CN108817713A - 一种辅助激光焊接的外加磁场发生装置及其利用方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种辅助激光焊接的外加磁场发生装置及其利用方法，该外加磁场发生装置是将焊接导电嘴进行机械加工制备成螺旋型，在通入电流之后会产生感应外加磁场，通过调整电流大小和导电嘴方向来改变磁场大小及方向，外加磁场的引入与焊接熔池中的电流相互作用能够产生洛伦兹力，促进焊接熔池对流，对焊接熔池起到一定的搅拌作用，从而实现对焊缝成型和凝固组织的调控，使得焊缝金属向细小的等轴晶转变。熔池流动性增强能够一直焊接气孔、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

一种辅助激光焊接的外加磁场发生装置及其利用方法

技术领域

本发明涉及激光焊接领域，特别是一种辅助激光焊接的外加磁场发生装置及其利用方法。

背景技术

电磁搅拌技术是利用外加磁场与熔池中的感应电流(或施加电流)相互作用形成电磁力，对熔池的流动、传质、传热过程施加影响，进而影响焊接过程中焊缝成型和显微组织；并且焊接熔池的流动有利于排出金属熔体中的气体，减少焊接气孔，降低组织差异和焊接裂纹等缺陷。目前，电磁搅拌技术在铸造、焊接等领域得到广泛的应用。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或永磁极的方式。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。本发明通过对焊接导电嘴进行优化设计，机械加工后的螺旋型导电嘴在通过电流后会产生一定的磁场，设备简单易行，不需要外加辅助设备，能够达到改善熔池流动的效果，从而对焊接过程进行改善。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的之一在于为了解决激光窄间隙焊接过程中存在的侧壁未熔合、气孔、裂纹及组织不均匀等问题，提供一种辅助焊接的外加磁场发生装置，该装置能够控制激光焊接熔池流动，改善焊接接头成型及性能。该装置通过对焊接过程导电嘴配件的改进，能够适应特别在中厚板窄间隙焊接过程中焊缝区域磁场强度的调节问题，具有操作简单灵活、调节方便等优点，适用于激光磁场复合焊接的应用中。

为达到上述目的，一方面，本发明采用如下技术方案：

一种辅助激光焊接的外加磁场发生装置，包括设置在激光束旁的用于导送焊丝的导电嘴，所述导电嘴为螺旋状，螺旋状导电嘴通入电流后产生作用于焊接熔池的外加磁场。

所述导电嘴与激光束之间的夹角可调。

所述导电嘴与激光束之间的夹角为30-60°。

通入螺旋状导电嘴的磁场电流控制在0-200A，焊接熔池区域的磁场强度控制在0-80mT。

所述导电嘴中设置有送丝管，优选地，所述送丝管为陶瓷管。

所述螺旋线圈的圈数为20-150，和/或，

螺旋间距为大于0小于或等于1mm。

另一方面，本发明还提供了上述外加磁场发生装置辅助激光焊接的方法，采用如下技术方案：

1)对导电嘴的磁场强度进行测量，确定焊接熔池区域的磁场强度；根据导电嘴的送进方向确定磁场方向，用以与焊接熔池金属的电流相互作用；

2)采用激光束对坡口钝边进行自熔焊接，实现打底焊；

3)导电嘴的螺旋线圈通入磁场电流，调节激光功率、送丝速度、磁场电流及导电嘴与激光束的夹角，进行激光焊接。

进行激光焊接的过程为激光自熔焊，激光填丝焊或激光热丝焊

本发明还提供了上述方法在窄间隙焊接中的应用。

本发明还提供了上述外加磁场发生装置进行激光覆熔的方法，采用如下技术方案：

包括如下步骤：

1)对导电嘴的磁场强度进行测量，确定焊接熔池区域的磁场强度；根据导电嘴的送进方向确定磁场方向，用以与焊接熔池金属的电流相互作用；

2)在导电嘴中通入电流，进行激光熔覆焊接，进行激光熔覆焊接时激光功率为2.5kW-4kW，焊接速度为1.0-3.0m/min，送丝速度0.5-4.5m/min,磁场电流为150-200A，导电嘴与激光夹角为45-60°。

本发明的有益效果是：本发明制备的导电嘴装置，能够产生一定强度的磁场，装备结构简单，操作灵活，实用性强，可以放入到中厚板窄间隙坡口内部进行，在激光磁场复合焊接领域具有广泛的应用前景。通过外加磁场对激光焊接熔池的控制，可以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，从而实现厚板的高效连接。外加磁场不直接接触焊接熔池，不会对焊接过程产生污染。

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示出本发明提供外加磁场发生装置的结构示意图；

图中，1、焊接激光头；2、激光光束；3、保护气路；4、导电嘴；5、焊丝；6、焊缝金属；7母材

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。

图1中示出了一种激光焊接装置，包括焊接激光头1，焊接激光头1发出激光光束2，激光光束2的两侧设置有保护气路3和导送焊丝的导电嘴4，导电嘴4的中心轴线与激光光束2的光斑相交于母材7上，导电嘴中接入有焊丝5，导电嘴中通入电流后可进行激光焊接。

本发明提供了一种辅助焊接的外加磁场发生装置，该外加磁场发生装置是将导电嘴4进行机械加工，改造成螺旋形，螺旋形导电嘴在通过电流的作用下会产生外加磁场，与焊接熔池中的感应电流或热丝电流相互作用产生电磁力，作用于焊接熔池金属，从而增加焊接熔池的对流现象，达到搅拌焊缝金属、抑制焊接缺陷的目的。优选得，导电嘴为螺旋线圈。

上述外加磁场发生装置中导电嘴与激光束之间的夹角可调，调整导电嘴与激光束之间的夹角可以调整外加磁场的磁力线，从而控制焊接熔池获得最佳焊接效果，优选为30-60°；

通过控制通入螺旋线圈的磁场电流大小实现控制外加磁场的大小，通入螺旋线圈的磁场电流控制在0-200A，焊接熔池区域的磁场强度控制在0-80mT。

所述导电嘴中设置有送丝管，优选地，所述送丝管为陶瓷管。

所述螺旋状导电嘴的螺旋圈数为20-150，螺旋间距为大于0小于或等于1mm。

利用上述外加磁场装置辅助激光焊接包括如下步骤:

(1)、制备专用导电嘴装置：将导电嘴进行机械加工，制备成具有螺旋型，导电嘴内部装有陶瓷管，保证焊丝的稳定送给。根据导电嘴的形状，螺旋圈数20～150。

(2)、磁场强度测量：采用特斯拉计对加工后的导电嘴的磁场强度进行测量，确定焊接熔池区域的磁场强度，所用的磁场电流为0～200A，磁场强度达到0～80mT，导电嘴与激光夹角为30～60°。

(3)、焊接实验：将步骤(1)所制成的导电嘴装置装配完成，进行窄间隙焊接实验，通过控制导电嘴的送进方向来控制磁场方向，控制电流来控制磁场强度。当螺旋导电嘴通入一定的电流，会产生一定方向的磁场，磁场与焊接熔池中的热电流或热丝电流相互作用从而产生洛伦兹力，使得熔融金属产生了规则的波动。这种熔池流动会促进窄间隙侧壁金属的熔化，并且焊接熔池的流动加强会促进枝晶破碎，细化晶粒；降低界面温度梯度，可以缓解焊接裂纹缺陷的产生；熔池流动性增强还会促进焊接气孔的溢出。

上述激光焊接的过程可以是激光自熔焊，激光填丝焊或激光热丝焊。

上述辅助激光焊接的方法可用于窄间隙焊接。

本发明还提供了上述外加磁场发生装置辅助激光熔覆的方法，包括如下步骤

1)对导电嘴的磁场强度进行测量，确定焊接熔池区域的磁场强度；根据导电嘴的送进方向确定磁场方向，用以与焊接熔池金属的电流相互作用，具体地，采用高斯计对焊接熔池区域的磁场强度进行测量，将高斯计探针放于焊接熔池区域，移动探针测量此区域的磁场强度；根据导电嘴的送进方向确定磁场方向，用以与焊接熔池金属的电流相互作用；

2)在导电嘴中通入电流，进行激光熔覆焊接，进行激光熔覆焊接时激光功率为2.5kW-4kW，焊接速度为1.0-3.0m/min，送丝速度0.5-4.5m/min,磁场电流为150-200A，导电嘴与激光夹角为45-60°。

实施例1：

一种用于窄间隙激光焊接的磁场发生装置，所述的磁场发生装置是将焊接导电嘴进行机械加工，制备成螺旋型，在通过电流时产生感应磁场，与焊接熔池中的感应电流或热丝电流相互作用产生电磁力，作用于焊接熔池金属，从而增加焊接熔池的对流现象，达到搅拌焊缝金属、抑制焊接缺陷的目的。

一种外加磁场辅助激光焊接方法通过下列技术方案实现：

(一)、制备专用导电嘴装置：将窄间隙焊接专用导电嘴进行机械加工，制备成螺旋型，导电嘴内部装有陶瓷管，保证焊丝的稳定送给。根据导电嘴的形状，螺旋圈数为20～40。

(二)、磁场强度测量：采用特斯拉计对加工后的导电嘴的磁场强度进行测量，确定焊接熔池区域的磁场强度大约为40～50mT；导电嘴的送进方向来确定产生磁场的方向，与焊接熔池金属的电流相互作用。

(三)、焊接实验：将步骤(一)所制成的导电嘴装置装配完成，进行30mm厚度的铝合金激光填丝窄间隙焊接实验。本实现中，首先采用激光功率为4～6kW，焊接速度1.0～3.0m/min，为对坡口钝边进行自熔焊接，实现打底焊；在之后的焊接过程中，激光功率为2kW～3.5kW，送丝速度为0.5～2.5m/min，磁场电流为100～140A，导电嘴与激光夹角为45～60°进行激光填丝焊接，即可实现30mm厚度铝合金窄间隙焊接。

本实施方式中具体焊接参数根据焊缝质量和焊丝直径确定，在保证焊丝熔化的前提下，尽量增加激光光斑直径，保证坡口侧壁充分熔化。通过对焊接参数的调节，本发明能够实现30mm铝合金窄间隙焊接，通过外加磁场与熔池内部电流的相互作用，可以有效控制熔池流动，避免侧壁未熔合缺陷并能抑制焊接气孔的产生；并一方面，外加磁场对焊接熔池的搅拌作用可以促进枝晶破碎，细化焊缝晶粒尺寸，降低焊缝金属稀释率；降低界面温度梯度，缓解焊接裂纹缺陷的产生，可以获得焊缝成型完美，接头质量合格的焊接。

实施例2：

一种用于窄间隙激光焊接的磁场发生装置，所述的磁场发生装置是将焊接导电嘴进行机械加工，制备成螺旋型，在通过电流时产生感应磁场，与焊接熔池中的感应电流或热丝电流相互作用产生电磁力，作用于焊接熔池金属，从而增加焊接熔池的对流现象，达到搅拌焊缝金属、抑制焊接缺陷的目的。

一种外加磁场辅助激光焊接方法通过下列技术方案实现：

(一)、制备专用导电嘴装置：将窄间隙焊接专用导电嘴进行机械加工，制备成螺旋型，导电嘴内部装有陶瓷管，保证焊丝的稳定送给。根据导电嘴的形状，螺旋圈数为60～80。

(二)、磁场强度测量：采用特斯拉计对加工后的导电嘴的磁场强度进行测量，确定焊接熔池区域的磁场强度大约为65～80mT；导电嘴的送进方向来确定产生磁场的方向，与焊接熔池金属的电流相互作用。

(三)、焊接实验：将步骤(一)所制成的导电嘴装置装配完成，进行20mm厚度的不锈钢激光填丝窄间隙焊接实验。本实现中，首先采用激光功率为4～7.5kW，焊接速度1.0～3.0m/min，为对坡口钝边进行自熔焊接，实现打底焊；在之后的焊接过程中，激光功率为2.5kW～4kW，送丝速度为0.5～4.0m/min，磁场电流为150～200A，导电嘴与激光夹角为45～60°进行激光填丝焊接，即可实现20mm厚度不锈钢窄间隙焊接。

本实施方式中具体焊接参数根据焊缝质量和焊丝直径确定，在保证焊丝熔化的前提下，尽量增加激光光斑直径，保证坡口侧壁充分熔化。通过对焊接参数的调节，本发明能够实现20mm不锈钢窄间隙焊接，通过外加磁场与熔池内部电流的相互作用，可以有效控制熔池流动，避免侧壁未熔合缺陷并能抑制焊接气孔的产生；并一方面，外加磁场对焊接熔池的搅拌作用可以促进枝晶破碎，细化焊缝晶粒尺寸，降低焊缝金属稀释率；降低界面温度梯度，缓解焊接裂纹缺陷的产生，可以获得焊缝成型完美，接头质量合格的焊接。

实施例3：

一种用于激光熔覆的磁场发生装置，所述的磁场发生装置是将焊接导电嘴进行机械加工，制备成螺旋型，在通过电流时产生感应磁场，与焊接熔池中的感应电流或热丝电流相互作用产生电磁力，作用于焊接熔池金属，从而增加焊接熔池的对流现象，达到搅拌焊缝金属、抑制焊接缺陷的目的。

一种外加磁场辅助激光熔覆方法通过下列技术方案实现：

(一)、制备专用导电嘴装置：将窄间隙焊接专用导电嘴进行机械加工，制备成螺旋型，导电嘴内部装有陶瓷管，保证焊丝的稳定送给。根据导电嘴的形状，螺旋圈数为40～50。

(二)、磁场强度测量：采用特斯拉计对加工后的导电嘴的磁场强度进行测量，确定焊接熔池区域的磁场强度大约为50～60mT；导电嘴的送进方向来确定产生磁场的方向，与焊接熔池金属的电流相互作用。

(三)、焊接实验：将步骤(一)所制成的导电嘴装置装配完成，进行不锈钢熔覆加工，激光功率为2.5kW～4kW，焊接速度为1.0～3.0m/min，送丝速度0.5～4.5m/min,磁场电流为150～200A，导电嘴与激光夹角为45～60°。

本实施方式中具体焊接参数根据焊缝质量和焊丝直径确定，在保证焊丝熔化的前提下，尽量增加激光光斑直径。通过外加磁场与熔池内部电流的相互作用，可以有效控制熔池流动，对焊接熔池的搅拌作用可以促进枝晶破碎，细化焊缝晶粒尺寸，降低焊缝金属稀释率；降低界面温度梯度，缓解焊接裂纹缺陷的产生，可以获得成型完美熔覆层。

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 (10)

1.一种辅助激光焊接的外加磁场发生装置，包括设置在激光束旁的用于导送焊丝的导电嘴，其特征在于，所述导电嘴为螺旋状，螺旋状导电嘴通入电流后产生作用于焊接熔池的外加磁场。

2.根据权利要求1所述的一种辅助激光焊接的外加磁场发生装置，其特征在于，所述导电嘴与激光束之间的夹角可调。

3.根据权利要求1所述的一种辅助激光焊接的外加磁场发生装置，其特征在于，所述导电嘴与激光束之间的夹角为30-60°。

4.根据权利要求1所述的一种辅助激光焊接的外加磁场发生装置，其特征在于，通入螺旋状导电嘴的磁场电流控制在0-200A，焊接熔池区域的磁场强度控制在0-80mT。

5.根据权利要求1所述的一种辅助激光焊接的外加磁场发生装置，其特征在于，所述导电嘴中设置有送丝管，优选地，所述送丝管为陶瓷管。

6.根据权利要求1所述的一种辅助激光焊接的外加磁场发生装置，其特征在于，所述螺旋状导电嘴的螺旋圈数为20-150；和/或，

螺旋间距为大于0小于或等于1mm。

7.一种利用权利要求1所述的外加磁场发生装置辅助激光焊接的方法，其特征在于，包括如下步骤：

1)对导电嘴的磁场强度进行测量，确定焊接熔池区域的磁场强度；根据导电嘴的送进方向确定磁场方向，用以与焊接熔池金属的电流相互作用；2)采用激光束对坡口钝边进行自熔焊接，实现打底焊；

3)导电嘴的螺旋线圈通入磁场电流，调节激光功率、送丝速度、磁场电流及导电嘴与激光束的夹角，进行激光焊接。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，进行激光焊接的过程为激光自熔焊，激光填丝焊或激光热丝焊。

9.权利要求7所述的方法在窄间隙焊接中的应用。

10.一种利用权利要求1所述的外加磁场发生装置进行激光覆熔的方法，其特征在于，包括如下步骤：

1)对导电嘴的磁场强度进行测量，确定焊接熔池区域的磁感应强度；根据导电嘴的送进方向确定磁场方向，用以与焊接熔池金属的电流相互作用；

2)在导电嘴中通入电流，进行激光熔覆焊接，进行激光熔覆焊接时激光功率为2.5kW-4kW，焊接速度为1.0-3.0m/min，送丝速度0.5-4.5m/min,磁场电流为150-200A，导电嘴与激光夹角为45-60°。