CN113319430A - 一种磁场辅助多级氩弧与激光中心耦合共熔池焊接装置 - Google Patents
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Abstract
本发明属于焊接技术领域,特别是涉及一种磁场辅助多级氩弧与激光中心耦合共熔池焊接装置。包括激光发生器、激光焊接头、激光光纤、GTAW焊接电源、GTAW焊炬、保护气罩、磁控电源和磁控装置。该装置将三个相同的配有独立焊接电源的GTAW焊炬以120度夹角均匀分布在激光焊接头周围,实现中心共熔池耦合焊接。实现激光与GTAW电弧同轴耦合,形成中心共熔池耦合焊接技术,节约焊接空间,并在保证电弧稳定性的基础上,增加焊接熔深,实现中厚板一次性单面焊双面成形,显著提高焊接效率,促进激光与电弧等离子体的空间诱导作用。
Description
技术领域
本发明属于焊接技术领域,特别是涉及一种磁场辅助多级氩弧与激光中心耦合共熔池焊接装置。
背景技术
高效高质量焊接技术一直是国内外焊接领域所倡导的。复合焊接技术将两个或多个焊接技术集成在一起,取长补短,相对单一焊接方法,显著增加焊接效率,提高焊接接头质量。激光焊接技术以激光束为能源,使其冲击在焊件接头上实现连接,具有焊接速度快、热输入量小和较窄热影响区等特点,被广泛应用于汽车、航空航天和海洋工程等领域。但单独的大功率激光器成本较高,为降低焊接成本,激光-电弧复合焊接技术应运而成,该方法于上世纪七十年代由英国Steen提出,该技术将激光与电弧两种热源复合在一起,相互作用,发挥各自优势,实现高效高质量的焊接方法,解决激光设备高成本、金属材料对激光高反射率和电弧能量密度低等问题。随着各行各业的快速发展,激光电弧复合焊接技术将成为各国学者的研究热点。
截至目前,激光电弧复合焊接主要通过独立的焊接激光头和焊炬按一定角度通过机械方式集成在一起,激光在前匙孔,电弧在后填充盖面,虽可较好实现金属连接但占用空间较大。此外,在焊接过程中且工件上方产生的高温等离子体会对激光产生屏蔽效应,导致小孔不能持续稳定存在,导致液态金属发生坍塌和凝固,造成焊接接头出现气孔、飞溅等缺陷,无法保证焊接质量。
发明内容
为克服上述现有技术存在的缺陷,本发明提供一种磁场辅助下多极氩弧与激光中心耦合共熔池焊接装置,包括激光发生器、激光焊接头、激光光纤、GTAW焊接电源、GTAW焊炬、保护气罩、磁控电源和磁控装置。该装置将三个相同的配有独立焊接电源的GTAW焊炬以120度夹角均匀分布在激光焊接头周围,实现中心共熔池耦合焊接。
为解决上述技术问题,本发明所采取的技术方案是:一种磁场辅助多级氩弧与激光中心耦合共熔池焊接装置,包括激光发生器、激光焊接头、激光光纤、GTAW焊接电源、GTAW焊炬、保护气罩;所述激光焊接头通过激光光纤连接激光发生器;所述GTAW焊炬设有三个围绕于激光焊接头外侧、且三个所述GTAW焊炬以激光焊接头为中心点均布设置,三个所述GTAW焊炬通过线缆分别连接GTAW焊接电源;所述激光焊接头与三个GTAW焊炬安装于保护气罩上;所述保护气罩上中心处设有供激光焊接头穿过的激光束贯穿孔,所述保护气罩上以激光束贯穿孔为中心周围均布设有三个供GTAW焊炬穿过的GTAW贯穿孔。
上述的磁场辅助多级氩弧与激光中心耦合共熔池焊接装置,所述GTAW焊炬外侧设有四个磁控装置,所述磁控装置通过螺栓固定于绝缘套上,所述绝缘套套设于GTAW焊炬上,所述磁控装置上缠有1-1000匝线圈,四个所述磁控装置至少有两个磁控装置连接磁控电源。
上述的磁场辅助多级氩弧与激光中心耦合共熔池焊接装置,所述GTAW焊炬轴线与激光焊接头轴线夹角范围为10-80°。
上述的磁场辅助多级氩弧与激光中心耦合共熔池焊接装置,所述激光发生器为光纤激光器,功率为800-6000W。
上述的磁场辅助多级氩弧与激光中心耦合共熔池焊接装置,所述GTAW焊接电源可为直流或者交流,GTAW焊接电源的电流设定范围为1-400A。
上述的磁场辅助多级氩弧与激光中心耦合共熔池焊接装置,所述保护气罩内输送有保护气对整个焊接过程进行保护,保护气可为氩气或者氦气,流量为12-20L/min。
上述的磁场辅助多级氩弧与激光中心耦合共熔池焊接装置,所述GTAW焊炬内装有的钨极尖端与激光焊接头发出激光束轴线距离为3-20mm,距离焊接工件的高度为2-7mm。
上述的磁场辅助多级氩弧与激光中心耦合共熔池焊接装置,所述GTAW焊炬内装有的钨极的极性全为正极或全为负极。
上述的磁场辅助多级氩弧与激光中心耦合共熔池焊接装置,三个钨极的电弧会形成耦合电弧,每个磁控装置均可通过磁控电源输出的电流的方向和大小来调控钨极电弧偏转,控制三个钨极电弧中心距离是激光焊接头的激光光斑3-6倍。
上述的磁场辅助多级氩弧与激光中心耦合共熔池焊接装置,所述磁控装置产生的磁场强度范围为1-1000mT;所述磁控电源为普通直流电源,可调电流范围为1-50A。
本发明磁场辅助多级氩弧与激光中心耦合共熔池焊接装置的优点是:
1、本发明磁场辅助多级氩弧与激光中心耦合共熔池焊接装置,每个GTAW焊炬外侧均可安装强制水冷装置,可令电弧呈现拘束状态,增加电弧穿透力,保证背面成形,并且焊接时必有至少一个电弧位于激光前侧,可预热工件,提高焊接速度。
2、本发明磁场辅助多级氩弧与激光中心耦合共熔池焊接装置,实现激光与GTAW电弧同轴耦合,形成中心共熔池耦合焊接技术,节约焊接空间,并在保证电弧稳定性的基础上,增加焊接熔深,实现中厚板一次性单面焊双面成形,显著提高焊接效率,促进激光与电弧等离子体的空间诱导作用。
3、本发明磁场辅助多级氩弧与激光中心耦合共熔池焊接装置,焊接过程中三个钨极极性相同,因此三个GTAW电弧会形成耦合电弧,导致中心通道会被电弧占领,因而不利于激光通过,因此,每个磁控装置均可通过磁控电源输出的电流的方向和大小来调控GTAW电弧偏转,控制3个GTAW电弧中心距离是激光光斑的3-6倍,利于激光穿孔焊接增强激光与电弧的耦合作用,增强电弧产热量,提高能量利用率。此外,可利用在每个GTAW焊炬周围单独的磁控装置控制GTAW电弧的偏转,实现在不改变焊接热输入的条件下对焊缝控形控性的调整,并且可以利用三个钨极的特有流场对称层流机制实现对熔池的搅拌,细化晶粒,提高焊缝性能,增加焊接熔池的流动性,抑制侧壁未熔合,延长熔池冷却和凝固时间,消除熔池内裂纹、气孔和焊缝咬边等缺陷,保证焊缝成形,提高焊接接头强度,保证焊接接头质量。
4、本发明磁场辅助多级氩弧与激光中心耦合共熔池焊接装置,磁场会对激光焊接中等离子体产生影响,促使其在磁场中发生运作,改变等离子体的形状和位置,并且每个电弧在生成过程中会形成各自的焊接电流,焊接电流势必会产生一定的电场,而等离子体在电场作用下也会发生运动,最终在二者综合作用下解决等离子体的屏蔽效应。
5、本发明磁场辅助多级氩弧与激光中心耦合共熔池焊接装置,在窄间隙焊接过程中,该焊接装置在保证焊接速度的前提下,通过磁场控制电弧的偏转可解决侧壁未熔合的问题,保证焊接接头质量。
附图说明
图1为本发明结构示意图;
图2为本发明磁控装置辅助GTAW焊炬结构示意图;
图3为本发明保护气罩横截面结构示意图;
图4为本发明磁控装置与GTAW焊炬连接结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细说明。
实施例1、如图1、3所示,一种磁场辅助多级氩弧与激光中心耦合共熔池焊接装置,包括激光发生器1、激光焊接头2、激光光纤3、GTAW焊接电源4、GTAW焊炬5、保护气罩6;所述激光焊接头2通过激光光纤3连接激光发生器1;所述GTAW焊炬5设有三个围绕于激光焊接头2外侧、且三个所述GTAW焊炬5以激光焊接头2为中心点均布设置,三个所述GTAW焊炬5通过线缆分别连接GTAW焊接电源4;所述激光焊接头2与三个GTAW焊炬5安装于保护气罩6上;所述保护气罩6上中心处设有供激光焊接头2穿过的激光束贯穿孔9,所述保护气罩6上以激光束贯穿孔9为中心周围均布设有三个供GTAW焊炬5穿过的GTAW贯穿孔10。GTAW焊炬5以激光焊接头2为圆中心120度夹角均匀分布在激光焊接头2周围,实现中心共熔池耦合焊接。
实施例2、如图1、2、3、4所示,在实施例1的基础上,所述GTAW焊炬5外侧设有四个磁控装置8,所述磁控装置8通过螺栓11固定于绝缘套12上,所述绝缘套12套设于GTAW焊炬5上,所述磁控装置8上缠有1-1000匝线圈,四个所述磁控装置8至少有两个磁控装置8连接磁控电源7。
实施例3、如图1、2、3所示,在实施例1的基础上,所述GTAW焊炬5轴线与激光焊接头2轴线夹角范围为10-80°。
实施例4、如图1、2、3所示,在实施例1的基础上,所述激光发生器1为光纤激光器,功率为800-6000W。
实施例5、如图1、2、3所示,在实施例1的基础上,所述GTAW焊接电源4可为直流或者交流,GTAW焊接电源4的电流设定范围为1-400A。
实施例6、如图1、2、3所示,在实施例1的基础上,所述保护气罩6内输送有保护气对整个焊接过程进行保护,保护气可为氩气或者氦气,流量为12-20L/min。
实施例7、如图1、2、3所示,在实施例1的基础上,所述GTAW焊炬5内装有的钨极尖端与激光焊接头2发出激光束轴线距离为3-20mm,距离焊接工件的高度为2-7mm。钨极选用直径为1-10mm,钨极尖端形状为圆锥形或偏钨极,角度范围为30-60°。
实施例8、如图1、2、3所示,在实施例1的基础上,所述GTAW焊炬5内装有的钨极的极性全为正极或全为负极。
实施例9、如图1、2、3所示,在实施例8的基础上,三个钨极的电弧会形成耦合电弧,每个磁控装置8均可通过磁控电源7输出的电流的方向和大小来调控钨极电弧偏转,控制三个钨极电弧中心距离是激光焊接头2的激光光斑3-6倍。
实施例10、如图1、2、3所示,在实施例2的基础上,所述磁控装置8产生的磁场强度范围为1-1000mT;所述磁控电源7为普通直流电源,可调电流范围为1-50A。
实施例11、如图1、2、3所示,在实施例1的基础上,保护气罩6可装冷却循环装置;GTAW焊炬5外侧可装强制水冷装置,可令电弧呈现拘束状态;保护气罩6与GTAW焊炬5可选用现有的,在此处不做详细描述及附图说明。
实施例12、如图1、2、3所示,在实施例1的基础上,每个GTAW焊炬5外侧均可单独连接送丝机,送丝速度为30-1000mm/min。
实施例13、如图1、2、3所示,在实施例1的基础上,GTAW焊炬5内装有的钨极的极性可全为正极或全为负极以外,还可以三个GTAW焊炬5中有二个钨极极性相同,另一个钨极极性相反,通过三者之间排斥力增加三个GTAW电弧间距离,利于激光穿过,实现稳定的焊接过程。
上面结合附图对本发明进行了示例性描述,显然本发明的具体实现并不受上述实施方式的限制。本领域技术人员可在不偏离本发明技术构思的前提下,对本发明作出各种修改或变型,这些修改或变型当然也落入本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种磁场辅助多级氩弧与激光中心耦合共熔池焊接装置,其特征在于:包括激光发生器(1)、激光焊接头(2)、激光光纤(3)、GTAW焊接电源(4)、GTAW焊炬(5)、保护气罩(6);所述激光焊接头(2)通过激光光纤(3)连接激光发生器(1);所述GTAW焊炬(5)设有三个围绕于激光焊接头(2)外侧、且三个所述GTAW焊炬(5)以激光焊接头(2)为中心点均布设置,三个所述GTAW焊炬(5)通过线缆分别连接GTAW焊接电源(4);所述激光焊接头(2)与三个GTAW焊炬(5)安装于保护气罩(6)上;所述保护气罩(6)上中心处设有供激光焊接头(2)穿过的激光束贯穿孔(9),所述保护气罩(6)上以激光束贯穿孔(9)为中心周围均布设有三个供GTAW焊炬(5)穿过的GTAW贯穿孔(10)。
2.根据权利要求1所述的磁场辅助多级氩弧与激光中心耦合共熔池焊接装置,其特征在于:所述GTAW焊炬(5)外侧设有四个磁控装置(8),所述磁控装置(8)通过螺栓(11)固定于绝缘套(12)上,所述绝缘套(12)套设于GTAW焊炬(5)上,所述磁控装置(8)上缠有1-1000匝线圈,四个所述磁控装置(8)至少有两个磁控装置(8)连接磁控电源(7)。
3.根据权利要求1所述的磁场辅助多级氩弧与激光中心耦合共熔池焊接装置,其特征在于:所述GTAW焊炬(5)轴线与激光焊接头(2)轴线夹角范围为10-80°。
4.根据权利要求1所述的磁场辅助多级氩弧与激光中心耦合共熔池焊接装置,其特征在于:所述激光发生器(1)为光纤激光器,功率为800-6000W。
5.根据权利要求1所述的磁场辅助多级氩弧与激光中心耦合共熔池焊接装置,其特征在于:所述GTAW焊接电源(4)可为直流或者交流,GTAW焊接电源(4)的电流设定范围为1-400A。
6.根据权利要求1所述的磁场辅助多级氩弧与激光中心耦合共熔池焊接装置,其特征在于:所述保护气罩(6)内输送有保护气对整个焊接过程进行保护,保护气可为氩气或者氦气,流量为12-20L/min。
7.根据权利要求1所述的磁场辅助多级氩弧与激光中心耦合共熔池焊接装置,其特征在于:所述GTAW焊炬(5)内装有的钨极尖端与激光焊接头(2)发出激光束轴线距离为3-20mm,距离焊接工件的高度为2-7mm。
8.根据权利要求1所述的磁场辅助多级氩弧与激光中心耦合共熔池焊接装置,其特征在于:所述GTAW焊炬(5)内装有的钨极的极性全为正极或全为负极。
9.根据权利要求8所述的磁场辅助多级氩弧与激光中心耦合共熔池焊接装置,其特征在于:三个钨极的电弧会形成耦合电弧,每个磁控装置(8)均可通过磁控电源(7)输出的电流的方向和大小来调控钨极电弧偏转,控制三个钨极电弧中心距离是激光焊接头(2)的激光光斑3-6倍。
10.根据权利要求2所述的磁场辅助多级氩弧与激光中心耦合共熔池焊接装置,其特征在于:所述磁控装置(8)产生的磁场强度范围为1-1000mT;所述磁控电源(7)为普通直流电源,可调电流范围为1-50A。
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