CN112388164B - 减少铝合金焊缝气孔的交流磁场辅助激光深熔焊方法 - Google Patents

减少铝合金焊缝气孔的交流磁场辅助激光深熔焊方法 Download PDF

Info

Publication number
CN112388164B
CN112388164B CN202011201481.4A CN202011201481A CN112388164B CN 112388164 B CN112388164 B CN 112388164B CN 202011201481 A CN202011201481 A CN 202011201481A CN 112388164 B CN112388164 B CN 112388164B
Authority
CN
China
Prior art keywords
magnetic field
welding
sample
aluminum alloy
laser
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN202011201481.4A
Other languages
English (en)
Other versions
CN112388164A (zh
Inventor
唐新华
张若林
崔海超
芦凤桂
徐力栋
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Shanghai Jiaotong University
Original Assignee
Shanghai Jiaotong University
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Shanghai Jiaotong University filed Critical Shanghai Jiaotong University
Priority to CN202011201481.4A priority Critical patent/CN112388164B/zh
Publication of CN112388164A publication Critical patent/CN112388164A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN112388164B publication Critical patent/CN112388164B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/20—Bonding
    • B23K26/21—Bonding by welding
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/70—Auxiliary operations or equipment

Abstract

一种减少铝合金焊缝气孔的交流磁场辅助激光深熔焊方法，通过设置待焊接试样的对接部位底部悬空后，在其下方预置交流电磁场，并在激光焊接过程中设置试样上方的激光焊接工作头与试样下方的交流电磁场保持静止，且激光束聚焦于铝合金上表面、磁场作用范围始终覆盖整个熔池区域直至完成激光深熔焊接。本方法在保证焊缝熔深不变的同时，最大程度使焊缝气孔率降低，即增大了焊缝承载面积。另外，原焊缝表面由于气孔存在造成的不规则波动也得到抑制，这一表面成形的改善同样有助于接头强度的提升。

Description

减少铝合金焊缝气孔的交流磁场辅助激光深熔焊方法
技术领域
本发明涉及的是一种激光焊接领域的技术，具体是一种减少铝合金焊缝气孔的交流磁场辅助激光深熔焊方法。
背景技术
目前用于船舶、管道、风能设备等领域中对大型结构件的中厚板铝合金的连接主要采用埋弧焊、熔化极气体保护焊等方法，但这些技术焊接效率低且热输入量大，易产生较大变形。激光焊接作为一种可实现自动化的柔性焊接方法，具有能量密度高、灵活性好及变形小等优势，是中厚板焊接的极佳选择。
激光深熔焊过程中，激光入射位置材料剧烈蒸发，金属蒸气反冲压力挤压熔池形成小孔。激光能量通过在小孔内进行多重反射，向下传递至小孔深处，以获得大熔深。但随着熔深增大，小孔不稳定性加剧，频繁坍塌形成气泡。针对中厚板铝合金激光焊接的气孔问题，一般采用降低激光功率、提高焊接速度、利用脉冲调制激光等工艺手段，但改变工艺后往往难以获得大熔深的焊缝。其他方法还包括在真空腔内焊接及采用特别设计的Tornado焊接喷嘴等，但这些方法也存在设备过于复杂、试样尺寸受限、效率较低等问题。
发明内容
本发明针对现有激光深熔焊中小孔坍塌形成的气泡难以及时逸出快冷的熔池，滞留在焊缝中形成气孔。对于低表面张力和黏度的铝合金的激光深熔焊，小孔型气孔问题更为严重，导致接头强度降低的技术问题，提出一种减少铝合金焊缝气孔的交流磁场辅助激光深熔焊方法，以保持大熔深为前提，无需通过焊前预热或改变焊接工艺参数等方法来抑制气孔，只需调整合适的磁场参数，避免过大的磁场扰动加剧焊接小孔不稳，利用交变磁场在熔池中产生的洛伦兹力向上驱动气泡逸出，达到抑制甚至完全消除小孔型气孔的目的。该方法提高了中厚板铝合金激光深熔焊接头的质量和强度，增加了激光深熔焊工艺的灵活性和适应性。
本发明是通过以下技术方案实现的：
本发明涉及一种减少铝合金焊缝气孔的交流磁场辅助激光深熔焊方法，通过设置待焊接试样的对接部位底部悬空后，在其下方预置交流电磁场，并在激光焊接过程中设置试样上方的激光焊接工作头与试样下方的交流电磁场保持静止，且激光束聚焦于铝合金上表面、磁场作用范围始终覆盖整个熔池区域直至完成激光深熔焊接。
所述的待焊接试样是指：取两块铝合金中厚板试样，对其待焊部位进行常规的表面净化处理后，通过夹具以水平对接方式并排固定设置于焊接试样台上。
所述的交流电磁场的磁场方向垂直于焊接方向，并横向穿过焊接熔池，磁场强度沿板厚方向向上逐渐减弱。
技术效果
本发明整体解决了现有铝合金激光深熔焊技术无法在保证大焊缝熔深和采用任意工件尺寸的条件下，焊缝中小孔型气孔导致的焊缝质量问题。
与现有技术相比，本发明利用洛伦兹力向上驱动气泡逸出，无需改变激光功率、焊速、离焦量等工艺参数，也无需精密复杂的真空腔体设备，只需在工件下方施加交流电磁场，利用洛伦兹力驱动熔池中气泡逸出，在保持大熔深的前提下减少甚至完全消除小孔型气孔，提高了接头强度，对工件尺寸无限制，同时保证了生产效率。
附图说明
图1为本发明提供的交流磁场辅助激光焊接示意图；
图中：铝合金板1、2、电磁铁3、试样放置台4、激光工作头5、保护气喷嘴6、滑轨7；
图2为图1中M面的磁通量密度强弱分布及熔池纵剖面示意图；
图3为未施加交流磁场与施加交流磁场激光焊接方法所得焊缝纵剖面图；
图4为图3中不同磁场参数下的焊缝纵剖面气孔率及气孔数量统计图。
具体实施方式
如图1和图2所示，为本实施例涉及的一种减少铝合金焊缝气孔的交流磁场辅助激光深熔焊方法，从基本原理分析，焊缝气孔率很大程度决定于小孔坍塌频率及气泡逸出能力两方面。进而为保持大熔深，在不改变原焊接参数的前提下，小孔坍塌频率难以降低，因此从为气泡提供加速逸出的驱动力的方向寻找解决方案，本实施例具体包括以下步骤：
步骤1：取两块厚度相同且均为8～12mm的铝合金板1、2，对其待焊部位表面进行净化处理，并准备可移动焊接系统。
本实施例中，采用两块10mm厚A5083铝合金板对接。
如图1(a)所示，所述的可移动焊接系统包括：设置于一对滑轨7上的两个试样放置台4以及位于试样放置台4的水平面下方的电磁铁3和位于试样放置台4上方的激光工作头5和保护气喷嘴6，其中：两个试样放置台在垂直焊接方向上不相接触保持间距，作为对接试样的铝合金板1、2分别搭载于对应的试样放置台上，待焊部位底部直接接触电磁铁3的磁场。
所述的电磁铁3的磁场具体为：垂直于焊接方向水平交流磁场，磁场强度沿板厚方向向上递减。
当采用如图1(b)所示的电磁铁芯的两端磁极产生磁场，则磁极距离需保持在焊缝熔宽的2至3倍以上。
本方法不限制其他方法生成符合上述特征的交流磁场。
所述的两个试样放置台之间通过横梁相连。
所述的可移动焊接系统进一步包括：控制电机以及与试样放置台相连的传动机构以实现其运动。
步骤2：如图1(a)所示，将步骤1处理后的铝合金板1、2分别通过夹具以水平方式并排固定设置于焊接试样台上，待焊接部位垂直方向上悬空且水平方向上完全贴合。
步骤3：把激光工作头5置于待焊部位，即焊缝上方，调整激光束入射方向前倾7.5°，指向焊接熔池前端。如图2(b)所示，所述的前倾角度为x-z平面内激光束与z轴负方向的夹角，激光束聚焦位置为磁场中心对应的焊缝正上方表面；在铝合金板1、2的待焊部位下方设置垂直于焊接方向的水平横向交流磁场。
步骤4：调节保护气喷嘴6的吹气口指向待焊部位的熔池，并与水平面呈40～45°夹角，吹气口距熔池中小孔中心15～25mm。
所述的保护气为99.99％纯氩气体。
步骤5：根据所需熔深，例如非穿透焊接中熔深小于板厚，确定激光焊接工艺参数，设定激光束为零离焦、激光功率为5000～8000W、焊接速度为1～1.5m/min、保护气体流量为15～25L/min。
步骤6：结合步骤5所用工艺参数及对应熔深，确定交变磁场参数，具体为：F＝Fconst+Foscil，
Figure BDA0002755276860000031
其中：F为图1中所示z向电磁力，分为恒定且始终向上的Fconst用于驱动气泡逸出以及振荡部分Foscil，B0为试样下表面处的磁通量密度有效值，z为熔池内某位置到试样下表面的z向距离，δ为集肤深度，μm，σe分别为材料的磁导率及电导率，f为交流频率。
当磁通量密度B0增大，熔池内Fconst整体增大；交流频率f增大，集肤深度δ减小，Fconst更集中于下部熔池，同时Fconst的z向梯度增加。因此增大磁通量密度及交流频率都有利于气泡逸出。但所选交流频率应小于该焊接工艺参数下的小孔坍塌频率，避免周期性变化的Foscil加剧小孔坍塌。
本实施例中设定试样下表面位置的磁通量密度有效值为70～90mT、磁场频率为200～400Hz。
步骤7：根据步骤5和步骤6中设定的焊接工艺参数和磁场参数，保持激光头和磁极静止，由可移动焊接平台控制前述焊接速度，完成铝合金中厚板对接接头的激光焊接。
根据如上所述的磁场辅助的激光焊接方法所获得的铝合金焊缝，其焊缝气孔率明显降低，部分磁场参数下甚至无气孔缺陷。
如图3(a)所示，采用步骤5所述的焊接工艺参数，未施加磁场，焊缝纵剖面存在大量小孔型气孔，焊缝的不同位置均有不规则的气孔分布。
如图3(b-d)所示，采用步骤5所述的焊接工艺参数，同时施加磁场，焊缝纵剖面气孔数量大大减少，且残余气孔多分布在焊缝中上部；同时焊缝上表面波动减缓，表面成形得到一定程度改善。如图3(d)所示，部分磁场参数甚至可获得无气孔的焊缝。
经过具体实际实验，设定焊接工艺参数：激光束为零离焦，入射方向前倾7.5°；激光功率为5000W；焊接速度为1m/min；吹气口距小孔中心20mm并与水平面呈45°角，气体流量为20L/min。设定磁场参数：试样下表面位置的磁通量密度有效值为80mT；交流频率为400Hz。获得如图3(d)所示的焊缝纵剖面。不同参数下所截焊缝中的气孔数及气孔率数据如图4所示。气孔数量及气孔率分别由11及2.8％降低至0。
综上，本发明利用施加于工件底部下方的交流磁场，在熔池内部形成洛伦兹力。洛伦兹力一方面通过其恒定分力的梯度向上驱动气泡运动；另一方面其振荡分力促进气泡合并形成大尺寸气泡，加大气泡自身的上浮速度使之逸出熔池，大大降低了焊缝气孔率，提高了接头承载面积。采用本方法所得的铝合金深熔焊缝气孔率低甚至无气孔，接头性能得到提高，同时焊缝表面成形也获得一定程度改善。从而提高了产品质量，保证了生产效率。
上述具体实施可由本领域技术人员在不背离本发明原理和宗旨的前提下以不同的方式对其进行局部调整，本发明的保护范围以权利要求书为准且不由上述具体实施所限，在其范围内的各个实现方案均受本发明之约束。

Claims (7)

1.一种减少铝合金焊缝气孔的交流磁场辅助激光深熔焊方法，其特征在于，通过设置待焊接试样的对接部位底部悬空后，在其下方预置交流电磁场，并在激光焊接过程中设置试样上方的激光焊接工作头与试样下方的交流电磁场保持静止，且激光束聚焦于铝合金上表面、磁场作用范围始终覆盖整个熔池区域直至完成激光深熔焊接；
所述的交流电磁场的磁场方向垂直于焊接方向，并横向穿过焊接熔池，磁场强度沿板厚方向向上逐渐减弱；
所述的激光束的入射方向前倾7.5°，指向焊接熔池前端，激光束聚焦位置为磁场中心对应的焊缝正上方表面；
所述的激光束为零离焦、激光功率为5000~8000W、焊接速度为1~1.5m/min、保护气体流量为15~25L/min；
所述的磁场强度，通过以下方式确定：
Figure DEST_PATH_IMAGE002
，
Figure DEST_PATH_IMAGE004
，
Figure DEST_PATH_IMAGE006
Figure DEST_PATH_IMAGE008
，
Figure DEST_PATH_IMAGE010
，其中：
Figure DEST_PATH_IMAGE012
为z向电磁力，分为恒定且始终向上的
Figure DEST_PATH_IMAGE014
用于驱动气泡逸出以及振荡部分
Figure DEST_PATH_IMAGE016
，
Figure DEST_PATH_IMAGE018
为试样下表面处的磁通量密度有效值，
Figure DEST_PATH_IMAGE020
为熔池内某位置到试样下表面的z向距离，
Figure DEST_PATH_IMAGE022
为集肤深度，
Figure DEST_PATH_IMAGE024
，
Figure DEST_PATH_IMAGE026
分别为材料的磁导率及电导率，
Figure DEST_PATH_IMAGE028
为交流频率。
2.根据权利要求1所述的减少铝合金焊缝气孔的交流磁场辅助激光深熔焊方法，其特征是，所述的待焊接试样是指：取两块铝合金中厚板试样，对其待焊部位进行常规的表面净化处理后，通过夹具以水平对接方式并排固定设置于焊接试样台上。
3.根据权利要求1所述的减少铝合金焊缝气孔的交流磁场辅助激光深熔焊方法，其特征是，通过可移动焊接系统实现，该系统包括：设置于一对滑轨上的两个试样放置台以及位于试样放置台的水平面下方的电磁铁和位于试样放置台上方的激光工作头和保护气喷嘴，其中：两个试样放置台在垂直焊接方向上不相接触保持间距，作为对接试样的铝合金板、分别搭载于对应的试样放置台上，待焊部位底部直接接触电磁铁的磁场。
4.根据权利要求3所述的减少铝合金焊缝气孔的交流磁场辅助激光深熔焊方法，其特征是，所述的电磁铁的磁场为：垂直于焊接方向水平交流磁场，磁场强度沿板厚方向向上递减或采用电磁铁芯的两端磁极产生磁场且磁极距离需保持在焊缝熔宽的2倍以上。
5.根据权利要求3所述的减少铝合金焊缝气孔的交流磁场辅助激光深熔焊方法，其特征是，所述的两个试样放置台之间通过横梁相连。
6.根据权利要求3所述的减少铝合金焊缝气孔的交流磁场辅助激光深熔焊方法，其特征是，所述的保护气喷嘴的吹气口指向待焊部位的熔池，并与水平面呈40~45°夹角，吹气口距熔池中小孔中心15~25mm。
7.根据权利要求1所述的减少铝合金焊缝气孔的交流磁场辅助激光深熔焊方法，其特征是，所述的磁场强度，设定试样下表面位置的磁通量密度有效值为70~90mT、磁场频率为200~400Hz。
CN202011201481.4A 2020-11-02 2020-11-02 减少铝合金焊缝气孔的交流磁场辅助激光深熔焊方法 Active CN112388164B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202011201481.4A CN112388164B (zh) 2020-11-02 2020-11-02 减少铝合金焊缝气孔的交流磁场辅助激光深熔焊方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202011201481.4A CN112388164B (zh) 2020-11-02 2020-11-02 减少铝合金焊缝气孔的交流磁场辅助激光深熔焊方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN112388164A CN112388164A (zh) 2021-02-23
CN112388164B true CN112388164B (zh) 2021-10-19

Family

ID=74597256

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202011201481.4A Active CN112388164B (zh) 2020-11-02 2020-11-02 减少铝合金焊缝气孔的交流磁场辅助激光深熔焊方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN112388164B (zh)

Families Citing this family (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113385820B (zh) * 2021-06-11 2023-01-31 绍兴文理学院 一种双磁场和超声波协同辅助激光深熔焊接装置
CN113547216A (zh) * 2021-07-14 2021-10-26 哈尔滨工业大学（威海） 一种磁助双束激光填丝焊接方法及其在中厚板铝合金焊接中的应用
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
CN113909688B (zh) * 2021-10-20 2023-10-31 中车青岛四方机车车辆股份有限公司 用于调节两相比例的双相不锈钢焊接方法及焊接系统
CN113953613A (zh) * 2021-11-05 2022-01-21 国网浙江省电力有限公司湖州供电公司 基于外加磁场的激光熔钎焊焊接接头性能调控装置及方法
CN114871566B (zh) * 2022-04-15 2024-03-22 湖北文理学院 具有分区辅热装置的焊接设备、焊接系统及焊接控制方法
CN115070210A (zh) * 2022-08-02 2022-09-20 南京航空航天大学 一种基于磁场形态仿真设计的磁场辅助激光焊接平台

Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2014121722A (ja) * 2012-12-21 2014-07-03 Toyota Industries Corp レーザ溶接方法及びレーザ溶接装置
CN105772944A (zh) * 2016-05-28 2016-07-20 长春理工大学 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
CN106956077A (zh) * 2017-03-10 2017-07-18 南京航空航天大学 一种中厚板铝合金磁控激光焊接工艺
CN206824828U (zh) * 2017-06-07 2018-01-02 华中科技大学 一种磁场辅助激光‑电弧复合焊接的励磁移动平台
CN108247226A (zh) * 2018-01-24 2018-07-06 北京工业大学 一种基于洛伦兹力的激光焊接熔池控制方法
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
CN110640315A (zh) * 2019-08-26 2020-01-03 江苏大学 一种外加变频磁场的激光焊接方法和装置

Patent Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2014121722A (ja) * 2012-12-21 2014-07-03 Toyota Industries Corp レーザ溶接方法及びレーザ溶接装置
CN105772944A (zh) * 2016-05-28 2016-07-20 长春理工大学 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
CN106956077A (zh) * 2017-03-10 2017-07-18 南京航空航天大学 一种中厚板铝合金磁控激光焊接工艺
CN206824828U (zh) * 2017-06-07 2018-01-02 华中科技大学 一种磁场辅助激光‑电弧复合焊接的励磁移动平台
CN108247226A (zh) * 2018-01-24 2018-07-06 北京工业大学 一种基于洛伦兹力的激光焊接熔池控制方法
CN110640315A (zh) * 2019-08-26 2020-01-03 江苏大学 一种外加变频磁场的激光焊接方法和装置
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

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
外加磁场对不锈钢激光热丝焊的影响;赵泽洋等;《激光技术》;20170325;第41卷(第02期);270-274 *

Also Published As

Publication number Publication date
CN112388164A (zh) 2021-02-23

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN112388164B (zh) 减少铝合金焊缝气孔的交流磁场辅助激光深熔焊方法
CN101767246B (zh) 一种提高tig焊接速度的装置和方法
CN105710537A (zh) 一种铝合金超声辅助激光电弧复合焊接方法
CN111515541B (zh) 厚板窄间隙激光-tig复合填丝焊接装置及方法
CN103737176A (zh) 一种激光电磁脉冲复合焊接方法与设备
CN105364326B (zh) 一种镁合金激光‑超声双面焊接的方法
CN110814552A (zh) 一种扫描振镜激光-高频脉冲tig复合焊接的方法
CN105458510A (zh) 一种消除镁合金焊接气孔的方法
CN110560894A (zh) 一种不同保护气体双面同时保护的高氮钢复合焊接方法
CN114226973A (zh) 激光焊接设备及其控制方法
CN110682001B (zh) 机械振动辅助减少气孔的高氮钢复合焊接装置及方法
CN113102891B (zh) 一种外加磁场抑制铝合金激光-mig复合焊接塌陷的方法及装置
CN110340530B (zh) 一种中厚板激光-电弧复合焊焊缝双面成形控制方法
Ma et al. Characteristics of droplet transfer, molten pool formation, and weld bead formation of oscillating laser hot-wire tungsten inert gas hybrid welding
CN203649660U (zh) 一种激光电磁脉冲复合焊接设备
CN114905151B (zh) 一种2219铝合金薄板电磁辅助激光热导焊方法
CN113414492B (zh) 一种稳定激光深熔焊接匙孔的电磁发生装置及方法
CN114799587B (zh) 一种针对碳化硅增强铝基复合材料的复合焊接方法及装置
CN113798632B (zh) 一种电弧熔丝增材制造的成形方法
CN115121953A (zh) 一种厚板窄间隙环形光斑光纤激光填粉焊接方法与系统
Jokinen Novel ways of using Nd: YAG laser for welding thick section austenitic stainless steel
CN112025092B (zh) 一种柔性导电结构的激光焊接方法
CN217493063U (zh) 激光焊接设备
CN112222549B (zh) 一种倾斜式磁性阴极板激光电化学复合钻孔的装置及方法
JPH0829425B2 (ja) レーザ溶接方法

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant