CN111112839B - 一种外加磁场辅助的双激光束双侧同步焊接装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种外加磁场辅助的双激光束双侧同步焊接装置及方法。所述方法是在双激光束双侧同步焊接时采用横向磁场加以辅助，旨在减少部分焊接缺陷。所述装置包括激光器、双侧同步激光输出头、磁场电源、双侧磁场发生器。激光器与双侧同步激光输出头进行耦合，磁场电源与双侧磁场发生器进行耦合。双侧同步激光输出头能将激光器发出的激光束聚焦到两侧的焊接面，双侧磁场发生器在磁场电源的控制下产生横向稳定磁场，并且在焊接位置进行耦合。通过外加磁场对焊接时产生的等离子体的分布的影响，改善了工件对激光束能量的吸收。本发明拥有非接触、高效等优点，对促进双激光束双侧同步焊接技术的发展具有重要的意义。

Description

一种外加磁场辅助的双激光束双侧同步焊接装置及方法

技术领域

本发明涉及T型结构件的双激光束双侧同步焊接技术领域，特别是涉及一种磁场辅助激光焊接的装置及方法。

背景技术

近年来，随着大功率激光器的崛起，激光在材料加工领域的应用得到了足够的重视，特别是在焊接领域。采用大功率激光器进行焊接的方法与传统的钨极氩弧焊、搅拌摩擦焊、熔化极惰性气体保护焊等焊接方法相比，拥有焊后变形小、晶粒组织细小、焊接速度快、焊缝深宽比大等优点。而目前在高速列车、汽车工业、航空航天等领域上存在的T型结构接头，较多地采用了双激光束双侧同步焊接的方法来实现激光焊接，以减轻整体重量、提高效率、提高连接位置的强度。但用双激光束双侧同步焊接也存在着一些少量的不足，激光焊接时所产生的等离子气体会阻碍工件对激光能量的吸收，这将使得焊缝熔深减小及焊接过程不稳定，导致产生咬边、飞溅、气孔等缺陷，这将极大地减小接头的强度，最终大幅度降低零件的质量。

应用双激光束双侧同步焊接的方法焊接T型结构件，虽然能提高效率、降低成本，但现有的T型结构件的双激光束双侧同步焊接装置还无法解决等离子气体对激光束能量的影响、焊接过程的不稳定及焊后出现的缺陷问题。最终使接头的质量有所降低，达不到预期的效果。因此如何优化焊接过程，减少缺陷、提高接头质量已成为解决双激光束双侧同步焊接时带来的问题的关键。

目前为止，在已经公开的专利当中，虽然有发明实现了磁场辅助激光焊接，证明了磁场在激光焊接过程中的重要作用，但是其装置针对的焊接结构为平板对接，完全无法满足本文的T型结构所需要的。并且，许多专利当中的磁场由永磁体产生，无法快速调节磁场的大小和方向。

因此，本文设计了一种外加磁场辅助的双激光束双侧同步焊接装置，即在双激光束双侧同步焊接过程中施加一个辅助的横向磁场。通过施加的横向磁场改变等离子气体的分布和运动，增大熔深，并通过产生的洛伦兹力使焊接熔池的形成过程比较稳定。本装置能够极大的减少焊接缺陷、提高接头的质量，且实现较为简单，适用于T型结构件的双激光束双侧同步焊接。

发明内容

针对现有装置的上述不足，本发明设计了一种外加磁场辅助的双激光束双侧同步焊接装置。本装置包括了磁场发生装置、焊接工作平台、激光器与保护气装置。磁场发生装置包括了磁场电源2、导轨11、位移装置12、螺线管13、保护套14。本装置能够有效的改善等离子气体的分布和运动、减少气孔、飞溅等缺陷，极大地提高焊接过程的稳定性，提高接头的质量，且装置容易实现，成本较低。

本发明的技术方案为：

一种外加磁场辅助的双激光束双侧同步焊接装置，采用现有的铝制焊接工作平台。磁场发生装置能够产生横向稳定的磁场，并能够在磁场电源2上进行参数的调节。通过位移装置 12带动螺线管13在导轨11上随着激光进行同步运动，保证了磁场永远作用于熔池上。激光焊接设备使用的是大功率碟片式激光器，辅助焊接设备为KUKA机器人。激光束与垂直方向成一定的角度，以便于焊接；激光束与保护气嘴成60°，形成旁轴侧吹，以达到更好的保护效果。

这种外加磁场辅助的双激光束双侧同步焊接装置的特点是：

为了在双激光束双侧同步焊接过程中减小等离子气体对工件吸收能量的阻碍作用，提高焊接过程熔池凝固的稳定性，减少焊接过程中产生的飞溅、咬边、气孔等缺陷，提高接头的强度，我们设计了一种外加磁场辅助的双激光束双侧同步焊接装置。该装置能够产生一个横向稳态磁场，通过磁场对等离子体的影响，进而对焊接过程中的熔池有影响，改善焊接过程中的熔池凝固，最终实现以上目的。

本发明的技术问题可以进一步通过以下问题解决。

进一步地，所述蒙皮型工件9和桁条型工件5构成T型结构，蒙皮型工件9的其的厚度在0.2～4mm，所述桁条型工件5的厚度在1～5mm，蒙皮型工件9与桁条型工件5的长度保持一致。

进一步地，若蒙皮型工件9的厚度不够，则添加垫板10来补充，使其焊缝在磁场范围内。

进一步地，所述磁场发生装置包括的磁场电源2、导轨11、位移装置12、螺线管13及保护套14。磁场电源2能够通过改变电流的大小、方向，以此调节磁场的大小方向。位移装置12能够带动螺线管13在导轨11上进行运动，以此保证磁场能够与激光束在同一界面，磁场能够完全作用于熔池。保护套14能够很好的进行定位与隔绝外部对磁场的影响。

本发明具有的优点和积极效果有：

本发明通过通电螺线管产生了一个稳定的横向磁场，磁场强度的大小和方向能够通过磁场电源进行快速的调节。通过横向磁场的作用，可以较好的改善T型结构件的双激光束双侧同步焊接过程中等离子气体的分布，从而影响熔池。因此，能够提高焊接过程的稳定性，减少气孔、飞溅等缺陷。本发明比较容易实现且成本较低，可以实现对T型结构件的双激光束双侧同步焊接过程中熔池运动行为的改善，对促进双激光束双侧同步焊接在提高焊接稳定性、减少缺陷上有着巨大的意义。

附图说明

为了更清晰的表达本装置方法，下面将对本装置所需要的附图进行介绍。

图1为一种外加磁场辅助的双激光束双侧同步焊接装置的平面示意图。

图2为一种外加磁场辅助的双激光束双侧同步焊接装置的整体示意图。

图3为一种外加磁场辅助的双激光束双侧同步焊接装置的磁场发生装置。

图4为一种外加磁场辅助的双激光束双侧同步焊接装置的磁场方向示意图。

图5为一种外加磁场辅助的双激光束双侧同步焊接装置的位移装置示意图。

其中，附图标记分别为：

1.激光器；2.磁场电源；3.传导光纤；4.双侧同步激光输出头；5.桁条型工件；6.双侧磁场发生器；7.保护气嘴；8.焊接工作平台；9.蒙皮型工件；10.垫板；11.导轨；12.位移装置：13. 螺线管；14.保护套。

具体实施方式

下面结合图及实施例进一步对本装置进行介绍。

请参阅图1～图5。一种外加磁场辅助的双激光束双侧同步焊接装置，本装置包含激光焊接设备，焊接工作平台，磁场产生装置，保护气装置。

蒙皮型工件9和桁条型工件5的尺寸分别为50mm×100mm×4mm，2mm×100mm×20mm，并添加了一个6mm的垫板10，焊接工作平台的尺寸为300mm×500mm×12mm。磁场发生装置中：磁场电源2将控制两边处于对称结构的位移装置12和螺线管13、导轨11的长宽分别为200×10mm、位移装置12上带有滑轮、滑轮的宽度为9mm，其能够平滑无阻的在导轨 11上进行移动。磁场能够刚好保证从一开始就一直作用于焊接过程，从金属熔化形成熔池直到熔池凝固为止。

结合图1～图5所示，本装置的工作原理如下：

焊前蒙皮型工件9和桁条型工件5的焊点处进行仔细打磨，并用乙醇清洗，随后在焊接工作平台8上分别进行固定及装夹。采用的激光焊接设备为Trumpf公司的TruDisc-12003大功率碟片式激光器，最大功率为12kW，波长为1030nm，光纤最小直径300μm，输出功率稳定性为±1％。采用KUKA机器人进行辅助。调节机器人，激光头，保证其能顺利焊接。在焊接开始前打开保护气，使用保护气流量为15L/min，纯度为99.99％的氩气对焊接过程进行保护。保护气嘴与激光束有60°的夹角，此种保护气吹入的方式为旁轴侧吹，能够对这种焊接位置起到很好的保护作用。在焊接开始前还需要将保护套14固定于蒙皮型工件9的两侧，并需要精确的位置固定。打开磁场电源2，设置好电流参数，使螺线管13通电并产生磁场，用特斯拉计对焊接位置处的磁场大小进行测量可以直接测得实际磁场强度大小。位移装置提前运动，在其磁场作用到焊接位置时便开始焊接。开始焊接后，螺线管13能够在位移装置 12的带动下进行移动，保证了磁场一直作用于焊接过程，从金属熔化形成熔池到熔池凝固。

在本技术领域中的普通技术人员应当认识到，以上较佳的实施例仅用来说明本发明，而并非作为对本发明在任何形式上的限定，只要在本发明的实质精神范围内，对上所述的实施例的简单变化、修改、改进都将落在本发明的权利要求书范围内。

Claims (3)

1.一种外加磁场辅助的双激光束双侧同步焊接装置，其特征在于，所述焊接装置包括焊接工作平台（8）、保护气嘴（7）以及磁场发生装置，蒙皮型工件（9）和桁条型工件（5）构成了T型结构，将所述T型结构装夹在所述焊接工作平台（8）上，聚焦的激光束与桁条型工件（5）成一定的角度，所述角度为20°~60°，聚焦的所述激光束与保护气嘴（7）成固定角度，所述固定角度为60°，所述磁场发生装置包括磁场电源（2）、位移装置（12）、螺线管（13）及保护套（14），所述螺线管（13）能产生横向稳定的磁场；

所述磁场发生装置能够在焊接处产生一个横向的磁场，通过在所述磁场电源（2）上进行参数设置与调节，可以确定辅助焊接的磁场大小及方向；产生的磁场方向垂直于焊接方向，并始终保持与所述激光束同一平面以确保磁场能够一直作用于焊接过程；

所述磁场发生装置在所述T型结构的两边各有一个，并保持对称性，所述磁场发生装置产生的磁场方向相同，两个所述磁场发生装置在焊接区能产生的磁场叠加；

所述磁场发生装置的保护套（14）里有一位移装置（12），所述位移装置（12）固定螺线管（13）并能带动所述螺线管（13）一起运动；焊接时，所述位移装置（12）能够随着激光头同步运动。

2.根据权利要求1所述的一种外加磁场辅助的双激光束双侧同步焊接装置，其特征在于，所述蒙皮型工件（9）的厚度为0.2mm~4 mm，所述桁条型工件（5）的厚度为1mm~5 mm，且所述蒙皮型工件（9）与所述桁条型工件（5）的长度保持一致，若所述蒙皮型工件（9）的厚度不够，可以添加一个垫板（10）来进行补充。

3.一种外加磁场辅助的双激光束双侧同步焊接方法，应用如权利要求1-2中任意一项所述的外加磁场辅助的双激光束双侧同步焊接装置，其特征在于，所述方法为：所述磁场发生装置在所述磁场电源（2）工作的状态下，产生了垂直于焊接方向的磁场，通过在磁场电源（2）上设置参数，使得磁场的强度大小及方向有所调整；焊接开始，则通过所述位移装置（12）使得所述螺线管（13）跟随所述激光束一起移动，保证通电螺线管（13）产生的磁场始终作用于熔池的全过程，从金属熔化形成熔池开始直到熔池凝固为止。

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