CN113953613A - 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 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种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，它包括焊接底座、焊接平台和控制器，焊接底座和焊接平台之间设置有多个伸缩支撑柱，焊接底座的表面上设置有磁场发生装置，焊接平台上对称设置有固定夹具，固定夹具上方设置有焊接机器人，热成像测温仪和高速摄像机；控制器分别与伸缩支撑柱、固定夹具、热成像测温仪、高速摄像机和光纤激光器连接，光纤激光器与焊接机器人连接；所述控制器与上级计算机实现通讯。本发明既解决了搅拌摩擦焊接过程中铝合金变形较大的问题，又解决了熔焊过程中铝钢异种材料界面易生金属间化合物的问题，同时无需通过送粉或送丝的方式填充金属，可大幅提升焊接质量和效率、降低生产成本。
Description
技术领域
本发明涉及激光焊接接头性能调控领域，具体涉及一种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。
背景技术
随着汽车轻量化的提出，在车身设计中开始使用铝合金与传统钢材的焊接结构。由于铝/钢异种金属在焊接过程中极易发生冶金反应生成脆硬性较高的金属间化合物，导致接头脆硬性上升，降低了构件的机械力学性能。
现有焊接方法主要包括熔焊和搅拌摩擦焊，它们的缺陷如下：
1.熔焊不易控制焊接过程中的热输入，会导致接头内生成大量的金属间化合物；
2.搅拌摩擦焊会导致焊接过程中铝合金变形过大，应用性较低。
激光熔钎焊接对焊接过程热输入有较高的控制性，避免了焊接过程中铝合金的大变形问题，同时具有高柔性和高效率，但由于冶金反应仍然存在，接头铝钢异种金属界面内会生成一定量的金属间化合物，需要进一步的调控。
现有调控方法主要是通过喷粉及填丝向熔池中填充金属调控焊接接头性能。但采用喷粉的方式填充金属，会导致焊接过程中卷入水蒸气，焊缝形成后因为不同的相热膨胀系数的差异产生气孔、裂纹等缺陷；而采用填丝的方式填充金属，需要辅助送丝设备并精确控制光斑与焊丝的相对位置，设备结构复杂性高，技术难度大。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供了一种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，本发明通过外加磁场与熔池内部热电流相互作用形成洛伦兹力，从而控制熔池的动态行为，一方面均匀化熔池中的合金元素分布特征抑制金属间化合物的形成，另一方面有效调控熔池的热循环过程改善焊缝及热影响区的微观组织，最终实现焊接接头力学性能的有效提升。
为实现上述目的，本发明所设计一种基于外加磁场的激光熔钎焊焊接接头性能调控装置，它包括焊接底座和焊接平台，所述焊接底座和焊接平台之间设置有多个伸缩支撑柱，所述焊接底座的表面上设置有磁场发生装置，所述焊接平台上对称设置有固定夹具，所述固定夹具上方设置有焊接机器人，热成像测温仪和高速摄像机；
所述装置还包括控制器，所述控制器分别与伸缩支撑柱、固定夹具、热成像测温仪、高速摄像机和光纤激光器连接，所述光纤激光器与焊接机器人连接；所述控制器与上级计算机实现通讯。
进一步地，所述磁场发生装置的最大磁场强度≤300mT(磁场发生装置感应线圈中的通过电流以及工件与发生装置之间距离的控制以实现对工件表面磁场模式、磁场方向、磁场强度等参数的精准调节，其中，磁场模式为恒定或交变磁场)。
再进一步地，所述焊接平台与磁场发生装置之间距离为0～300mm。
再进一步地，所述磁场发生装置中感应线圈通电的电流≤500A。
再进一步地，所述红外热成像仪的测温范围为±3000℃，测温精度为±1℃(用于分析焊接过程中的热循环特征)。
再进一步地，所述高速摄像机的最高分辨率为1280×800，最高拍摄速率为300000帧/秒(用于分析焊接过程中熔池的动态变化特征)。
本发明还提供了一种上述调控装置的激光熔钎焊方法，包括以下步骤：
将两种待焊接工件放在焊接平台上，焊接时，控制光纤激光器发射激光至焊接机器人的焊接头中，利用焊接头内部聚焦镜进行聚焦焊接，同时，通过控制磁场发生装置以及调节可伸缩支撑柱(从而调节待焊接工件的表面的磁场条件，磁场条件为磁场模式(恒定或者交变磁场)、磁场数值、磁场方向的参数)。
作为优选方案，所述控制磁场发生装置为改变磁场发生装置摆放角度调整磁场方向，其调整范围为0～360°。
本发明的有益效果：
本发明既解决了搅拌摩擦焊接过程中铝合金变形较大的问题，又解决了熔焊过程中铝钢异种材料界面易生金属间化合物的问题，同时无需通过送粉或送丝的方式填充金属，可大幅提升焊接质量和效率、降低生产成本。
附图说明
图1为基于外加磁场的激光熔钎焊焊接接头性能调控装置的结构示意图；
图中，焊接底座1、焊接平台2、伸缩支撑柱3、磁场发生装置4、固定夹具5、焊接机器人6，热成像测温仪7、高速摄像机8、控制器9、光纤激光器10、待焊铝合金平板11、待焊钢板12；
图2为铝/钢搭接接头示意图；
图中，待焊铝合金平板11、待焊钢板12；
图3为不同磁场强度下的接头抗拉性能。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步的详细描述，以便本领域技术人员理解。
如图1所示的基于外加磁场的激光熔钎焊焊接接头性能调控装置，包括焊接底座1、焊接平台2和控制器9，焊接底座1和焊接平台2之间设置有多个伸缩支撑柱3，焊接底座1的表面上设置有磁场发生装置4，焊接平台2上对称设置有固定夹具5，焊接平台2与磁场发生装置4之间距离为0～300mm；
固定夹具5上方设置有焊接机器人6，热成像测温仪7和高速摄像机8；
控制器9分别与伸缩支撑柱3、固定夹具5、热成像测温仪7、高速摄像机8和光纤激光器10连接，光纤激光器10与焊接机器人6连接；控制器9与上级计算机实现通讯；其中，
磁场发生装置4的最大磁场强度≤300mT；磁场发生装置4中感应线圈通电的电流≤500A；
红外热成像仪7的测温范围为±3000℃，测温精度为±1℃用于分析焊接过程中的热循环特征；
高速摄像机8的最高分辨率为1280×800，最高拍摄速率为300000帧/秒。
上述调控装置的激光熔钎焊方法，包括以下步骤：
将待焊铝合金平板和待焊钢板放在焊接平台2上，其中，厚度为H的待焊铝合金平板放置在厚度也为H的待焊钢板上表面，搭接部分距离为W(图2)；
焊接时，控制器9控制光纤激光器10发射激光，经由光缆传输进入装配在焊接机器人6的焊接头中，利用焊接头内部聚焦镜进行聚焦焊接，一般使用正离焦进行焊接，离焦量可以通过控制器9调节焊接机器人6与钢待焊钢板之间的距离进行设定，控制磁场发生装置5以及调节伸缩支撑柱3进行待焊金属板表面磁场模式(恒定或者交变磁场)、磁场数值、磁场方向等参数的精准调节，控制热成像测温仪7与高速摄像机8采集焊接过程中温度数据和熔池流动数据；在焊接过程中分别加入磁场强度为0/30/60/90/120mT的恒定纵向磁场后，接头的抗拉性能变化趋势如图3所示。
其它未详细说明的部分均为现有技术。尽管上述实施例对本发明做出了详尽的描述，但它仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部实施例，人们还可以根据本实施例在不经创造性前提下获得其他实施例，这些实施例都属于本发明保护范围。
Claims (8)
1.一种基于外加磁场的激光熔钎焊焊接接头性能调控装置，其特征在于：它包括焊接底座(1)和焊接平台(2)，所述焊接底座(1)和焊接平台(2)之间设置有多个伸缩支撑柱(3)，所述焊接底座(1)的表面上设置有磁场发生装置(4)，所述焊接平台(2)上对称设置有固定夹具(5)，所述固定夹具(5)上方设置有焊接机器人(6)，热成像测温仪(7)和高速摄像机(8)；
所述装置还包括控制器(9)，所述控制器(9)分别与伸缩支撑柱(3)、固定夹具(5)、热成像测温仪(7)、高速摄像机(8)和光纤激光器(10)连接，所述光纤激光器(10)与焊接机器人(6)连接；所述控制器(9)与上级计算机实现通讯。
2.根据权利要求1所述基于外加磁场的激光熔钎焊焊接接头性能调控装置，其特征在于：所述磁场发生装置(4)的最大磁场强度≤300mT。
3.根据权利要求1所述基于外加磁场的激光熔钎焊焊接接头性能调控装置，其特征在于：所述焊接平台(2)与磁场发生装置(4)之间距离为0～300mm。
4.根据权利要求1所述基于外加磁场的激光熔钎焊焊接接头性能调控装置，其特征在于：所述磁场发生装置(4)中感应线圈通电的电流≤500A。
5.根据权利要求1所述基于外加磁场的激光熔钎焊焊接接头性能调控装置，其特征在于：所述红外热成像仪(7)的测温范围为±3000℃，测温精度为±1℃。
6.根据权利要求1所述基于外加磁场的激光熔钎焊焊接接头性能调控装置，其特征在于：所述高速摄像机(8)的最高分辨率为1280×800，最高拍摄速率为300000帧/秒。
7.一种权利要求所述1调控装置的激光熔钎焊方法，其特征在于：包括以下步骤：
将两种待焊接工件放在焊接平台(2)上，焊接时，控制光纤激光器(10)发射激光至焊接机器人(1)的焊接头中，利用焊接头内部聚焦镜进行聚焦焊接，同时，通过控制磁场发生装置(4)以及调节伸缩支撑柱(3)。
8.根据权利要求7所述激光熔钎焊方法，其特征在于：所述控制磁场发生装置(4)为改变磁场发生装置摆放角度调整磁场方向，其调整范围为0～360°。
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