.2s～3s；对于缝焊，焊接速度为0.5m／min～30m／min，更优选的范围为1m／min～6m／min，作用于工件表面的激光光斑直径为0.1mm～5mm，更优选的范围为0.5mm～3mm。采用振镜聚焦系统时激光束在工件表面沿焊缝法线方向可以呈直线摆动，摆幅为0.5mm～5mm；脉冲强磁场线圈和工件表面的间距为0.5mm～50mm，优选范围为2mm～10mm；脉冲磁场强度0.05T-90T，优选范围为0.5T-50T；脉宽1μs～1s，优选范围为500μs～500ms。对于激光脉冲强磁场线圈中心与激光束水平间距L(即二者中心线之间的距离)的范围为10mm～500mm，优选范围为30mm～50mm。对于激光点焊所述特定延迟时间范围0.5s～300s，优选范围为5s～60s。所述激光点焊焊缝10的表面形状为如图5所示的实心圆形、C型、S型和I型，但不局限于这四种情况；焊缝截面形状为如图6所示的未熔透焊缝101和全熔透焊缝102两种形式。所述激光缝焊接头13的截面形状为如图5所示的未熔透焊缝131和全熔透焊缝132两种形式。

图7为已有激光点焊工艺的加工效果图，图8为脉冲强磁场辅助激光点焊工艺的加工效果图。对比两图可以看到，因为焊接热应力，采用已有激光点焊工艺加工后的工件91有明显变形，采用脉冲强磁场辅助激光点焊工艺加工的工件92在结构尺寸上和加工前保持一致，几乎没有变形；其次，在激光点焊焊缝10周边区域会形成一个脉冲强磁场作用区11。

图9为已有激光缝焊工艺的加工效果图，图10为脉冲强磁场辅助激光缝焊工艺的加工效果图。对比两图可以看到，因为焊接热应力，采用已有激光缝焊工艺加工后的工件93有明显变形，采用脉冲强磁场辅助激光缝焊工艺加工的工件94在结构尺寸上和加工前保持一致，几乎没有变形；其次，在激光缝焊接头13周边区域会形成一个脉冲强磁场作用区14。

如图1、图2所示，本发明所述的脉冲强磁场辅助激光焊接设备包括激光器1、脉冲强磁场发生器2、数控系统3、光学传输系统4、激光脉冲强磁场复合加工头5。

所述激光器1为固体激光器或气体激光器，用于产生激光束6。所述光学传输系统4为传输光纤或镜片组成的导光系统，他们分别与激光器1和激光聚焦系统51相连，用于激光束的传输。所述脉冲强磁场发生器2用于产生脉冲强磁场。所述数控系统3分别与激光器1、脉冲强磁场发生器2和加工机床的电信号连接，用于这些设备的开启和关闭，工艺参数的设定和程序编制。所述激光脉冲强磁场复合加工头5用于集成激光束和脉冲强磁场，能够通过复合焊接位置调节装置52调节电磁转换装置53和工件9表面的间距；它安装在加工机床上，由数控系统3和加工机床控制其位置移动。工作时，将激光脉冲强磁场复合加工头或待加工工件在加工机床上，以调整激光脉冲强磁场复合加工头和待加工工件之间的位移。

根据实际情况可以采用不同类型的加工机床，分别与激光脉冲强磁场复合加工头5、夹具7和工件9连接，由数控系统3控制三者的位置移动。

作为上述关于脉冲强磁场辅助激光焊接设备技术方案的改进，所述激光脉冲强磁场复合加工头5采用一体化结构设计，包括激光聚焦系统51、复合焊接位置调节装置52和电磁转换装置53。所述激光聚焦系统51用于激光束的聚焦，可以根据焊接要求选取如图3a所示的激光振镜扫描镜组511，或者如图3b所示投射聚焦镜组512，或者如图3c所示的发射聚焦镜组513。所述电磁装换装置53用于将电流转换为强磁场。

作为上述关于脉冲强磁场辅助激光焊接设备技术方案的改进，对应上述方法中的两种技术方案，所述激光脉冲强磁场复合加工头5有两种结构形式。对应第一种技术方案，激光脉冲强磁场复合加工头5采用如图1所示的同轴对称结构，激光聚焦系统51、复合焊接位置调节装置52、电磁转换装置53同轴对称排列，复合焊接位置调节装置52的一端固定安装在激光聚焦系统51上，另一端活动安装电磁转换装置53；电磁转换装置53中部设有用于激光束穿过的通孔，复合焊接位置调节装置52的运动滑轨相对于激光聚焦系统51的中轴对称安装，不干扰激光束的聚焦和传输；电磁转换装置53能够通过复合焊接位置调节装置52沿Z轴上下移动以调节其和工件9表面的垂直间距，从而调整脉冲强磁场作用在工件上的电磁力的大小。对应第二种技术方案，激光脉冲强磁场复合加工头5采用如图2所示的旁轴结构，激光聚焦系统51和电磁转换装置53分别位于复合焊接位置调节装置52的两侧；复合焊接位置调节装置52的一端固定安装在激光聚焦系统51上，另一端活动安装电磁转换装置53，电磁转换装置53能够通过复合焊接位置调节装置52沿Z轴上下移动以调节其和工件9表面的垂直间距，沿X轴左右移动以调节其和激光束中轴的水平间距，从而调整脉冲强磁场作用在工件上的电磁力的大小，以及激光焊接工艺完成后施加脉冲强磁场的特定延迟时间。

所述复合焊接位置调节装置52用于控制电磁转换装置53沿Z轴(垂直于工件表面的方向)的上下移动以调节其和工件9表面的间距，从而调整脉冲强磁场作用在工件上的电磁力的大小，在焊接过程中还能够调节作用在工件表面的激光光斑的大小。复合焊接位置调节装置52可以采用气缸、丝杆、齿轮齿条等形式的Z轴移动机构来实现装置的移动，但不局限于这些形式。

所述电磁转换装置53包括集磁器531和脉冲强磁场线圈532。电磁脉冲线圈532通过线圈电流产生脉冲强磁场。集磁器531用于电磁脉冲线圈532的安装，同时在其内部产生感生电流，强化脉冲磁场。集磁器531为中空结构，激光束6能够穿过其中空部分进行焊接。在本发明实施过程中电弧焊枪54用于和激光束复合构成激光-电弧复合焊接方法来提高接头质量，所述电弧焊枪54用于产生电弧，它固定安装在激光-脉冲强磁场复合加工头上。在本发明实施过程中夹具7用于定位装夹工件，它安装在加工机床12上，由数控系统3和加工机床12控制其运动。在完成工件装夹后，再利用本发明装置进行脉冲强磁场辅助激光焊接。

本发明所述设备进行激光点焊的工作过程为：

第1步，利用夹具7定位装夹工件9，利用数控系统3和加工机床12移动激光-脉冲强磁场复合加工头5至焊接位置

第2步，通过数控系统3设定激光功率、单点焊接时间、激光光斑直径、激光束在工件表面上沿半径方向的摆幅、焊点形状、电磁转换装置和工件表面的间距、磁场感应强度和脉宽，以及点焊刚刚完成后实施脉冲磁场的特定延迟时间。

第3步，按照上述设定参数首先开启激光器1，产生激光束6实施激光点焊工艺，形成所需要的点焊焊缝。

第4步，按照上述设定参数开启脉冲强磁场发生器2，在激光点焊工艺刚刚完成的特定延迟时间内启动并施加脉冲强磁场，形成压应力作用于点焊焊缝区域，完成焊接任务。

本发明所述设备进行激光缝焊的工作过程为：

第1步，利用夹具7定位装夹工件9，利用数控系统3和加工机床12移动激光脉冲强磁场复合加工头5至焊接位置

第2步，通过数控系统3设定激光功率、焊接速度、激光光斑直径、激光束沿半径方向的摆幅、焊点形状、电磁转换装置和工件表面垂直间距、电磁转换装置和激光束中轴的水平间距、磁场强度和脉宽。

第3步，按照上述设定参数开启激光器1和脉冲强磁场发生器2，产生激光束和脉冲强磁场，激光束在前方形成激光缝焊接头13，脉冲强磁场在后方施加于已经凝固的焊接接头及其周围区域，直至完成焊接任务。

如图11所示圆筒结构件脉冲强磁场辅助激光点焊设备示意图，可根据所加工的圆筒结构采用特定的夹具7与加工机床12，夹具7分为内外两部分且与加工机床12相连，分别置于圆筒结构件需要连接的接缝的内外两侧，并施加压力使待焊部位平整。通过加工机床12控制点焊位置的移动，通过激光-脉冲强磁场复合加工头5完成圆筒结构件点焊操作。

如图12所示为平板结构件脉冲强磁场辅助激光点焊设备示意图，采用夹具7单独装夹工件9，通过加工机床12控制激光脉冲强磁场复合加工头5在工件上方移动完成平板结构件的点焊操作。

如图13所示为用于环缝焊接的脉冲强磁场激光复合缝焊设备示意图，通过夹具7压紧待焊工件9，加工机床12与夹具7相连，在焊接过程中可以使夹具7与工件9同时转动，通过激光-脉冲强磁场复合加工头5完成环缝焊接操作。

实施例1

本实例采用先实施激光点焊工艺，然后在激光点焊工艺刚刚完成的特定延迟时间内施加脉冲强磁场于点焊焊缝区域。

本实例焊接工件为板厚3mm的2219铝合金圆筒构件，焊接要求为上下搭接点焊(搭接后焊点位置厚6mm)，选用如图11所示的圆筒结构件脉冲强磁场辅助激光点焊设备，选用6000W光纤激光器和振镜扫描聚焦方式，激光焦距为400mm，焊缝的焊点形状为实心圆形，截面特征为未熔透形式。为了改善焊缝质量，工件表面预置了一层0.1mm厚的稀土薄膜。

激光点焊的工艺参数为：激光功率4500W、激光光斑直径1.5mm、单点焊接时间0.2s、激光束沿半径方向的摆幅1mm。激光点焊完成后脉冲磁场的工艺参数为：点焊完成后的特定延迟时间5s、电磁转换装置和工件表面的间距5mm、脉冲磁场感应强度5T、磁场脉宽100μs。

焊接完成后，焊缝成形美观，无中心缩孔、咬边和气孔等缺陷。圆筒结构高度方向和圆度精度偏差和加工前相比不超过0.2％。和已有的激光点焊工艺相比，本发明所得焊缝的内应力峰值降低80％；接头拉伸剪切强度为10.2kN／点，提高44％；在循环次数10⁷次、置信度95％的情况下，焊缝疲劳强度提高40％。计入装夹时间后，本发明的整体加工效率比已有铆接工艺提高9倍。

实施例2

本实例焊接工件为板厚2.5mm、长2m、宽1m的MB8镁合金平板构件，焊接要求为上下搭接点焊(搭接后焊点位置厚5mm)，选用如图12所示的平板结构件脉冲强磁场辅助激光点焊设备，选用光纤激光器和振镜扫描聚焦方式，激光焦距为300mm，焊缝的焊点形状为实心圆形，截面特征为未熔透形式。

激光点焊工艺的工艺参数为：激光功率2500W、激光光斑直径0.5mm、单点焊接时间3s、激光束沿半径方向的摆幅5mm。激光点焊完成后施加的脉冲磁场的工艺参数为：点焊完成后的特定延迟时间60s、电磁转换装置和工件表面的间距8mm、脉冲磁场感应强度15T、磁场脉宽80μs。

焊接完成后，焊缝无中心缩孔、咬边和气孔等缺陷，结构尺寸精度偏差符合产品装配要求。和已有的激光点焊工艺相比，本发明所得焊缝内应力峰值降低45％；接头拉伸剪切强度为8.3kN／点，提高35％；在循环次数2×10⁶次、置信度95％的情况下，焊缝疲劳强度提高20％。计入装夹时间后，本发明的整体加工效率比已有铆接工艺提高8倍。

实施例3

本实例焊接工件为板厚5mm的TC4钛合金平板结构件，焊接要求为对接点焊，选用DISK固体激光器和振镜扫描聚焦方式，激光焦距为250mm。焊缝的焊点形状为实心圆形，截面特征为全熔透形式。

激光点焊工艺的工艺参数为：激光功率3500W、激光光斑直径0.8mm、单点焊接时间1s，激光束沿半径方向的摆幅2mm。激光点焊完成后施加的脉冲强磁场的工艺参数为：点焊完成后的特定延迟时间300s、电磁转换装置和工件表面的间距5mm、脉冲磁场感应强度20T、磁场脉宽30μs。

焊接完成后，焊缝无中心缩孔、咬边和气孔等缺陷，结构尺寸精度偏差符合产品装配要求。和已有的激光点焊工艺相比，本发明所得焊缝内应力峰值降低60％；接头抗拉测试中断裂于母材；在循环次数10⁷次、置信度95％的情况下，焊缝疲劳强度提高30％。

实施例4

本实例焊接工件为板厚5mm的2219铝合金平板结构件，焊接要求为对接缝焊，选用光纤激光器和透镜聚焦方式，激光焦距为400mm，接头截面特征为全熔透形式。为了改善接头质量，工件表面预置了一层0.1mm厚的稀土薄膜。

本实例采用的工艺参数为：激光功率4000W、激光光斑直径0.6mm、焊接速度1m／min、电磁转换装置和工件表面的垂直间距5mm、电磁转换装置和激光束的水平间距500mm、脉冲磁场感应强度5T、磁场脉宽100μs。

焊接完成后，接头成形美观，无咬边、气孔、裂纹等缺陷。结构尺寸精度偏差和加工前相比不超过0.2％。和已有的激光缝焊工艺相比，本发明所得接头的内应力峰值降低80％；接头疲劳强度为84MPa(循环次数10⁷次、置信度95％)，提高40％。

实施例5

本实例焊接工件为板厚2.5mm的MB8镁合金平板构件，焊接要求为上下搭接缝焊(搭接后焊缝位置厚5mm)，采用如图13所示的用于环缝焊接的脉冲强磁场激光复合缝焊设备，选用光纤激光器和透射聚焦方式，激光焦距为300mm，接头截面特征为未熔透形式。

本实例采用的工艺参数为：激光功率3000W、激光光斑直径0.4mm、焊接速度6m／min、电磁转换装置和工件表面的垂直间距8mm、电磁转换装置和激光束的水平间距30mm、脉冲磁场感应强度15T、磁场脉宽60μs。

焊接完成后，接头无咬边、气孔、裂纹等缺陷，结构尺寸精度偏差和加工前相比不超过0.1％。和已有的激光焊接工艺相比，本发明所得接头疲劳强度为68MPa(循环次数2×10⁶次、置信度95％)，提高20％。

实施例6

本实例焊接工件为板厚3mm的TC4钛合金平板结构件，焊接要求为对接缝焊，选用SLAB板条式CO₂激光器和铜镜反射聚焦方式，激光焦距为250mm，接头截面特征为全熔透形式。

本实例采用的工艺参数为：激光功率3500W、激光光斑直径0.8mm、焊接速度3m／min、电磁转换装置和工件表面的垂直间距6mm、电磁转换装置和激光束的水平间距300mm、脉冲磁场感应强度0.5T、磁场脉宽500ms。

焊接完成后，接头无咬边、气孔、裂纹等缺陷，结构尺寸精度偏差和加工前相比不超过0.1％。在拉伸测试中，接头断裂于母材。和已有的激光焊接工艺相比，本发明所得接头的内应力峰值降低60％，疲劳强度为405MPa(循环次数10⁵次、置信度95％)，提高20％。

下面以列表方式来说明各实施例的工艺参数组合。表中符号P代表激光功率，D代表激光光斑直径，R代表激光束在工件表面上沿半径方向的摆幅，t_w代表单点焊接时间，v代表焊接速度，δ代表电磁转换装置和工件表面的间距，H代表脉冲磁场感应强度，TON代表磁场脉宽，t_d代表第二种技术方案中激光点焊刚刚完成后的特定延迟时间，D值为一个区间表示焊接过程中作用于工件表面的激光光斑直径在该区间范围内变化，L代表第二种技术方案中的电磁转换装置和激光束的水平间距。

实施例7

本实施例焊接工件为板厚0.5mm的1Cr18Ni9Ti不锈钢平板构件，焊接要求为对接缝焊；选用光纤激光器和振镜扫描聚焦方式，激光焦距为120mm。接头截面特征为全熔透形式。

本实例采用上表中的工艺参数完成焊接后，接头无咬边、气孔、裂纹等缺陷，结构尺寸精度偏差和加工前相比不超过0.1％。和已有的激光缝焊工艺相比，内应力峰值降低50％，接头疲劳强度(循环次数10⁷次、置信度95％)提高40％，接头断裂于母材。

实施例8

本实施例焊接工件为板厚3mm的AZ31镁合金平板构件，焊接要求为搭接缝焊(搭接位置厚度为6mm)；选用光纤激光器和透射聚焦方式，激光焦距为200mm。接头截面特征为未熔透形式。为了改善接头质量，工件表面预置了一层0.1mm厚的稀土薄膜。

本实例采用上表中的工艺参数完成焊接后，接头无咬边、气孔、裂纹等缺陷。和已有的激光缝焊工艺相比，本发明激光能量利用率提高20％，接头晶粒尺寸约缩小50％，内应力峰值降低38％，接头拉剪切强度为180MPa，提高30％，平板构件的翘曲变形程度减少50％。

实施例9

本实例焊接工件为板厚8mm的LC9铝合金平板构件，焊接要求为对接缝焊，选用光纤激光器和透射聚焦方式，激光焦距为300mm，接头截面特征为全熔透形式。

本实例采用上表中的工艺参数完成焊接后，接头无咬边、气孔、裂纹等缺陷。和已有的激光缝焊工艺相比，本发明接头内应力峰值降低56％，接头抗拉强度为365MPa，提高35％，平板构件的翘曲变形程度减少80％。

实施例10

本实例焊接工件为板厚1.2mm的低碳镀锌钢平板构件，焊接要求为搭接缝焊(搭接后焊点位置厚2.4mm)；选用SLAB板条式CO₂气体激光器和铜镜反射聚焦方式，激光焦距为300mm，接头截面特征为未熔透形式。为了提高接头质量，该实例的焊接工艺采用激光-电弧复合焊接方法，电弧焊接类型为熔化极惰性气体保护焊(MIG)。

本实例采用上表中的工艺参数，并配合电流范围为120～300A内的电弧完成焊接后，所得到的接头无咬边、气孔、裂纹等缺陷，结构尺寸精度偏差和加工前相比不超过0.2％。和已有的激光缝焊工艺相比，本发明接头内应力峰值降低80％，接头在拉剪切强度测试中断裂于母材。

实施例11

本实例焊接工件为板厚4mm的2219铝合金平板构件，焊接要求为对接缝焊，选用光纤激光器和透射聚焦方式，激光焦距为250mm，接头截面特征为全熔透形式。

本实例采用上表中的工艺参数完成焊接后，接头无咬边、气孔、裂纹等缺陷。和已有的激光焊接工艺相比，本发明接头内应力峰值降低150％，拉伸剪切强度为315MPa，提高20％，平板构件的翘曲变形程度减少200％；在循环次数10⁷次、置信度95％的情况下，接头疲劳强度为80MPa，提高30％。

实施例12

本实例焊接工件为板厚2mm的AZ31镁合金平板构件，焊接要求为上下搭接点焊(搭接后焊接位置厚4mm)；选用DISK固体激光器和透射聚焦方式，激光焦距为200mm，接头截面特征为未熔透形式。

本实例采用上表中的工艺参数完成焊接后，接头无咬边、气孔、裂纹等缺陷。和已有的激光点焊工艺相比，本发明所得接头内应力峰值降低80％，平板构件的翘曲变形程度减少100％；在循环次数10⁵次、置信度95％的情况下，接头疲劳强度提高30％。

实施例13

本实例焊接工件为板厚2.5mm的5A06铝合金圆筒构件，焊接要求为对接点焊；选用光纤固体激光器和铜镜反射聚焦方式，激光焦距为250mm，接头为未熔透形式。为了提高接头质量，该实例采用激光-电弧复合焊接方法，电弧焊接类型为钨极惰性气体保护焊(TIG)。

本实例采用上表中的工艺参数，并配合电流范围为120～300A内的电弧完成焊接后，所得到的接头无咬边、气孔、裂纹等缺陷，结构尺寸精度偏差和加工前相比不超过0.2％。和已有的激光点焊工艺相比，本发明所得接头内应力峰值降低100％，平板构件的翘曲变形程度减少125％；在循环次数10⁷次、置信度95％的情况下，接头疲劳强度提高75％。

实施例14

本实例焊接工件为板厚2mm的TA15钛合金平板构件，焊接要求为上下搭接点焊(搭接后焊点位置厚4mm)；选用轴快流CO₂气体激光器和铜镜反射聚焦方式，激光焦距为200mm，接头截面特征为未熔透形式。

本实例采用上表中的工艺参数完成焊接后，接头无咬边、气孔、裂纹等缺陷。和已有的激光点焊工艺相比，本发明所得接头内应力峰值降低40％，接头在拉伸剪切测试中断裂于母材，平板构件的翘曲变形程度减少65％；在循环次数10⁷次、置信度95％的情况下，接头疲劳强度提高30％。

实施例15

本实例焊接工件为板厚4mm的7075铝合金圆筒构件，焊接要求为环缝对接点焊，选用光纤激光器和透射聚焦方式，激光焦距为300mm，接头截面特征为全熔透形式。

本实例采用上表中的工艺参数完成焊接后，接头无咬边、气孔、裂纹等缺陷。和已有的激光点焊工艺相比，本发明所得接头内应力峰值降低100％，接头抗拉强度提高25％，平板构件的翘曲变形程度减少150％；在循环次数2×10⁶次、置信度95％的情况下，接头疲劳强度提高60％。

实施例16

本实例焊接工件为板厚1.5mm的7075铝合金平板构件，焊接要求为对接点焊，选用1000W二极管固体激光器和透射聚焦方式，激光焦距为250mm，接头截面特征为全熔透形式。

本实例采用上表中的工艺参数完成焊接后，所得接头无咬边、气孔、裂纹等缺陷。和已有的激光点焊工艺相比，本发明所得接头内应力峰值降低150％，接头抗拉强度提高20％，平板构件的翘曲变形程度减少200％；在循环次数10⁷次、置信度95％的情况下，接头疲劳强度提高50％。

上述实施例为本发明的较佳实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制。其它任何未背离本发明精神实质及原理所做的改变、修饰、替代、组合、简化，均应视为等效置换方式，包含在本发明保护范围之内。

Claims (10)

1.一种脉冲强磁场辅助激光焊接方法，其特征在于，该方法是在整个焊接过程中，先将激光束照射到工件上形成焊接接头，再将脉冲强磁场施加于刚刚凝固的焊接接头及其周围热影响区域，脉冲强磁场在工件表面产生压应力使接头区域发生塑性变形，释放残余应力，以降低焊接接头应力集中和结构变形程度，并提高焊接接头疲劳强度。

2.根据权利要求1所述的脉冲强磁场辅助激光焊接方法，其特征在于，所述脉冲强磁场与激光束的延迟作用时间为0.5s～300s，优选范围为5s～60s。

3.根据权利要求1所述的脉冲强磁场辅助激光焊接方法，其特征在于，激光功率为300W～15000W，优选范围为1500W～5000W；作用于工件表面的激光光斑直径为0.1mm～10mm，更优选的范围为0.5mm～5mm；脉冲磁场强度0.05T-90T，优选范围为0.5T-50T；脉宽1μs～3s，优选范围为500μs～500ms。

4.根据权利要求1所述的脉冲强磁场辅助激光焊接方法，其特征在于，所述焊接为点焊时，单点焊接时间为0.05s～10s，更优选的范围为0.2s～3s；所述焊接为缝焊时，焊接速度为0.5m／min～30m／min，更优选的范围为1m／min～6m／min。

5.根据权利要求1所述的脉冲强磁场辅助激光焊接方法，其特征在于，采用振镜扫描聚焦系统时激光束在工件表面沿半径方向的摆动幅度为0.5mm～5mm。

6.根据权利要求1所述脉冲强磁场辅助激光焊接方法，其特征在于，点焊时，脉冲强磁场线圈和激光束同轴，脉冲强磁场线圈和工件表面的垂直间距为0.5mm～50mm，优选范围为2mm～10mm；缝焊时，脉冲强磁场线圈和激光束旁轴，两者之间的水平间距为10mm～500mm，优选值为30mm～50mm，脉冲强磁场线圈和工件表面的垂直间距为0.5mm～50mm，优选范围为2mm～10mm。

7.一种实现权利要求1所述脉冲强磁场辅助激光焊接方法的设备，包括激光器、脉冲强磁场发生器、数控系统、光学传输系统、激光脉冲强磁场复合加工头和加工机床；

所述激光器为固体激光器或气体激光器，所述光学传输系统分别与激光器和激光聚焦系统相连，用于激光束的传输；所述脉冲强磁场发生器用于产生脉冲强磁场，所述激光脉冲强磁场复合加工头用于集成激光束和脉冲强磁场；所述加工机床用于安装激光脉冲强磁场复合加工头或工件；

所述数控系统分别与激光器、脉冲强磁场发生器和加工机床的电信号连接，用于控制三者工作，使通过激光脉冲强磁场复合加工头出射的激光束和脉冲强磁场共同作用于工件上。

8.根据权利要求7所述的脉冲强磁场辅助激光焊接设备，其特征在于，所述激光脉冲强磁场复合加工头包括激光聚焦系统、复合焊接位置调节装置和电磁转换装置，电磁转换装置中部设有用于激光束穿过的通孔，激光聚焦系统用于激光束的聚焦，所述复合焊接位置调节装置的一端固定安装在激光聚焦系统上，另一端活动安装电磁转换装置，电磁转换装置能够通过复合焊接位置调节装置移动以调节其和待加工工件之间的间距。

9.根据权利要求8所述的脉冲强磁场辅助激光焊接设备，其特征在于，所述电磁转换装置包括集磁器和脉冲强磁场线圈；集磁器为中空结构，脉冲强磁场线圈套装在集磁器上。

10.根据权利要求8或9所述的脉冲强磁场辅助激光焊接设备，其特征在于，所述激光聚焦系统的聚焦方式为激光振镜扫描聚焦、透镜聚焦或铜镜反射聚焦；所述激光聚焦系统和电磁转换装置采用同轴或旁轴设计。

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