CN110640315A - 一种外加变频磁场的激光焊接方法和装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及激光焊接领域，具体涉及一种外加变频磁场的激光焊接方法和装置。采用线圈数不同的励磁线圈激励出强度和频率均不同的变频磁场，将焊接件磁场辐射区域以处理的时间分为顺序待焊状态，熔融状态和待后处理状态，采用本发明中的随激光头一起移动的可激发不同频率和强度的外加磁场装置对不同的区域采用不同强度和频率的磁场进行焊前，焊中和焊后处理，使待焊件在磁场热效应的作用下进行预热，降低熔池深度；在激光焊接的同时，在熔池区采用外加高频磁场的方法，对熔池区域进行搅拌。在完成激光焊接时，采用低频磁场对焊后区进行焊后热处理。本发明能够有效减少熔池的温度梯度和使熔池温度分布均匀的同时减少气孔等缺陷，提高焊接质量。

Description

一种外加变频磁场的激光焊接方法和装置
技术领域
本发明涉及激光焊接领域，具体涉及一种外加变频磁场的激光焊接方法和装置，本发明能够通过磁场的热效应和力效应交互影响的方式，减少熔池的温度梯度和使熔池温度分布均匀的同时减少气孔等缺陷，提高焊接质量。
背景技术
激光焊接是近年来新兴的焊接技术，激光焊接是利用高能量密度的激光束作为热源的一种高效精密焊接方法。伴随着焊接技术的发展以及工业激光器研发，目前，激光焊接技术在很多的焊接行业都已得到普遍应用。在国外，很多发达国家的激光技术都已在各个行业中得到普及，如航空航天、汽车制造、塑料焊接、核能设备等等，并且都已经与传统焊接技术有机融合，是当前比较成熟的焊接技术。
但是在焊接过程中，由于熔池的温度梯度大，导致焊缝中产生大量的柱状晶，宏观表现为在焊接中的焊缝中存在大量的残余拉应力，从而导致在焊缝中产生热裂纹，同时由于冷却速度快，熔池中的气泡来不及逸出，易在熔池中残留从而在焊缝凝固后形成气孔。
发明内容
针对以上的问题，本发明提出一种外加变频磁场的激光焊接方法和装置，利用不同线圈数的带电线圈激励出强度和频率不同的磁场，并分别利用磁场的力效应和热效应分别作用于焊接件的待焊区，熔池区和焊后区，从而提高焊接件的服役寿命，改善焊接件的力学性能。
本发明提出一种外加变频磁场的激光焊接装置，装置包括激光焊接头，可移动连杆，下励磁线圈2，待焊工件，工作台，PLC控制系统，上励磁线圈，下励磁线圈1；上励磁线圈、下励磁线圈1和下励磁线圈2安装在可移动连杆上，上励磁线圈位于待焊工件的上表面即待焊表面上方，下励磁线圈1和下励磁线圈2分别位于待焊焊接件的下表面且对称分分布在上励磁线圈的两侧，激光焊接头也安装在可移动连杆上，激光焊接头和上励磁线圈位于同一个竖直轴线上，位于待焊工件的上表面上方，同时位于上励磁线圈下方，可移动连杆在PLC控制系统的控制下水平移动。
本发明提出一种外加变频磁场的激光焊接方法，将待焊焊接件的磁场辐射区域按照处理的时间顺序安排为：待焊状态，熔融状态和待后处理状态，当焊接件处于待焊状态时，下励磁线圈1位于待焊工件的下方，并利用磁场的热效应进行预热，励磁线圈整体随激光焊接头水平运动，当激光焊接头运动至预热完成的区域时，对其进行焊接至熔融状态，同时上励磁线圈激励电磁场产生的洛伦兹力对熔池进行搅拌，焊接完成之后，下励磁线圈2激励的磁场位于焊接完成的区域并产生热效应对焊接件进行焊后热处理，其具体步骤如下：
(1)对待焊工件进行待焊表面处理，并置于焊接件工作台上。
(2)对励磁线圈通入电流，下励磁线圈1和下励磁线圈2以及上励磁线圈分别产生磁场，下励磁线圈1和下励磁线圈2以及上励磁线圈的线圈数的关系满足：N下励磁线圈1＝N下励磁线圈2＜N上励磁线圈，频率关系满足：f下励磁线圈1＝f下励磁线圈2>f上励磁线圈，磁场强度满足：H＝NI/Le，H下励磁线圈1＝H下励磁线圈2＜H上励磁线圈，H为磁场强度，N为线圈匝数，I为通入的直流电流的大小，Le为有效磁路长度。
(3)首先将下励磁线圈1置于待焊工件的待焊区进行焊前预热至动态再结晶温度TDRX，然后励磁线圈整体在可移动连杆的控制下向前移动，动态再结晶温度TDRX＝aTm(K)，其中TDRX为材料的动态再结晶温度，a通常取0.35～0.4，Tm为材料的熔点。
(4)当上励磁线圈置于预热完成的待焊区时，激光焊接头同步开始工作，同时上励磁线圈产生电磁场，并对激光焊接产生的熔池进行搅拌，激光焊接工艺参数为：光斑直径为0.3mm，激光功率为4-6kW，焊接速度为1-2m/min，激光控制电流40-100A，脉冲宽度10-20ns，脉冲频率2-10Hz。
(5)当完成这一部分的焊接之后，激光焊接头与励磁线圈整体同步运动，同时下励磁线圈2置于完成焊接的焊缝下方，对该部分进行焊后热处理减少焊缝中的焊接热应力，同时，激光焊接头在上励磁线圈的磁场力作用下，完成下一部分焊缝的焊接，下励磁线圈1同步开始进行下下部分待焊区的焊前预热，预热完毕后，焊后热处理也结束。
(6)重复步骤(3)-(5)完成整个待焊零件的焊接。
本发明主要是针对激光焊接在焊接过程中熔池的温度梯度较大并且熔池在流动过程中温度分布不均匀并且存在残余的气泡导致的焊接质量较差的问题，采用磁场的力效应和热效应交互作用的方式，减小焊接熔池的温度差和宽度，改善焊接过程中的热裂纹和焊接热导致的翘曲变形现象，同时磁场的力效应所产生的洛伦兹力能够通过搅拌熔池使熔池中的温度趋于均匀并且加速熔池中的气泡的逸出，细化焊缝中的柱状晶，从而提高焊接件的服役寿命和改善焊接件的力学性能，具有很强的新颖性和创新性。
本发明有益效果：
1)使用低频的磁场热效应对焊接件待焊部位进行局部加热，可以升高基体温度，降低熔池的温度梯度和熔池深度。
2)使用高频磁场的力效应产生的洛伦兹力对熔池进行搅拌，使熔池的温度分布均匀，细化焊缝的晶粒，加速熔池中气泡的逸出，提高焊接质量。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术的技术方案，下面对实例或现有技术所需要使用的附图作简单地介绍。
图1为本文所述的装置主视图。
图2为本文所述的装置俯视图。
图3为本文具体实施例对比组1的焊缝截面金相图。
图4为本文具体实施例对比组2的焊缝截面金相图。
表1为本文具体实施案例拉伸性能数据对比。
1、激光焊接头，2、可移动连杆，3、下励磁线圈2，4、待焊工件，5、工作台，6、PLC控制系统，7、上励磁线圈，8、下励磁线圈1。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的具体实施方式做详细的说明，但本发明不应仅限于实施例。
实施例1
本实施例所采用的带焊接板件厚度为4mm，材料为316L不锈钢
将工件固定在带有夹具的工作台上，在没有任何辅助设备的条件下采用上述对薄板件进行激光焊接处理，激光焊接的参数为光斑直径为0.3mm，激光功率为4kW，焊接速度为2m/min，激光控制电流80A，脉冲宽度15ns，脉冲频率6Hz。并对焊接后的薄板件进行拉伸实验和焊缝的截面金相观测，拉伸数据和焊缝截面金相图作为对比组1。
实施例2
本实施例采用的带焊接厚度为4mm，材料为316L不锈钢，熔点为1400℃，即1673.15K，TDRX＝aTm(K)＝0.4×1673.15K＝339.26K，即396.11℃。高压液流的温度为50％TDRX＝138.64℃。励磁线圈中通入的电流为13A，有效磁路长度Le为50mm。
本发明的技术方案，其具体步骤为：
(1)对待焊焊接件进行待焊表面处理，并置于焊接件工作台上。
(2)对励磁线圈通入大小为13A的直流电流，下励磁线圈1和下励磁线圈2以及上励磁线圈分别产生磁场，下励磁线圈1和下励磁线圈2以及上励磁线圈的线圈数分别为80，80，100；下励磁线圈1和下励磁线圈2以及上励磁线圈激励的磁场频率分别为5000Hz，5000Hz，8000Hz；下励磁线圈1和下励磁线圈2以及上励磁线圈激励的磁场强度分别为21mT，21mT，26mT。
(3)首先将下励磁线圈1置于待焊件的待焊区进行焊前预热至动态再结晶温度138.64℃，然后励磁线圈整体在可移动连杆的控制下向前移动。
(4)当上励磁线圈置于预热完成的待焊区时，激光焊接头开始同步工作，同时上励磁线圈产生电磁场，并对激光焊接产生的熔池进行搅拌，激光焊接工艺参数为：光斑直径为0.3mm，激光功率为4kW，焊接速度为2m/min，激光控制电流80A，脉冲宽度15ns，脉冲频率6Hz。
(5)当完成这一部分的焊接之后，激光焊接头与励磁线圈整体同步运动，同时下励磁线圈2置于完成焊接的焊缝下方，对该部分进行焊后热处理，同时，激光焊接头在上励磁线圈的磁场力作用下，完成下一部分焊缝的焊接，下励磁线圈1同步开始进行更下一部分待焊区的焊前预热，预热完毕后，焊后热处理也结束。
(6)重复步骤(3)-(5)完成整个待焊零件的焊接。对焊接后的焊接件进行拉伸实验和焊缝的截面金相观测，拉伸数据和焊缝截面金相图作为对比组2。
对比图3和图4可知，本方法焊接完成的焊缝上表层区域的晶粒更细，焊接质量更好。
对比表1中对比组1和对比组2的拉伸性能，可以看出采用本发明所述的一种外加变频磁场的激光焊接方法和装置，可以提高焊缝和基体之间的结合强度，显著改善金属工件的拉伸性能。
表1
Figure BDA0002178808280000051

Claims (6)

1.一种外加变频磁场的激光焊接装置，其特征在于，所述装置包括激光焊接头，可移动连杆，下励磁线圈2，待焊工件，工作台，PLC控制系统，上励磁线圈，下励磁线圈1；上励磁线圈、下励磁线圈1和下励磁线圈2安装在可移动连杆上，上励磁线圈位于待焊工件的上表面即待焊表面上方，下励磁线圈1和下励磁线圈2分别位于待焊焊接件的下表面且对称分分布在上励磁线圈的两侧，激光焊接头也安装在可移动连杆上，激光焊接头和上励磁线圈位于同一个竖直轴线上，位于待焊工件的上表面上方，同时位于上励磁线圈下方，可移动连杆在PLC控制系统的控制下水平移动。
2.利用如权利要求1所述装置实施外加变频磁场的激光焊接方法，其特征在于，将待焊工件的磁场辐射区域按照处理的时间顺序安排为：待焊状态，熔融状态和待后处理状态，当焊接件处于待焊状态时，下励磁线圈1位于待焊工件的下方，并利用磁场的热效应进行预热，励磁线圈整体随激光焊接头水平运动，当激光焊接头运动至预热完成的区域时，对其进行焊接至熔融状态，同时上励磁线圈激励电磁场产生的洛伦兹力对熔池进行搅拌，焊接完成之后，下励磁线圈2激励的磁场位于焊接完成的区域并产生热效应对焊接件进行焊后热处理，具体步骤如下：
(1)对待焊工件进行待焊表面处理，并置于焊接件工作台上；
(2)对励磁线圈通入电流，下励磁线圈1和下励磁线圈2以及上励磁线圈分别产生磁场；
(3)首先将下励磁线圈1置于待焊工件的待焊区进行焊前预热至动态再结晶温度TDRX，然后励磁线圈整体在可移动连杆的控制下向前移动；
(4)当上励磁线圈置于预热完成的待焊区时，激光焊接头同步开始工作，同时上励磁线圈产生电磁场，并对激光焊接产生的熔池进行搅拌；
(5)当完成这一部分的焊接之后，激光焊接头与励磁线圈整体同步运动，同时下励磁线圈2置于完成焊接的焊缝下方，对该部分进行焊后热处理减少焊缝中的焊接热应力，同时，激光焊接头在上励磁线圈的磁场力作用下，完成下一部分焊缝的焊接，下励磁线圈1同步开始进行下下部分待焊区的焊前预热，预热完毕后，焊后热处理也结束；
(6)重复步骤(3)-(5)完成整个待焊零件的焊接。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，步骤(2)中，下励磁线圈1和下励磁线圈2以及上励磁线圈的线圈数的关系满足：N下励磁线圈1＝N下励磁线圈2＜N上励磁线圈，频率关系满足：f下励磁线圈1＝f下励磁线圈2>f上励磁线圈，磁场强度满足：H＝NI/Le，H下励磁线圈1＝H下励磁线圈2＜H上励磁线圈，H为磁场强度，N为线圈匝数，I为通入的直流电流的大小，Le为有效磁路长度。
4.如权利要求2所述的方法，其特征在于，步骤(3)中，动态再结晶温度TDRX＝aTm(K)，其中TDRX为材料的动态再结晶温度，a通常取0.35～0.4，Tm为材料的熔点。
5.如权利要求2所述的方法，其特征在于，步骤(4)中，激光焊接工艺参数为：光斑直径为0.3mm，激光功率为4-6kW，焊接速度为1-2m/min，激光控制电流40-100A，脉冲宽度10-20ns，脉冲频率2-10Hz。
6.如权利要求2所述的方法，其特征在于，上励磁线圈产生磁场的力效应，下励磁线圈1和下励磁线圈2分别产生磁场的热效应。
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