CN105772944A - 解决高氮钢焊接气孔和提高接头强度的焊接装置及其焊接方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种解决高氮钢焊接气孔和提高接头强度的焊接装置及其焊接方法，属于焊接技术领域，两个焊接工件按照对接的形式固定在第一工件支撑板和第二工件支撑板上，两个焊接工件之间形成焊件接头间隙，在焊接工件的正面、焊件接头间隙处有坡口，第一通水铜管的管壁、第二通水铜管的管壁紧贴在坡口两侧；励磁线圈置于焊接工件的背面，激光束垂直照射在焊接工件的正面，焊枪置于焊接工件的正面，激光束、焊件接头间隙和励磁线圈同轴线。解决了现有技术中高氮钢在焊接过程中易产生气体、氮化物、碳化物以及碳氮化物易析出、焊缝晶粒粗大的问题，从而提高了高氮钢焊接接头的力学性能，改善了焊接热影响区的韧性。

Description

解决高氮钢焊接气孔和提高接头强度的焊接装置及其焊接方法
技术领域
本发明属于焊接技术领域，涉及一种解决高氮钢焊接气孔和提高接头强度的焊接装置及其焊接方法，特别是利用磁控和温控复合方法解决高氮钢激光-电弧复合焊接气孔和提高接头强度的焊接装置及其焊接方法。
背景技术
高氮奥氏体不锈钢(高氮钢)是近年来受到广泛关注的一种工程材料，其N含量一般超过0.4％，主要利用N元素部分或完全替代合金元素Ni，以获得奥氏体组织。高氮钢具有较高的强度和韧性，同时具有良好的耐腐蚀性。高氮钢由于具有优异的性能，使其成为工业和工程领域中重要的材料，近些年来工程结构件对高氮钢的性能提出了更高要求，因此高氮钢中氮质量分数逐步提高，甚至达到1.0％，因此其焊接性能也受到极大关注。
比较常见的高氮钢焊接方法主要有：高压氮气氛中的熔化极气体保护焊接、大气压力下的非熔化极气体保护焊接、脉冲电流焊接、(CO2，YAG)激光焊接以及激光-电弧复合焊接等。其中，大气压力下的非熔化极气体保护焊接、(CO2，YAG)激光焊接、激光-电弧复合焊接是比较实用化的焊接方法，原因是一些中、大型构件不可避免地要在大气或常压保护气体中焊接。高氮钢熔化焊时会出现如下问题：(1)焊缝区氮的损失即氮气孔的形成和氮的逸出；(2)焊缝区和焊接热影响区氮化物、碳化物以及碳氮化物的析出，力学性能和抗腐蚀性能都会随之下降；(3)焊缝凝固裂纹及热影响区液化裂纹的形成。由于高氮钢含有较高的氮才具有良好的性能，但是在熔焊过程中，由于高氮钢中的氮过饱和，低压氮气氛中对其进行焊接时极易出现氮的释放现象，造成焊接部分出现气孔、裂纹以及氮化物析出等缺陷。焊接气孔不仅破坏焊缝金属的致密性、削弱焊缝的有效截面积，而且会减少焊件的承载面积、降低焊缝力学性能与耐腐蚀性能。焊接气孔缺陷在构件受到载荷作用时会演变成为裂纹源，将严重影响构件的疲劳性能。高氮钢焊接过程中产生气孔的问题在很大程度上制约了其在工业中的广泛应用。
关于高氮钢焊接气孔的问题，北京钢铁研究总院的研究人员在平板堆焊的条件下给出焊接热输入较小时焊缝易产生气孔，较大的热输入将抑制焊缝中气孔的产生。但是，焊接热输入的增加会影响焊接接头热影响区的性能，国内外研究者对热影响区的韧性进行研究，结果给出高温区域晶粒粗化和δ铁素体总量的增多是热影响区脆化原因；而800℃区域的脆化与析出物的析出有关。因此采用较高的热输入会导致热影响区宽度、温度和高温区域宽度增加，使热影响区内的晶粒粗化和δ铁素体总量的增多，导致热影响区韧性变差。
电磁搅拌技术(EMS)，是近年来发展和逐渐完善起来的一种新型焊接技术，1971年Tseng和Savage深入研究了TIG焊时电磁搅拌对微观组织和性能的影响，随后，国内外开始对外加磁场作用下的焊接技术开展了广泛研究。关于外加高频磁场的激光-电弧复合焊接技术方面的专利，如中国专利号为ZL201310039006.5，发明专利名称为“外加高频磁场的激光TIG电弧同轴复合焊接方法及装置”公开日：2013年6月5日，公开了一种将激磁线圈加在激光-TIG同轴复合头上，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，这些都使得在激光电弧复合焊接过程中焊接电弧的稳定程度提高，进而十分有利于激光-TIG电弧复合同轴焊接时激光与电弧的同轴复合程度。该种方案更适合窄间隙焊接。中国专利号为ZL201320198864.X，专利名称为“外加高频磁场的激光-TIG电弧旁轴复合焊接方法及装置”，公开日：2013年9月11，该专利是将激磁线圈加在TIG焊枪上，该方法利于激光-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，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，使等离子体的形状和位置均重新分布，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；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，从而改善焊接接头性能。
目前，长春理工大学针对高氮钢焊接气孔的问题有些报道，但是还没有给出明确的解决办法；而针对焊接接头热影响区脆化的问题也只是从控制焊接热输入这一单一方面进行研究。
发明内容
为了达到上述目的，本发明提供一种解决高氮钢焊接气孔和提高接头强度的焊接装置，解决了现有技术中高氮钢在焊接过程中易产生气体、焊缝区和焊接热影响区氮化物、碳化物以及碳氮化物易析出、焊缝晶粒粗大的问题，从而提高了高氮钢焊接接头的力学性能，改善了焊接热影响区的韧性。
本发明的另一目的是，提供一种解决高氮钢焊接气孔和提高接头强度的焊接方法。
本发明所采用的技术方案是，一种解决高氮钢焊接气孔和提高接头强度的焊接装置，两个焊接工件按照对接的形式固定在第一工件支撑板和第二工件支撑板上，两个焊接工件之间形成焊件的接头间隙，在焊接工件的正面、接头间隙处有坡口，第一通水铜管的管壁、第二通水铜管的管壁紧贴在坡口两侧；第一工件支撑板与第一数控工作台连接板相连，第二工件支撑板与第二数控工作台连接板相连，第一数控工作台连接板、第二数控工作台连接板联合驱动焊接工件运动；励磁线圈置于焊接工件的背面，激光束垂直照射在焊接工件的正面，焊枪置于焊接工件的正面，激光束的轴线、接头间隙的轴线和励磁线圈的轴线在一条直线上。
本发明的特征还在于，进一步的，接头间隙为I型、V型或Y型中的任意一种，所述第一通水铜管、第二通水铜管的横截面均为方形，第一通水铜管和第二通水铜管的一端分别设有进水口，进水口处设有进水阀，第一通水铜管和第二通水铜管的另一端分别设有出水口。
进一步的，焊枪的轴线与激光束的轴线夹角为30°。
进一步的，励磁线圈与励磁电源相连，励磁线圈放置在绝缘板上，绝缘板固定在支架上。
进一步的，第一数控工作台连接板与第一导轨相连，第二数控工作台连接板与第二导轨相连。
本发明的另一技术方案是，一种解决高氮钢焊接气孔和提高接头强度的焊接装置焊接高氮钢的方法，具体按照以下步骤进行：
步骤一：安装并调试装置，将两个高氮钢制成的焊接工件按照对接的形式固定在第一工件支撑板和第二工件支撑板上；
步骤二：开通第一通水铜管、第二通水铜管的进水阀，开启励磁线圈的电源；同时启动数控工作台、发射激光束的激光器、焊枪的电源；激光束垂直照射在焊接工件的正面，形成激光匙孔；焊枪在焊接工件的正面施焊，产生焊接熔池，激光束、焊枪的电弧、焊接工件金属离子化共同形成等离子体，利用励磁线圈的交变磁场控制等离子体的密度、运动方向和速度，同时交变磁场对焊接熔池进行电磁搅拌；
步骤三：激光束和励磁线圈不动，数控工作台带动第一数控工作台连接板、第二数控工作台连接板，第一数控工作台连接板、第二数控工作台连接板联合驱动焊接工件运动，实施熔透焊接。
进一步的，步骤二中，第一通水铜管、第二通水铜管中循环水水温为10℃-20℃，循环水流量为10L-15L/min。
进一步的，步骤二中，发射激光束的激光器为YAG激光器、CO2激光器、碟片激光器、半导体激光器中的任意一种，激光器功率为2.0-2.5KW；焊枪的类型为MIG或MAG；焊枪的电弧焊接电流180-300A、电弧电压22-28V、电弧长度12-15mm；焊枪的相对焊接速度为600-1000mm/min；焊枪的焊丝直径Φ1.2mm；焊枪的保护气体为体积比5％的CO2+95％的Ar或体积比5％的N2+95％的Ar，气体流量为15L-20L/min；励磁线圈的电流由基于ARM微处理器的数字化励磁电源供给。
进一步的，步骤三中，在熔透焊接过程中，通过高速相机在线观察激光匙孔的稳定情况，通过调节励磁线圈的励磁电流、励磁电流频率，获得稳定的激光匙孔；励磁线圈的励磁电流2-10A、励磁电流频率20-50Hz。
本发明的有益效果是，本发明具有以下优点：
(1)突破了传统的高氮钢焊接方法，提供了一种改进的高氮钢激光-电弧复合焊接的新思路，通过磁控和温控复合的方法同时解决高氮钢焊接气孔和焊接热影响区韧性差的问题。利用励磁线圈在焊件背面外加磁场，采用磁场控制激光匙孔中的由激光-电弧-母材金属离子化所共同形成的等离子体(复合等离子体)，使等离子体中带电粒子在磁场的作用下穿过激光匙孔，并在磁场的作用下做圆锥螺旋近轴运动，从而提高激光匙孔的稳定性，加速气体排出激光匙孔；同时，交变磁场对熔池进行电磁搅拌以细化晶粒、改善焊缝组织，熔池中的液态金属在电磁搅拌的作用下熔池的形核率得到提高，磁场的作用结果为气体上浮和熔体内氮气释放提供了条件，并加速匙孔内气体释放和排出，减少焊缝中的气孔，最终形成无气孔的焊缝，提高接头的力学性能。
(2)采用通水铜管对焊接接头热影响区进行温度控制，能够控制焊缝热影响区的冷却速度和紧靠熔合线位置的氮的固溶度，进而控制热影响区的晶粒尺寸、δ铁素体总量和碳、氮化合物的析出，从而达到改善热影响区韧性的目的。
(3)所使用的励磁线圈结构简单，采用基于ARM微处理器的励磁电源性能可靠，精度较高，功能稳定，成本不高，易于实现；适用于I型、V型、Y型等多种常用焊缝形式。
(4)本发明采用多种复合焊接热源，如激光-TIG、激光-MIG、激光-MAG等，所用激光器包括YAG、CO2激光器、碟片激光器、半导体激光器等；本发明应用于同种材料、复合材料、异种材料等领域的连接技术，特别适合8-15mm厚高氮钢板的连接。
(5)本发明具有工艺灵活、且能同时获得无焊接气孔和高强度焊接接头的优点。
(6)现有技术是将磁场布置在焊件上面或是焊枪上，其作用是有效提高了电弧气动压力，电弧电流密度，压缩了电弧半径，使电弧热量分布更加集中，进而提高了电弧能量密度、电弧的挺度和冲击熔深能力，降低光致等离子体对激光的屏蔽效应，提高了焊接电弧的稳定程度。本发明是将磁场布置在焊件下面，采用磁场控制激光匙孔中的由激光-电弧-母材金属离子化所共同形成的等离子体的运动模式，使等离子体中带电粒子在磁场的作用下穿过激光匙孔，并在磁场的作用下做圆锥螺旋近轴运动，从而提高激光匙孔的稳定性，加速气体排出激光匙孔，进而获得无焊接气孔的焊接接头。
附图说明
图1是本发明焊接装置的结构示意图。
图2是激光束与焊枪的布置示意图。
图3是通水铜管与焊接工件的布置示意图。
图4a是磁控和温控复合辅助激光-MAG电弧复合焊接接头的X射线探伤图。
图4b是常规激光-MAG电弧复合焊接接头的X射线探伤图。
图5a是磁控和温控复合辅助激光-MAG电弧复合焊接接头热影响区的晶粒尺寸图。
图5b是常规激光-MAG电弧复合焊接接头热影响区的晶粒尺寸图。
图中，1.激光束，2.焊枪；3.焊丝；4.第一通水铜管，5.第二通水铜管，6.焊接工件，7.第一工件支撑板，8.第二工件支撑板，9.励磁线圈，10.绝缘板，11.第一数控工作台连接板，12.第二数控工作台连接板，13.第一导轨，14.第二导轨，15.支架，16.励磁电源，17.接头间隙，18.坡口，19.焊接熔池，20.激光匙孔，21.进水口，22.出水口。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
本发明解决高氮钢焊接气孔和提高接头强度的焊接装置，结构如图1-3所示，两个焊接工件6按照对接的形式固定在第一工件支撑板7和第二工件支撑板8上，两个焊接工件6之间形成焊件的接头间隙17，在焊接工件6的正面、焊件的接头间隙17处有坡口18，焊件的接头间隙17为I型、V型或Y型中的任意一种，第一通水铜管4的管壁、第二通水铜管5的管壁紧贴在坡口18两侧；第一通水铜管4、第二通水铜管5的横截面均为方形；第一通水铜管4和第二通水铜管5的一端分别设有进水口21，进水口21处设有进水阀，第一通水铜管4和第二通水铜管5的另一端分别设有出水口22；第一工件支撑板7与第一数控工作台连接板11相连，第二工件支撑板8与第二数控工作台连接板12相连，第一数控工作台连接板11与第一导轨13相连，第二数控工作台连接板12与第二导轨14相连，第一数控工作台连接板11、第二数控工作台连接板12驱动焊接工件6运动，励磁线圈9置于焊接工件6的背面，励磁线圈9与励磁电源16相连，励磁线圈9放置在绝缘板10上，绝缘板10固定在支架15上；激光束1垂直照射在焊接工件6的正面，形成激光匙孔20；焊枪2置于焊接工件6的正面，焊枪2在焊接工件6的正面施焊，产生焊接熔池19；焊枪2内安装焊丝3，焊枪2的轴线与激光束1的轴线夹角为30°，激光束1的轴线、焊件接头间隙17的轴线和励磁线圈9的轴线在一条直线上。
焊枪2的类型为MIG或MAG；发射激光束1的激光器为YAG激光器、CO2激光器、碟片激光器、半导体激光器中的任意一种。
实施例1，
采用上述装置的焊接方法，具体按照以下步骤进行：
步骤一：安装并调试装置，将厚度为8.0mm、含氮量为0.5-0.7％的高氮钢制成的两个焊接工件6按照对接的形式夹持在第一工件支撑板7和第二工件支撑板8上；
步骤二：开通第一通水铜管4、第二通水铜管5的进水阀，调节第一通水铜管4、第二通水铜管5中循环水水温15℃，循环水流量12L/min；开启励磁电源16，同步启动数控工作台、YAG激光器和焊枪2的电源，YAG激光器发射激光束1，激光束1垂直照射在焊接工件6的正面，形成激光匙孔20；焊枪2在焊接工件6的正面施焊，产生焊接熔池19；激光束1、焊枪2的电弧、焊接工件6金属离子化共同形成等离子体，利用励磁线圈9的交变磁场控制等离子体的密度、运动方向和速度，同时交变磁场对焊接熔池19进行电磁搅拌；其中，YAG激光器功率为2.0KW；焊枪2采用MAG焊枪，焊枪2的电弧焊接电流200A、电弧电压25V、电弧长度15mm，焊枪2的相对焊接速度为800mm/min，焊枪2的焊丝直径Φ1.2mm，焊枪2的保护气体为体积比5％的CO2+95的％Ar，气体流量为15L/min；励磁线圈9的电流由基于ARM微处理器的数字化励磁电源供给；
步骤三：激光束1和励磁线圈9不动，数控工作台带动第一数控工作台连接板11、第二数控工作台连接板12，第一数控工作台连接板11、第二数控工作台连接板12驱动焊接工件6运动，实施熔透焊接；在熔透焊接过程中，通过高速相机在线观察激光匙孔20的稳定情况，通过调节励磁线圈9的励磁线圈9的励磁电流8A、磁场频率40Hz；获得稳定的激光匙孔20。
实施例2，
采用上述装置的焊接方法，具体按照以下步骤进行：
步骤一：安装并调试装置，将厚度为8.0mm、含氮量为0.5-0.7％的高氮钢制成的两个焊接工件6按照对接的形式夹持在第一工件支撑板7和第二工件支撑板8上；
步骤二：开通第一通水铜管4、第二通水铜管5的进水阀，调节第一通水铜管4、第二通水铜管5中循环水水温10℃，循环水流量15L/min；开启励磁电源16，同步启动数控工作台、YAG激光器和焊枪2的电源，CO2激光器发射激光束1，激光束1垂直照射在焊接工件6的正面，形成激光匙孔20；焊枪2在焊接工件6的正面施焊，产生焊接熔池19；激光束1、焊枪2的电弧、焊接工件6金属离子化共同形成等离子体，利用励磁线圈9的交变磁场控制等离子体的密度、运动方向和速度，同时交变磁场对焊接熔池19进行电磁搅拌；其中，CO2激光器功率为2.2KW；焊枪2采用MIG焊枪，焊枪2的电弧焊接电流180A、电弧电压22V、电弧长度13mm，焊枪2的相对焊接速度为600mm/min，焊枪2的焊丝直径Φ1.2mm，焊枪2的保护气体为体积比5％的N2+95％的Ar，气体流量为18L/min；励磁线圈9的电流由基于ARM微处理器的数字化励磁电源供给；
步骤三：激光束1和励磁线圈9不动，数控工作台带动第一数控工作台连接板11、第二数控工作台连接板12，第一数控工作台连接板11、第二数控工作台连接板12驱动焊接工件6运动，实施熔透焊接；在熔透焊接过程中，通过高速相机在线观察激光匙孔20的稳定情况，通过调节励磁线圈9的励磁线圈9的励磁电流2A、磁场频率20Hz；获得稳定的激光匙孔20。
实施例3，
采用上述装置的焊接方法，具体按照以下步骤进行：
步骤一：安装并调试装置，将厚度为8.0mm、含氮量为0.5-0.7％的高氮钢制成的两个焊接工件6按照对接的形式夹持在第一工件支撑板7和第二工件支撑板8上；
步骤二：开通第一通水铜管4、第二通水铜管5的进水阀，调节第一通水铜管4、第二通水铜管5中循环水水温20℃，循环水流量10L/min；开启励磁电源16，同步启动数控工作台、YAG激光器和焊枪2的电源，半导体激光器发射激光束1，激光束1垂直照射在焊接工件6的正面，形成激光匙孔20；焊枪2在焊接工件6的正面施焊，产生焊接熔池19；激光束1、焊枪2的电弧、焊接工件6金属离子化共同形成等离子体，利用励磁线圈9的交变磁场控制等离子体的密度、运动方向和速度，同时交变磁场对焊接熔池19进行电磁搅拌；其中，半导体激光器功率为2.5KW；焊枪2采用MIG焊枪，焊枪2的电弧焊接电流300A、电弧电压28V、电弧长度15mm，焊枪2的相对焊接速度为1000mm/min，焊枪2的焊丝直径Φ1.2mm，焊枪2的保护气体为体积比5％的CO2+95的％Ar，气体流量为20L/min；励磁线圈9的电流由基于ARM微处理器的数字化励磁电源供给；
步骤三：激光束1和励磁线圈9不动，数控工作台带动第一数控工作台连接板11、第二数控工作台连接板12，第一数控工作台连接板11、第二数控工作台连接板12驱动焊接工件6运动，实施熔透焊接；在熔透焊接过程中，通过高速相机在线观察激光匙孔20的稳定情况，通过调节励磁线圈9的励磁线圈9的励磁电流10A、磁场频率50Hz；获得稳定的激光匙孔20。
磁场的作用效果在于：其一，在磁场电磁力的作用下，激光等离子体和电弧中带电粒子的运动变成平行于磁力线方向的螺旋运动，促使激光匙孔内的带电粒子旋转,增强匙孔稳定性；其二，熔池中的液态金属在电磁搅拌的作用下熔池的形核率得到提高，同时熔池的晶粒得到了细化。以上二者的作用结果为侵入型和反应型气泡的上浮和氮气释放提供条件，也使焊缝晶粒得到细化，因此能够获得无气孔、接头强度高的焊接接头。通水的作用效果在于能够控制焊缝热影响区的冷却速度，进而控制热影响区的晶粒尺寸、δ铁素体总量以及碳、氮化合物的析出，从而达到改善热影响区韧性的目的。通过采用磁控和温控复合的方法能够提高高氮钢激光-电弧复合焊接焊缝成分的均匀化程度，稳定焊接过程，减少焊接气孔，改善焊缝组织与性能，提高接头质量，充分发挥激光-电弧复合焊接效率高、质量好优势，并且该装置结构简单，应用灵活，成本较低，效果较佳，易于实现。
对比例1，
采用常规激光-MAG电弧复合焊接方法：
步骤一：将厚度为8.0mm、含氮量为0.5-0.7％的高氮钢制成的两个焊接工件6按照对接的形式夹持在第一工件支撑板7和第二工件支撑板8上，数控工作台保持不动；
步骤二：焊接程序调试，通过程序控制KUKA机器人法兰上的复合焊接头，YAG激光器发射激光束1，激光束1垂直照射在焊接工件6的正面，形成激光匙孔20；焊枪2在焊接工件6的正面施焊，产生焊接熔池19；其中，YAG激光器功率为2.0KW；焊枪2采用MAG焊枪，焊枪2的电弧焊接电流200A、电弧电压25V、电弧长度15mm，相对焊接速度为800mm/min，焊枪2的焊丝直径Φ1.2mm，焊枪2的保护气体为体积比5％的CO2+95的％Ar，气体流量为15L/min。
图4a为实施例1磁控和温控复合辅助激光-MAG电弧复合焊接接头的X射线探伤图，图4b为对比例1常规激光-MAG电弧复合焊接接头的X射线探伤图，图4a中未出现气孔，图4b中存在大量气孔。
图5a为磁控和温控复合辅助激光-MAG电弧复合焊接接头热影响区的晶粒尺寸图，图5b为常规激光-MAG电弧复合焊接接头热影响区的晶粒尺寸图；图5a中焊接接头热影响区的晶粒尺寸明显小于图5b中焊接接头热影响区的晶粒尺寸。

Claims (9)

1.一种解决高氮钢焊接气孔和提高接头强度的焊接装置，其特征在于，两个焊接工件(6)按照对接的形式固定在第一工件支撑板(7)和第二工件支撑板(8)上，两个焊接工件(6)之间形成焊件的接头间隙(17)，在焊接工件(6)的正面、接头间隙(17)处有坡口(18)，第一通水铜管(4)的管壁、第二通水铜管(5)的管壁紧贴在坡口(18)两侧；第一工件支撑板(7)与第一数控工作台连接板(11)相连，第二工件支撑板(8)与第二数控工作台连接板(12)相连，第一数控工作台连接板(11)、第二数控工作台连接板(12)联合驱动焊接工件(6)运动；励磁线圈(9)置于焊接工件(6)的背面，激光束(1)垂直照射在焊接工件(6)的正面，焊枪(2)置于焊接工件(6)的正面，激光束(1)的轴线、接头间隙(17)的轴线和励磁线圈(9)的轴线在一条直线上。
2.根据权利要求1所述的一种解决高氮钢焊接气孔和提高接头强度的焊接装置，其特征在于，所述接头间隙(17)为I型、V型或Y型中的任意一种，所述第一通水铜管(4)、第二通水铜管(5)的横截面均为方形，第一通水铜管(4)和第二通水铜管(5)的一端分别设有进水口(21)，进水口(21)处设有进水阀，第一通水铜管(4)和第二通水铜管(5)的另一端分别设有出水口(22)。
3.根据权利要求1所述的一种解决高氮钢焊接气孔和提高接头强度的焊接装置，其特征在于，所述焊枪(2)的轴线与激光束(1)的轴线夹角为30°。
4.根据权利要求1所述的一种解决高氮钢焊接气孔和提高接头强度的焊接装置，其特征在于，所述励磁线圈(9)与励磁电源(16)相连，励磁线圈(9)放置在绝缘板(10)上，绝缘板(10)固定在支架(15)上。
5.根据权利要求1所述的一种解决高氮钢焊接气孔和提高接头强度的焊接装置，其特征在于，所述第一数控工作台连接板(11)与第一导轨(13)相连，第二数控工作台连接板(12)与第二导轨(14)相连。
6.一种解决高氮钢焊接气孔和提高接头强度的焊接装置焊接高氮钢的方法，其特征在于，具体按照以下步骤进行：
步骤一：安装并调试装置，将两个高氮钢制成的焊接工件(6)按照对接的形式固定在第一工件支撑板(7)和第二工件支撑板(8)上；
步骤二：开通第一通水铜管(4)、第二通水铜管(5)的进水阀，开启励磁线圈(9)的电源；同时启动数控工作台、发射激光束(1)的激光器、焊枪(2)的电源；激光束(1)垂直照射在焊接工件(6)的正面，形成激光匙孔(20)；焊枪(2)在焊接工件(6)的正面施焊，产生焊接熔池(19)，激光束(1)、焊枪(2)的电弧、焊接工件(6)金属离子化共同形成等离子体，利用励磁线圈(9)的交变磁场控制等离子体的密度、运动方向和速度，同时交变磁场对焊接熔池(19)进行电磁搅拌；
步骤三：激光束(1)和励磁线圈(9)不动，数控工作台带动第一数控工作台连接板(11)、第二数控工作台连接板(12)，第一数控工作台连接板(11)、第二数控工作台连接板(12)联合驱动焊接工件(6)运动，实施熔透焊接。
7.根据权利要求6所述的一种解决高氮钢焊接气孔和提高接头强度的焊接装置焊接高氮钢的方法，其特征在于，所述步骤二中，第一通水铜管(4)、第二通水铜管(5)中循环水水温为10℃-20℃，循环水流量为10L-15L/min。
8.根据权利要求6所述的一种解决高氮钢焊接气孔和提高接头强度的焊接装置焊接高氮钢的方法，其特征在于，所述步骤二中，发射激光束(1)的激光器为YAG激光器、CO2激光器、碟片激光器、半导体激光器中的任意一种，激光器功率为2.0-2.5KW；焊枪(2)的类型为MIG或MAG；焊枪(2)的电弧焊接电流180-300A、电弧电压22-28V、电弧长度12-15mm；焊枪(2)的相对焊接速度为600-1000mm/min；焊枪(2)的焊丝直径Φ1.2mm；焊枪(2)的保护气体为体积比5％的CO2+95％的Ar或体积比5％的N2+95％的Ar，气体流量为15L-20L/min；励磁线圈(9)的电流由基于ARM微处理器的数字化励磁电源供给。
9.根据权利要求6所述的一种解决高氮钢焊接气孔和提高接头强度的焊接装置焊接高氮钢的方法，其特征在于，所述步骤三中，在熔透焊接过程中，通过高速相机在线观察激光匙孔(20)的稳定情况，通过调节励磁线圈(9)的励磁电流、励磁电流频率，获得稳定的激光匙孔(20)；励磁线圈(9)的励磁电流2-10A、励磁电流频率20-50Hz。
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Cited By (24)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN106346171A (zh) * 2016-11-07 2017-01-25 苏州大学 高氮钢加压焊接用装置及利用该装置焊接高氮钢的方法
CN106670664A (zh) * 2017-02-08 2017-05-17 华中科技大学 一种辅助激光电弧复合焊接的磁场强度调节装置
CN107020453A (zh) * 2017-06-07 2017-08-08 华中科技大学 一种激光‑电弧‑磁场复合焊接的励磁移动平台
CN107755908A (zh) * 2017-11-01 2018-03-06 上海交通大学 一种激光焊气体保护装置
CN108480837A (zh) * 2018-06-19 2018-09-04 湖南文理学院 一种具有焊接头快速锁紧机构的搅拌摩擦焊加工设备
CN108531711A (zh) * 2018-05-28 2018-09-14 江苏大学 一种x形管接头相贯线形焊缝激光冲击强化的方法和装置
CN108655568A (zh) * 2018-06-06 2018-10-16 哈尔滨工业大学（威海） 一种磁场辅助激光电弧复合焊接小直径薄壁管的设备及方法
CN109128545A (zh) * 2018-10-15 2019-01-04 华北水利水电大学 一种激光点焊-真空钎焊复合焊接高氮钢的方法
CN109128546A (zh) * 2018-10-15 2019-01-04 华北水利水电大学 一种激光点焊-炉中钎焊复合焊接高氮钢的方法
CN109128417A (zh) * 2018-10-15 2019-01-04 华北水利水电大学 一种光束-电子束复合钎焊高氮钢的方法
CN109967864A (zh) * 2019-05-05 2019-07-05 北京航空航天大学 一种基于现有激光加工设备的磁场辅助激光抛光装置
CN110280901A (zh) * 2018-03-15 2019-09-27 罗伯特·博世有限公司 具有光纤激光焊接连接的构件组件及其制造方法
CN110560894A (zh) * 2019-09-30 2019-12-13 长春理工大学 一种不同保护气体双面同时保护的高氮钢复合焊接方法
CN110576262A (zh) * 2019-09-05 2019-12-17 上海交通大学 可实现磁场辅助成型的激光焊接实验装置
CN110682001A (zh) * 2019-10-18 2020-01-14 长春理工大学 机械振动辅助减少气孔的高氮钢复合焊接装置及方法
CN111266739A (zh) * 2020-02-06 2020-06-12 哈尔滨焊接研究院有限公司 一种激光-mig电弧复合焊接低镍含氮奥氏体不锈钢的方法
CN111604608A (zh) * 2020-06-23 2020-09-01 广州基俊机械科技有限公司 一种用于吸油烟机集烟腔激光焊接的夹具设备
CN111975203A (zh) * 2020-06-06 2020-11-24 南京理工大学 一种高氮钢双光束激光+(n-mig)电弧复合焊接方法
CN112388164A (zh) * 2020-11-02 2021-02-23 上海交通大学 减少铝合金焊缝气孔的交流磁场辅助激光深熔焊方法
CN112658455A (zh) * 2020-12-18 2021-04-16 浙江工业大学 一种外加磁场双相不锈钢板夹镍箔电子束对接焊方法
CN113414492A (zh) * 2021-07-22 2021-09-21 哈尔滨工业大学（威海） 一种稳定激光深熔焊接匙孔的电磁发生装置及方法
CN114226973A (zh) * 2021-12-28 2022-03-25 深圳泰德激光技术股份有限公司 激光焊接设备及其控制方法
CN114414565A (zh) * 2021-11-30 2022-04-29 西安交通大学 一种多能量复合激光焊接熔池观测装置及实验方法
CN117564476A (zh) * 2024-01-17 2024-02-20 深圳市铭镭激光设备有限公司 一种激光电弧复合焊接设备及焊接方法

Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1833807A (zh) * 2006-01-13 2006-09-20 熊成锐 用交变磁场控制和驱散激光焊接中的等离子体
CN201483162U (zh) * 2009-09-04 2010-05-26 中国科学院沈阳自动化研究所 一种多功能激光焊接惰性气体保护装置
EP2402107A1 (en) * 2010-06-30 2012-01-04 General Electric Company Method of and apparatus for hybrid laser arc welding at least two workpieces with two laser beams
CN103612019A (zh) * 2013-11-15 2014-03-05 华中科技大学 一种磁力搅拌的co2激光-tig电弧复合焊接方法
CN103862175A (zh) * 2014-04-03 2014-06-18 东莞台一盈拓科技股份有限公司 铜基非晶合金的激光焊接方法
CN204524558U (zh) * 2015-03-10 2015-08-05 大族激光科技产业集团股份有限公司 一种激光未熔透焊的装置
CN105537768A (zh) * 2016-02-29 2016-05-04 温州大学 一种磁场辅助激光焊接装置及方法

Patent Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1833807A (zh) * 2006-01-13 2006-09-20 熊成锐 用交变磁场控制和驱散激光焊接中的等离子体
CN201483162U (zh) * 2009-09-04 2010-05-26 中国科学院沈阳自动化研究所 一种多功能激光焊接惰性气体保护装置
EP2402107A1 (en) * 2010-06-30 2012-01-04 General Electric Company Method of and apparatus for hybrid laser arc welding at least two workpieces with two laser beams
CN103612019A (zh) * 2013-11-15 2014-03-05 华中科技大学 一种磁力搅拌的co2激光-tig电弧复合焊接方法
CN103862175A (zh) * 2014-04-03 2014-06-18 东莞台一盈拓科技股份有限公司 铜基非晶合金的激光焊接方法
CN204524558U (zh) * 2015-03-10 2015-08-05 大族激光科技产业集团股份有限公司 一种激光未熔透焊的装置
CN105537768A (zh) * 2016-02-29 2016-05-04 温州大学 一种磁场辅助激光焊接装置及方法

Cited By (37)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN106346171A (zh) * 2016-11-07 2017-01-25 苏州大学 高氮钢加压焊接用装置及利用该装置焊接高氮钢的方法
CN106670664A (zh) * 2017-02-08 2017-05-17 华中科技大学 一种辅助激光电弧复合焊接的磁场强度调节装置
CN106670664B (zh) * 2017-02-08 2018-10-30 华中科技大学 一种辅助激光电弧复合焊接的磁场强度调节装置
CN107020453A (zh) * 2017-06-07 2017-08-08 华中科技大学 一种激光‑电弧‑磁场复合焊接的励磁移动平台
CN107020453B (zh) * 2017-06-07 2018-11-30 华中科技大学 一种激光-电弧-磁场复合焊接的励磁移动平台
CN107755908A (zh) * 2017-11-01 2018-03-06 上海交通大学 一种激光焊气体保护装置
CN107755908B (zh) * 2017-11-01 2019-08-06 上海交通大学 一种激光焊气体保护装置
CN110280901A (zh) * 2018-03-15 2019-09-27 罗伯特·博世有限公司 具有光纤激光焊接连接的构件组件及其制造方法
CN108531711A (zh) * 2018-05-28 2018-09-14 江苏大学 一种x形管接头相贯线形焊缝激光冲击强化的方法和装置
CN108655568A (zh) * 2018-06-06 2018-10-16 哈尔滨工业大学（威海） 一种磁场辅助激光电弧复合焊接小直径薄壁管的设备及方法
CN108655568B (zh) * 2018-06-06 2021-03-05 哈尔滨工业大学（威海） 一种磁场辅助激光电弧复合焊接小直径薄壁管的设备及方法
CN108480837B (zh) * 2018-06-19 2020-06-30 湖南文理学院 一种具有焊接头快速锁紧机构的搅拌摩擦焊加工设备
CN108480837A (zh) * 2018-06-19 2018-09-04 湖南文理学院 一种具有焊接头快速锁紧机构的搅拌摩擦焊加工设备
CN109128546A (zh) * 2018-10-15 2019-01-04 华北水利水电大学 一种激光点焊-炉中钎焊复合焊接高氮钢的方法
CN109128417A (zh) * 2018-10-15 2019-01-04 华北水利水电大学 一种光束-电子束复合钎焊高氮钢的方法
CN109128545A (zh) * 2018-10-15 2019-01-04 华北水利水电大学 一种激光点焊-真空钎焊复合焊接高氮钢的方法
CN109128417B (zh) * 2018-10-15 2021-06-01 华北水利水电大学 一种光束-电子束复合钎焊高氮钢的方法
CN109967864A (zh) * 2019-05-05 2019-07-05 北京航空航天大学 一种基于现有激光加工设备的磁场辅助激光抛光装置
CN110576262A (zh) * 2019-09-05 2019-12-17 上海交通大学 可实现磁场辅助成型的激光焊接实验装置
CN110576262B (zh) * 2019-09-05 2022-01-28 上海交通大学 可实现磁场辅助成型的激光焊接实验装置
CN110560894A (zh) * 2019-09-30 2019-12-13 长春理工大学 一种不同保护气体双面同时保护的高氮钢复合焊接方法
CN110682001A (zh) * 2019-10-18 2020-01-14 长春理工大学 机械振动辅助减少气孔的高氮钢复合焊接装置及方法
CN110682001B (zh) * 2019-10-18 2021-09-21 长春理工大学 机械振动辅助减少气孔的高氮钢复合焊接装置及方法
CN111266739A (zh) * 2020-02-06 2020-06-12 哈尔滨焊接研究院有限公司 一种激光-mig电弧复合焊接低镍含氮奥氏体不锈钢的方法
CN111975203A (zh) * 2020-06-06 2020-11-24 南京理工大学 一种高氮钢双光束激光+(n-mig)电弧复合焊接方法
CN111604608A (zh) * 2020-06-23 2020-09-01 广州基俊机械科技有限公司 一种用于吸油烟机集烟腔激光焊接的夹具设备
CN111604608B (zh) * 2020-06-23 2021-03-26 广州基俊机械科技有限公司 一种用于吸油烟机集烟腔激光焊接的夹具设备
CN112388164A (zh) * 2020-11-02 2021-02-23 上海交通大学 减少铝合金焊缝气孔的交流磁场辅助激光深熔焊方法
CN112388164B (zh) * 2020-11-02 2021-10-19 上海交通大学 减少铝合金焊缝气孔的交流磁场辅助激光深熔焊方法
CN112658455A (zh) * 2020-12-18 2021-04-16 浙江工业大学 一种外加磁场双相不锈钢板夹镍箔电子束对接焊方法
CN113414492A (zh) * 2021-07-22 2021-09-21 哈尔滨工业大学（威海） 一种稳定激光深熔焊接匙孔的电磁发生装置及方法
CN113414492B (zh) * 2021-07-22 2022-07-26 哈尔滨工业大学（威海） 一种稳定激光深熔焊接匙孔的电磁发生装置及方法
CN114414565A (zh) * 2021-11-30 2022-04-29 西安交通大学 一种多能量复合激光焊接熔池观测装置及实验方法
CN114414565B (zh) * 2021-11-30 2024-07-16 西安交通大学 一种多能量复合激光焊接熔池观测装置及实验方法
CN114226973A (zh) * 2021-12-28 2022-03-25 深圳泰德激光技术股份有限公司 激光焊接设备及其控制方法
CN117564476A (zh) * 2024-01-17 2024-02-20 深圳市铭镭激光设备有限公司 一种激光电弧复合焊接设备及焊接方法
CN117564476B (zh) * 2024-01-17 2024-04-26 深圳市铭镭激光设备有限公司 一种激光电弧复合焊接设备及焊接方法

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