專利名稱：外加高頻磁場(chǎng)的激光熔化極電弧旁軸復(fù)合焊接裝置及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及材料加工技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及外加高頻磁場(chǎng)的激光熔化極電弧旁軸復(fù)合焊接裝置及方法。
背景技術(shù)：
國(guó)內(nèi)外研究表明，激光與電弧兩種熱源的有機(jī)復(fù)合，激光熔化極電弧復(fù)合焊接，雖然能夠顯著提高焊接效率和焊接質(zhì)量，克服單一熱源焊接時(shí)所存在的不足，然而，在大功率激光電弧復(fù)合焊接過(guò)程中，仍然存在一定的焊接飛濺影響焊接表面形貌及焊縫成型質(zhì)量，尤其是焊接鋁、銅等激光高反材料時(shí)，還存在比較嚴(yán)重的氣孔、駝峰等焊接缺陷，另外，激光所產(chǎn)生的光致等離子體會(huì)對(duì)激光產(chǎn)生屏蔽作用，同時(shí)這種屏蔽作用會(huì)影響電弧穩(wěn)定燃燒的能力和熔化極焊熔滴的順利過(guò)渡，影響焊接質(zhì)量，繼續(xù)降低激光利用率，影響電弧穩(wěn)定燃燒的能力，同時(shí)還會(huì)對(duì)熔化極焊熔滴過(guò)渡過(guò)程和熔池金屬流動(dòng)產(chǎn)生不良影響，產(chǎn)生焊接飛濺、氣孔等缺陷，影響焊縫成形質(zhì)量。在激光噴嘴和工件之間外加高頻磁場(chǎng)，能夠使等離子體中的帶電粒子在洛倫茲力的作用下發(fā)生運(yùn)動(dòng)，其密度和分布以及等離子體的形狀和位置均會(huì)發(fā)生改變，從而降低光致等離子體對(duì)激光的屏蔽效應(yīng)，提高激光能量利用率，提高焊接電弧穩(wěn)定燃燒能力，同時(shí)由于屏蔽效應(yīng)的減弱和外加磁場(chǎng)本身對(duì)熔滴過(guò)渡的促進(jìn)作用，焊接飛濺和氣孔率會(huì)降低?；谝陨险J(rèn)識(shí)，本發(fā)明提出一種外加磁場(chǎng)的激光熔化極電弧旁軸復(fù)合焊接裝置及方法，利用外加磁場(chǎng)，減弱激光產(chǎn)生的光致等離子體對(duì)激光的屏蔽作用，提高電弧自身穩(wěn)定燃燒能力，促進(jìn)熔滴順利過(guò)渡和熔池金屬的充分流動(dòng)，降低焊接過(guò)程中產(chǎn)生的飛濺和焊縫中的氣孔等缺陷，除此之外，外加高頻磁場(chǎng)本身由于電磁攪拌作用有利于熔池金屬的流動(dòng)以及焊縫晶粒組織的細(xì)化，降低焊縫氣孔率和裂紋率，提高焊接接頭組織性能，進(jìn)而從各方面有效改善激光熔化極電弧旁軸復(fù)合焊接的焊縫成形，裝置體積小，成本低，與激光電弧復(fù)合焊接頭連接方式簡(jiǎn)便，有廣闊的市場(chǎng)及應(yīng)用前景。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種減小光致等立體對(duì)激光的屏蔽作用，提高電弧自身穩(wěn)定燃燒能力，促進(jìn)熔滴順利過(guò)渡和熔池金屬的充分流動(dòng)，降低焊接過(guò)程中產(chǎn)生的飛濺和焊縫中的氣孔的外加高頻磁場(chǎng)的激光電弧旁軸復(fù)合焊接裝置及方法。為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn):外加高頻磁場(chǎng)的激光熔化極電弧旁軸復(fù)合焊接裝置，包括焊機(jī)、焊槍、焊絲、激磁線圈、激磁電源、復(fù)合焊接頭焊槍裝夾機(jī)構(gòu)、連接件、激光頭和復(fù)合焊接頭連接件，所述的焊機(jī)的正負(fù)極分別與工件和焊槍相連接，焊槍依次穿過(guò)復(fù)合焊接頭焊槍裝夾機(jī)構(gòu)、連接件和激磁線圈與焊絲相連接，激磁線圈兩端分別與激磁電源的正負(fù)極相連接；所述的復(fù)合焊接頭焊槍裝夾機(jī)構(gòu)通過(guò)復(fù)合焊接頭連接件與激光頭相連接；所述的復(fù)合焊接頭焊槍裝夾機(jī)構(gòu)通過(guò)連接件與激磁線圈相連接。
所述的激磁線圈由6-8_的銅管纏繞而成，其線圈匝數(shù)為4-6匝，銅管外側(cè)套有不銹鋼保護(hù)罩，將銅管中產(chǎn)生的磁場(chǎng)包圍在封閉的密閉空間，使銅管產(chǎn)生的磁場(chǎng)充分加到焊接區(qū)域，提高電磁利用率；銅管內(nèi)部通有冷卻水，銅管通過(guò)接線柱與激磁電源相連接，其電壓為10-20伏，激磁線圈產(chǎn)生頻率為I 20KHz的高頻磁場(chǎng)。所述的焊槍熔化極氣體保護(hù)焊槍。外加高頻磁場(chǎng)的激光電弧旁軸復(fù)合焊接方法，按以下步驟完成:I)首先將焊機(jī)的正負(fù)極分別接至工件和焊槍，然后將激磁電源輸出端接至激磁線圈上，將焊槍裝卡在復(fù)合焊接頭焊槍裝夾機(jī)構(gòu)上，確定焊接行走路徑；2)打開(kāi)激磁電源，由激磁電源產(chǎn)生的激磁電流，供電給與復(fù)合焊接頭焊槍裝卡機(jī)構(gòu)連接的激磁線圈，使激磁線圈在激光熔化極電弧旁軸復(fù)合焊接區(qū)域產(chǎn)生頻率為I 20KHz的高頻磁場(chǎng)，在激光熔化極電弧旁軸復(fù)合焊接區(qū)域產(chǎn)生的高頻磁場(chǎng)作用于激光產(chǎn)生的光致等離子體，減小光致等立體對(duì)激光的屏蔽作用，提高激光利用率，同時(shí)還作用于焊接電弧，由于外加磁場(chǎng)的高頻率的變化和電弧等離子體和空氣磁導(dǎo)率的差異，就會(huì)在電弧內(nèi)外形成一個(gè)磁壓力差Λ P，該磁壓力差會(huì)對(duì)電弧產(chǎn)生高頻磁壓縮效應(yīng)，提高電弧能量密度和挺度，壓縮電弧半徑，提高激光熔化極電弧旁軸復(fù)合焊接中電弧自身穩(wěn)定燃燒能力，由于屏蔽效應(yīng)的減弱以及磁場(chǎng)本身對(duì)熔滴的促進(jìn)作用，還會(huì)使復(fù)合焊接過(guò)程中的熔滴順利過(guò)渡，進(jìn)而改善激光熔化極電弧旁軸復(fù)合焊接工藝；3)打開(kāi)保護(hù)氣進(jìn)行焊接，觀察焊縫成形情況，通過(guò)調(diào)節(jié)I 200Α的激磁電流和25% 75%的占空比來(lái)調(diào)整高頻磁場(chǎng)的引入強(qiáng)度，通過(guò)調(diào)節(jié)I 20ΚΗζ的激磁電流頻率來(lái)調(diào)整高頻磁場(chǎng)的引入頻率，焊縫熔深會(huì)隨著激磁電流頻率和磁場(chǎng)強(qiáng)度的增加而增加，在相同的I 500Α的焊接電流和I 6000W的激光功率下，外加高頻磁場(chǎng)比不加磁場(chǎng)激光熔化極電弧旁軸復(fù)合焊接的焊縫熔深有明顯增加，增加幅度為10% 35%左右，焊接熱影響區(qū)的晶粒組織變得細(xì)密，脆硬傾向明顯降低。與現(xiàn)有的技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是:外加高頻磁場(chǎng)的激光熔化極電弧旁軸復(fù)合焊接裝置及方法，具有體積小、成本低、實(shí)用性強(qiáng)的特點(diǎn)，激磁線圈作用于激光產(chǎn)生的光致等離子體減小光致等立體對(duì)激光的屏蔽作用，提高電磁利用率和電弧自身穩(wěn)定燃燒能力，促進(jìn)熔滴順利過(guò)渡和熔池金屬的充分流動(dòng)，降低焊接過(guò)程中產(chǎn)生飛濺和焊縫中的氣孔等缺陷，由于激磁線圈本身電磁攪拌作用有利于熔池金屬的流動(dòng)以及焊縫晶粒組織的細(xì)化，降低焊縫氣孔率和裂紋率，提高焊接接頭組織性能，優(yōu)化了激光熔化極電弧旁軸復(fù)合焊接工藝，有廣闊的市場(chǎng)前景。


圖1是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)圖。I 一焊機(jī)2—焊槍3—焊絲4 一工件5—激磁線圈6—激磁電源7—復(fù)合焊接頭焊槍裝夾機(jī)構(gòu)8—連接件9一激光束10—激光頭11一復(fù)合焊接頭連接件
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方式
進(jìn)一步說(shuō)明:如圖1所示，本發(fā)明外加高頻磁場(chǎng)的激光熔化極電弧旁軸復(fù)合焊接裝置，包括焊機(jī)1、焊槍2、焊絲3、激磁線圈5、激磁電源6、復(fù)合焊接頭焊槍裝夾機(jī)構(gòu)7、連接件8、激光頭10和復(fù)合焊接頭連接件11，所述的焊機(jī)I的正負(fù)極分別與工件4和焊槍2相連接，焊槍2依次穿過(guò)復(fù)合焊接頭焊槍裝夾機(jī)構(gòu)7、連接件8和激磁線圈5與焊絲3相連接，激磁線圈5兩端分別與激磁電源6的正負(fù)極相連接；所述的復(fù)合焊接頭焊槍裝夾機(jī)構(gòu)7通過(guò)復(fù)合焊接頭連接件11與激光頭10相連接；所述的復(fù)合焊接頭焊槍裝夾機(jī)構(gòu)7通過(guò)連接件8與激磁線圈5相連接；所述的激磁線圈5由6-8mm的銅管纏繞而成,其線圈阻數(shù)為4_6 BL銅管外側(cè)套有不銹鋼保護(hù)罩，將銅管中產(chǎn)生的磁場(chǎng)包圍在封閉的密閉空間，使銅管產(chǎn)生的磁場(chǎng)充分加到焊接區(qū)域，提高電磁利用率；銅管內(nèi)部通有冷卻水，銅管通過(guò)接線柱與激磁電源6相連接，其電壓為10-20伏，激磁線圈5產(chǎn)生頻率為I 20KHz的高頻磁場(chǎng)；所述的焊槍熔化極氣體保護(hù)焊槍。外加高頻磁場(chǎng)的激光熔化極電弧旁軸復(fù)合焊接方法，按以下步驟完成:I)首先將焊機(jī)I的正負(fù)極分別接至工件4和焊槍2，然后將激磁電源6輸出端接至激磁線圈5上，將焊槍2裝卡在復(fù)合焊接頭焊槍裝夾機(jī)構(gòu)7上，確定焊接行走路徑；2)打開(kāi)激磁電源6，由激磁電源6產(chǎn)生的激磁電流，供電給與復(fù)合焊接頭焊槍裝卡機(jī)構(gòu)7連接的激磁線圈5，使激磁線圈5在激光熔化極電弧旁軸復(fù)合焊接區(qū)域產(chǎn)生頻率為I 20KHz的高頻磁場(chǎng)，在激光熔化極電弧旁軸復(fù)合焊接區(qū)域產(chǎn)生的高頻磁場(chǎng)作用于激光產(chǎn)生的光致等離子體，減小光致等立體對(duì)激光的屏蔽作用，提高激光利用率，同時(shí)還作用于焊接電弧，由于外加磁場(chǎng)的高頻率的變化和電弧等離子體和空氣磁導(dǎo)率的差異，就會(huì)在電弧內(nèi)外形成一個(gè)磁壓力差Λ P，該磁壓力差會(huì)對(duì)電弧產(chǎn)生高頻磁壓縮效應(yīng)，提高電弧能量密度和挺度，壓縮電弧半徑，提高激光熔化極電弧旁軸復(fù)合焊接中電弧自身穩(wěn)定燃燒能力，由于屏蔽效應(yīng)的減弱以及磁場(chǎng)本身對(duì)熔滴的促進(jìn)作用，還會(huì)使復(fù)合焊接過(guò)程中的熔滴順利過(guò)渡，進(jìn)而改善激光熔化極電弧旁軸復(fù)合焊接工藝；3)打開(kāi)保護(hù)氣進(jìn)行焊接，觀察焊縫成形情況，通過(guò)調(diào)節(jié)I 200Α的激磁電流和25% 75%的占空比來(lái)調(diào)整高頻磁場(chǎng)的引入強(qiáng)度，通過(guò)調(diào)節(jié)I 20ΚΗζ的激磁電流頻率來(lái)調(diào)整高頻磁場(chǎng)的引入頻率，焊縫熔深會(huì)隨著激磁電流頻率和磁場(chǎng)強(qiáng)度的增加而增加，在相同的I 500Α的焊接電流和I 6000W的激光功率下，外加高頻磁場(chǎng)比不加磁場(chǎng)激光熔化極電弧旁軸復(fù)合焊接的焊縫熔深有明顯增加，增加幅度為10% 35%左右，焊接熱影響區(qū)的晶粒組織變得細(xì)密，脆硬傾向明顯降低。實(shí)施例一鍍鋅鋼板Q345B與7075鋁合金材料的激光熔化極電弧旁軸復(fù)合焊接，利用外加高頻磁場(chǎng)輔助激光熔化極電弧旁軸復(fù)合焊接方法，焊接工件4厚度為3mm，對(duì)接接頭，復(fù)合焊接工藝參數(shù)為:直流熔化極焊接，激磁電源6正極接到激磁線圈5的上端，激磁電源6負(fù)極接到激磁線圈5的下端，焊絲3直徑Φ2-4πιπι ;焊接電流100-220Α ;激磁電流頻率I 20ΚΗζ ；占空比25% 50% ；IPG YLS-6000光纖激光器，功率3500W，光斑直徑1mm，焊接速度
0.1-3.5m/min,通過(guò)參數(shù)優(yōu)化,達(dá)到所需的接頭性能。上面所述僅是本發(fā)明的基本原理，并非對(duì)本發(fā)明作任何限制，凡是依據(jù)本發(fā)明對(duì)其進(jìn)行等同變化和修飾，均在本專利技術(shù)保護(hù)方案的范疇之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.外加高頻磁場(chǎng)的激光熔化極電弧旁軸復(fù)合焊接裝置，其特征在于，包括焊機(jī)、焊槍、焊絲、激磁線圈、激磁電源、復(fù)合焊接頭焊槍裝夾機(jī)構(gòu)、連接件、激光頭和復(fù)合焊接頭連接件，所述的焊機(jī)的正負(fù)極分別與工件和焊槍相連接，焊槍依次穿過(guò)復(fù)合焊接頭焊槍裝夾機(jī)構(gòu)、連接件和激磁線圈與焊絲相連接，激磁線圈兩端分別與激磁電源的正負(fù)極相連接；所述的復(fù)合焊接頭焊槍裝夾機(jī)構(gòu)通過(guò)復(fù)合焊接頭連接件與激光頭相連接；所述的復(fù)合焊接頭焊槍裝夾機(jī)構(gòu)通過(guò)連接件與激磁線圈相連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的外加高頻磁場(chǎng)的激光熔化極電弧旁軸復(fù)合焊接裝置，其特征在于，所述的激磁線圈由6-8mm的銅管纏繞而成，其線圈匝數(shù)為4_6匝，銅管外側(cè)套有不銹鋼保護(hù)罩，將銅管中產(chǎn)生的磁場(chǎng)包圍在封閉的密閉空間，使銅管產(chǎn)生的磁場(chǎng)充分加到焊接區(qū)域，提高電磁利用率；銅管內(nèi)部通有冷卻水，銅管通過(guò)接線柱與激磁電源相連接，其電壓為10-20伏，激磁線圈產(chǎn)生頻率為I 20KHz的高頻磁場(chǎng)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的外加高頻磁場(chǎng)的激光熔化極電弧旁軸復(fù)合焊接裝置，其特征在于，所述的焊槍熔化極氣體保護(hù)焊槍。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的外加高頻磁場(chǎng)的激光熔化極電弧旁軸復(fù)合焊接方法，其特征在于，按以下步驟完成: 1)首先將焊機(jī)的正負(fù)極分別接至工件和焊槍，然后將激磁電源輸出端接至激磁線圈上，將焊槍裝卡在復(fù)合焊接頭焊槍裝夾機(jī)構(gòu)上，確定焊接行走路徑； 2)打開(kāi)激磁電源，由激磁電源產(chǎn)生的激磁電流，供電給與復(fù)合焊接頭焊槍裝卡機(jī)構(gòu)連接的激磁線圈，使激磁線圈在激光熔化極電弧旁軸復(fù)合焊接區(qū)域產(chǎn)生頻率為I 20KHz的高頻磁場(chǎng)，在激光熔化極電弧旁軸復(fù)合焊接區(qū)域產(chǎn)生的高頻磁場(chǎng)作用于激光產(chǎn)生的光致等離子體，減小光致等立體對(duì)激光的屏蔽作用，提高激光利用率，同時(shí)還作用于焊接電弧，由于外加磁場(chǎng)的高頻率的變化和電弧等離子體和空氣磁導(dǎo)率的差異，就會(huì)在電弧內(nèi)外形成一個(gè)磁壓力差Λ P，該磁壓力差會(huì)對(duì)電弧產(chǎn)生高頻磁壓縮效應(yīng)，提高電弧能量密度和挺度，壓縮電弧半徑，提高激光熔化極電弧旁軸復(fù)合焊接中電弧自身穩(wěn)定燃燒能力，由于屏蔽效應(yīng)的減弱以及磁場(chǎng)本身對(duì)熔滴的促進(jìn)作用，還會(huì)使復(fù)合焊接過(guò)程中的熔滴順利過(guò)渡，進(jìn)而改善激光熔化極電弧旁軸復(fù)合焊接工藝； 3)打開(kāi)保護(hù)氣進(jìn)行焊接，觀察焊縫成形情況，通過(guò)調(diào)節(jié)I 200Α的激磁電流和25% 75%的占空比來(lái)調(diào)整高頻磁場(chǎng)的引入強(qiáng)度，通過(guò)調(diào)節(jié)I 20ΚΗζ的激磁電流頻率來(lái)調(diào)整高頻磁場(chǎng)的引入頻率，焊縫熔深會(huì)隨著激磁電流頻率和磁場(chǎng)強(qiáng)度的增加而增加，在相同的I 500Α的焊接電流和I 6000W的激光功率下，外加高頻磁場(chǎng)比不加磁場(chǎng)激光熔化極電弧旁軸復(fù)合焊接的焊縫熔深有明顯增加，增加幅度為10% 35%左右，焊接熱影響區(qū)的晶粒組織變得細(xì)密，脆硬傾向明顯降低。
全文摘要
本發(fā)明涉及外加高頻磁場(chǎng)的激光熔化極電弧旁軸復(fù)合焊接裝置，包括焊機(jī)、焊槍、焊絲、激磁線圈、激磁電源、復(fù)合焊接頭焊槍裝夾機(jī)構(gòu)、連接件、激光頭和復(fù)合焊接頭連接件。與現(xiàn)有的技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是具有體積小、成本低、實(shí)用性強(qiáng)的特點(diǎn)，激磁線圈作用于激光產(chǎn)生的光致等離子體減小光致等立體對(duì)激光的屏蔽作用，提高電磁利用率和電弧自身穩(wěn)定燃燒能力，促進(jìn)熔滴順利過(guò)渡和熔池金屬的充分流動(dòng)，降低焊接過(guò)程中產(chǎn)生飛濺和焊縫中的氣孔等缺陷，由于激磁線圈本身電磁攪拌作用有利于熔池金屬的流動(dòng)以及焊縫晶粒組織的細(xì)化，降低焊縫氣孔率和裂紋率，提高焊接接頭組織性能，優(yōu)化了激光熔化極電弧旁軸復(fù)合焊接工藝，有廣闊的市場(chǎng)前景。
文檔編號(hào)B23K28/02GK103170753SQ20131013371
公開(kāi)日2013年6月26日 申請(qǐng)日期2013年4月17日 優(yōu)先權(quán)日2013年4月17日
發(fā)明者傅新皓, 徐國(guó)建, 唱麗麗, 黃雪 申請(qǐng)人:鞍山煜宸科技有限公司