CN115070210A - 一种基于磁场形态仿真设计的磁场辅助激光焊接平台 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于磁场形态仿真设计的磁场辅助激光焊接平台，该平台应用于磁控焊接技术领域。所述平台由磁场发生装置和弱磁损焊接工装组成，具体包括U型铁芯、铜导线圈、外加励磁电源、弱磁损焊接平台、导气管及铜垫片。其中将线圈均匀缠绕在由硅钢薄片叠加组成的U型硅钢铁芯表面，并连接励磁电源产生磁场，弱磁损的焊接平台可有效降低磁场在空间法向上的损耗。本装置具体的装置尺寸通过磁场形态仿真辅助设计，借助励磁电源施加恒流及交变电流，可在焊接材料中心产生较为集中稳定的横向稳恒及交变磁场，用于调控焊接过程熔池流动行为，从而优化焊接质量，改善焊接工艺。

Description

一种基于磁场形态仿真设计的磁场辅助激光焊接平台

技术领域

本发明涉及一种基于磁场形态仿真设计的磁场辅助激光焊接平台，通过仿真设计的手段辅助搭建合理可靠的磁场辅助激光焊接装置，属于磁控激光焊接领域。

背景技术

与传统的弧焊方法相比，激光焊作为高能束焊，较为集中的热源有效降低了构件的焊后残余应力及焊接变形，且更高的可达焊接速度大大提高了焊接生产效率。近年来，随着高功率、高光束质量激光器及配套装备的逐步产业化应用，激光焊接技术在中厚板结构件成形领域适用性显著提高，在自动化与轻量化方面具有突出优势。然而，由于某些待焊工件的固有材料属性，在焊接过程中易出现气孔、成形差等宏观焊接缺陷，并且随着激光功率的增大，熔池合金元素的蒸发速率随之提高，使得不同位置，尤其是焊缝熔深位置的第二相溶质浓度出现明显差异，同时激光焊较快的冷却速度使得熔池中的合金元素无法充分的扩散/迁移，这些都直接导致了焊缝凝固组织的不均匀，造成不同位置的晶粒尺寸差异及成分偏析，并进一步削弱了接头的力学性能，成为制约中厚板激光焊接技术发展的瓶颈问题之一。

采用外加磁场辅助激光焊接过程能够灵活干预熔池动力学行为，稳恒磁场会在熔池中产生显著的哈特曼效应可抑制液相流动速率，改善能量分布并优化焊缝成形；交变磁场形成的电磁搅拌作用可显著提高熔池局部流速，改善合金元素的空间分布均匀性。此外，二者都会在熔池固液界面附近产生显著的热电磁效应，可用于调控熔池的热、流及溶质分布，从而达到抑制焊接缺陷，优化熔池凝固结晶条件，改善焊缝组织形态及最终的力学性能优化的目的。

现有的磁场辅助焊接装置多为大型复杂装置，制作成本高昂且装置体积较大，灵活性较差。本发明通过采用磁导率较大的U型硅钢薄片材料作为铁芯，采用弱磁损材料制作焊接工作台，通过灵活调节外部励磁电源功率及频率，从而在待焊材料焊缝处激发不同需求下的磁场强度。此种磁场激发装置，可产生长时间均匀稳定的磁场，保障磁场对熔池动力学的稳定调控，有效改善焊接过程中的缺陷及焊后接头性能的削弱问题。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种基于磁场形态仿真设计的磁场辅助激光焊接平台，其目的在于，在激光焊接中，通过磁场诱导电磁力改善熔池传热传质，调控熔池流动行为，进而改善焊缝成形，避免溶质不均匀分布所造成的性能削弱问题，借助磁场形态仿真手段可大大降低平台设计制作成本和周期，提高竣工效率。

为实现上述目的，本发明提供了一种基于磁场形态仿真设计的磁场辅助激光焊接平台，包括磁场发生装置和焊接工装平台，所述磁场发生装置置于焊接工装平台下方，包括由定制的U型硅钢薄片叠加组成的硅钢铁芯，均匀缠绕在硅钢铁芯表面的铜导线圈以及线圈两端所接外部励磁电源。所述焊接工装平台由与空气磁导率相同的弱磁损铝材料制成，包括可拆卸的支撑柱，中间开有凹槽的平台桌面，开有通孔的铜垫片以及顶部开孔的导气管。通过所述外部励磁电源施加恒流或交变电流，由薄片叠加组成的硅钢铁芯有效避免涡流损耗，在U型铁芯端部产生集中的强磁场，铁芯端部距待焊材料底部2mm，弱磁损的材料可有效降低磁场强度在法向上的损耗，可在待焊材料焊缝中部产生理想的足以满足焊接调控需求的磁场强度。在焊接过程中，通过所述导气管通以保护气体，从而达到待焊材料焊缝背面保护效果；所述铜垫片良好的导热效果，可避免焊透情况下，焊缝背面过热与平台桌面的粘连，方便待焊材料的拆卸。基于待焊材料焊缝所需磁场强度及频率，采用磁场形态仿真手段，确定磁场发生装置具体尺寸参数，可有效避免设计制作过程中的复杂试错造成的资源浪费，达到理想的磁场调控激光焊接熔池流动行为，避免焊接缺陷，改善焊后性能削弱问题。

作为进一步优选的，所述U型铁芯为由定制的0.2mm U型硅钢薄片叠加组成的U型硅钢铁芯。

作为进一步优选的，所述磁场发生装置具体尺寸参数由磁场形态仿真辅助确定，具体尺寸参数为：U型硅钢铁芯端面为20mm×30mm；铁芯端面角度为0°；铁芯端面间距为20mm；线圈匝数为3000匝；在励磁电流5-10A时，可在焊缝处产生理想的磁场强度。

作为进一步优选的，所述U型铁芯放置在所述焊接工作平台下方，所述铁芯端面距待焊材料底部2mm处。

作为进一步优选的，所述焊接工装平台通体采用弱磁损铝材料制成，平台表面开有凹槽，将所述铜垫片置于其中；平台支撑柱通过螺栓孔与平台桌面相连接，可灵活拆卸。待焊材料及平台桌面均开有螺栓孔，通过螺栓将待焊材料固定在平台之上。

作为进一步优选的，所述导气管置于平台凹槽中，通过顶部开孔，将保护气体输送至焊待焊材料背面，达到理想的背面保护效果。

作为进一步优选的，所述铜垫片置于平台凹槽中，均匀开孔以输送保护气体，铜垫片良好的导热性可有效避免焊透情况下待焊材料背面与平台桌面的粘连。

本发明相对于现有技术取得了以下有益技术效果：

本发明中的用于磁场辅助激光焊接平台，通过外部励磁电源控制产生磁场的种类、频率和强度，特定的U型硅钢薄片叠加组成的硅钢铁芯可有效减少涡流损耗，防止长时间通电造成的铁芯发热严重，磁场不稳定情况；同时，相互平行且距离较近的铁芯端面，最大程度的接近待焊材料焊缝处，可以在焊缝处产生均匀的横向强磁场。焊接过程中，大小和方向时变的电磁力显著影响熔池能量分布及传热传质行为，改善熔池中因激光焊局部能量不均匀及快速冷却造成的溶质不均匀分布，进而影响焊缝成形，避免溶质偏析，调控组织均匀性，并最终改善焊缝的力学性能。此外，本发明中采用了顶部开孔的导气管实现焊透条件下的背面保护，所述铜垫片亦可防止焊透条件下的试样件与平台桌面的粘连，平台整体可灵活拆卸，小巧便携，适用性强，并且平台整体的设计采用磁场形态仿真手段辅助完成，各部件的尺寸参数确定更为合理可靠，有效降低了频繁试错制作所造成的资源浪费。

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为本发明提供的磁场辅助激光焊接平台结构示意图。

图2为磁场发生装置及焊接工装平台结构局部细节示意图。

图3为磁场发生装置工作时，平台表面磁场分布的仿真结果图。

图4为磁场发生装置工作时，平台内部磁场分布的仿真结果图。

图5为不同励磁电流、频率及线圈匝数组合下，待焊材料焊缝中心法向磁场强度仿真结果图。

图中：1-焊接电源，2-激光发生器，3-正面导气管，4-气瓶，5-待焊材料，6-焊道，7-铜垫片，8-背面导气管，9-焊接工装平台，10-U型硅钢铁芯，11-铜导线圈，12-外部励磁电源。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

本发明提供一种基于磁场形态仿真设计的磁场辅助激光焊接平台，结构如图1，图2所示，该磁场辅助激光焊接平台包括磁场发生装置和焊接工装平台。

磁场发生装置包括U型硅钢薄片叠加组成的U型硅钢铁芯10、均匀缠绕在铁芯表面的铜导线圈11和功率及频率可调的外部励磁电源12。所述铜导线圈11两端与所述外部励磁电源12正负两极相连，通过所述外部励磁电源12施加恒流及交变电流，在所述U型硅钢铁芯10端面产生较为集中的均匀强磁场。

焊接工装平台包括弱磁损焊接工作台9、均匀开通孔的铜垫片7、顶部开孔的背面导气管8和通过螺栓固定在所述焊接工作台9表面的待焊材料5。在焊接时，通过焊接电源1在激光发生器2中产生激光热源对待焊材料5进行加热，使得加热区域熔化凝固形成成形良好的焊道6，所述气瓶4通过所述正面导气管3及和背面导气管8对待焊区域施加保护气体，避免焊道氧化污染，保障焊道成形及焊缝性能。

进一步的，所述U型硅钢铁芯由定制的0.2mm U型硅钢薄片叠加组成，较高的磁导率及较弱的导电性可保障较高的磁通量及较小的涡流损耗，可作为长时间稳定的磁场发生器。所述U型硅钢铁芯竖直放置于所述焊接工作台底部凹槽中，硅钢铁芯端面距待焊材料底部2mm处，可将磁场最大化的集中在待焊材料焊缝区域。

进一步的，所述焊接工装平台通体采用弱磁损铝材料制成，可有效降低磁场在法向上的衰减，在待焊材料焊缝区域形成均匀的强磁场。所述焊接工装平台轻巧便携，可灵活拆卸，适用性更强。

进一步的，所述铜垫片开有均匀通孔，背面导气管顶部开孔，可将保护气体均匀输送至待焊材料焊缝背部区域，保障焊透条件下的背面成形。同时，铜垫片较高的熔点及良好的导热性，可有效避免焊透条件下待焊材料与工装平台之间的粘连。

本发明提供的磁场发生装置的具体尺寸参数由磁场形态仿真辅助确定，主要涉及U型硅钢铁芯的端面尺寸、铁芯端面间距、铁芯端面角度及线圈匝数。通过磁场形态仿真计算，可更清晰的呈现磁场发生装置的设计思路，展现不同参数尺寸对磁场形态分布的影响，聚焦重点区域，有效的避免频繁试错制作造成的资源浪费，节约时间成本。

基于上述磁场形态仿真手段，通过以下实施例具体实现：

根据所述磁场发生装置的结构设计，通过磁场形态仿真，外部励磁电源通以3A恒定电流时，得到如图3和图4所示的磁场分布结果图。磁力线在平台表面及内部分布均匀，待焊材料焊缝区域亦可得到均匀的满足焊接需求的强磁场。

根据所述磁场发生装置的结构设计，给定固定的线圈匝数为3000匝，铁芯端面间距为20mm，对不同的U型硅钢铁芯端面尺寸、铁芯端面角度及外加励磁电流组合下的稳恒磁场分布进行仿真计算，重点关注待焊材料焊缝区域的磁场强度，不同参数组合下的磁场强度如表1所示。综合考虑磁场强度需求及制作成本节约，选择铁芯端面为20mm×30mm，铁芯端面角度为0°，励磁电流为5A左右。

根据所述磁场发生装置的结构设计，给定铁芯端面为20mm×30mm，铁芯端面角度为0°，铁芯端面间距为20mm，通过外加励磁电源施加交变电流，计算不同励磁电流、交变频率及线圈匝数下的磁场形态分布，仿真结果如图5所示。可以看出，横向磁场强度在法向上急速衰减，当3000匝的通电线圈采用5-10A的励磁电流时，在2000Hz的交变频率下，可在焊缝中心区域产生～300mT的均匀强磁场，可满足焊接过程中磁场对熔池流动及凝固的调控。

表1

Claims (5)

1.一种基于磁场形态仿真设计的磁场辅助激光焊接平台，其特征在于：包括磁场发生装置和焊接工装平台。其中磁场发生装置由U型铁芯、铜导线圈及外部励磁电源组成；焊接工装平台由弱磁损的焊接平台、导气管及铜垫片组成。将所述铜导线圈均匀缠绕在所述U型铁芯表面，并连接所述外部励磁电源的正负极，通过施加恒流及交变电流，在所述U型铁芯端面产生较为集中的横向稳恒及交变磁场。采用弱磁损金属材料制作所述焊接平台，可有效降低磁场强度在平台法向上的衰减，使得待焊材料中心可产生较为均匀且集中的横向磁场。将所述导气管及铜垫片均匀开孔，通过在所述导气管中施加保护气体，可起到全焊透条件下的背面保护效果，此外，所述铜垫片可有效防止焊透条件下所焊材料背面与平台桌面的粘连。磁场发生装置及焊接工装平台相关尺寸由磁场形态仿真手段辅助设计完成，磁场形态仿真包括以下步骤：

A)根据所设计的磁场辅助焊接平台，建立三维磁场辅助焊接平台几何模型，所述模型涉及不同U型铁芯的尺寸(主要为铁芯端面尺寸、铁芯端面间距及铁芯端面角度)、线圈匝数、励磁电流强度、励磁电流频率等的组合；

B)将所述几何模型导入多物理场仿真计算软件Comsol中，建立磁场形态仿真模型，计算不同装置尺寸参数组合下的磁场大小及分布；

C)根据仿真计算结果，对比不同尺寸参数下的磁场大小及磁场分布，考虑实际焊接所需磁场强度，确定最终的U型铁芯尺寸(主要为铁芯端面尺寸、铁芯端面间距及铁芯端面角度)、线圈匝数、励磁电流强度及励磁电流频率的组合。

2.如权利要求1所述的基于磁场形态仿真设计的磁场辅助激光焊接平台，其特征在于，所述U型铁芯由定制的0.2mm U型硅钢薄片叠加组成，硅钢薄片具有优异的导磁性能与较差的导电性能，相同电源输入条件下可产生较大的磁通密度，有效避免涡流的产生，减少功率损耗。

3.如权利要求1所述的基于磁场形态仿真设计的磁场辅助激光焊接平台，其特征在于，所述焊接平台由与空气磁导率相近的弱磁损铝材料制成，在平台内部开凹槽至平台表面2mm处，将U型硅钢铁芯竖直置于凹槽内部，使得铁芯端面能最大程度的接近待焊材料焊缝处，在焊缝处产生较强的均匀集中磁场。

4.如权利要求1所述的基于磁场形态仿真设计的磁场辅助激光焊接平台，其特征在于，所述导气管顶部及铜垫片均匀开孔，所述铜垫片为2mm厚，置于平台表面所开凹槽中，可有效防止穿透焊条件下待焊材料焊缝底部与平台的粘连，此外，通过在导气管中通以保护气体，可起到焊接过程中焊缝背面保护的效果。

5.如权利要求1所述的基于磁场形态仿真设计的磁场辅助激光焊接平台，其特征在于，所述磁场发生装置及焊接工装平台相关尺寸参数借由磁场形态仿真手段辅助设计完成。通过对比仿真计算结果，确定所述U型硅钢铁芯端面尺寸为20mm×30mm，铁芯端面间距为20mm，铁芯端面角度为0°；为满足高频电流下待焊材料焊缝处磁场强度需求，将线圈匝数确定为3000匝，在5A励磁电流下，工件待焊区域磁感应强度可达到420-535mT之间；在10A/2.5kHz励磁电流下，工件待焊区域磁感应强度可达到～300mT，可达到理想的焊接熔池电磁搅拌效果。

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