CN113102891B - 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 - Google Patents

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 Download PDF

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Abstract

本发明涉及焊接领域，公开了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，所述方法包括如下步骤：(1)对待焊的铝合金板进行焊前清理；(2)将清理干净的铝合金板固定，在待焊的焊缝处设置垂直于焊缝的横向磁场；(3)对待焊铝合金板材进行激光电弧复合焊接，电弧焊枪与焊接方向的夹角为前倾角。所述装置包括控制系统，多块磁铁；所述控制系统控制磁铁产生磁性；所述磁铁设置在铝合金板材下方且均布于待焊铝合金焊缝两侧，产生垂直于焊缝的横向磁场。本发明有效解决了铝合金激光‑MIG复合焊接塌陷的问题，具有操作简单，成本低的优点。

Description

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
技术领域
本发明属于焊接领域，更具体地涉及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。
背景技术
激光电弧复合焊接方法自上世纪70年代发展开始起，目前已经在航空航天、船舶制造、汽车制造、压力容器等领域得到越来越广泛的应用。因为激光电弧复合焊接方法不只是简单的对单一激光和电弧热源的机械叠加，其产生的相互耦合作用不仅充分发挥了两种单一焊接模式的优势，而且还弥补了单一焊接模式的不足。因此，其不仅能够扩大焊接间隙适应性，还能够大幅提高焊接效率，对于中厚板材料的焊接，激光电弧复合焊接方法已经显现出巨大的应用前景。
铝合金由于其密度小，导热性能优异，耐腐蚀性强等优点，已经广泛的应用于各种结构件当中。对于中厚板铝合金在使用熔化焊接时，往往由于其材料本身在高温下粘度低，强度和塑性小，熔融的铝合金焊缝金属在重力的作用下会向背部流淌，导致严重的焊接塌陷问题，降低了其焊接接头的质量。
近年来为了改善焊接质量问题，向焊接过程中施加磁场的技术方案用于搅拌熔池以细化晶粒或者用于控制热源分布形式以提高热源能量利用效率。如中国专利(CN103612019A)公开了一种磁力搅拌的CO2激光-TIG电弧复合焊接方法，在激光-TIG电弧复合焊缝熔池处施加纵向磁场，纵向磁场对焊缝熔池进行搅拌，对粗大的晶粒进行细化。这种方法通过在焊缝处施加纵向电磁场，提高了焊缝质量，但其所述技术方案对铝合金焊缝塌陷问题并不能有效抑制。
发明内容
为解决现有技术中铝合金激光-MIG复合焊接过程中焊接塌陷问题，本发明提供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。
本发明采用的具体方案为：1.一种外加磁场抑制铝合金激光-MIG复合焊接塌陷的方法，所述方法包括如下步骤：
(1)对待焊的铝合金板进行焊前清理；
(2)将清理干净的铝合金板固定，在待焊的焊缝处设置垂直于焊缝的横向磁场；
(3)对待焊铝合金板材进行激光电弧复合焊接，电弧焊枪与焊接方向的夹角为前倾角。
所述步骤(2)中横向磁场由多块磁铁相互作用产生或磁场线圈感应产生。
所述步骤(2)中磁铁设置在铝合金板材下方且均布于待焊铝合金焊缝两侧，产生垂直于焊缝的横向磁场。
所述步骤(2)中磁场线圈设置在铝合金板材下方，绕组线圈通电后，产生垂直于焊缝方向的磁场。
所述磁铁为2块，其中一块磁铁的N极与另一块磁铁的S极相对放置。
所述步骤(3)中对铝合金板材进行激光电弧复合焊接时，激光束偏离Z轴5-10度。
所述前倾角为110-150°。
所述前倾角为120°。
另一方面，本发明提供还一种外加磁场抑制铝合金激光-MIG复合焊接塌陷的装置，所述装置包括激光器、光学传输系统、弧焊机、焊枪；所述激光器通过光学传输系统控制激光输出头；所述弧焊机控制焊枪焊接焊缝，所述装置还包括控制系统，多块磁铁；所述控制系统控制磁铁产生磁性；所述磁铁设置在铝合金板材下方且均布于待焊铝合金焊缝两侧，产生垂直于焊缝的横向磁场。
所述磁铁为2块，其中一块磁铁的N极与另一块磁铁的S极相对放置。
本发明相对于现有技术具有如下有益效果：
1.本发明通过在待焊焊缝处设置垂直于焊缝的横向磁场，利用磁场与流动的导电熔池流体相互作用产生的电磁力，形成一个对焊缝背部的托举力，有效抑制铝合金焊接塌陷的。
2.本发明中所施加的横向磁场在熔池中通过与其自身产生的感应电流相互作用产生的电磁力还会起到搅拌熔池的作用，在一定程度上能够细化晶粒，均匀组织，提高焊缝强度的作用。
3.本发明提供的装置利用磁铁与磁铁之间的相互作用产生垂直于焊缝的横向磁场，产生对焊缝背部的托举力，克服了现有技术中铝合金激光-MIG复合焊接塌陷难以有效解决的技术阻力。
附图说明
图1为本发明中实施例1中各部件布置示意图；
图2为本发明原理示意图；
图3为现有技术中无横向磁场下的铝合金激光-MIG复合焊缝正反面成形形貌图；
图4为本发明中实施例1中铝合金激光-MIG复合焊缝正反面成形形貌图；
图5为本发明中实施例2中横向磁场产生装置结构及布置示意图；
其中，附图标记分别为：
11、激光器；12、光学传输系统；13、激光输出头；21、弧焊机；22、焊枪；31、磁铁；33、磁感线；34、S极；35、N极；36焊接方向；37、电流方向；38、磁场方向；41、铝合金板材；51、控制系统；52、直流电源；53、直流放大器；54、绕组线圈61、正面焊缝；62、反面焊缝；63、焊缝塌陷；64、焊缝。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明。
本发明提供一种外加磁场抑制铝合金激光-MIG复合焊接塌陷的方法，所述方法包括如下步骤：
(1)对待焊的铝合金板进行焊前清理；
(2)将清理干净的铝合金板固定，在待焊的焊缝处设置垂直于焊缝的横向磁场；
(3)对待焊铝合金板材进行激光电弧复合焊接，电弧焊枪与焊接方向的夹角为前倾角。
所述步骤(2)中横向磁场由两块磁铁相互作用或磁场线圈感应产生。其中，如附图1所示，所述步骤(2)中两块磁铁极性相异的设置在铝合金板材下方且均布于待焊铝合金焊缝两侧。其中一块磁铁的N极与另一块磁铁的S极相对，其在焊缝处的磁场强度通过调节两块磁铁的距离来实现。
所述步骤(2)中磁场线圈设置在铝合金板材下方，线圈通电后，产生垂直于焊缝方向的磁场。通过摆放绕组线圈结构使得磁场线圈产生的磁场方向垂直于焊缝方向，绕组线圈结构的具体摆放方式如附图5所示，其产生的横向磁场强度可通过调节直流电流的大小来调节。图5中实心箭头所示方向为焊接方向。
电弧焊枪与焊接方向的夹角为前倾角，即电弧焊枪与焊接方向的夹角为大于90度并小于180度，以使得在焊缝熔池流动时能够在底部产生沿焊缝水平方向分量的焊接电流，进一步使得在横向磁场的作用下产生向上的托举力，从而起到抑制熔融金属向下流淌的作用。
所述步骤(3)中对待焊铝合金板材进行激光电弧复合焊接时，因为铝合金为对激光具有高反射率的材料，因此，为了防止铝合金表面对激光的反射造成激光头内光学器件的损坏，焊接时特将激光束偏离Z轴5-10度。
本发明中电弧焊枪与焊接方向的夹角为前倾角，焊接电流在铝合金板材的底部流动方向有水平方向分量，通过施加垂直于焊缝的横向磁场并调整横向磁场的磁感线方向，由左手定则可知，在铝合金板材底部塌陷部位对导电流体熔融金属可产生竖直向上的电磁力，从而起到向上托举的作用。本发明采用非接触式的抑制方法，克服了现有技术中存在的利用陶瓷衬垫/铜衬垫的方法解决焊接塌陷带来的高穿透能力的激光热源对预加焊缝背部的陶瓷衬垫/铜衬垫造成击穿、焊缝和衬垫难以分开的技术阻力，彻底解决了铝合金电弧焊接塌陷的问题。
另一方面，本发明提供还一种外加磁场抑制铝合金激光-MIG复合焊接塌陷的装置，所述装置包括激光器11、光学传输系统12、弧焊机21、焊枪22；所述激光器11通过光学传输系统12控制激光输出头13；所述弧焊机21控制焊枪22焊接焊缝，所述装置还包括控制系统51，多块磁铁31或者绕组线圈结构54；所述控制系统51控制绕组线圈结构54产生磁性；所述磁铁31设置在铝合金板材41下方且均布于待焊铝合金焊缝两侧，产生垂直于焊缝的横向磁场。
所述磁铁31为2块，其中一块磁铁31的N极与另一块磁铁31的S极相对放置。
所述控制系统51结构组成为直流电源52和直流放大器53，控制系统通过控制直流电源的电压和电流大小及直流放大器的放大倍数实现对绕组线圈结构的直流电流的输入，以产生稳定较强的磁场强度。
本发明提供的装置利用磁铁与磁铁之间的相互作用产生垂直于焊缝的横向磁场，产生对焊缝背部的托举力，解决了现有技术中铝合金激光-MIG复合焊接塌陷的问题。
实施例1
一种外加磁场抑制铝合金激光-MIG复合焊接塌陷的方法，所述方法包括以下步骤：
(1)对待焊的铝合金板进行焊前清理，采用先碱洗再酸洗然后水洗吹干的方式进行铝合金去除表面氧化膜的清理，然后焊前采用丙酮进行铝合金待焊部位去油污的清理。
(2)将清理干净的铝合金板用刚性夹具夹持固定，在待焊的焊缝处设置垂直于焊缝的横向磁场，两块铷磁铁31设置在铝合金板材下方且均布于待焊铝合金焊缝两侧，一块铷磁铁的N极与另一块铷磁铁的S极相对放置且相距40mm，另外，内侧为N极的铷磁铁位于焊缝沿焊接方向视角的左侧。
(3)对待焊铝合金板材进行激光电弧复合焊接，采用焊接机器人对待焊铝合金板材进行激光电弧复合焊接，利用控制系统51控制激光输出头13和弧焊枪22的位置和焊接参数对待焊铝合金板41进行激光电弧复合焊接。焊接时铝合金时采用直流反接的方式；激光束偏离Z轴5度。
本实施例中具体焊接参数为：焊接工件为板厚为6mm的铝合金，焊接要求为对接缝焊，焊接方式为激光在前，电弧在后的激光-MIG电弧复合焊，弧焊方式为直流反接，激光束与焊接方向的二面角为80°，弧焊枪与焊接方向的二面角为120°，即前倾角为120°。采用的焊接工艺参数为：焊接电流为160A，激光功率为4000W,焊接速度为2000mm/min，保护气体流量为20L/min，离焦量为0mm，光丝间距为2mm，焊缝底部的磁场感应强度为0.2T。
如图3、4所示，通过对比有无横向磁场的铝合金激光-MIG复合焊缝成形形貌可知：通过本发明方法的实施，铝合金激光-MIG复合焊缝正反面成形良好，焊接塌陷问题得到明显抑制；通过观察显微组织发现，组织得到细化，组织成分更加均匀。
实施例2
一种外加磁场抑制铝合金激光-MIG复合焊接塌陷的方法，所述方法包括以下步骤：
(1)对铝合金板41的进行焊前清理：对待焊的铝合金板进行焊前清理，采用先碱洗再酸洗然后水洗吹干的方式进行铝合金去除表面氧化膜的清理，然后焊前采用丙酮进行铝合金待焊部位去油污的清理。
(2)将清理干净的铝合金板41用刚性夹具夹持固定，在待焊处设置垂直于焊缝的横向磁场，设置磁场线圈，并向磁场线圈通入直流电，使其产生稳定的磁场，使得磁场线圈产生的磁场方向垂直于焊缝方向，并将其紧挨铝合金板材下部放置。其中产生横向磁场的装置结构主要由直流电源、直流放大器及特制绕组线圈结构组成，具体结构及放置情况如附图5所示。
(3)对待焊铝合金板材进行激光电弧复合焊接，采用焊接机器人对待焊铝合金板材进行激光电弧复合焊接，利用控制系统51控制激光输出头13和弧焊枪22的位置和焊接参数对待焊铝合金板41进行激光电弧复合焊接。焊接时铝合金时采用直流反接的方式；激光束偏离Z轴10度。
本实施例中具体焊接参数为：焊接工件为板厚为6mm的铝合金，焊接要求为对接缝焊，焊接方式为激光在前，电弧在后的激光-MIG电弧复合焊，弧焊方式为直流反接，激光束与焊接方向的二面角为80°，弧焊枪与焊接方向的二面角为130°。采用的焊接工艺参数为：焊接电流为160A，激光功率为4000W,焊接速度为2000mm/min，保护气体流量为20L/min，离焦量为0mm，光丝间距为2mm，焊缝底部的磁场感应强度为0.14T。
实施例3
一种外加磁场抑制铝合金激光-MIG复合焊接塌陷的方法，所述方法包括以下步骤：
(1)对铝合金板41的进行焊前清理：对待焊的铝合金板进行焊前清理，采用先碱洗再酸洗然后水洗吹干的方式进行铝合金去除表面氧化膜的清理，然后焊前采用丙酮进行铝合金待焊部位去油污的清理。
(2)将清理干净的铝合金板41用刚性夹具夹持固定，在待焊的焊缝处设置垂直于焊缝的横向磁场，两块磁铁31沿着待焊铝合金焊缝方向平行且紧挨放置于铝合金板材下方，极性相异放置，磁铁的S极与磁铁的N极相对放置。
(3)对待焊铝合金板材进行激光电弧复合焊接，焊接机器人对待焊铝合金板材进行激光电弧复合焊接，利用控制系统51控制激光输出头13和弧焊枪22的位置和焊接参数对待焊铝合金板41进行激光电弧复合焊接。焊接时铝合金时采用直流反接的方式；激光束偏离Z轴8度。
本实施例中具体焊接参数为：焊接工件为板厚为6mm的铝合金，焊接要求为对接缝焊，焊接方式为激光在前，电弧在后的激光-MIG电弧复合焊，弧焊方式为直流反接，激光束与焊接方向的二面角为80°，弧焊枪与焊接方向的二面角为150°。采用的焊接工艺参数为：焊接电流为160A，激光功率为4000W,焊接速度为2000mm/min，保护气体流量为20L/min，离焦量为0mm，光丝间距为2mm，焊缝底部的磁场感应强度为0.1T。
本发明提供在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，在待焊的焊缝处设置垂直于焊缝的横向磁场，形成一个对焊缝背部的托举力，可有效抑制铝合金焊接塌陷的问题，并具有成本低，便于操作的优点。

Claims (3)

1.一种外加磁场抑制铝合金激光-MIG复合焊接塌陷的方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：
(1)对待焊的铝合金板进行焊前清理；
(2)将清理干净的铝合金板固定，在待焊的焊缝处设置垂直于焊缝的横向磁场；
(3)对待焊铝合金板材进行激光电弧复合焊接 ，电弧焊枪与焊接方向的夹角为前倾角；
所述步骤(3)中对待焊铝合金板材进行激光电弧复合焊接时，激光束偏离Z轴5-10度；
所述前倾角为110-150°；激光电弧复合焊接时，激光在前，电弧在后，弧焊方式为直流反接，激光束与焊接方向的二面角为80°，焊接电流为160 A，激光功率为4000 W, 焊接速度为2000 mm/min，保护气体流量为20L/min，离焦量为0mm，光丝间距为2mm；所述步骤(2)中通过磁铁设置在铝合金板材下方且均布于待焊铝合金焊缝两侧，产生垂直于焊缝的横向磁场；电弧焊枪与焊接方向的夹角为前倾角，即电弧焊枪与焊接方向的夹角为大于90度并小于180度 ，以使得在焊缝熔池流动时在底部产生沿焊缝水平方向分量的焊接电流，进一步使得在横向磁场的作用下产生向上的托举力，从而起到抑制熔融金属向下流淌的作用。
2.根据权利要求1所述的外加磁场抑制铝合金激光-MIG复合焊接塌陷的方法，其特征在于，所述磁铁为2块，其中一块磁铁的N极与另一块磁铁的S极相对放置。
3.根据权利要求1所述的外加磁场抑制铝合金激光-MIG复合焊接塌陷的方法，其特征在于，所述前倾角为120°。
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