CN115488505A - 一种解决镁合金负压激光焊接能量屏蔽的电磁装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及焊接领域，公开了一种解决镁合金负压激光焊接能量屏蔽的电磁装置及方法，所述电磁装置包括激光器与激光头，所述激光器与激光头连接，所述焊接机器人的数控系统与机器臂、激光发生器连接，所述机器臂末端接装激光头，所述装置包括负压仓，所述负压仓内设置行走机构，所述行走机构上设置载物台，所述负压仓顶部设置焊接窗口，所述激光头设置在焊接窗口上方，所述负压仓上部设置可通电线圈，所述可通电线圈均匀布置在激光束的两侧，所述可通电线圈与位于负压仓外的磁场发生器连接。本发明解决了现有技术中镁合金负压激光焊接技术存在的镁合金挥发特性严重屏蔽激光能量的问题。

Description

一种解决镁合金负压激光焊接能量屏蔽的电磁装置及方法

技术领域

本发明涉及焊接领域，更具体地涉及一种解决镁合金负压激光焊接能量屏蔽的电磁装置及方法。

背景技术

镁合金具有比重轻、比强度及比刚度高、阻尼减震性能及切削加工性好、导热性好、电磁屏蔽能力强以及易于回收等一系列独特的优点，大量应用镁合金结构材料制造结构部件是实现结构轻量化的重要途径之一。

由于镁合金化学性质比较活泼，传统的熔焊技术很难实现焊缝的高质量焊接，尤其是在焊接具有较大熔深焊缝的镁合金时，焊缝缺陷更加突出，焊接性能难以提高，因此具有较大熔深焊缝的镁合金构件的焊接仍是限制镁合金大量应用的原因之一。

相关学者提出负压环境下镁合金的激光焊接能够克服焊接过程中的严重氧化现象，减少气孔缺陷。另外，负压环境能够减少焊接等离子的产生，使激光能量更加集中，从而使形成的焊缝具有熔深大、焊缝宽度及热影响区窄、焊缝纯度和接头强度高、结构变形小等技术优势。因此，负压焊接非常适合于化学性质较大的镁合金材料的焊接。

目前实现负压焊接的主要方式有两种，一种是运用大型真空设备完成焊接工序，但是真空设备动辄几百万乃至上千万，价格昂贵，单加工时间长、效率低，无法达到低成本、高效率的生产要求，同时由于设备过于昂贵也不易实现广泛推广应用；另一种便是将激光器等设备置于负压仓外部的简便负压焊接装置，但是这种装置受限于激光器聚焦距离，其高度不能太高。因此当我们在用这种成本低、操作简便的简易负压装置进行镁合金的焊接时，由于镁合金具有的易挥发特性，其挥发出的大量金属蒸汽会喷射到焊接窗口处，降低激光窗口的透光性，从而影响激光正常照射到材料表面，影响焊接过程的正常进行。同时，镁合金产生的大量金属蒸汽也会对透过焊接窗口的激光形成屏蔽与削弱作用，减小焊缝熔深，降低焊接成形质量。

发明内容

为解决现有技术中镁合金负压激光焊接技术存在的镁合金挥发特性严重屏蔽激光能量的问题，本发明提供一种解决镁合金负压激光焊接能量屏蔽的电磁装置及方法。

本发明采用的具体方案为：一种解决镁合金负压激光焊接能量屏蔽的电磁装置，所述电磁装置包括激光器与激光头，所述激光器与激光头连接，所述焊接机器人的数控系统与机器臂、激光发生器连接，所述机器臂末端接装激光头，所述装置包括负压仓，所述负压仓内设置行走机构，所述行走机构上设置载物台，所述负压仓顶部设置焊接窗口，所述激光头设置在焊接窗口上方，所述负压仓上部设置可通电线圈，所述可通电线圈均匀布置在激光束的两侧，所述可通电线圈与位于负压仓外的磁场发生器连接。

所述行走机构为自动行走机构，该行走机构与设置在所述负压仓外部的行走控制器连接，行走控制器控制行走机构的移动。

所述负压仓与设置在负压仓外部的真空泵连接，所述真空泵为负压仓提供负压。

所述负压仓的顶部设置泄气阀门。

所述负压仓的顶部设置测压表。

所述真空泵与负压仓连接的管道上设置控制阀门。

本发明提供一种解决镁合金负压激光焊接能量屏蔽方法，所述方法包括如下步骤：

步骤一：将待焊镁合金进行打磨或者清洗；

步骤二：将打磨或者清洗后的待焊工件固定在载物台上；

步骤三：关闭仓门、泄气阀门，设置负压仓的负压状态；

步骤四：通过行走控制器确定行走机构的行程与速度；

步骤五：通过数控系统输入焊接参数，控制行走控制器调整激光头与待焊板材的相对位置，使激光在通过焊接窗口后正对待焊位置；

步骤六：通过磁场发生器设置磁场强度；

步骤七：首先打开磁场发生器，待磁场稳定后，启动激光器与自动行走机构；焊接过程中激光头保持不动，行走机构带动板材行走完成焊接过程；

步骤八：焊接完成后，关闭激光器与磁场发生器，打开泄气阀，打开仓门，取出样件。

所述步骤五的焊接参数包括：激光功率、离焦量、出光时间。

所述步骤三中的负压仓的负压状态的获得方法为，启动真空泵对负压仓抽真空得到。

所述步骤四确定行走机构的行程与速度之前，通过测压表监测负压仓内的压力情况，达到所需环境压力后，关闭真空泵与控制阀门。

本发明相对于现有技术具有如下有益效果：

本发明采用在简易方便的负压装置内部设置通电线圈来提供外加磁场辅助焊接，通过外加磁场与运动的带电粒子相互作用产生的洛伦兹力，驱使带电粒子的运动方向发生偏转，使带电粒子偏移激光通道的同时也无法喷射到焊接窗口，减少了焊接窗口的污染，同时也可以大幅减少金属蒸汽对激光能量的吸收和折射作用，增强能量利用效率，增大焊缝熔深，为负压环境下镁合金激光焊接过程的正常进行提供保障；同时，负压环境能够有效避免镁合金焊接过程中的氧化问题，进一步提升镁合金的焊接质量。

本发明所述的解决镁合金负压激光焊接能量屏蔽方法操作简单，进一步增加焊缝熔深，提高焊接质量，克服了现有技术中的镁合金负压激光焊接技术存在的镁合金挥发特性严重屏蔽激光能量的技术阻力，同时解决了镁合金焊接时存在的激光能量利用率低、氧化问题以及负压设备过于昂贵不适用于普及应用的问题。

附图说明

图1是本发明所述装置结构示意图；

图2是外加磁场作用下镁合金金属蒸汽的受力示意图；

图3是图2的左视图；

图4是无磁场作用下镁合金负压激光焊接的焊接窗口图；

图5是有磁场作用下镁合金负压激光焊接的焊接窗口图；

图6是无磁场作用下镁合金负压激光焊接的表面成形效果图；

图7是有磁场作用下镁合金负压激光焊接的表面成形效果图；

图8是无磁场作用下镁合金负压激光焊接的横截面成形效果图；

图9是有磁场作用下镁合金负压激光焊接的横截面成形效果图；

其中，附图标记分别为：

1.激光器，2.激光头，3.负压仓，4.焊接窗口，5.载物台，6.行走机构，7.泄气阀门，8.测压表，9.控制阀门，10.真空泵，11.可通电线圈，12.磁场发生器，13.行走控制器；14.正常焊接区；15.焊接窗口污染区；16.观察熔深取样区。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面通过附图中示出的具体实施例来描述本发明。但是应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。

结合附图，本发明公开了一种解决镁合金负压激光焊接能量屏蔽的电磁装置，所述电磁装置包括激光器1与激光头2，所述激光器1与激光头2连接，所述焊接机器人的数控系统与机器臂、激光发生器连接，所述机器臂末端接装激光头，所述装置包括负压仓3，所述负压仓3内设置行走机构6，所述行走机构6上设置载物台5，所述负压仓3顶部设置焊接窗口4，所述激光头2设置在焊接窗口4上方，所述负压仓3上部设置可通电线圈11，所述可通电线圈11均匀布置在激光束的两侧，所述可通电线圈11与位于负压仓3外的磁场发生器12连接。激光器1用于产生激光，所述激光头2用于将激光器1发出的激光光束聚到工件表面；所述自动行走机构6用于带动待焊板材移动；所述真空泵10用于控制负压仓内的真空度；所述磁场发生器12用于产生励磁电流，励磁电流通过可通电线圈11产生磁场作用于镁合金挥发产生的金属蒸汽。所述焊接机器人与激光头2耦合，控制激光焊接过程；所述可通电线圈11产生的磁场与带电粒子相互作用，达到控制效果。所述焊接机器人包括数控系统和机器臂；所述数控系统与机器臂、激光发生器连接，数控系统用于调整激光焊接参数以及控制机器臂运功；所述机器臂末端接装所述激光头。本发明中的焊接机器人选自现有技术成熟产品。

所述行走机构6为自动行走机构6，该行走机构6与设置在所述负压仓3外部的行走控制器13连接，行走控制器13控制行走机构6的移动。所述负压仓3与设置在负压仓3外部的真空泵10连接，所述真空泵10为负压仓3提供负压。所述负压仓3的顶部设置泄气阀门7。所述负压仓3的顶部设置测压表8。所述真空泵10与负压仓3连接的管道上设置控制阀门9。

所述可通电线圈11产生的磁场与带电粒子相互作用，达到控制效果。所述激光器1为固体激光器、光纤激光器或者气体激光器,包括激光发生器和光学传输系统。

焊接机器人的数控系统与机器臂、激光发生器连接，数控系统调整激光焊接参数以及控制机器臂运功；所述机器臂末端接装所述激光头。

所述负压仓3侧壁上留有观察窗口或者直接用透明材料制作，便于对焊接过程进行实时监测；所述负压仓3顶部设有泄气阀7与测压表8。所述行走机构6通过航空接头与行走控制器13相连，所述行走控制器13可以调整所述行走机构6的行走距离和速度；所自动述行走机构6上设有载物台5，用于固定待焊板材。

所述真空泵10通过管道与负压仓3相连，管道上设有控制阀门9。所述可通电线圈11包括感应线圈和绝缘外壳，所述磁场发生器12包括磁场电源、磁场控制系统；所述可通电线圈11通过航空接头与磁场发生器12相连；所述磁场控制系统用于控制磁场的强度和极性；所述感应线圈位于圆筒状的绝缘外壳内部；所述绝缘外壳内部填充固化剂,防止感应线圈变形。

所述可通电线圈11内部可增加铁芯，以提高磁感线的聚拢效果，从而增强磁场强度，加强磁场的控制效果。

另一方面，本发明公开了一种解决镁合金负压激光焊接能量屏蔽方法，所述方法包括如下步骤：将待焊镁合金根据加工需求加工成所需要精度，并对加工后的两侧表面进行打磨或者清洗；将打磨或者清洗后的待焊工件固定在载物台5上；关闭仓门，关闭泄气阀门7，打开控制阀门9，启动真空泵10对负压仓3抽真空；通过测压表8监测负压仓3内的压力情况，达到所需环境压力后，关闭真空泵10与控制阀门9；通过行走控制器13设置自动行走机构6的行程与速度；通过数控系统输入焊接参数，所属参数具体为：激光功率、离焦量、出光时间，然后通过机械臂与行走控制器调整激光头2与待焊板材的相对位置，使激光在通过焊接窗口4后正对待焊位置；通过磁场发生器12设置磁场强度；按照上述参数首先打开磁场发生器13，待磁场稳定后，启动激光器1与自动行走机构6；焊接过程中激光头2保持不动，自动行走机构6带动板材行走完成焊接过程；焊接完成后，关闭激光器1与磁场发生器12，打开泄气阀7，打开仓门，取出样件。

在一种具体的实施方式中，焊镁合金板材的厚度为10mm，焊接要求为堆焊焊缝，焊接方式为激光焊接，采用的工艺参数为：激光功率为3000W，离焦量为0mm，真空度为10kPa，自动行走行程为200mm，行走速度为2m/min，磁场强度为10T。

参见图4-5，未施加磁场时，焊接窗口被污染的很严重；施加磁场后，焊接窗口上基本没有镁合金挥发物，焊接过程能够正常进行。

参见图6-7，未施加磁场时，在焊接刚开始阶段，焊缝表面能正常成形，焊接进行一段时间后，由于镁合金等离子羽烟对焊接窗口的污染作用以及对激光的屏蔽作用，导致焊缝表面无法成形；施加磁场后，焊接过程中激光能量正常作用到待焊板材上，且焊缝表面成形良好，焊缝表面未出现氧化问题。

参见图8-9，通过对焊缝横截面进行观察发现，焊缝熔深有较大程度的增加，说明激光能量的利用效率得到很大程度的提升。

本发明的实现原理为：激光与镁合金作用产生的金属蒸汽为带电粒子，其运动方向基本上是从待焊板材表面往上运动。当我们在待焊板材上部施加一个方向与带电粒子运动方向垂直的磁场后，根据左手定则，带电粒子会受到一个指向侧面的力，从而使竖直运动的带电粒子运动方向由原来的竖直运动改为向侧边运动，这样焊接镁合金时产生的带电粒子便不会再喷射到焊接窗口，同时偏离激光所在的通道，保证焊接过程的正常进行与激光能量的高效吸收。

虽然本发明所揭示的实施方式如上,但其内容只是为了便于理解本发明的技术方案而采用的实施方式,并非用于限定本发明。任何本发明所属技术领域内的技术人员,在不脱离本发明所揭示的核心技术方案的前提下,可以在实施的形式和细节上做任何修改与变化,但本发明所限定的保护范围,仍须以所附的权利要求书限定的范围为准。

以上附图及解释说明仅为本发明的一种具体实施方式，但本发明的具体保护范围不仅限以上解释说明，任何在本发明揭露的技术思路范围内，及根据本发明的技术方案加以简单地替换或改变，都应在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种解决镁合金负压激光焊接能量屏蔽的电磁装置，所述电磁装置包括激光器(1)、激光头(2)、焊接机器人，所述激光器(1)与激光头(2)连接，所述焊接机器人的数控系统与机器臂、激光发生器连接，所述机器臂末端接装激光头，其特征在于，所述装置包括负压仓(3)，所述负压仓(3)内设置行走机构(6)，所述行走机构(6)上设置载物台(5)，所述负压仓(3)顶部设置焊接窗口(4)，所述激光头(2)设置在焊接窗口(4)上方，所述负压仓(3)上部设置可通电线圈(11)，所述可通电线圈(11)均匀布置在激光束的两侧，所述可通电线圈(11)与位于负压仓(3)外的磁场发生器(12)连接。

2.根据权利要求1所述的解决镁合金负压激光焊接能量屏蔽的电磁装置，其特征在于，所述行走机构(6)为自动行走机构(6)，该行走机构(6)与设置在所述负压仓(3)外部的行走控制器(13)连接，行走控制器(13)控制行走机构(6)的移动。

3.根据权利要求2所述的解决镁合金负压激光焊接能量屏蔽的电磁装置，其特征在于，所述负压仓(3)与设置在负压仓(3)外部的真空泵(10)连接，所述真空泵(10)为负压仓(3)提供负压。

4.根据权利要求3所述的解决镁合金负压激光焊接能量屏蔽的电磁装置，其特征在于，所述负压仓(3)的顶部设置泄气阀门(7)。

5.根据权利要求4所述的解决镁合金负压激光焊接能量屏蔽的电磁装置，其特征在于，所述负压仓(3)的顶部设置测压表(8)。

6.根据权利要求5所述的解决镁合金负压激光焊接能量屏蔽的电磁装置，其特征在于，所述真空泵(10)与负压仓(3)连接的管道上设置控制阀门(9)。

7.一种解决镁合金负压激光焊接能量屏蔽方法，其特在在于，所述方法基于权利要求1-6任一项所述的装置实现，所述方法包括如下步骤：

步骤一：将待焊镁合金进行打磨或者清洗；

步骤二：将打磨或者清洗后的待焊工件固定在载物台(5)上；

步骤三：关闭仓门、泄气阀门，设置负压仓(3)负压状态；

步骤四：通过行走控制器确定行走机构(6)的行程与速度；

步骤五：通过数控系统输入焊接参数，控制行走控制器(13)调整激光头(2)与待焊板材的相对位置，使激光在通过焊接窗口(4)后正对待焊位置；

步骤六：通过磁场发生器(12)设置磁场强度；

步骤七：首先打开磁场发生器(12)，待磁场稳定后，启动激光器(1)与自动行走机构(6)；焊接过程中激光头(2)保持不动，行走机构(6)带动板材行走完成焊接过程；

步骤八：焊接完成后，关闭激光器(1)与磁场发生器(12)，打开泄气阀，打开仓门，取出样件。

8.根据权利要求7所述的解决镁合金负压激光焊接能量屏蔽的电磁方法，其特征在于，所述步骤五的焊接参数包括：激光功率、离焦量、出光时间。

9.根据权利要求8所述的解决镁合金负压激光焊接能量屏蔽的电磁方法，其特征在于，所述步骤三中的负压仓(3)的负压状态的获得方法为，启动真空泵(10)对负压仓(3)抽真空得到。

10.根据权利要求9所述的解决镁合金负压激光焊接能量屏蔽的电磁方法，其特征在于，所述步骤四确定行走机构(6)的行程与速度之前，通过测压表监测负压仓(3)内的压力情况，达到所需环境压力后，关闭真空泵(10)与控制阀门。

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