CN108247226A - 一种基于洛伦兹力的激光焊接熔池控制方法 - Google Patents

Abstract

一种基于洛伦兹力的激光焊接熔池控制方法，属于激光加工技术领域。该方法是在激光焊接熔池中同时施加相互垂直的电流和磁场，则在熔池内部产生遵循安培左手定律的洛伦兹力，通过该力对熔体的受力状态、流动行为及凝固过程进行主动控制。对熔池施加向后的洛仑兹力可使焊接“小孔”被掘深和拉长，小孔内的金属蒸气/羽辉/等离子体逸出顺畅，熔池熔液流动平稳，产生的效果是熔深增加、焊接稳定性提高、焊缝成形优化。如果对施加的电流、磁场参数进行交流或脉冲波形调制，洛伦兹力还可对熔池中的熔液产生搅拌、震动、定向驱动等作用，在实现对气孔、裂纹、咬边和成形不良等焊接缺陷进行控制的同时还可实现焊缝组织和性能的调节功能。

Description

一种基于洛伦兹力的激光焊接熔池控制方法

技术领域

本发明涉及一种基于洛沦兹力的激光焊接熔池控制方法，属于激光加工领域。可用于激光自熔焊、激光填丝焊、激光窄间隙焊等。

背景技术

激光焊以其独特的优势在航空航天、汽车、化工、船舶等各工业领域得到越来越多的应用，特别是铝合金、镁合金等含有低沸点合金元素的合金在液态时由于合金元素的大量蒸发加之熔体的粘性低、表面张力本身较小，容易产生气孔、飞溅、咬边、焊缝难以成形等缺陷。另外，随着超大功率激光器(几十千瓦至百千瓦级)的出现，激光功率已不再是限制大厚板激光焊接的瓶颈，激光焊接厚板时由于输入的激光能量的大幅增加，“小孔”深宽比和熔池体积也大幅增加，随之焊接过程出现大粒飞溅，焊缝易出现气孔、咬边、驼峰、下塌等缺陷，而且焊缝的起弧和收弧位置的凸起和凹坑更是难以找到很好的办法解决。因此，发明一种具有良好可控性的应用洛伦兹力控制焊接熔池的方法具现实意义。

针对激光焊接中存在的这些问题，有学者提出了电磁场辅助激光焊接的方法，但都是辅助单一的磁场或单一的电场，尽管其对激光焊接的影响已得到实验证实，但其作用规律难以控制且对电磁场控制精度要求很高，而且至今关于磁场或电场对激光焊接影响的作用机理也没有一个统一的解释。

本发明主要针对激光焊接易出现的气孔、裂纹、焊接过程不稳定，焊缝成形差等缺陷和不足，在焊接过程中同步对焊接“小孔”和熔池进行主动控制。控制的主要原理是在液态金属中同事施加电流和磁场并产生相应的洛伦兹力，通过该力对激光焊接过程和焊接质量进行控制和优化。

发明内容

本发明的目的在于提供一种利用电流和磁场在激光焊接熔池中相互作用产生的洛伦兹力对激光焊接“小孔”及熔池运动行为进行调控的方法，以期解决激光焊接过程中常出现的焊接过程不稳定、易产生气孔、裂纹、咬边、驼峰和弧坑等缺陷和不足。

本发明的技术方案是：

一种基于洛伦兹力的激光熔池控制方法，在激光焊接熔池中加入相互垂直的电流和磁场，按照安培左手定律在熔池中会产生相应洛伦兹力，通过对磁场和电流参数进行针对性控制，利用与之相应的洛伦兹力对焊接“小孔”和熔池进行有目的性的干预，实现对焊接过程稳定性、焊接缺陷消除和焊接质量进行优化的目的。最典型的实施方案是：在熔池两侧设置两个相对的电极，在“小孔”前方倾斜设置磁铁，工作时电流被强迫流过熔池，磁场也有一部分穿过熔池，在合适的磁场方向和电流方向条件下，在熔池中会产生遵照安培定律的向后上方的洛伦兹力，该力会对焊接过程和焊接质量产生积极影响。

1、一种基于洛伦兹力的激光熔池控制方法，其特征在于：在激光焊接熔池中同时加入相互垂直的电流和磁场，依据安培定律则在熔池中产生与电流、磁场三者相互垂直的洛伦兹力。根据对焊接熔池的控制要求，对施加的电流和磁场的大小、方向等参数进行针对性的控制，利用产生的洛伦兹力对焊接小孔和熔池行为进行主动干预。

2、进一步，磁场和电流的垂直是指磁力线和电流线有相互垂直的分矢量。熔池内电流方向可是X、Y、Z向(以焊接方向为X向，工件表面与X向垂直的为Y向)，磁场的布置以与电流场相垂直为准则。

3、进一步，产生磁场的装置可以是永磁铁或电磁铁，磁铁可单、双侧设置，磁铁与工件表面的角度范围为10°～90°，熔池区磁场强度100Gs～2T。永磁铁或电磁铁铁芯前端包覆铜套增强散热。

4、进一步，永磁铁或电磁铁铁芯截面为矩形、圆形、椭圆、环形或多边形。采用中空结构的永磁铁或电磁铁铁芯还可实现磁铁和气体保护喷嘴的合二为一。

5、进一步，电流是通过电极直接接触工件表面流入熔池，电极间距3mm～20mm，电流大小1A～600A，电极接触工件表面方式分为滑动摩擦(与之相对应的电极形状为条状、棒状)和滚动摩擦(与之相对应的电极形状为滚轮)，条、棒状电极横截面面积4mm²～200mm²，滚轮直径10mm～200mm,两个滚轮电极在激光束方向的夹角为20°～90°。电极上方设置弹簧以保证电极和工件表面稳定接触并压力恒定。电极材质为纯铜、铜合金或钨合金。为加强电极散热，电极后部加水冷。

6、进一步，激光填丝焊可以以焊丝作为电极将电流导入熔池，与之相对应的另一个电极则直接接在工件上或采用滚轮的方式布置在熔池后方。焊丝与工件角度10°～70°，焊丝直径为0.6mm～2.5mm，电流大小1A～500A，滚轮与焊丝触点的间距为20mm～50mm，滚轮与板面垂直。

7、进一步，电磁场可以是稳恒磁场、交变磁场或磁脉冲。电流可以是直流、交流、电流脉冲或感应电流。稳恒磁场、交变磁场或磁脉冲磁场和直流、交流、脉冲电流或感应电流可任意搭配。交流电场/磁场频率2Hz～10kHz，电脉冲脉宽100ns～100ms。

本发明的优点：

1、激光束不受磁场和电流干扰。激光束与电子束、电弧不同，激光束中无带电粒子，电磁场对他不产生影响。所以磁场和电流的加入不会对激光焊接基本的激光与物质的相互作用物理规律产生影响。

2、可控性、可操作性强。磁场和电流相互作用产生洛伦兹力是基本的物理规律，洛伦兹力的大小、方向和位置可根据具体要求灵活设计。如对铝、镁这种液态表面张力小又流动性好的金属材料，用洛伦兹力产生托举和阻尼作用有助于焊缝成形。

3、增强焊接过程稳定性、增加熔深。对“小孔”周围液态金属施加向后的洛伦兹力，“小孔”被纵向拉长的同时周围的液态金属波动也被抑制，焊接过程稳定性提高，同时，还可增强“小孔”向下“挖掘”的能力，增加熔深。

4、消除激光焊接缺陷。通过对电流、磁场进行交流或脉冲波形调制，产生的相应洛伦兹力可对熔池金属进行搅拌、震荡、制动和定向驱动作用，以消除气孔、裂纹、咬边、驼峰和弧坑等缺陷

5、调节焊缝组织和性能。熔池金属凝固过程中通入磁脉冲和电流脉冲可细化晶粒、减少偏析、抑制柱状晶的作用，从而达到调控焊缝凝固组织，提高焊缝性能的目的。

附图说明

图1洛伦兹力对激光焊熔池作用原理示意图

图2横向电流与斜向磁场组合作用示意图主视图

图3横向电流与斜向磁场组合作用示意图侧视图

图4横向电流与激光同轴磁场组合作用示意图侧视图

图5丝极斜向电流与横向磁场组合作用示意图主视图

图6丝极斜向电流与横向磁场组合作用示意图侧视图

图7带铜冷套永磁铁和电磁铁磁极示意图

图8洛伦兹力对激光焊接作用效果图

具体实施方式

采用本发明方法对激光焊接熔池进行控制的过程如下：通过在激光焊接熔池中通入电流和与之相互垂直的磁场产生洛伦兹力对焊接“小孔”和熔池液态金属进行主动控制。电流由跨越熔池两侧的一对电极施加，磁场由布置在熔池周围的磁体(永磁或电磁)施加，下面通过具体实施例详述。

实施例1

本实施例的具体实施装置如图2、图3所示。焊接材料为316L不锈钢，板厚20mm，表面去除污物；激光功率18KW，光斑大小0.45mm，焊接速度1m/min；正面保护气体：Ar气，流量15L/min，背面10L/min Ar气保护；电极材料：铬锆铜，电极形式：一对滚轮，两电极之间夹角为60°，电极间距(电极与工件表面接触点距离)12mm，电流为直流100A，电极与激光束距离(电极触点连线与光束中轴的距离)2mm；条状钕铁硼永磁铁布置在熔池斜前方与工件表面成30°角，磁铁尺寸大小为50×9×4mm，焊接区磁场强度0.1T。

实施例2

本实施例中实施装置的电极由实施例的滚轮变为为圆棒，电极直径5mm，电极材料为铬锆铜，电极间距(电极与工件表面接触点距离)8mm，两电极间施加50A的恒定电流；电极与光束距离(电极触点连线与光束中轴的距离)为1mm，焊接材料6061铝合金，板厚4mm，表面去除污物和氧化膜；激光功率4.5KW，光斑大小0.45mm，焊接速度2m/min；正面保护气体：Ar气，流量15L/min，背面10L/min Ar气保护；条状钕铁硼永磁体安置在熔池斜前方与工件表面成30°角，磁铁尺寸大小为50×9×4mm，焊接区磁场强度0.1T。

实施例3

本实施例的具体实施装置如图4所示。磁场由与激光同轴的电磁铁提供，磁场为正弦交变磁场，频率为50Hz，焊接区磁场最高强度0.2T。焊接材料2024铝合金，板厚6mm，表面去除污物和氧化膜；激光功率5KW，光斑大小0.45mm，焊接速度1.5m/min；正面保护气体：Ar气，流量15L/min，背面10L/min Ar气保护；电极材料：铬锆铜，电极形式：一对滚轮，两电极之间夹角为60°，电极间距(电极与工件表面接触点距离)为12mm，电流为直流100A，电极与激光束距离(电极触点连线与光束中轴的距离)2mm.

实施例4

本实施例与实施例3不同点在于：磁场也由与激光同轴的电磁铁提供，但磁场为恒磁场，焊接区磁场强度为0.12T。电极间的电流由直流变为交流方波，电流峰值为60A，占空比为1:1，脉宽为20ms。

以上实施方式仅是对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施方式只限于这些说明，在不脱离本发明构思的前提下，简单推衍派生出来的系列方法，都应视为属于本发明的权利保护范围。

Claims (7)

1.一种基于洛伦兹力的激光熔池控制方法，其特征在于：在激光焊接熔池中同时加入相互垂直的电流和磁场，依据安培定律则在熔池中产生与电流、磁场三者相互垂直的洛伦兹力；对施加的电流和磁场的大小、方向进行控制，利用产生的洛伦兹力对焊接小孔和熔池行为进行主动干预。

2.根据权利要求1所述的一种基于洛伦兹力的激光熔池控制方法，其特征在于：磁场和电流的垂直是指磁力线和电流线有相互垂直的分矢量；熔池内电流方向是X、Y、Z向，磁场的布置以与电流场相垂直为准则。

3.根据权利要求1所述的一种基于洛伦兹力的激光熔池控制方法，其特征在于：产生磁场的装置是永磁铁或电磁铁，磁铁单、双侧设置，磁铁与工件表面的角度范围为10°～90°，熔池区磁场强度100Gs～2T；永磁铁或电磁铁铁芯前端包覆铜套增强散热。

4.根据权利要求1所述的一种基于洛伦兹力的激光熔池控制方法，其特征在于：永磁铁或电磁铁铁芯截面为矩形、圆形、椭圆、环形或多边形；采用中空结构的永磁铁或电磁铁铁芯还实现磁铁和气体保护喷嘴的合二为一。

5.根据权利要求1所述的一种基于洛伦兹力的激光熔池控制方法，其特征在于：电流是通过电极直接接触工件表面流入熔池，电极间距3mm～20mm，电流大小1A～600A，电极接触工件表面方式分为滑动摩擦和滚动摩擦，条、棒状电极横截面面积4mm²～200mm²，滚轮直径10mm～200mm,两个滚轮电极在激光束方向的夹角为20°～90°；电极上方设置弹簧以保证电极和工件表面稳定接触并压力恒定；电极材质为纯铜、铜合金或钨合金；为加强电极散热，电极后部加水冷。

6.根据权利要求1所述的一种基于洛伦兹力的激光熔池控制方法，其特征在于：激光填丝焊以焊丝作为电极将电流导入熔池，与之相对应的另一个电极则直接接在工件上或采用滚轮的方式布置在熔池后方；焊丝与工件角度10°～70°，焊丝直径为0.6mm～2.5mm，电流大小1A～500A，滚轮与焊丝触点的间距为20mm～50mm，滚轮与板面垂直。

7.根据权利要求1所述的一种基于洛伦兹力的激光熔池控制方法，其特征在于：电磁场是稳恒磁场、交变磁场或磁脉冲；电流是直流、交流、电流脉冲或感应电流；稳恒磁场、交变磁场或磁脉冲磁场和直流、交流、脉冲电流或感应电流任意搭配；交流电场/磁场频率2Hz～10kHz，电脉冲脉宽100ns～100ms。