CN108515267B - 超高功率激光与搅动电场同轴复合焊方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种超高功率激光与搅动电场同轴复合焊方法。目前中、厚度板在超高功率激光焊接中，由于过于剧烈的热能转换效应使得焊接过程极为不稳，极易出现气孔、裂纹、飞溅、成形等焊接问题。本发明其特征是：在超高功率激光焊接小孔正上方，加设一个对称环状分布且可同轴搅动的多钨极电场进行弱复合，具体步骤如下：首先是在工件与钨极之间施加一个10~500V的直流电场，所述的钨极接电源负极，所述的工件接电源正极，多钨极在激光焊接小孔的正上方对称环状分布，其中每个钨极均有同轴保护气体，所述的保护气体多钨极沿着激光焊接小孔的轴向方向通过两种方式协同定向旋转，其频率为0~500Hz。本发明用于超高功率激光与搅动电场同轴复合焊方法。

Description

超高功率激光与搅动电场同轴复合焊方法

技术领域：

本发明涉及超高功率激光＋同轴搅动电场复合焊接技术，具体涉及一种超高功率激光与搅动电场同轴复合焊方法。

背景技术：

目前在超高功率激光中、厚板焊接中，焊件厚度在8mm以上，由于过于剧烈的热能转换效应使得焊接过程极为不稳，极易出现气孔、裂纹、飞溅、成形等焊接问题。同时在剧烈的等离子体羽辉及金属蒸汽的干扰下，使得激光功率对于熔深的转化效率远低于千瓦级激光器，这些不足都将对万瓦级激光技术的推广、应用产生严重影响；

万瓦级激光器的出现为常规激光热源模式及焊接特性注入了新的概念，由于高功率激光热源可以很好地实现较厚壁高性能金属材料的高效优质连接，因此，其应用潜能正日益凸显出来，并已成为当前高端装备高性能金属材料焊接的一种重要方法。

发明内容：

本发明的目的是提供一种超高功率激光与搅动电场同轴复合焊方法。

上述的目的通过以下的技术方案实现：

一种超高功率激光与搅动电场同轴复合焊方法，在超高功率激光焊接小孔正上方，加设一个对称环状分布且可同轴搅动的多钨极电场进行弱复合，具体步骤如下：

首先是在工件与钨极之间施加一个10~500V的直流电场，所述的钨极接电源负极，所述的工件接电源正极，多钨极在激光焊接小孔的正上方对称环状分布，且每个钨极头部均向内指向激光焊接小孔边缘，同时均通有多钨极保护气体，所述的多钨极保护气体沿着激光焊接小孔的轴向方向通过两种方式协同定向旋转，其频率为0~500Hz；

所述的多钨极是具有相同电势的双钨极或者三钨极环状分布构成，因此焊接时产生的电流方向均是从工件指向钨极，在其各自电流磁场的作用下，多个对称的电弧相互吸引，阳极斑点汇聚于激光小孔边缘附近，然后在同轴搅动电场的引导向下，多个电弧同时发生定向偏转，电弧阳极斑点沿激光小孔边缘附近作定向圆周运动，由此循环运动形成定向旋转的电弧；

在激光焊接过程中，通过电势较高的外部电场引导等离子体中的正离子向钨极方向加速运动，负离子向激光焊接小孔及工件方向加速运动，加速带电粒子定向运动并在工件和钨极间形成电流，同时还可快速电离小孔喷出的金属蒸汽形成正负离子，并以同样方式快速疏散已电离的金属蒸汽，减少等离子体及金属蒸汽对激光的干扰，增加熔深和提高焊接稳定性；此外，在电场及带电粒子定向移动形成的磁场中，激光焊接小孔内部的激光等离子体中的大量负电子在库仑力及洛仑兹力作用下，轨迹发生改变重新轰击激光焊接小孔内壁及临近区域，使激光焊接小孔内壁吸收电子表面热能增加，激光焊接小孔直径均匀增大稳定性提高，实现减小气孔倾向、降低激光焊接小孔内压力波动幅值、减小飞溅的效果；

所述的多钨极对称环状分布且定向旋转形成的电场，一方面可引导孔外等离子体及已电离的金属蒸汽脱离原喷射轨迹并沿椎面旋动消散，有效疏散在激光束通道上的等离子体及金属蒸汽，降低对激光的散射及吸收作用；另一方面，钨极形成的2个或3个对称电弧相互收缩，其阳极斑点汇聚于激光小孔附近且同步旋转，起到压缩电弧，提高热源效率，增强电弧稳定性，增大激光小孔的上开口面积，提高焊接稳定性的作用，同时，在洛伦兹力作用下使激光焊接小孔内壁及周边金属液沿向下方向和电场运动方向产生定向的下旋流场，在涡流离心力作用下有利于增加激光焊接小孔直径和小孔稳定性，另外通过定向搅拌激光焊接小孔周边熔池，可获得较好的焊缝成形同时，还能细化晶粒，起到提高组织均匀性、减少热裂纹生成、提高接头力学性能和抗疲劳性能的晶粒细化效果。

所述的超高功率激光与搅动电场同轴复合焊方法，所述的两种方式分别是：（1）机械传动方式；（2）通过一组环形排列的电极以电势相位移动方式。

所述的超高功率激光与搅动电场同轴复合焊方法，所述的电源负极范围为-10~-450V，所述的电源正极范围为0~50V，所述的多钨极环状分布的半径为1~10mm即钨极头部位置，所述的保护气体的总气流压力小于0.6 MPa。

有益效果：

1.本发明是一种超高功率激光与搅动电场同轴复合焊方法，主要采用在超高功率激光焊接小孔正上方，加设一个对称环状分布且可同轴搅动的多钨极电场进行弱复合，通过该项设计能够起到加速激光等离子体及金属蒸汽定向疏散，引导孔外等离子体及已电离的金属蒸汽沿锥面通道旋转疏散降低对中心位置激光的散射及吸收作用，引导电子轰击小孔内壁提高热源效率，压缩电弧提高焊接稳定性，使小孔附近及内壁金属液产生定向旋转，通过离心力提高小孔稳定性，扩大小孔直径，降低小孔内部压力波动幅值等作用，实现对高功率激光焊接的气孔、热裂纹、飞溅、成形、熔深、过程稳定性等技术问题的有效解决。同时，由于本发明有助于焊缝熔深的增加，在中、厚板焊接中，可有效减少焊道次数降低焊接变形量。

本发明激光与钨极采用同轴设计，该方法不但有利于钨极保护气流在小孔正上方吹入小孔，增加小孔直径和稳定性，提高工装适应性；在一定程度上起到疏散等离子体及金属蒸汽增加熔深效果；有效保护熔池获得较高纯净度的焊缝；改善填丝焊送丝位置的局限性，可实现双向送丝，提高熔敷效率。因此，可大幅提高铝合金、钛合金、高温镍基合金等高温易氧化材料的中、厚板复合热源填丝焊接效率，减少焊接热变形。

本发明的激光与较高电压多钨极电场（常规钨极氩弧焊电压仅在20V以下）同轴复合，外部电场可改变并加速等离子体定向运动同时，可使小孔喷射出的金属蒸汽快速电离，并以相同方式得到有效疏散，起到快速疏散等离子体及金属蒸汽，增加熔深和焊接稳定性效果，同时多钨极定向旋转的电场，还可引导孔外等离子体及已电离的金属蒸汽脱离原喷射轨迹并沿椎面旋动消散，有效疏散在激光束通道上的等离子体及金属蒸汽，降低对激光的散射及吸收作用，提高热源效率和焊接稳定性。

本发明的外设电场可加速等离子体中负电子轰击小孔内壁及临近区域，使小孔内壁吸收电子表面热能增加，小孔开口直径均匀增大，稳定性提高气孔减小，同时降低孔内压力波动幅值减小飞溅。

本发明在洛伦兹力作用下使小孔内壁及周边金属液沿向下和电场运动方向产生定向下旋流场，在涡流离心力作用下有利于增加小孔直径，保持小孔的稳定性，减小工艺气孔生成。

本发明的搅拌小孔周边熔池可获得较好的焊缝成形同时，还能细化晶粒，起到提高组织均匀性、减少热裂纹生成、提高接头力学性能和抗疲劳性能等晶粒细化效果。

本发明的减小等离子体及金属蒸汽对激光的散射及吸收作用、引导电子轰击小孔内壁提高热源效率作用、使小孔内壁及周边金属液产生定向下旋流场提高小孔的稳定性作用等方面的有益效果，可明显提高超高功率激光焊接的稳定性及焊接效率。

多钨极设计相比于单钨极，可明显提高电弧的稳定性、旋动电场的可控性和对熔池流场的搅拌效果。

附图说明：

附图1是本发明的工作原理结构示意图。

具体实施方式：

实施例1：

一种超高功率激光与搅动电场同轴复合焊方法，其特征是：在超高功率激光焊接小孔正上方，加设一个对称环状分布且可同轴搅动的多钨极电场进行弱复合，具体步骤如下：

首先是在工件与钨极之间施加一个10~500V的直流电场，所述的钨极接电源负极，所述的工件接电源正极，多钨极在激光焊接小孔的正上方对称环状分布，且每个钨极头部均向内指向激光焊接小孔边缘，同时均通有多钨极保护气体，所述的多钨极保护气体沿着激光焊接小孔的轴向方向通过两种方式协同定向旋转，其频率为0~500Hz；

所述的多钨极是具有相同电势的双钨极或者三钨极环状分布构成，因此焊接时产生的电流方向均是从工件指向钨极，在其各自电流磁场的作用下，多个对称的电弧相互吸引，阳极斑点汇聚于激光小孔边缘附近，然后在同轴搅动电场的引导向下，多个电弧同时发生定向偏转，电弧阳极斑点沿激光小孔边缘附近作定向圆周运动，由此循环运动形成定向旋转的电弧；

在激光焊接过程中，通过电势较高的外部电场引导等离子体中的正离子向钨极方向加速运动，负离子向激光焊接小孔及工件方向加速运动，加速带电粒子定向运动并在工件和钨极间形成电流，同时还可快速电离小孔喷出的金属蒸汽形成正负离子，并以同样方式快速疏散已电离的金属蒸汽，减少等离子体及金属蒸汽对激光的干扰，增加熔深和提高焊接稳定性；此外，在电场及带电粒子定向移动形成的磁场中，激光焊接小孔内部的激光等离子体中的大量负电子在库仑力及洛仑兹力作用下，轨迹发生改变重新轰击激光焊接小孔内壁及临近区域，使激光焊接小孔内壁吸收电子表面热能增加，激光焊接小孔直径均匀增大稳定性提高，实现减小气孔倾向、降低激光焊接小孔内压力波动幅值、减小飞溅的效果；

所述的多钨极对称环状分布且定向旋转形成的电场，一方面可引导孔外等离子体及已电离的金属蒸汽脱离原喷射轨迹并沿椎面旋动消散，有效疏散在激光束通道上的等离子体及金属蒸汽，降低对激光的散射及吸收作用；另一方面，钨极形成的2个或3个对称电弧相互收缩，其阳极斑点汇聚于激光小孔附近且同步旋转，起到压缩电弧，提高热源效率，增强电弧稳定性，增大激光小孔的上开口面积，提高焊接稳定性的作用，同时，在洛伦兹力作用下使激光焊接小孔内壁及周边金属液沿向下方向和电场运动方向产生定向的下旋流场，在涡流离心力作用下有利于增加激光焊接小孔直径和小孔稳定性，另外通过定向搅拌激光焊接小孔周边熔池，可获得较好的焊缝成形同时，还能细化晶粒，起到提高组织均匀性、减少热裂纹生成、提高接头力学性能和抗疲劳性能的晶粒细化效果。

实施例2：

根据实施例1所述的超高功率激光与搅动电场同轴复合焊方法，所述的两种方式分别是：（1）机械传动方式；（2）通过一组环形排列的电极以电势相位移动方式。

实施例3：

根据实施例1或2所述的超高功率激光与搅动电场同轴复合焊方法，所述的电源负极范围为-10~-450V，所述的电源正极范围为0~50V，所述的多钨极环状分布的半径为1~10mm即钨极头部位置，所述的保护气体的总气流压力小于0.6 MPa。

实施例4：

根据实施例1所述的超高功率激光与搅动电场同轴复合焊方法，所述的适用范围同样适合于万瓦级以下功率的激光焊接加工。

Claims (3)

1.一种超高功率激光与搅动电场同轴复合焊方法，其特征是：在超高功率激光焊接小孔正上方，加设一个对称环状分布且可同轴搅动的多钨极电场进行弱复合，具体步骤如下：

首先是在工件与钨极之间施加一个10~500V的直流电场，所述的钨极接电源负极，所述的工件接电源正极，多钨极在激光焊接小孔的正上方对称环状分布，且每个钨极头部均向内指向激光焊接小孔边缘，同时均通有多钨极保护气体，所述的多钨极保护气体沿着激光焊接小孔的轴向方向通过两种方式协同定向旋转，其频率为0~500Hz；

所述的多钨极是具有相同电势的双钨极或者三钨极环状分布构成，因此焊接时产生的电流方向均是从工件指向钨极，在其各自电流磁场的作用下，多个对称的电弧相互吸引，阳极斑点汇聚于激光小孔边缘附近，然后在同轴搅动电场的引导向下，多个电弧同时发生定向偏转，电弧阳极斑点沿激光小孔边缘附近作定向圆周运动，由此循环运动形成定向旋转的电弧；

在激光焊接过程中，通过电势较高的外部电场引导等离子体中的正离子向钨极方向加速运动，负离子向激光焊接小孔及工件方向加速运动，加速带电粒子定向运动并在工件和钨极间形成电流，同时还可快速电离小孔喷出的金属蒸汽形成正负离子，并以同样方式快速疏散已电离的金属蒸汽，减少等离子体及金属蒸汽对激光的干扰，增加熔深和提高焊接稳定性；此外，在电场及带电粒子定向移动形成的磁场中，激光焊接小孔内部的激光等离子体中的大量负电子在库仑力及洛仑兹力作用下，轨迹发生改变重新轰击激光焊接小孔内壁及临近区域，使激光焊接小孔内壁吸收电子表面热能增加，激光焊接小孔直径均匀增大稳定性提高，实现减小气孔倾向、降低激光焊接小孔内压力波动幅值、减小飞溅的效果；

所述的多钨极对称环状分布且定向旋转形成的电场，一方面可引导孔外等离子体及已电离的金属蒸汽脱离原喷射轨迹并沿椎面旋动消散，有效疏散在激光束通道上的等离子体及金属蒸汽，降低对激光的散射及吸收作用；另一方面，钨极形成的2个或3个对称电弧相互收缩，其阳极斑点汇聚于激光小孔附近且同步旋转，起到压缩电弧，提高热源效率，增强电弧稳定性，增大激光小孔的上开口面积，提高焊接稳定性的作用，同时，在洛伦兹力作用下使激光焊接小孔内壁及周边金属液沿向下方向和电场运动方向产生定向的下旋流场，在涡流离心力作用下有利于增加激光焊接小孔直径和小孔稳定性，另外通过定向搅拌激光焊接小孔周边熔池，可获得较好的焊缝成形同时，还能细化晶粒，起到提高组织均匀性、减少热裂纹生成、提高接头力学性能和抗疲劳性能的晶粒细化效果。

2.根据权利要求1所述的超高功率激光与搅动电场同轴复合焊方法，其特征是：所述的两种方式分别是：（1）机械传动方式；（2）通过一组环形排列的电极以电势相位移动方式。

3.根据权利要求1或2所述的超高功率激光与搅动电场同轴复合焊方法，其特征是：所述的电源负极范围为-10~-450V，所述的电源正极范围为0~50V，所述的多钨极环状分布的半径为1~10mm即钨极头部位置，所述的保护气体的总气流压力小于0.6 MPa。

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