一種激光電磁脈沖復(fù)合焊接設(shè)備的制作方法
【專利摘要】本實(shí)用新型公開了一種激光電磁脈沖復(fù)合焊接設(shè)備，包括激光器、電磁脈沖發(fā)生器、數(shù)控系統(tǒng)、光學(xué)傳輸系統(tǒng)和激光電磁脈沖復(fù)合加工頭；激光器為固體激光器或氣體激光器，光學(xué)傳輸系統(tǒng)分別與激光器和激光聚焦系統(tǒng)相連，用于激光束的傳輸；所述電磁脈沖發(fā)生器用于產(chǎn)生脈沖強(qiáng)磁場，所述激光電磁脈沖復(fù)合加工頭用于集成激光束和脈沖強(qiáng)磁場；所述數(shù)控系統(tǒng)分別與激光器和電磁脈沖發(fā)生器的電信號連接，用于控制激光器和電磁脈沖發(fā)生器工作，使通過激光電磁脈沖復(fù)合加工頭出射的激光束和脈沖強(qiáng)磁場共同作用于待加工工件上。本實(shí)用新型可以降低結(jié)構(gòu)變形、提高焊接質(zhì)量和加工效率，解決已有單一焊接工藝制造金屬材料結(jié)構(gòu)時無法克服的技術(shù)問題。
【專利說明】一種激光電磁脈沖復(fù)合焊接設(shè)備
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型屬于焊接技術(shù)，具體涉及一種激光電磁脈沖復(fù)合焊接設(shè)備，尤其適用于金屬材料薄壁結(jié)構(gòu)的激光電磁脈沖復(fù)合點(diǎn)焊與縫焊。
【背景技術(shù)】
[0002]焊接是金屬材料結(jié)構(gòu)件的重要加工手段，在車輛、航空航天、船舶、建筑、橋梁、壓力容器等制造領(lǐng)域有著廣泛應(yīng)用。激光焊接技術(shù)是利用具有高能密度特性的激光作為熱源加熱熔化待加工工件來實(shí)施焊接的方法，具有焊接速度快、變形小、接頭質(zhì)量好、熱影響區(qū)小，以及適用于各種金屬材料，且易于實(shí)現(xiàn)自動化的一系列優(yōu)點(diǎn)，其中激光縫焊與激光點(diǎn)焊工藝已經(jīng)成為當(dāng)前先進(jìn)制造技術(shù)發(fā)展的熱點(diǎn)。比如，空中客車A318、A340和A380等機(jī)型的機(jī)身制造中即采用激光焊接技術(shù)，不但大大簡化了制造工藝，而且使機(jī)身減重18%，成本下降近25%。在汽車白車身(低碳鋼、鍍鋅板等材料)的制造中，激光點(diǎn)焊工藝已經(jīng)成為取代鉚接、電阻點(diǎn)焊和電弧點(diǎn)焊的首選工藝。
[0003]盡管激光焊接熱輸入和熱影響遠(yuǎn)小于傳統(tǒng)的電阻焊和電弧焊工藝，但是作為一種熔焊工藝，其最大問題是熱輸入導(dǎo)致的熱變形仍然存在，在很多情況下仍然嚴(yán)重影響構(gòu)件裝配精度和結(jié)構(gòu)整體性能，尤其是疲勞性能。其次，激光焊接鋁合金、鎂合金、鈦合金等金屬材料時，會因?yàn)椴牧媳旧韺す獾奈章势?、以及低熔點(diǎn)、高沸點(diǎn)合金元素的存在而造成激光小孔在焊接過程中不穩(wěn)定，在某些情況下還有凝固速度過快、合金元素高溫蒸發(fā)的問題。這些問題導(dǎo)致焊接接頭容易形成氣孔、裂紋、成形不良等冶金缺陷，嚴(yán)重影響接頭力學(xué)性能。已經(jīng)開展的研究表明，在單一激光焊接條件下，無論是焊接熱變形還是輕質(zhì)焊接激光接頭的冶金缺陷都難得到有效控制。而且，因?yàn)闊崃砍掷m(xù)累積且激光小孔處于動態(tài)移動之中，這些不利影響在激光連續(xù)縫焊中更為突出。因此，如何改善激光焊接冶金行為和接頭應(yīng)力應(yīng)變分布狀態(tài)，提高接頭組織性能并降低結(jié)構(gòu)變形，是促進(jìn)激光焊接技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵。
實(shí)用新型內(nèi)容
[0004]本實(shí)用新型的目的在于提供一種激光電磁脈沖復(fù)合焊接設(shè)備，本實(shí)用新型可以提高激光能量利用效率、強(qiáng)化熔池流動、改善焊縫組織性能，還可以改善激光焊接過程中的應(yīng)力分布狀態(tài)，降低結(jié)構(gòu)變形，從而大幅度提高焊縫質(zhì)量、結(jié)構(gòu)制造精度和加工效率。
[0005]本實(shí)用新型提供的激光電磁脈沖復(fù)合焊接設(shè)備，其特征在于，包括激光器、電磁脈沖發(fā)生器、數(shù)控系統(tǒng)、光學(xué)傳輸系統(tǒng)和激光電磁脈沖復(fù)合加工頭；
[0006]所述激光器為固體激光器或氣體激光器，所述光學(xué)傳輸系統(tǒng)分別與激光器和激光聚焦系統(tǒng)相連，用于激光束的傳輸；所述電磁脈沖發(fā)生器用于產(chǎn)生脈沖強(qiáng)磁場，所述激光電磁脈沖復(fù)合加工頭用于集成激光束和脈沖強(qiáng)磁場；所述數(shù)控系統(tǒng)分別與激光器和電磁脈沖發(fā)生器的電信號連接，用于控制激光器和電磁脈沖發(fā)生器工作，使通過激光電磁脈沖復(fù)合加工頭出射的激光束和脈沖強(qiáng)磁場共同作用于待加工工件上。
[0007]所述激光電磁脈沖復(fù)合加工頭包括激光聚焦系統(tǒng)、復(fù)合焊接位置調(diào)節(jié)裝置和電磁轉(zhuǎn)換裝置，電磁轉(zhuǎn)換裝置中部設(shè)有用于激光束穿過的通孔，激光聚焦系統(tǒng)用于激光束的聚焦，所述復(fù)合焊接位置調(diào)節(jié)裝置的一端固定安裝在激光聚焦系統(tǒng)上，另一端活動安裝電磁轉(zhuǎn)換裝置，電磁轉(zhuǎn)換裝置能夠通過復(fù)合焊接位置調(diào)節(jié)裝置移動以調(diào)節(jié)其和待加工工件之間的間距。
[0008]作為上述激光電磁脈沖復(fù)合焊接設(shè)備技術(shù)方案的進(jìn)一步改進(jìn)，所述激光聚焦系統(tǒng)的聚焦方式為激光振鏡掃描聚焦，或者透鏡聚焦，或者銅鏡反射聚焦。所述激光振鏡掃描聚焦方式能夠通過振鏡掃描鏡組中光學(xué)鏡片的偏轉(zhuǎn)來實(shí)現(xiàn)激光束在待加工工件表面的快速掃描，控制焊縫形貌和微觀組織。
[0009]作為上述關(guān)于激光電磁脈沖復(fù)合焊接設(shè)備技術(shù)方案的進(jìn)一步改進(jìn)，可在所述激光熱源旁加裝電弧熱源作為次級熱源，組成焊接效率更高、缺陷更少的激光-電弧復(fù)合焊接方法來提高焊縫質(zhì)量，所采用的電弧熱源形式包括惰性氣體鎢極氬弧焊(TIG)、熔化極惰性/活性氣體保護(hù)焊(MIG / MAG)、埋弧焊等。
[0010]作為上述關(guān)于激光電磁脈沖復(fù)合焊接設(shè)備技術(shù)方案的進(jìn)一步改進(jìn)，可在所述激光聚焦系統(tǒng)旁加裝填充材料系統(tǒng)，填充材料以薄膜、粉末或絲材的形式進(jìn)行添加。
[0011]作為上述關(guān)于激光電磁脈沖復(fù)合焊接設(shè)備技術(shù)方案的進(jìn)一步改進(jìn)，所述電磁轉(zhuǎn)換裝置包括集磁器和電磁脈沖線圈；集磁器為中空結(jié)構(gòu)，電磁脈沖線圈套裝在集磁器上。
[0012]本實(shí)用新型利用脈沖強(qiáng)磁場和激光焊接過程或焊縫的相互作用，能夠克服已有激光焊接設(shè)備的缺點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)金屬材料，尤其是薄壁結(jié)構(gòu)的高效率、高精度和高質(zhì)量制造。具體而言，本實(shí)用新型具有如下技術(shù)效果:
[0013](I)本實(shí)用新型在焊接過程中或焊后存在脈沖強(qiáng)磁場和激光光致等離子體、焊接熔池流場、焊縫應(yīng)力應(yīng)變場的相互作用，并由此形成一系列新效應(yīng)、新機(jī)制，以及增強(qiáng)的加工效果，解決現(xiàn)有激光焊接方法加工金屬材料時難以克服的焊縫質(zhì)量控制和結(jié)構(gòu)變形問題。
[0014](2)本實(shí)用新型能夠通過調(diào)節(jié)脈沖電磁場感應(yīng)強(qiáng)度和方向，控制激光焊接過程中所形成光致等離子體的運(yùn)動方向，使其偏離激光入射點(diǎn)，從而降低光致等離子體對激光的屏蔽效應(yīng)，提高激光能量的利用效率和過程穩(wěn)定性。相比較于已有的激光焊接方法，本實(shí)用新型的激光能量利用效率可提高10-30%。
[0015](3)本實(shí)用新型的脈沖強(qiáng)磁場產(chǎn)生的感生電磁力能夠在焊接過程中驅(qū)動熔池內(nèi)液態(tài)金屬，并產(chǎn)生沿磁場方向的定向流動，這種流動會和熔池內(nèi)已有的由表面張力、重力、等離子體沖力等作用力驅(qū)動的熔池流動發(fā)生相互作用。通過調(diào)節(jié)磁場感應(yīng)強(qiáng)度和方向，這種由感生電磁力驅(qū)動的方向和強(qiáng)度可控的熔池流動能夠強(qiáng)化激光焊接熔池流動攪拌效應(yīng)，并在抵消表面張力、重力、等離子體沖力等驅(qū)動力的作用后使之有序化，從而優(yōu)化焊接熔池的冶金過程和凝固結(jié)晶行為。再結(jié)合激光-電弧復(fù)合焊接方法，可以發(fā)揮其熔深大、焊接質(zhì)量好的優(yōu)點(diǎn)，同時克服由于復(fù)合焊接熱輸入高引起的晶粒粗化、焊接變形等問題，達(dá)到改善焊縫成形，均勻化微觀結(jié)構(gòu)，細(xì)化晶粒，降低焊縫冶金缺陷(氣孔、中心縮孔、裂紋)并提高接頭力學(xué)性能的目的。
[0016](4)本實(shí)用新型設(shè)備能夠在激光焊接過程中，通過脈沖強(qiáng)磁場在待加工工件表面形成的電磁力使接頭及其周圍區(qū)域發(fā)生塑性變形，改變焊接過程中產(chǎn)生的非協(xié)調(diào)應(yīng)變，均勻化接頭區(qū)域的應(yīng)力分布狀態(tài)，從而降低因焊接熱力效應(yīng)而形成的應(yīng)力集中和結(jié)構(gòu)變形程度，并提高接頭疲勞強(qiáng)度。特別是本實(shí)用新型能夠以在線方式快速準(zhǔn)確的達(dá)到上述加工效果，遠(yuǎn)優(yōu)于傳統(tǒng)焊接中諸如錘擊、機(jī)械振動、焊后緩冷(時效法)、熱處理等耗時耗力，且大型構(gòu)件操作困難的離線式焊接應(yīng)力消除方法。
[0017](5)本實(shí)用新型所述設(shè)備可以采用振鏡掃描聚焦方式，或者利用激光聚焦系統(tǒng)在焊接過程沿Z軸(垂直于待加工工件表面的方向)的上下移動來改變作用于待加工工件表面的激光光斑大小，用于點(diǎn)焊工藝可以根據(jù)零部件的加工需求設(shè)計(jì)焊點(diǎn)形狀和搭接界面的焊縫面積，有利于提高焊縫力學(xué)性能，特別是疲勞性能。用于縫焊工藝可以提高對對接焊裝配間隙的容忍度，提高焊接過程工藝穩(wěn)定性。
[0018](6)本實(shí)用新型用于點(diǎn)焊工藝，可以替代常用的鉚接和電阻點(diǎn)焊工藝，加工效率比鉚接工藝提高5?10倍，比電阻點(diǎn)焊提高2?3倍，所得點(diǎn)焊焊縫的強(qiáng)度優(yōu)于鉚接工藝，且結(jié)構(gòu)變形可以得到有效控制。和已有的激光點(diǎn)焊工藝相比，本實(shí)用新型的點(diǎn)焊焊縫的強(qiáng)度(包括搭接接頭的拉伸剪切強(qiáng)度和對接接頭的抗拉強(qiáng)度)提高20%以上，疲勞強(qiáng)度提高30 %以上。本實(shí)用新型用于縫焊工藝，和已有的激光焊接方法相比，接頭抗拉強(qiáng)度提高10 %以上，疲勞強(qiáng)度提高20%以上。
[0019](7)本實(shí)用新型適用于包括鋁合金、鎂合金、鈦合金、高溫合金、鋼材在內(nèi)的絕大部分金屬材料；不但可用于加工規(guī)整的圓筒、平板薄壁結(jié)構(gòu)件，還可用于橢圓、汽車白車身等復(fù)雜曲面結(jié)構(gòu)的焊接制造。
[0020](8)激光電磁脈沖復(fù)合焊接設(shè)備可以大幅度減輕結(jié)構(gòu)質(zhì)量，簡化工藝流程，提高加工質(zhì)量和生產(chǎn)效率，降低制造成本、勞動強(qiáng)度和噪音污染，是一種綠色環(huán)保、高效清潔的先進(jìn)制造技術(shù)，能夠滿足當(dāng)前航空航天、車輛制造、空間技術(shù)等領(lǐng)域?qū)Y(jié)構(gòu)輕量化、綠色制造的迫切需求，是取代鉚接技術(shù)的最佳選擇之一。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0021]圖1為本實(shí)用新型提供的激光電磁脈沖復(fù)合焊接設(shè)備的結(jié)構(gòu)示意圖(點(diǎn)焊)。
[0022]圖2為本實(shí)用新型提供的激光電磁脈沖復(fù)合焊接設(shè)備的結(jié)構(gòu)示意圖(縫焊)。
[0023]圖3為采用激光振鏡掃描聚焦方式的激光電磁脈沖復(fù)合點(diǎn)焊示意圖。
[0024]圖4為采用激光振鏡掃描聚焦方式的激光電磁脈沖復(fù)合縫焊示意圖。
[0025]圖5為采用透射聚焦方式的激光電磁脈沖復(fù)合點(diǎn)焊示意圖。
[0026]圖6為采用透射聚焦方式的激光電磁脈沖復(fù)合縫焊示意圖。
[0027]圖7為采用銅鏡反射聚焦方式的激光電磁脈沖復(fù)合點(diǎn)焊示意圖。
[0028]圖8為采用銅鏡反射聚焦方式的激光電磁脈沖復(fù)合縫焊示意圖。
[0029]圖9為采用激光-電弧復(fù)合焊接工藝的激光電磁脈沖復(fù)合點(diǎn)焊示意圖。
[0030]圖10為采用激光-電弧復(fù)合焊接工藝的激光電磁脈沖復(fù)合縫焊示意圖。
[0031]圖11為已有激光縫焊設(shè)備的加工效果圖。
[0032]圖12為本實(shí)用新型提供的激光電磁脈沖復(fù)合縫焊設(shè)備的加工效果圖。
[0033]圖13為圓筒結(jié)構(gòu)件激光電磁脈沖復(fù)合點(diǎn)焊設(shè)備示意圖。
[0034]圖14為平板結(jié)構(gòu)件激光電磁脈沖復(fù)合點(diǎn)焊設(shè)備示意圖。
[0035]圖15為用于環(huán)縫焊接的激光電磁脈沖復(fù)合縫焊設(shè)備示意圖。
[0036]圖中，1.激光器,2.電磁脈沖發(fā)生器,3.數(shù)控系統(tǒng),4.光學(xué)傳輸系統(tǒng),5.激光電磁脈沖復(fù)合加工頭，51.激光聚焦系統(tǒng),511.激光振鏡掃描聚焦鏡組,512.透鏡聚焦鏡組，513.銅鏡反射聚焦鏡組，52.復(fù)合焊接位置調(diào)節(jié)裝置，53.電磁轉(zhuǎn)換裝置，531.集磁器，532.電磁脈沖線圈，54.電弧焊槍，6.激光束，7.夾緊裝置，8.填充材料，9.待加工工件，91.已有激光點(diǎn)焊工藝加工后的待加工工件，92.激光電磁脈沖復(fù)合點(diǎn)焊工藝加工后的待加工工件，93.已有激光縫焊工藝加工后的待加工工件，94.激光電磁脈沖復(fù)合縫焊工藝加工后的待加工工件，10.激光點(diǎn)焊焊縫，101.未熔透點(diǎn)焊焊縫，102.全熔透點(diǎn)焊焊縫，11.點(diǎn)焊脈沖強(qiáng)磁場作用區(qū)，12.加工機(jī)床，13.激光縫焊焊縫，131.未熔透縫焊焊縫，132.全熔透縫焊焊縫，14.縫焊脈沖強(qiáng)磁場作用區(qū)。
【具體實(shí)施方式】
[0037]脈沖強(qiáng)磁場成形技術(shù)是利用脈沖強(qiáng)磁場進(jìn)行金屬材料塑性成形加工的新型高能率加工方法:成形加工頭懸浮于待加工工件上方，當(dāng)脈沖電流經(jīng)過加工頭內(nèi)部的線圈時產(chǎn)生脈沖強(qiáng)磁場，引發(fā)金屬待加工工件內(nèi)部形成感生渦流磁場，進(jìn)而在待加工工件內(nèi)部形成電磁力以實(shí)現(xiàn)對金屬材料的塑性加工。脈沖電磁力對待加工工件表面產(chǎn)生的瞬間峰值壓力可達(dá)近400MPa，變形區(qū)內(nèi)金屬流動的速度可達(dá)300m / s，是一種效率極高的塑形加工方法。因?yàn)樯鲜黾夹g(shù)特點(diǎn)，脈沖強(qiáng)磁場成形技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)金屬材料的在線加工和校形。
[0038]激光焊接和電磁脈沖成形技術(shù)本身是兩個獨(dú)立技術(shù)，在并行發(fā)展至今的二三十年內(nèi)，兩者在各自領(lǐng)域都取得了很大的進(jìn)展。但是，激光焊接和電磁脈沖成形這兩種工藝相結(jié)合以后，之間存在的一系列新效應(yīng)和新作用機(jī)理，以及由此形成增強(qiáng)的加工效果還缺乏認(rèn)識。本實(shí)用新型正是基于試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)、理論研究和工程實(shí)踐，提供一種適用于金屬材料，尤其是薄壁結(jié)構(gòu)的激光電磁脈沖復(fù)合焊接方法及設(shè)備，以解決當(dāng)前焊接工藝所面臨的工程問題，實(shí)現(xiàn)金屬材料的高質(zhì)量、高效率和高精度焊接加工。
[0039]如圖1、圖2所示，本實(shí)用新型所述的激光電磁脈沖復(fù)合焊接設(shè)備包括激光器1、電磁脈沖發(fā)生器2、數(shù)控系統(tǒng)3、光學(xué)傳輸系統(tǒng)4、激光電磁脈沖復(fù)合加工頭5。
[0040]所述激光器I為固體激光器或氣體激光器，用于產(chǎn)生激光束6。所述光學(xué)傳輸系統(tǒng)4為傳輸光纖或者由鏡片組成的導(dǎo)光系統(tǒng)，它們分別與激光器I和激光聚焦系統(tǒng)51相連,用于激光束的傳輸。所述電磁脈沖發(fā)生器2用于產(chǎn)生脈沖強(qiáng)磁場。所述數(shù)控系統(tǒng)3分別與激光器I和電磁脈沖發(fā)生器2和加工機(jī)床的電信號連接，用于這些設(shè)備的開啟和關(guān)閉，工藝參數(shù)的設(shè)定和程序編制。所述激光電磁脈沖復(fù)合加工頭5用于集成激光束和脈沖強(qiáng)磁場，使兩者作用于同一位置，能夠通過復(fù)合焊接位置調(diào)節(jié)裝置52調(diào)節(jié)電磁轉(zhuǎn)換裝置53和待加工工件9表面的間距。
[0041]工作時，激光電磁脈沖復(fù)合加工頭或待加工工件安裝在所述加工機(jī)床上，以調(diào)整激光電磁脈沖復(fù)合加工頭和待加工工件之間的位移。
[0042]根據(jù)實(shí)際情況可以采用不同類型的加工機(jī)床，分別與激光電磁脈沖復(fù)合加工頭5、夾緊裝置7和待加工工件9連接，由數(shù)控系統(tǒng)3控制三者的位置移動。
[0043]作為上述關(guān)于激光電磁脈沖復(fù)合焊接設(shè)備技術(shù)方案的改進(jìn)，所述激光電磁脈沖復(fù)合加工頭5采用一體化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，包括激光聚焦系統(tǒng)51、復(fù)合焊接位置調(diào)節(jié)裝置52和電磁轉(zhuǎn)換裝置53 ;電磁轉(zhuǎn)換裝置53中部設(shè)有通孔，激光束能夠穿過該通孔作用于待加工工件上。所述激光聚焦系統(tǒng)51用于激光束的聚焦，可以根據(jù)焊接要求選取如圖3、圖4所示的激光振鏡掃描鏡組511，或者如圖5、圖6所示投射聚焦鏡組512，或者如圖7、圖8所示的發(fā)射聚焦鏡組513。激光聚焦系統(tǒng)51固定安裝在復(fù)合焊接位置調(diào)節(jié)裝置52的一端，電磁轉(zhuǎn)換裝置53活動安裝在復(fù)合焊接位置調(diào)節(jié)裝置52上。
[0044]所述復(fù)合焊接位置調(diào)節(jié)裝置52用于控制電磁轉(zhuǎn)換裝置53沿Z軸(垂直于待加工工件表面的方向)的上下移動以調(diào)節(jié)其和待加工工件9表面的間距，從而調(diào)整脈沖強(qiáng)磁場作用在待加工工件上的電磁力的大小，在焊接過程中還能夠調(diào)節(jié)作用在待加工工件表面的激光光斑的大小。復(fù)合焊接位置調(diào)節(jié)裝置52可以采用氣缸、絲桿、齒輪齒條等形式的Z軸移動機(jī)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)裝置的移動，但不局限于這些形式。
[0045]所述電磁轉(zhuǎn)換裝置53用于將電流轉(zhuǎn)換為強(qiáng)磁場，它包括集磁器531和電磁脈沖線圈532。電磁脈沖線圈532通過線圈電流產(chǎn)生脈沖強(qiáng)磁場。集磁器531用于電磁脈沖線圈532的安裝，同時在其內(nèi)部產(chǎn)生感生電流，強(qiáng)化脈沖磁場。集磁器531為中空結(jié)構(gòu)，激光束6能夠穿過其中空部分進(jìn)行焊接。
[0046]作為上述關(guān)于激光電磁脈沖復(fù)合焊接設(shè)備技術(shù)方案的改進(jìn)，可以選用如圖9、圖10所示的激光-電弧復(fù)合焊接裝置。本實(shí)用新型實(shí)施過程中電弧焊槍54用于和激光束復(fù)合構(gòu)成激光-電弧復(fù)合焊接方法來提高焊縫質(zhì)量，所述電弧焊槍54用于產(chǎn)生電弧，它固定安裝在激光電磁脈沖復(fù)合加工頭上。
[0047]在本實(shí)用新型實(shí)施過程中夾緊裝置7用于定位裝夾待加工工件，它可單獨(dú)使用；也可安裝在加工機(jī)床上，由數(shù)控系統(tǒng)3和加工機(jī)床控制其運(yùn)動。在完成待加工工件定位裝夾后，再利用本實(shí)用新型裝置進(jìn)行激光電磁脈沖復(fù)合焊接。
[0048]使用本實(shí)用新型設(shè)備進(jìn)行激光電磁脈沖復(fù)合焊接時，是將激光器產(chǎn)生激光束作用到待加工工件上形成激光光致等離子體和焊接熔池；脈沖強(qiáng)磁場在焊接過程中施加于焊接熔池及其周圍區(qū)域，和激光光致等離子體、焊接熔池流場、焊縫區(qū)域的應(yīng)力應(yīng)變場發(fā)生相互作用，通過多場耦合效應(yīng)實(shí)施焊接任務(wù)。此時，脈沖強(qiáng)磁場可以控制激光光致等離子的運(yùn)動方向，使其偏離激光入射點(diǎn)，消除光致等離子體對激光束的屏蔽效應(yīng)，提高激光束的能量利用效率；可以強(qiáng)化熔池內(nèi)液態(tài)金屬的流動，使熔池流動有序化，從而改善焊縫的凝固結(jié)晶行為，優(yōu)化焊縫成形，細(xì)化晶粒并抑制焊縫缺陷(氣孔、中心縮孔、裂紋等)，提高焊縫力學(xué)性能；還可以在待加工工件表面形成電磁力，使焊縫及其周圍區(qū)域發(fā)生塑性變形，抑制焊接過程中產(chǎn)生的非協(xié)調(diào)應(yīng)變，均勻化焊縫應(yīng)力分布狀態(tài)，降低因焊接熱力效應(yīng)而產(chǎn)生的應(yīng)力集中和結(jié)構(gòu)變形。
[0049]本實(shí)用新型設(shè)備還可以激光焊接剛剛完成的特定延遲時間內(nèi)啟動并施加脈沖強(qiáng)磁場于固態(tài)焊縫區(qū)域。在用于激光點(diǎn)焊時，激光束作用到工件上形成點(diǎn)焊焊縫，然后在激光點(diǎn)焊工藝剛剛完成的特定延遲時間內(nèi)啟動并施加脈沖強(qiáng)磁場于固態(tài)焊縫區(qū)域，最終完成焊接任務(wù)。在用于激光縫焊時，激光束作用到工件上形成焊接接頭，脈沖強(qiáng)磁場在特定延遲時間內(nèi)施加于已經(jīng)凝固的焊接接頭及其周圍區(qū)域，延遲時間的長短取決于兩個參數(shù)，一是強(qiáng)磁場作用區(qū)與激光束水平間距除以焊接速度得到；二是根據(jù)焊接接頭冷卻過程對組織結(jié)構(gòu)特征的影響規(guī)律來確定，使得強(qiáng)磁場的力效應(yīng)在焊縫及熱影響區(qū)中能夠產(chǎn)生的壓應(yīng)力最大。這一技術(shù)方案的主要目的是利用脈沖強(qiáng)磁場在工件表面產(chǎn)生的壓應(yīng)力使凝固接頭及其周圍區(qū)域發(fā)生塑性變形，釋放殘余應(yīng)力，從而降低結(jié)構(gòu)件的應(yīng)力集中和變形程度。這一技術(shù)方案能夠在焊接完成后，以在線方式快速準(zhǔn)確地減少或者消除焊接接頭區(qū)域的應(yīng)力集中程度，降低結(jié)構(gòu)變形并提高接頭疲勞強(qiáng)度，遠(yuǎn)優(yōu)于傳統(tǒng)焊接中諸如錘擊、機(jī)械振動、焊后緩冷(時效法)、熱處理等耗時耗力，且大型構(gòu)件操作困難的離線式焊接應(yīng)力消除方法。
[0050]本實(shí)用新型設(shè)備是將激光焊接方法和脈沖強(qiáng)磁場加工工藝有機(jī)結(jié)合起來，通過兩者的相互作用來提高激光能量的利用效率，通過強(qiáng)化熔池流動，提高焊縫質(zhì)量和加工效率；特別重要的是通過控制焊縫區(qū)域的應(yīng)力應(yīng)變和殘余應(yīng)力分布狀態(tài)，降低結(jié)構(gòu)變形，形成遠(yuǎn)優(yōu)于已有單一工藝的加工效果。
[0051]圖11為已有激光焊接設(shè)備的加工效果圖，圖12為激光電磁脈沖復(fù)合縫焊設(shè)備的加工效果圖。對比兩圖可以看到，因?yàn)楹附訜釕?yīng)力，采用已有激光縫焊工藝加工后的待加工工件93有明顯變形，采用激光電磁脈沖復(fù)合縫焊工藝加工的待加工工件94在結(jié)構(gòu)尺寸上和加工前保持一致，幾乎沒有變形；其次，在激光縫焊接頭13周邊區(qū)域會形成一個脈沖強(qiáng)磁場作用區(qū)14。
[0052]本實(shí)用新型所述設(shè)備進(jìn)行激光點(diǎn)焊工作的過程為:
[0053]第I步，利用夾緊裝置7定位裝夾待加工工件9，利用數(shù)控系統(tǒng)3和加工機(jī)床12移動激光電磁脈沖復(fù)合加工頭5至焊接位置
[0054]第2步，通過數(shù)控系統(tǒng)3設(shè)定激光功率、單點(diǎn)焊接時間、激光光斑直徑、激光束在待加工工件表面上沿半徑方向的擺幅、焊點(diǎn)形狀、電磁轉(zhuǎn)換裝置和待加工工件表面的間距、磁場感應(yīng)強(qiáng)度和脈寬。
[0055]第3步，按照上述設(shè)定參數(shù)開啟激光器I和電磁脈沖發(fā)生器2，產(chǎn)生激光束和脈沖強(qiáng)磁場，實(shí)施激光電磁脈沖復(fù)合點(diǎn)焊，并完成焊接任務(wù)。
[0056]本實(shí)用新型所述設(shè)備進(jìn)行激光縫焊工作的過程為:
[0057]第I步，利用夾緊裝置7裝夾待加工工件9，利用數(shù)控系統(tǒng)3和加工機(jī)床12移動激光電磁脈沖復(fù)合加工頭5至焊接位置。
[0058]第2步，通過數(shù)控系統(tǒng)3設(shè)定激光功率、焊接速度、待加工工件表面的激光光斑直徑、激光束沿半徑方向的擺幅、電磁轉(zhuǎn)換裝置和待加工工件表面的垂直間距、磁場強(qiáng)度和脈寬。
[0059]第3步，按照上述設(shè)定參數(shù)開啟激光器I和電磁脈沖發(fā)生器2，產(chǎn)生激光束和脈沖強(qiáng)磁場，激光束和脈沖強(qiáng)磁場作用于同一位置，直至完成焊接任務(wù)。
[0060]為了方便不同形狀待加工工件的加工，本實(shí)用新型裝置的結(jié)構(gòu)可以作適應(yīng)性的變化，圖13-15列舉了其中幾種。
[0061]如圖13所示，圓筒結(jié)構(gòu)件激光電磁脈沖復(fù)合點(diǎn)焊設(shè)備示意圖，可根據(jù)所加工的圓筒結(jié)構(gòu)采用特定的夾緊裝置7與加工機(jī)床12，夾緊裝置7分為內(nèi)外兩部分且與加工機(jī)床12相連，分別置于圓筒結(jié)構(gòu)件需要連接的接縫的內(nèi)外兩側(cè)，并施加壓力使待焊部位平整。通過加工機(jī)床12控制點(diǎn)焊位置的移動，通過激光電磁脈沖復(fù)合加工頭5完成圓筒結(jié)構(gòu)件點(diǎn)焊操作。
[0062]如圖14所示為平板結(jié)構(gòu)件激光電磁脈沖復(fù)合點(diǎn)焊設(shè)備示意圖，采用夾緊裝置7單獨(dú)裝夾待加工工件9，通過加工機(jī)床12控制激光電磁脈沖復(fù)合加工頭5在待加工工件上方移動完成平板結(jié)構(gòu)件的點(diǎn)焊操作。
[0063]如圖15所示為用于環(huán)縫焊接的激光電磁脈沖復(fù)合縫焊設(shè)備示意圖，通過夾緊裝置7壓緊待焊待加工工件9，加工機(jī)床12與夾緊裝置7相連，在焊接過程中可以使夾緊裝置7與待加工工件9同時轉(zhuǎn)動，通過激光電磁脈沖復(fù)合加工頭5完成環(huán)縫焊接操作。
[0064]上述實(shí)施例為本實(shí)用新型的較佳實(shí)施方式，但本實(shí)用新型的實(shí)施方式并不受上述實(shí)施例的限制。其它任何未背離本實(shí)用新型精神實(shí)質(zhì)及原理所做的改變、修飾、替代、組合、簡化，均應(yīng)視為等效置換方式，包含在本實(shí)用新型保護(hù)范圍之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種激光電磁脈沖復(fù)合焊接設(shè)備，包括激光器、電磁脈沖發(fā)生器、數(shù)控系統(tǒng)、光學(xué)傳輸系統(tǒng)和激光電磁脈沖復(fù)合加工頭； 所述激光器為固體激光器或氣體激光器，所述光學(xué)傳輸系統(tǒng)分別與激光器和激光聚焦系統(tǒng)相連，用于激光束的傳輸；所述電磁脈沖發(fā)生器用于產(chǎn)生脈沖強(qiáng)磁場，所述激光電磁脈沖復(fù)合加工頭用于集成激光束和脈沖強(qiáng)磁場；所述數(shù)控系統(tǒng)分別與激光器和電磁脈沖發(fā)生器的電信號連接，用于控制激光器和電磁脈沖發(fā)生器工作，使通過激光電磁脈沖復(fù)合加工頭出射的激光束和脈沖強(qiáng)磁場共同作用于待加工工件上。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的激光電磁脈沖復(fù)合焊接設(shè)備，其特征在于，所述激光電磁脈沖復(fù)合加工頭包括激光聚焦系統(tǒng)、復(fù)合焊接位置調(diào)節(jié)裝置和電磁轉(zhuǎn)換裝置，電磁轉(zhuǎn)換裝置中部設(shè)有用于激光束穿過的通孔，激光聚焦系統(tǒng)用于激光束的聚焦，所述復(fù)合焊接位置調(diào)節(jié)裝置的一端固定安裝在激光聚焦系統(tǒng)上，另一端活動安裝電磁轉(zhuǎn)換裝置，電磁轉(zhuǎn)換裝置能夠通過復(fù)合焊接位置調(diào)節(jié)裝置移動以調(diào)節(jié)其和待加工工件之間的間距。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的激光電磁脈沖復(fù)合焊接設(shè)備，其特征在于，所述電磁轉(zhuǎn)換裝置包括集磁器和電磁脈沖線圈；集磁器為中空結(jié)構(gòu)，電磁脈沖線圈套裝在集磁器上。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的激光電磁脈沖復(fù)合焊接設(shè)備，其特征在于，所述激光聚焦系統(tǒng)的聚焦方式為激光振鏡掃描聚焦、透鏡聚焦或銅鏡反射聚焦；所述激光聚焦系統(tǒng)和電磁轉(zhuǎn)換裝置采用同軸或旁軸設(shè)計(jì)。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的激光電磁脈沖復(fù)合焊接設(shè)備，其特征在于，它還包括所述激光束熱源旁加裝的電弧熱源，熱源作為次級熱源。
6.根據(jù)權(quán)利要求1至5中任一所述的激光電磁脈沖復(fù)合焊接設(shè)備，其特征在于，所述待加工工件為圓筒結(jié)構(gòu)，夾緊裝置分為內(nèi)外兩部分且與加工機(jī)床相連，分別置于圓筒結(jié)構(gòu)件需要連接的接縫的內(nèi)外兩側(cè)。
【文檔編號】B23K28/02GK203649660SQ201320889167
【公開日】2014年6月18日 申請日期:2013年12月30日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月30日
【發(fā)明者】高明, 曾曉雁, 李耿, 王磊, 張臣, 李祥友, 王澤敏 申請人:華中科技大學(xué)