CN114833453B - 一种基于光束和电磁复合搅拌的焊接方法及焊接装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于光束和电磁复合搅拌的焊接方法及焊接装置，涉及激光加工技术领域，该焊接方法包括以下步骤：步骤一、将待焊工件进行固定安装；步骤二、激光焊接头发出激光光束并沿着焊接方向对待焊工件进行焊接，通过磁场发生部件向熔池的周边施加交变磁场，激光光束包括主光束和副光束，副光束绕主光束转动；步骤三、达到焊接终点后，激光焊接头和磁场发生部件均停止工作。该焊接装置包括包括激光焊接头、磁场发生部件和控制器。本发明提供的基于光束和电磁复合搅拌的焊接方法及焊接装置，实现了光束能量的有效利用，使熔透和搅拌各自发挥效能，能够有效抑制接头成形缺陷并调控微观组织。

Description

一种基于光束和电磁复合搅拌的焊接方法及焊接装置

技术领域

本发明涉及激光加工技术领域，特别是涉及一种基于光束和电磁复合搅拌的焊接方法及焊接装置。

背景技术

激光焊接是激光材料加工技术应用的重要方面之一，通过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。其焊接过程属热传导型，即激光辐射加热工件表面，表面热量通过热传导向内部扩散，通过控制激光脉冲的宽度、能量、峰值功率和重复频率等参数，使工件熔化，形成特定的熔池。然而，在激光焊接过程中，焊道快速凝固，其焊接时形成的蒸汽不能及时逸出，容易残留在快速熔化凝固的焊缝中，产生气孔等焊接成形缺陷。

针对激光焊接过程中遇到的种种难题，国内外的科研工作者均对该领域进行了大量研究。双光束激光焊接、激光摆动焊接等激光焊接的新工艺相继问世，但是其改善效果不够明显，双光束激光焊接对铝合金等气孔敏感性高的材料改善效果不明显，激光摆动焊接由于在激光光束在熔池中不断摆动，其能量密度不集中，焊接熔深显著下降。

发明内容

为解决以上技术问题，本发明提供一种基于光束和电磁复合搅拌的焊接方法及焊接装置，实现了光束能量的有效利用，使熔透和搅拌各自发挥效能，能够有效抑制接头成形缺陷并调控微观组织。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

本发明提供一种基于光束和电磁复合搅拌的焊接方法，包括以下步骤：

步骤一、将待焊工件进行固定安装；

步骤二、激光焊接头发出激光光束并沿着焊接方向对所述待焊工件进行焊接，通过磁场发生部件向熔池的周边施加交变磁场，所述激光光束包括主光束和副光束，所述副光束绕所述主光束转动；

步骤三、达到焊接终点后，所述激光焊接头和所述磁场发生部件均停止工作。

优选地，在步骤二中，在焊接之前设置运行参数，根据所述待焊工件的厚度控制所述激光光束的功率和焊接速度，并控制所述副光束与所述主光束之间的距离。

优选地，在步骤二中，根据所述待焊工件的厚度、所述激光光束的功率和焊接速度所形成的熔池大小，控制所述交变磁场的电流频率和所述副光束的搅拌频率，使得所述交变磁场对熔池尾部的搅拌强度和所述副光束对熔池尾部的搅拌强度互补。

优选地，所述待焊工件的厚度为5～20mm，所述激光光束的功率为3～10KW，所述激光焊接头的焊接速度为1～5m/min；所述主光束和所述副光束的焦点光斑的直径为0.2～0.4mm，所述主光束和所述副光束的焦点光斑的圆心之间的距离为0.5～3mm。

优选地，所述副光束的搅拌频率为50～1000HZ，所述交变磁场的电流调节范围为0～50A且电流频率为50～1000HZ。

本发明还提供一种适用于所述的基于光束和电磁复合搅拌的焊接方法的焊接装置，包括所述激光焊接头、所述磁场发生部件和控制器，所述激光焊接头包括壳体、主光束激光器、副光束激光器、第一准直镜、第二准直镜、振镜、振镜电机、转动平台、驱动部件、折射镜、半反半透镜和动态聚焦镜，所述振镜电机、所述转动平台、所述半反半透镜和所述动态聚焦镜由上至下依次安装于所述壳体中，所述振镜与所述振镜电机连接，所述转动平台水平设置，所述折射镜倾斜安装于所述转动平台的下部，所述驱动部件用于驱动所述转动平台转动，所述半反半透镜与所述振镜的倾斜方向相反，所述动态聚焦镜水平设置；所述第一准直镜竖直设置于所述半反半透镜的一侧，且所述半反半透镜由上至下朝向远离所述第一准直镜的一侧倾斜设置，所述主光束激光器的出光口与所述第一准直镜位置相对应；所述第二准直镜竖直设置于所述振镜的一侧，且所述振镜由上至下朝向远离所述第二准直镜的一侧倾斜设置，所述副光束激光器的出光口与所述第二准直镜位置相对应；所述磁场发生部件设置于所述壳体的外部，所述主光束激光器、所述副光束激光器、所述振镜电机、所述驱动部件和所述磁场发生部件均与所述控制器连接。

优选地，所述壳体内部固定有支撑架，且所述支撑架位于所述振镜和所述半反半透镜之间，所述转动平台的上部通过轴承转动安装于所述支撑架上，所述转动平台的下部外壁上固定套设有齿环，所述驱动部件包括驱动电机和齿轮，所述驱动电机固定于所述壳体中且位于所述支撑架的一侧，所述驱动电机的输出轴上固定有所述齿轮，所述齿轮与所述齿环相啮合，所述驱动电机与所述控制器连接。

优选地，所述磁场发生部件包括励磁线圈和支架，所述支架固定套设于所述壳体的下部，所述励磁线圈安装于所述支架上，所述励磁线圈与所述控制器连接。

优选地，所述励磁线圈的匝数为300圈。

本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：

本发明的基于光束和电磁复合搅拌的焊接方法及焊接装置，激光焊接头发出激光光束并沿着焊接方向对待焊工件进行焊接，通过磁场发生部件向熔池的周边施加交变磁场，激光光束包括主光束和副光束，副光束绕主光束转动。主光束保证焊接熔深，副光束和洛伦兹力搅动熔池，进而更高效率地对熔池进行搅拌工作，有效改善焊缝的内部形态。本发明中实现了光束能量的有效利用，使熔透和搅拌各自发挥效能，并且能在副光束无法影响的熔池边界和熔池尾部通过洛伦兹力调控微观流动和组织凝固过程。本发明中将激光焊接技术与电磁搅拌焊接技术有机结合，能够有效抑制接头成形缺陷并调控微观组织，进而实现了高效率、高质量和高可靠性的的复合焊接。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明提供的焊接装置的结构示意图；

图2为本发明提供的基于光束和电磁复合搅拌的焊接方法焊接过程中的纵截面示意图；

图3为本发明提供的焊接装置中激光焊接头的结构示意图；

图4为本发明提供的焊接装置中磁场发生部件的安装示意图；

图5为本发明提供的基于光束和电磁复合搅拌的焊接方法中主光束和副光束的工作示意图；

图6为本发明提供的基于光束和电磁复合搅拌的焊接方法中副光束对熔池尾部的搅拌周期和交变磁场对熔池尾部的搅拌周期的示意图；

图7为本发明提供的基于光束和电磁复合搅拌的焊接方法的工作流程图。

附图标记说明：100、焊接装置；1、待焊工件；2、激光焊接头；21、主光束激光器；22、第一准直镜；23、副光束激光器；24、第二准直镜；25、振镜；26、振镜电机；27、转动平台；28、驱动电机；29、齿轮；210、折射镜；211、半反半透镜；212、动态聚焦镜；3、主光束；4、副光束；5、磁场发生部件；51、支架；52、励磁线圈；6、交变磁场；7、控制器；8、匙孔；9、熔池；10、接头成形缺陷；11、熔合区；12、熔合线；13、熔池尾部。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种基于光束和电磁复合搅拌的焊接方法及焊接装置，实现了光束能量的有效利用，使熔透和搅拌各自发挥效能，能够有效抑制接头成形缺陷并调控微观组织。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

如图1-图7所示，本实施例提供一种基于光束和电磁复合搅拌的焊接方法，包括以下步骤：

步骤一、将待焊工件1进行固定安装；具体地，在数控加工台固定安装待焊工件1。

步骤二、激光焊接头2发出激光光束并沿着焊接方向对待焊工件1进行焊接，通过磁场发生部件5向熔池9的周边施加交变磁场6，磁场发生部件5与激光焊接头2同步运动，激光光束包括主光束3和副光束4，主光束3沿着待焊工件1的焊缝移动，副光束4绕主光束3转动，主光束3保证焊接熔深，副光束4搅动熔池9进而消除气孔等缺陷。

步骤三、达到焊接终点后，断电使得装置关闭，激光焊接头2和磁场发生部件5均停止工作。激光焊接头2和磁场发生部件5由待焊工件1移出，焊接完成。

具体地，在步骤二中，在焊接之前设置运行参数，根据待焊工件1的厚度控制激光光束的功率和焊接速度，并控制副光束4与主光束3之间的距离，设定好运行参数之后通电使得装置启动。控制激光光束的功率包括分别对主光束3的功率和副光束4的功率进行控制。

具体地，在步骤二中，根据待焊工件1的厚度、激光光束的功率和焊接速度所形成的熔池9大小，控制交变磁场6的电流频率和副光束4的搅拌频率，使得交变磁场6对熔池尾部13的搅拌强度和副光束4对熔池尾部13的搅拌强度互补。

副光束4转动至主光束3远离熔池尾部13的一侧时，另一侧的搅拌调控性能会下降，存在整体调控不一致的情况，通过协调交变磁场6的电流频率，使得副光束4和交变磁场6产生强度协同作用，共同稳定作用于熔池9，实现整体熔池性能调控的均匀性。

具体地，通过控制磁场发生部件5的电流强度以及电流频率，使得生成的交变磁场6能够有足够的强度与副光束4有机结合，更高效率地对熔池9进行搅拌工作，进而有效改善焊缝的内部形态。

如图5所示，熔合线12后端和前端分别为熔合区11和熔池9，副光束4通过对熔池9的搅拌作用而改善焊缝质量的最佳作用范围是熔合线12前沿的熔池尾部13，即BCD区域，对应图6的BCD强度范围。具体地，当副光束4位于A处时，副光束4对熔池尾部13区域的搅拌效果较弱，因此需要交变磁场6对熔池尾部13的搅拌强度较大；当副光束4位于C处时，副光束4对熔池尾部13区域的搅拌效果较强，因此需要交变磁场6对熔池尾部13的搅拌强度较小，进而使得交变磁场6对熔池尾部13的搅拌强度和副光束4对熔池尾部13的搅拌强度互补。具体地，通过调整交变磁场6的电流频率的大小实现交变磁场6对熔池尾部13的搅拌周期的大小的调节，通过调整副光束4的搅拌频率的大小实现副光束4对熔池尾部13的搅拌周期的大小的调节；同时，通过调整交变磁场6对熔池尾部13的搅拌周期与副光束4对熔池尾部13的搅拌周期之间的相位差，使得交变磁场6对熔池尾部13的搅拌周期与副光束4对熔池尾部13的搅拌周期之间出现错峰，两者实现强度值之间的互补。

如图6所示，图中的横坐标表示时间，曲线b表示交变磁场6对熔池尾部13的搅拌周期，曲线b中纵坐标表示交变磁场6对熔池尾部13的搅拌强度；曲线a表示副光束4对熔池尾部13的搅拌周期，曲线a中的纵坐标表示副光束4对熔池尾部13的搅拌强度，具体地，A点和C点分别表示副光束4与主光束3处于同一方向上，即均处于焊接方向上，B点和D点表示副光束4处于与焊接方向垂直的方向上。如图5所示，BAD区域位于远离熔池尾部13的一侧，故当副光束4转动至BAD区域时对熔池尾部13的搅拌效果较弱，可忽略不计，因此，图6中BAD区域处副光束4对熔池尾部13的搅拌强度为0，相对应地，交变磁场6对熔池尾部13的搅拌强度在对应BAD区域时强度值较大，以实现对BAD区域的搅拌强度的补充，使得交变磁场6对熔池尾部13的搅拌强度和副光束4对熔池尾部13的搅拌强度互补。

于本具体实施例中，交变磁场6对熔池尾部13的搅拌周期是副光束4对熔池尾部13的搅拌周期的2倍，交变磁场6对熔池尾部13的搅拌周期与副光束4对熔池尾部13的搅拌周期之间的相位差为交变磁场6对熔池尾部13的搅拌周期的3/8。

于本具体实施例中，待焊工件1的厚度为5～20mm，激光光束的功率为3～10KW，激光焊接头2的焊接速度为1～5m/min；主光束3和副光束4的焦点光斑的直径为0.2～0.4mm，主光束3和副光束4的焦点光斑的圆心之间的距离为0.5～3mm。

于本具体实施例中，副光束4的搅拌频率为50～1000HZ，即副光束4的搅拌周期为0.001～0.02s，其代表副光束4围绕主光束3转动一周所需时间。交变磁场6的电流调节范围为0～50A且电流频率为50～1000HZ，即交变磁场6的搅拌周期0.001～0.02s，其代表交变磁场6方向变化周期的时间。

如图1-图4所示，本实施例还提供一种适用于基于光束和电磁复合搅拌的焊接方法的焊接装置100，包括激光焊接头2、磁场发生部件5和控制器7，激光焊接头2包括壳体、主光束激光器21、副光束激光器23、第一准直镜22、第二准直镜24、振镜25、振镜电机26、转动平台27、驱动部件、折射镜210、半反半透镜211和动态聚焦镜212，振镜电机26、转动平台27、半反半透镜211和动态聚焦镜212由上至下依次安装于壳体中，振镜25与振镜电机26连接，振镜电机26用于调节振镜25的倾斜角度，转动平台27水平设置，折射镜210倾斜安装于转动平台27的下部，驱动部件用于驱动转动平台27转动，半反半透镜211与振镜25的倾斜方向相反，动态聚焦镜212水平设置；第一准直镜22竖直设置于半反半透镜211的一侧，且半反半透镜211由上至下朝向远离第一准直镜22的一侧倾斜设置，主光束激光器21的出光口与第一准直镜22位置相对应，主光束激光器21出光经传输光纤传输到激光焊接头2，其出光口对准光路系统中的第一准直镜22进行后续操作；第二准直镜24竖直设置于振镜25的一侧，且振镜25由上至下朝向远离第二准直镜24的一侧倾斜设置，副光束激光器23的出光口与第二准直镜24位置相对应，副光束激光器23出光经传输光纤传输到激光焊接头2，其出光口对准光路系统中的第二准直镜24进行后续操作；磁场发生部件5设置于壳体的外部，主光束激光器21、副光束激光器23、振镜电机26、驱动部件和磁场发生部件5均与控制器7连接。

主光束激光器21发射主光束3，经第一准直镜22将主光束3整形，再通过半反半透镜211反射，使其通过动态聚焦镜212聚焦到工作平面。副光束激光器23发射副光束4，经第二准直镜24将副光束4整形，再通过振镜25调整进入折射镜210的角度，之后通过折射镜210折射，透过半反半透镜211之后经动态聚焦镜212聚焦到工作平面，折射镜210通过转动平台27控制其位置角度，转动平台27通过驱动部件控制转动。转动平台27转动时能够带动折射镜210同步转动，进而使得经过折射镜210的折射后，透过半反半透镜211之后经动态聚焦镜212聚焦到工作平面的副光束4能够绕主光束3转动，通过控制转动平台27的转动速度能够控制副光束4的旋转周期，副光束4的旋转周期即为副光束4的搅拌周期；通过调节振镜25的倾斜角度，能够改变通过振镜25调整后进入折射镜210的角度和位置，进而改变副光束4由动态聚焦镜212射出的位置，进而改变副光束4与主光束3之间的距离，以实现副光束4的旋转幅度的调节。

壳体内部固定有支撑架，且支撑架位于振镜25和半反半透镜211之间，转动平台27的上部通过轴承转动安装于支撑架上，转动平台27的下部外壁上固定套设有齿环，驱动部件包括驱动电机28和齿轮29，驱动电机28固定于壳体中且位于支撑架的一侧，驱动电机28的输出轴上固定有齿轮29，齿轮29与齿环相啮合，驱动电机28与控制器7连接。

如图4所示，磁场发生部件5包括励磁线圈52和支架51，支架51固定套设于壳体的下部，接近激光输出口处，励磁线圈52安装于支架51上，励磁线圈52与控制器7连接。具体地，支架51通过螺栓固定于壳体上。

于本具体实施例中，励磁线圈52的匝数为300圈。

可见，本实施例中主光束3保证焊接熔深，副光束4和洛伦兹力搅动熔池9，进而更高效率地对熔池9进行搅拌工作，有效改善焊缝的内部形态。本实施例中实现了光束能量的有效利用，使熔透和搅拌各自发挥效能，并且能在副光束4无法影响的熔池边界和熔池尾部13通过洛伦兹力调控微观流动和组织凝固过程，副光束4和交变磁场6能够对熔池9前端、尾端任意部位都进行有效工作，使焊接过程中熔池9中生成的气孔、炸点等接头成形缺陷10能够及时逸出、破碎和细化，避免其影响主光束3产生的匙孔8的稳定性，进而获得无缺陷的焊缝。本实施例中将激光焊接技术与电磁搅拌焊接技术有机结合，能够有效抑制接头成形缺陷10并调控微观组织，进而实现了高效率、高质量和高可靠性的的复合焊接。

本说明书中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (7)

1.一种基于光束和电磁复合搅拌的焊接方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一、将待焊工件进行固定安装；

步骤二、激光焊接头发出激光光束并沿着焊接方向对所述待焊工件进行焊接，通过磁场发生部件向熔池的周边施加交变磁场，所述激光光束包括主光束和副光束，所述副光束绕所述主光束转动；在焊接之前设置运行参数，根据所述待焊工件的厚度控制所述激光光束的功率和焊接速度，并控制所述副光束与所述主光束之间的距离；根据所述待焊工件的厚度、所述激光光束的功率和焊接速度所形成的熔池大小，控制所述交变磁场的电流频率和所述副光束的搅拌频率，使得所述交变磁场对熔池尾部的搅拌强度和所述副光束对熔池尾部的搅拌强度互补；

步骤三、达到焊接终点后，所述激光焊接头和所述磁场发生部件均停止工作。

2.根据权利要求1所述的基于光束和电磁复合搅拌的焊接方法，其特征在于，所述待焊工件的厚度为5～20mm，所述激光光束的功率为3～10KW，所述激光焊接头的焊接速度为1～5m/min；所述主光束和所述副光束的焦点光斑的直径为0.2～0.4mm，所述主光束和所述副光束的焦点光斑的圆心之间的距离为0.5～3mm。

3.根据权利要求1所述的基于光束和电磁复合搅拌的焊接方法，其特征在于，所述副光束的搅拌频率为50～1000HZ，所述交变磁场的电流调节范围为0～50A且电流频率为50～1000HZ。

4.一种适用于如权利要求1-3中任一项所述的基于光束和电磁复合搅拌的焊接方法的焊接装置，其特征在于，包括所述激光焊接头、所述磁场发生部件和控制器，所述激光焊接头包括壳体、主光束激光器、副光束激光器、第一准直镜、第二准直镜、振镜、振镜电机、转动平台、驱动部件、折射镜、半反半透镜和动态聚焦镜，所述振镜电机、所述转动平台、所述半反半透镜和所述动态聚焦镜由上至下依次安装于所述壳体中，所述振镜与所述振镜电机连接，所述转动平台水平设置，所述折射镜倾斜安装于所述转动平台的下部，所述驱动部件用于驱动所述转动平台转动，所述半反半透镜与所述振镜的倾斜方向相反，所述动态聚焦镜水平设置；所述第一准直镜竖直设置于所述半反半透镜的一侧，且所述半反半透镜由上至下朝向远离所述第一准直镜的一侧倾斜设置，所述主光束激光器的出光口与所述第一准直镜位置相对应；所述第二准直镜竖直设置于所述振镜的一侧，且所述振镜由上至下朝向远离所述第二准直镜的一侧倾斜设置，所述副光束激光器的出光口与所述第二准直镜位置相对应；所述磁场发生部件设置于所述壳体的外部，所述主光束激光器、所述副光束激光器、所述振镜电机、所述驱动部件和所述磁场发生部件均与所述控制器连接。

5.根据权利要求4所述的焊接装置，其特征在于，所述壳体内部固定有支撑架，且所述支撑架位于所述振镜和所述半反半透镜之间，所述转动平台的上部通过轴承转动安装于所述支撑架上，所述转动平台的下部外壁上固定套设有齿环，所述驱动部件包括驱动电机和齿轮，所述驱动电机固定于所述壳体中且位于所述支撑架的一侧，所述驱动电机的输出轴上固定有所述齿轮，所述齿轮与所述齿环相啮合，所述驱动电机与所述控制器连接。

6.根据权利要求4所述的焊接装置，其特征在于，所述磁场发生部件包括励磁线圈和支架，所述支架固定套设于所述壳体的下部，所述励磁线圈安装于所述支架上，所述励磁线圈与所述控制器连接。

7.根据权利要求6所述的焊接装置，其特征在于，所述励磁线圈的匝数为300圈。

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