一種電磁力輔助脈沖激光焊接方法及焊接裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ] 本發(fā)明涉及一種焊接技術(shù)領(lǐng)域，特別是一種電磁力輔助脈沖激光焊接方法及焊接
目.0
【背景技術(shù)】
[0002]焊接是現(xiàn)代制造業(yè)中最為重要的材料成形技術(shù)之一。激光焊接作為新型焊接技術(shù)，以其能量密度高、焊接速度快、熔深大、熱影響區(qū)小、焊縫成形好、易于自動(dòng)化控制等優(yōu)點(diǎn)日益受到重視。廣泛應(yīng)用于航空航天、武器制造、船舶制造、汽車制造、微電子制造、壓力容器制造、民用及醫(yī)用等領(lǐng)域。
[0003]隨著大功率激光器的發(fā)展，激光深熔焊技術(shù)在工業(yè)領(lǐng)域越來越得到廣泛的使用，激光焊接的熔深也進(jìn)一步增加，但激光深熔焊尤其是激光焊接厚板易出現(xiàn)氣孔和組織嚴(yán)重不均勻問題，是典型的焊接冶金缺陷。
[0004]而激光焊接氣孔主要有冶金氣孔和工藝氣孔。冶金氣孔是由于氣體在熔池的溶解度隨溫度變化顯著大量吸附和析出聚集造成，而工藝氣孔主要是焊接時(shí)溶池中的匙孔瞬間失穩(wěn)。前者一般形態(tài)圓滑且體積較小，通過焊接前處理、焊接時(shí)間控制，實(shí)際過程發(fā)現(xiàn)對(duì)焊接接頭影響有效。后者形成的氣孔一般形狀不規(guī)則，直徑較大。使有效的工作橫截面變小、機(jī)械性能隨之顯著下降，并使得焊接部位致密性變差，降低氣密性。此外，氣孔不規(guī)則邊緣處可能會(huì)發(fā)生應(yīng)力的集中現(xiàn)象，使焊縫塑性降低。
[0005]組織嚴(yán)重不均勻主要是由于激光焊接過冷度大，焊縫冷卻速度快，熔池未及充分流動(dòng)、混合就已經(jīng)凝固，可能導(dǎo)致宏觀焊縫邊緣出現(xiàn)粗大的柱狀晶組織，再往中心將生成第二相甚至夾雜物，中心一般為等軸晶，會(huì)出現(xiàn)組織的顯著不均勻，極易在焊接應(yīng)力、時(shí)效等后過程中出現(xiàn)延時(shí)裂紋。試驗(yàn)分析發(fā)現(xiàn)，夾雜物和不均勻組織，對(duì)焊接接頭的抗疲勞性能、拉伸性能等造成顯著影響。
[0006]所以，消除激光焊接工藝氣孔和組織不均勻，減少焊接工件負(fù)載過程中的應(yīng)力集中，消除夾雜物及不均勻組織，是提高激光深熔焊接工藝質(zhì)量的關(guān)鍵。
[0007]目前，解決激光深熔焊接氣孔問題主要有三種方法。一是單純使用脈沖波形激光，改變了小孔的行為，減少保護(hù)氣體被卷入小孔；二是采用活性氣體，使得氣體能夠溶解于焊縫或與熔池金屬發(fā)生反應(yīng)生成化合物。三是采用輔助激光束進(jìn)行焊接，對(duì)焊縫進(jìn)行加熱保溫甚至重新融化，新開一條氣孔逸出的通道，增加氣孔的聚集和逸出。但目前這些方法存在著不能完全消除氣孔，氣孔消除效率低，或帶來焊接熱影響區(qū)變大，吸收其他氣體造成焊縫韌性下降等問題。
[0008]目前，解決激光深熔焊接組織不均勻問題的方法主要有:采用周期性的脈沖激光對(duì)熔池進(jìn)行周期性地能量輸入，形成周期性出現(xiàn)的溫度梯度，在此梯度作用下產(chǎn)生張力差異，對(duì)熔池進(jìn)行攪拌均勻；在該方法中，脈沖調(diào)制的控制難度大，尤其對(duì)異種材料激光焊接經(jīng)驗(yàn)證效果非常差。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009]本發(fā)明的主要目的是提供一種電磁力輔助脈沖激光焊接的方法與焊接裝置，本發(fā)明的技術(shù)方案可以顯著的降低甚至消除激光焊接時(shí)氣孔和組織不均勻，對(duì)由于“匙孔”不穩(wěn)定、提前閉合而產(chǎn)生的工藝氣孔進(jìn)行抑制，對(duì)由于溫度及張力分布不均勻造成的溶池流動(dòng)不充分而導(dǎo)致的組織嚴(yán)重不均勻的情況進(jìn)行改善，能夠顯著提高焊接接頭的綜合力學(xué)性能，是一種提高焊接工件加工效率、質(zhì)量、可靠性的高效果及效率的技術(shù)。
[0010]本發(fā)明提供的技術(shù)方案為:一種電磁力輔助脈沖激光焊接方法，包括以下步驟:
[0011]步驟1:將待加工的工件固定；
[0012]步驟2:在保護(hù)氣體的保護(hù)下，采用脈沖激光對(duì)工件表面的焊縫進(jìn)行焊接，并獲取工件表面的等離子體面積；在一個(gè)脈沖寬度內(nèi)或者在一個(gè)脈沖寬度的中后期內(nèi)，所述的脈沖激光的功率逐步降低；
[0013]步驟3:設(shè)當(dāng)脈沖激光施加過程中工件表面的等離子體面積降低為焊接時(shí)等離子面積最大時(shí)的Ι/e時(shí)的時(shí)刻為t，則在t?t+lms內(nèi)的任一時(shí)刻，對(duì)工件施加磁場(chǎng)，所述的磁場(chǎng)的強(qiáng)度為0.1?10T，磁場(chǎng)持續(xù)時(shí)間為I?100ms。
[0014]在上述的電磁力輔助脈沖激光焊接方法中，所述的步驟3中，所述的磁場(chǎng)的強(qiáng)度為0.2?1.5T，磁場(chǎng)持續(xù)時(shí)間為5?20ms。
[0015]在上述的電磁力輔助脈沖激光焊接方法中，所述的工件焊縫無間隙或間隙小于0.06mm。
[0016]在上述的電磁力輔助脈沖激光焊接方法中，所述的工件表面的等離子體面積通過高速攝像機(jī)獲取。使用高速攝像機(jī)對(duì)焊接時(shí)工件表面產(chǎn)生的等離子體進(jìn)行在線檢測(cè)，使用二值法對(duì)拍攝到的圖像進(jìn)行處理，并進(jìn)行等離子體面積計(jì)算，依據(jù)等離子體面積，系統(tǒng)自動(dòng)判斷焊接進(jìn)程。當(dāng)?shù)入x子體面積降低為焊接時(shí)的Ι/e時(shí)，可以判斷“匙孔”即將在5?20ms內(nèi)關(guān)閉。
[0017]在上述的電磁力輔助脈沖激光焊接方法中，所述的工件表面的等離子體面積的獲取方法具體為使用高速攝像機(jī)對(duì)焊接時(shí)工件表面進(jìn)行在線檢測(cè)，使用二值法對(duì)拍攝到的圖像進(jìn)行處理，進(jìn)行等離子體面積計(jì)算。
[0018]在上述的電磁力輔助脈沖激光焊接方法中，所述的方法用于用于點(diǎn)焊、對(duì)焊、搭接焊、船型焊中各種同、異種金屬接頭的激光焊接。
[0019]在上述的電磁力輔助脈沖激光焊接方法中，所述的脈沖激光的激光峰值功率為所述的脈沖激光的脈寬為6.5?10ms，所述的脈沖激光的峰值功率為0.3?7Kw，所述的脈沖激光的脈沖之間的間隔10?40ms，光斑直徑為0.2?1.3mm，離焦量為-5?4.2mm。
[0020]在上述的電磁力輔助脈沖激光焊接方法中，所述的脈沖激光采用分段或不分段調(diào)制的脈沖，焊接為非穿透焊接。
[0021]本發(fā)明還提供采用上述的電磁力輔助脈沖激光焊接方法的焊接裝置，包括激光發(fā)生器、光學(xué)傳輸系統(tǒng)、光學(xué)聚焦系統(tǒng)、夾裝工作臺(tái)、保護(hù)氣體供應(yīng)設(shè)備、控制系統(tǒng)，還包括脈沖電流產(chǎn)生器、電磁轉(zhuǎn)換設(shè)備、用于采集工件表面圖像的高速攝像機(jī)，所述的激光發(fā)生器、脈沖電流產(chǎn)生器、高速攝像機(jī)、夾裝工作臺(tái)分別連接至控制系統(tǒng)，所述的激光發(fā)生器通過光學(xué)傳輸系統(tǒng)與光學(xué)聚焦系統(tǒng)，所述的脈沖電流產(chǎn)生器與電磁轉(zhuǎn)換設(shè)備相連，所述的電磁轉(zhuǎn)換設(shè)備設(shè)置在工件下方，所述的保護(hù)氣體供應(yīng)設(shè)備的供氣口設(shè)置在工件的焊縫處，所述的光學(xué)聚焦系統(tǒng)作用于工件表面。
[0022]在述的電磁力輔助脈沖激光焊接裝置中，所述的保護(hù)氣體供應(yīng)設(shè)備包括保護(hù)氣體瓶和連接在保護(hù)氣體瓶上的保護(hù)氣體管道，所述的保護(hù)氣體管道的出口設(shè)置在工件的焊縫處。
[0023]本發(fā)明的有益效果如下:
[0024]本發(fā)明采用脈沖功率逐步降低的脈沖激光對(duì)工件進(jìn)行焊接，當(dāng)其工件表面的等離子體面積降低為焊接時(shí)等離子面積最大時(shí)的l/e時(shí)施加磁場(chǎng)，判斷“匙孔”即將在5?20ms內(nèi)關(guān)閉，可以使得“匙孔”肩部的液態(tài)金屬加速向“匙孔”腰部流動(dòng)、聚集；加速向“匙孔”底部流動(dòng)、聚集，“匙孔”底部被良好填充，腰束部貼近熔化金屬形成小氣孔，融化金屬形態(tài)明顯瘦長(zhǎng)。此處形成的熔池，由于主要作用力是電磁力，因此沒有明顯中心，流動(dòng)比較充分，組織相對(duì)更為均勻。產(chǎn)生的小氣孔由于電磁力對(duì)熔化金屬的加速擠壓作用，而被排擠從焊縫表面逸出，熔池受電磁力影響液態(tài)金屬流動(dòng)充分，組織均勻，抑制焊接氣孔的產(chǎn)生，減少了受力及載荷過程中的不均勻及應(yīng)力集中現(xiàn)象，提高了焊接接頭的綜合力學(xué)性能。
【附圖說明】
[0025]圖1是本發(fā)明的電磁力輔助脈沖激光焊接裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0026]圖2是本發(fā)明的焊接方法的流程方框圖；
[0027]圖3是本發(fā)明的高速攝像機(jī)所拍攝到的焊接過程中等離子體變化的圖像；
[0028]圖4是采用本發(fā)明的方法和不采用本發(fā)明方法的焊接效果圖；
[0029]圖5是本發(fā)明實(shí)施例6?15的不同的磁場(chǎng)施加時(shí)間對(duì)氣孔率的影響的曲線圖；
[0030]圖6是本發(fā)明實(shí)施例6?15的不同的磁場(chǎng)施加時(shí)間對(duì)熔深的影響的曲線圖。
【具體實(shí)施方式】
[0031]下面結(jié)合【具體實(shí)施方式】，對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案作進(jìn)一步的詳細(xì)說明，但不構(gòu)成對(duì)本發(fā)明的任何限制。
[0032]實(shí)施例1
[0033]如圖1所示，一種電磁力輔助脈沖激光焊接裝置，包括激光發(fā)生器1、光學(xué)傳輸系統(tǒng)12、光學(xué)聚焦系統(tǒng)11、夾裝工作臺(tái)6、保護(hù)氣體供應(yīng)設(shè)備、控制系統(tǒng)3，還包括脈沖電流產(chǎn)生器2、電磁轉(zhuǎn)換設(shè)備5、用于采集工件表面圖像的高速攝像機(jī)4，所述的激光發(fā)生器1、脈沖電流產(chǎn)生器2、高速攝像機(jī)4、夾裝工作臺(tái)6分別連接至控制系統(tǒng)3，所述的激光發(fā)生器I通過光學(xué)傳輸系統(tǒng)12與光學(xué)聚焦系統(tǒng)11相連，所述的脈沖電流產(chǎn)生器2與電磁轉(zhuǎn)換設(shè)備5相連，所述的電磁轉(zhuǎn)換設(shè)備5設(shè)置在工件8下方，所述的保護(hù)氣體供應(yīng)設(shè)備的供氣口設(shè)置在工件8的焊縫處，所述的光學(xué)聚焦系統(tǒng)11作用于工件8表面，具體來說所述的保護(hù)氣體供應(yīng)設(shè)備包括保護(hù)氣體瓶7和連接在保護(hù)氣體瓶上的保護(hù)氣體管道10，所述的保護(hù)氣體管道10的出口設(shè)置在工件8的焊縫處。
[0034]所述激光發(fā)生器I為相關(guān)固體脈沖激光器，可以為半導(dǎo)體、光纖、YAG等；光學(xué)傳輸系統(tǒng)可以是光路或者傳輸光纖，連接激光器與光學(xué)聚焦系統(tǒng)，傳輸激光；所述電磁轉(zhuǎn)換設(shè)備5用于產(chǎn)生磁場(chǎng)，脈沖電流產(chǎn)生器2用于產(chǎn)生脈沖電流，通過電磁轉(zhuǎn)換設(shè)備5產(chǎn)生磁場(chǎng)；光學(xué)聚焦系統(tǒng)11用于聚集激光；保護(hù)