CN1833807A - 用交变磁场控制和驱散激光焊接中的等离子体 - Google Patents

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Abstract

在用激光进行焊接时，在工件表面将形成等离子体而妨碍焊接的进行并影响焊接的质量。目前较广泛采用的办法是用保护气体吹除来驱散等离子体，但由于保护气体较贵且保护气体吹除会影响焊接的质量。本发明的要点是用不同电相位的电流所感应的交变磁场而形成的运动磁场与等离子体相互作用，使等离子体在运动磁场作用下旋转起来或直线运动达到控制和驱散等离子体的目的，而避免保护气体吹除的缺点，在进行激光深溶焊接时，旋转磁场可使溶池中的液态金属旋转起来，挤向四周而加大激光束的工作深度。本运动磁场发生装置的工作原理但和一般感应电动机静子一样，因此，一般感应电动机静子所用材料及制作工艺均可用于制作此装置。附图是用旋转磁场来控制和驱散等离子体的示意图。1为激光束，2为等离子体，3为工件，4为磁极，截面为矩形(也可做成其它形状)，5为绕组，6为截面的矩形的环形磁路。6个磁极的绕组分别依次接入三相电源A，B，C，N，S为某一时刻的磁场方向。

Description

用交变磁场控制和驱散激光焊接中的等离子体
技术领域：一种控制和驱散激光焊接中的等离子体的技术。
背景技术：在用高功率激光进行焊接时，在工件表面上会形成等离子体，这个等离子体将影响焊接的正常进行(参考文献[2]P80，[2]P128)。对于激光焊接中的等离子体目前采用的主要方法是用保护气体吹除等离子体(参考文献[2]P80，[3])，然而这种方法的缺点是保护气体比较昂贵，且由于保护气体与工件的相互作用，使焊接的质量难以控制(参考文献[3])，且只能有效地抑制粉红色的等离子体而不能完全抑制天蓝色的等离子体。(参考文献[4]P135)。其它方法如激光脉冲和激光摆动以及真空激光焊接法由于工艺复杂而缺乏实用性。(参考文献[1]P80)
根据本申请人所获得最新出版物(参考文献[1])以及从VIP和SDOS检索尚未发现有其它被广泛采用的方法，在www.sipo.gov.cn“专利检索”的“名称”一拦中键入”激光焊接“，及”激光焊接等离子体”也均未检索出有关的专利。
发明内容：本发明提出一个方案。，它能比上述保护气体吹除方法更有效地控制和驱散激光焊接等离子体。且可以避免保护气体吹除法的缺点，并有助于激光焊接的进行。本发明的具体技术是使用交变磁场来控制和驱散激光焊接等离子体。交变磁场由通以交流电的绕组和磁芯产生，用不同电相位的电流(一般为三相，50Hz，220或380V)联结不同的磁极，并使其按一定相位顺序循环排列，通电后即产生一个等效的运动磁场。如果这些磁极沿圆周排列且磁极指向圆心(如图1)即产生一个旋转磁场，这个原理和一般感应电动机静子中产生旋转磁场的原理是一样的。由于等离子体是一种导体，如果将旋转磁场的中心对准等离子体的圆心，则等离子体在旋转磁场的作用下将旋转起米，这个原理和实心转子感应电动机的工作原理是一样的(参考文献[5])。等离子体在旋转磁场的作用下旋转起来后，一方面与周围冷空气发生强烈的热和质量交换，另一方面由于离心力的作用，等离子体向四周扩散，等离子体的高度将低，且在其中心形成低压，而吸入冷空气，使等离子体形成酒杯状，此时.等离子体成为笼式转子而继续旋转。一方面其内外表面均与周围冷空气发生激烈的热和质量交换，一方面继续向四周扩散，直至等离子大部被周围冷空气冷却稀释和猝灭。即被控制驱散到激光束可正常工作的程度。
旋转磁场的圆心也可以不与等离子体的中心重合，只要等离子体在旋转磁场的作用范围内也能达到控制和驱散效果。
根据参考文献[3]，等离子体的直径小于25mm而高度小于50mm，如果这样一个“实心转子”是金属导体，则是一个微型实心转子感应电动机.，目前尚未获得激光焊接等离子体的导电率数据，预计将大大低于一般金属导体的值，但等离子体的密度因是气体，且温度很高其密度也将大大低于一般金属导体的值。因此粗略的估计为使等离子体旋转起来的磁场强度和一般微型实心转子感应电动机的磁场强度可能处于同一数量级，在技术上是可以实现的。
如果这些磁极沿直线排列，则将形成一个以一定速度沿直线运动的磁场。和直线感应电动机工作原理一样，这些磁极组成直线感应电动机的初级，而等离子体成为次级。于是这个运动磁场将等离子体向磁场运动方向驱动，离开激光束，并在与周围冷空气进行热和质量交换，受到冷却稀释和猝灭，即被驱散到激光束可正常工作的程度。
以上所说的工作原理和运动磁场来搅拌液态金属，以及在浮法玻璃生产中用交变磁场来驱散玻璃面上的溶化的锡层的原理是一样的(参考文献[5]P177)。
使用上述的运动磁场发生部件可以控制和驱散等离子体只需消耗较小的电能，且不会对焊接的热工况产生影响，从而能避免保护气体吹除的缺点。
在用旋转磁场来驱散。等离子体时，由于部分磁力线将通过工件表面层，因此在进行激光深溶焊接时，这个旋转磁场不但可以驱散孔中的等离子体，也可使孔中的液态金属也旋转起来，由于离心力的作用使液态金属挤向四周，而加大激光束的工作深度。这个功能是任何现有的其它控制和驱散等离子体的技术所不具备的。
附图说明：图1是用旋转磁场来控制和驱散等离子体的示意图。1为激光束，2为等离子体，3为工件，4为磁极，截面为矩形(也可做成其它形状)，5为绕组，6为截面的矩形的环形磁路。6个磁极的绕组分别依次接入A，B，C三相电源N.S为某一时刻的磁场方向。
图2是用直线动的运动磁场来控制和驱散等离子体的示意图，1为激光束，2为等离子体，3为工件，4为磁极。5为绕组，和一般感应电动机静子的绕组一样，如图2-a所示，6为截面为矩形的路。N.S为某一时刻的磁场方向。
图2-a为直线运动磁场绕组的一般情况，其中序号1.2.3为绕组所放置的线槽序号，序号所示的直线代表示绕组置于线槽内的有效边。绕组也可为具它形式。U，W，V分别代表联接A，B，C三相电流的绕组。
具体实施方式，由于上述的工作原理是运动磁场和等离子体的相互作，而运动磁场的产生装置和感应电动机静子是一样的，其制造技术是可行的。由于本发明尚未同类先例，且目前对激光焊接等离子体的了解甚少，因此装置的具体尺寸，结构，以及所用磁场强度的大小，尚需通过多次试验才能确定。
本说明书所述的图1，图2的运动磁场发生装置仅作为说明例子，所选用的不同电相位的电流的相位数既可多于3也可少于3，所用电源周率既可为50HZ也可大于或小于50HZ。电压不同于220或V380V，所用磁极数也可多于少于图中所示数量，但只要能形成的运动磁场即可。
将运动磁场发生装置与激光束的支架连在一起，当激光束行走时保持运动磁场发生装置与激光束同步行走即可。
参考文献
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5.特种电机唐任远主编机械工业出版社1998年5月。

Claims (8)

1一种控制和驱散激光焊接中的等离子体的技术，其特征是用用不同电相位的电流联结不同磁极的绕组，并使其按一定相位顺序循环排列，通电后所产生的交变磁场而形成的运动磁场与等离子体相互作用而达到控制和驱散等离子体的效果。
2根据权利保护1所述的技术，其特征是用三相电源分别依次沿圆周循环地接入磁极的绕组而产生旋转磁场，与等离子体相互作用，使等离子体旋转起来。
3根据权利保护1所述的技术，其特征是铁芯做成直线排列，按一般直线感应电动机静子的形式绕组，通电后产生直线运动磁场，在等离子体的两侧或一侧放置，与等离子体相互作用使等离子体作直线运动。
4根据权利保护1，其特征是运动磁场的发生装置包括做成旋转和直线运动相结合的运动磁场的发生装置，与等离子体进行相互作用。
5根据权利保护1，其特征是所用交流电的电相位数一般为三相，周率一般为50Hz，电压一般为220或V380V，但包括电相位数不同于3，其周率不同于50Hz，电压不同于220或V380V的电流。
6根据权利保护1，其特征是所用磁极的数量，排列及绕组形式包括可以产生运动磁场的各种选择。
7根据权利保护1，其特征是运动磁场与等离子体相互作用包括运动磁场从各种方位与等离子体产生各种相对运动所起的相互作用
8根据权利保护1，用权利保护1-6的任何一种方法和装置，或其各种组合来控制和驱散其它情况的等离子体。
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