CN108817712B - 一种磁控热丝摆动激光焊接装置、方法和应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种磁控热丝摆动激光焊接装置及方法，包括在热丝上施加永磁体产生的外加磁场，外加磁场与热丝电流相互作用会产生安培力，改变热丝的送进方式；通过调整磁场装置强度、热丝电流及热丝加热长度控制热丝摆动幅度。热丝的摆动一方面可以改变熔池中的热源分布状况，实现对焊缝成型调控，改善窄间隙焊接侧壁熔合不良问题；另一方面摆动的焊丝对焊接熔池起到一定的搅拌作用，细化焊缝组织。熔池流动性增强还能够抑制焊接气孔、裂纹等缺陷的产生，从而提高焊接接头的使用性能。本发明装置结构简单，操作灵活，适应性强。

Description

一种磁控热丝摆动激光焊接装置、方法和应用

技术领域

本发明涉及激光焊接领域，特别是一种磁控热丝摆动激光焊接装置、方法及应用。

背景技术

在激光中厚板窄间隙焊接过程中，由于激光光斑加热面积小，常常导致坡口侧壁未熔合的缺陷，以及在焊接过程中冷却速度快，极易出现焊接气孔、裂纹等缺陷，进而降低焊接接头的性能。通过施加外加磁场作用于焊接熔池，与焊接熔池产生的感应电流或外加电流相互作用，使得熔池液态金属对流增强，细化焊缝金属晶粒；并降低温度梯度，抑制焊接裂纹产生，进而改善焊接接头缺陷，提高接头使用性能。

目前，对于外加磁场辅助激光焊接方法，外加磁场的施加方式一般都通过励磁线圈方式。磁场施加设备笨拙，适用性差，特别是对于窄间隙此类形式的焊接过程无法施加，外加磁场对熔池的控制很难达到理想的效果，难以对焊接过程中的缺陷进行有效控制，对组织性能进行调控。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的之一是提供一种磁控热丝摆动激光焊接装置及方法，该装置或方法通过设置永磁体产生外加磁场，外加磁场与热丝电流相互作用使得焊丝垂直于焊接方向振动，从而改变焊接热源分布并促进熔滴过渡和熔池流动，改变焊接质量；

本发明的目的之二是提供上述磁控热丝摆动激光焊接装置在窄间隙焊接上的应用及焊接方法，能够改善窄间隙焊接侧壁未熔合的缺陷。

为达到上述目的，一方面，本发明采用如下技术方案：

一种磁控热丝摆动激光焊接装置，包括用于发射激光束的激光束发射装置和设置在激光束一侧的加热焊丝，加热焊丝上施加有永磁体产生的外加磁场，外加磁场与焊接热丝电流相互作用产生电磁力，电磁力使得焊丝垂直于焊接方向摆动。

所述外加磁场的磁场强度通过改变永磁体形状和/或调整永磁体与焊接热丝的距离进行调整。

优选得，所述外加磁场的磁场强度为50-200mT,和/或热丝电流为60-160A；和/或热丝电源交变频率为0-50Hz；和/或焊丝加热长度为30-80mm；和/或激光束采用连续激光或脉冲激光，激光功率为2000-6000W；和/或永磁体尺寸为：长60-80mm，宽15-25mm，厚度为2-6mm。

优选得，还包括金属导体，所述永磁体设置在金属导体中。

优选得，所述永磁体是汝铁硼稀土永磁。

另一方面，本发明采用如下技术方案：

一种磁控热丝摆动激光焊接方法，在焊接热丝上施加由永磁体产生的外加磁场，通过外加磁场与焊接热丝电流相互作用产生电磁力，使得焊丝垂直于焊接方向产生摆动，以改变焊接热源分布并促进熔滴过渡和熔池流动。

通过调整外加磁场磁场强度、热丝电流以及焊丝加热长度控制焊丝的摆动幅度。

所述外加磁场的磁场强度为50-200mT，和/或热丝电流为60-160A；和/或热丝电源交变频率为0-50Hz；和/或焊丝加热长度为30-80mm；和/或激光束采用连续激光或脉冲激光，激光功率为2000-6000W；和/或永磁体尺寸为：长60-80mm，宽15-25mm，厚度为2-6mm。

再一方面，本发明采用如下技术方案：

本发明还提供了上述方法在窄间隙焊接上的应用。

本发明还提供了利用上述装置进行窄间隙焊接的方法，包括如下步骤：

1)窄间隙坡口加工；同时要保证永磁体与窄间隙坡口互不干扰；

2)将加热焊丝施加永磁体产生的外加磁场；

3)激光作用于母材上形成熔池；

4)启动送丝装置，保证焊丝起始送进位置位于坡口中心，外加磁场与热丝电流相互作用产生的电磁力使得焊丝在垂直于焊接方向进行摆动；

5)在焊丝摆动的机械振动力下，促进熔滴过渡，同时将部分热量重新分布在坡口侧壁位置。

本发明的有益效果是：

1.通过永磁体产生的外加磁场对热丝的控制，焊丝摆动有利于促进熔滴过渡，搅拌焊接熔池，以促进枝晶破碎，细化焊缝晶粒尺寸，降低焊缝金属稀释率，也有利于焊接气孔的溢出；降低界面温度梯度，缓解焊接裂纹缺陷的产生，可以获得优质的焊缝成型；并且外加磁场不直接接触焊接熔池，不会对焊接过程产生污染。

2、由于外加磁场由永磁体产生，因此本发明的装置具有结构简单、操作灵活、实用性强的特点；同时由于永磁体体积小，该磁控热丝摆动激光焊接装置能够放入到中厚板的窄间隙坡口内部中进行窄间隙焊接，焊丝摆动可以将部分热量带到窄间隙坡口侧位置，使得焊接热源发生重新分布，促使热量向坡口侧壁分布，减少窄间隙焊接过程侧壁未熔合、气孔、裂纹和组织不均匀等缺陷，从而实现厚板窄间隙的高效连接。

附图说明

通过以下参照附图对本发明实施例的描述，本发明的上述以及其它目的、特征和优点将更为清楚，在附图中：

图1示出本发明所述磁控热丝摆动激光焊接装置的结构示意图；

图2示出固定干伸长为50mm，焊丝直径为1.2mm时，不同磁场强度和热丝电流作用下焊丝摆动距离的示意图；

图3示出固定热丝电流为110A,磁场强度为0.1mT，不同干伸长作用下焊丝摆动距离的示意图；

图4示出施加磁控热丝前后的焊缝成形对比图。

图中，1、焊接激光头；2、窄间隙坡口；3、保护气路；4、母材；

5、熔池金属；6、铜导体；7、焊丝；8、导电嘴；9、永磁体。

具体实施方式

以下基于实施例对本发明进行描述，但是本发明并不仅仅限于这些实施例。在下文对本发明的细节描述中，详尽描述了一些特定的细节部分，为了避免混淆本发明的实质，公知的方法、过程、流程、元件并没有详细叙述。

此外，本领域普通技术人员应当理解，在此提供的附图都是为了说明的目的，并且附图不一定是按比例绘制的。

除非上下文明确要求，否则整个说明书和权利要求书中的“包括”、“包含”等类似词语应当解释为包含的含义而不是排他或穷举的含义；也就是说，是“包括但不限于”的含义。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。此外，在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

如图1所示，一种磁控热丝摆动激光焊接装置，包括用于发射激光束的焊接激光头1和设置在激光束一侧的导电嘴8，导电嘴8中导送有加热焊丝7，加热焊丝7上方设置有永磁体9，永磁体9设置在金属导体中，通过金属导体避免焊接过程中产生的热量扰乱其磁场分布，金属导体例如为铜导体6，激光束的另外一侧还设置有保护气路3，保护气路3输出保护气体，焊接开始后，在激光束的热量作用下，母材4及焊丝7熔化后形成熔池金属5，保护气路3输出的保护气体防止熔池金属5与空气反应。优选地，在进给方向上，加热焊丝7位于焊接激光头1的前侧，保护气路3位于焊接激光头1的后侧，采用前置送丝方式有利于熔滴过渡稳定性，后置送丝有利于对焊缝金属进行保护。

永磁体9产生外加磁场，外加磁场与焊接热丝电流相互作用产生电磁力，电磁力使得焊丝垂直于焊接方向摆动，焊丝的摆动改变焊接热源分布并促进熔滴过渡和熔池流动，改善激光窄间隙焊接侧壁未熔合缺陷。因此，该装置尤其适用于窄间隙焊接。图1中示出了具有窄间隙的母材4，母材4之间具有窄间隙坡口2，本发明所述的磁控热丝摆动激光焊接装置就搁置在窄间隙坡口2内。在窄间隙焊接中，焊丝的摆动，使得焊接热源发生重新分布，促使热量向坡口侧壁分布，改善窄间隙焊接侧壁未熔合的缺陷产生。

所述外加磁场的磁场强度通过改变永磁体形状和/或调整永磁体与焊接热丝的距离进行调整。通过增加两者间距降低热丝部位的磁场强度，或者减小永磁铁的厚度亦可以达到降低磁场强度的目的。

本发明还提供了一种磁控热丝摆动激光焊接的方法，即在焊接热丝上施加永磁体产生的外加磁场。优选得，所述外加磁场的磁场强度为50-200mT,热丝电流为60-160A；热丝电源交变频率为0-50Hz；焊丝加热长度为30-80mm；激光束采用连续激光或脉冲激光，激光功率为2000-6000W；永磁体是汝铁硼稀土永磁，尺寸为：长60-80mm，宽15-25mm，厚度为2-6mm。

由于上述的一种磁控热丝摆动激光焊接装置尤其适用于窄间隙焊接，因此利用上述装置进行窄间隙焊接的方法包括如下步骤：

1)、定制永磁体尺寸，将其固定于焊丝加热部位，并用铜导体将永磁体包裹，避免焊接过程中产生的热量扰乱其磁场分布；

2)、对待焊接的形成窄间隙的结构的侧壁进行加工，调整所述焊丝距离所述侧壁的距离；同时要保证永磁体与窄间隙坡口互不干扰；

3)、将热丝电源施加到焊丝上，在焊丝加热部位放置外加永磁体，并将永磁体用铜导体包裹，永磁体距离焊丝的位置可调；

4)、启动激光器，使激光作用于母材上形成熔池，激光输出方式可以是连续输出也可以脉冲输出，激光可以是直线行走也可以是摆动行走方式；

5)、启动送丝装置，保证焊丝起始送进位置位于坡口中心，此时外加磁场与热丝电流相互作用产生的电磁力会使得焊丝在垂直于焊接方向进行摆动，焊丝熔化的能量主要来源于熔池的热量；在焊丝摆动的机械振动力下，促进熔滴过渡，同时将部分热量重新分布在坡口侧壁位置。

图2给出了固定干伸长为50mm，焊丝直径为1.2mm时，不同磁场强度和热丝电流作用下焊丝摆动距离的示意图。

图3给出了固定热丝电流为110A,磁场强度为0.1mT时，不同干伸长作用下焊丝摆动距离的示意图。

为验证本发明所述磁控热丝摆动激光焊接装置及焊接方法的效果，进行了如下实验：

实施例1：

1.采用平板堆焊的方式验证磁控热丝方式对接头成形的影响。采用直径为1.2mm的焊丝，焊丝干伸长控制在20-40mm，热丝加热电流为80-100A，送丝角度为45°，送丝速度为2.5m/min，外加永磁体装置尺寸为60mm*20mm*5mm，在热丝位置产生的磁场强度约为80-140mT，产生的焊丝偏转距离为1.0mm左右。

2.焊丝采用前置送丝方式，保护气体采用纯Ar，气流量为15L/min，后置送气，将保护气管送进到坡口间隙保护焊接熔池金属。

3.采用光纤激光器，激光功率为4000W，焊接速度1.5m/min，激光为连续激光输出，采用高速摄像观察熔滴过渡行为,焊丝熔滴过渡为搭桥过渡，光丝距约为1mm。焊缝成形如图4(上方焊缝为施加磁控热丝前，下方焊缝为施加磁控热丝后)所示，可见焊缝熔宽显著增加。

实施例2：

1.对厚度为50mm的不锈钢板进行破口加工，钝边厚度B＝3-4mm；根部间隙P＝2mm；底部坡口间距S＝0.5-1.5mm；坡口角度β＝2-4°。不锈钢采用对接形式，使用夹具将待焊母材固定。

2.采用直径为1.2mm的焊丝，焊丝干伸长控制在15-30mm，热丝加热电流为120-160A，送丝角度为45°，送丝速度为2.5m/min，外加永磁体装置尺寸为60mm*20mm*5mm，在热丝位置产生的磁场强度约为60-120mT，产生的焊丝偏转距离为0.5mm左右。

3.焊丝采用前置送丝方式，保护气体采用纯Ar，气流量为15L/min，后置送气，将保护气管送进到坡口间隙保护焊接熔池金属。

4.采用光纤激光器，激光功率为4000-6000W，焊接速度1.5-2.5m/min，激光为连续激光输出，焊丝熔滴过渡为搭桥过渡，光丝距约为1mm。

本领域的技术人员容易理解的是，在不冲突的前提下，上述各优选方案可以自由地组合、叠加。

应当理解，上述的实施方式仅是示例性的，而非限制性的，在不偏离本发明的基本原理的情况下，本领域的技术人员可以针对上述细节做出的各种明显的或等同的修改或替换，都将包含于本发明的权利要求范围内。

Claims (8)

1.一种磁控热丝摆动激光焊接装置，包括用于发射激光束的激光束发射装置和设置在激光束一侧的加热焊丝，其特征在于，加热焊丝上施加有永磁体产生的外加磁场，外加磁场与焊接热丝电流相互作用产生电磁力，其中，焊接热丝电流为交变频率为0-50Hz的交流电，电磁力使得焊丝垂直于焊接方向摆动；

所述激光束发射装置包括焊接激光头；所述磁控热丝摆动激光焊接装置还包括设置在激光束一侧的导电嘴，所述导电嘴中导送有加热焊丝，激光束的另外一侧还设置有保护气路，所述保护气路输出保护气体，焊接开始后，在激光束的热量作用下，母材及焊丝熔化后形成熔池金属，所述保护气路输出的保护气体防止熔池金属与空气反应，在进给方向上，加热焊丝位于所述焊接激光头的前侧，所述保护气路位于所述焊接激光头的后侧；

其中：

所述外加磁场的磁场强度为50-200mT；和，

热丝电流为60-160A；和，

焊丝加热长度为30-80mm；和，

激光束采用连续激光或脉冲激光，激光功率为2000-6000W；和，

永磁体尺寸为：长60-80mm，宽15-25mm，厚度为2-6mm。

2.如权利要求1所述的一种磁控热丝摆动激光焊接装置，其特征在于，所述外加磁场的磁场强度通过改变永磁体形状和/或调整永磁体与焊接热丝的距离进行调整。

3.如权利要求1所述的一种磁控热丝摆动激光焊接装置，其特征在于，还包括金属导体，所述永磁体设置在金属导体中。

4.如权利要求1所述的一种磁控热丝摆动激光焊接装置，其特征在于，所述永磁体是汝铁硼稀土永磁。

5.一种磁控热丝摆动激光焊接方法，其特征在于，在焊接热丝上施加由永磁体产生的外加磁场，通过外加磁场与焊接热丝电流相互作用产生电磁力，其中，焊接热丝电流为交变频率为0-50Hz的交流电，使得焊丝垂直于焊接方向产生摆动，以改变焊接热源分布并促进熔滴过渡和熔池流动；

其中，激光束发射装置包括焊接激光头；磁控热丝摆动激光焊接装置包括设置在激光束一侧的导电嘴，所述导电嘴中导送有加热焊丝，激光束的另外一侧还设置有保护气路，所述保护气路输出保护气体，焊接开始后，在激光束的热量作用下，母材及焊丝熔化后形成熔池金属，所述保护气路输出的保护气体防止熔池金属与空气反应，在进给方向上，加热焊丝位于所述焊接激光头的前侧，所述保护气路位于所述焊接激光头的后侧；

其中：所述外加磁场的磁场强度为50-200mT，和，

热丝电流为60-160A；和/或，焊丝加热长度为30-80mm；和，

激光束采用连续激光或脉冲激光，激光功率为2000-6000W；和，

永磁体尺寸为：长60-80mm，宽15-25mm，厚度为2-6mm。

6.如权利要求5所述的一种磁控热丝摆动激光焊接方法，其特征在于，通过调整外加磁场磁场强度、热丝电流以及焊丝加热长度控制焊丝的摆动幅度。

7.权利要求5所述磁控热丝摆动激光焊接方法在窄间隙焊接上的应用。

8.一种利用权利要求1所述焊接装置进行窄间隙焊接的方法，其特征在于，包括如下步骤：

1）窄间隙坡口加工；同时要保证永磁体与窄间隙坡口互不干扰；

2）将加热焊丝施加永磁体产生的外加磁场；

3）激光作用于母材上形成熔池；

4）启动送丝装置，保证焊丝起始送进位置位于坡口中心，外加磁场与热丝电流相互作用产生的电磁力使得焊丝在垂直于焊接方向进行摆动；

5）在焊丝摆动的机械振动力下，促进熔滴过渡，同时将部分热量重新分布在坡口侧壁位置。

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