[发明专利]一种脉冲强磁场辅助激光焊接方法与设备

说明书

技术领域

本发明属于焊接技术，具体涉及一种脉冲强磁场辅助激光焊接方法与设备，尤其适用于金属材料薄壁结构的脉冲强磁场辅助激光焊接。

背景技术

焊接是金属材料结构件的重要加工手段，在车辆、航空航天、船舶、建筑、桥梁、压力容器等制造领域有着广泛应用。激光焊接技术是利用具有高能密度特性的激光作为热源加热熔化工件来实施焊接，具有焊接速度快、变形小、接头质量好、热影响区小，以及适用于各种金属材料，且易于实现自动化的一系列优点，是当前先进制造技术发展的热点。比如，空中客车A318、A340和A380等机型的机身制造中即采用激光焊接技术，不但大大简化了制造工艺，而且使机身减重18％，成本下降近25％。在汽车白车身(低碳钢、镀锌板等材料)的制造中，激光点焊工艺已经成为取代铆接、电阻点焊和电弧点焊的首选工艺。

作为一种熔焊工艺，激光焊接面临的最大问题是因热输入而导致的热变形，严重影响构件装配精度和结构整体性能，尤其是疲劳性能，尽管其热输入和热影响远小于传统的电阻焊和电弧焊工艺。已经开展的研究表明在激光焊接条件下，焊接热变形的控制常常存在一定困难。传统的焊后残余应力消除方法与矫形方法(诸如锤击、机械振动、焊后缓冷(时效法)、热处理等)耗时耗力，属于操作困难的离线式焊接应力消除方法，效果不佳。因此，如何实时在线改善激光焊接接头应力应变分布状态，消除或减小残余应力并降低结构变形，是促进激光焊接技术发展的关键。

脉冲强磁场成形技术是利用脉冲强磁场进行金属材料塑性成形加工的新型高能率加工方法：成形加工头悬浮于工件上方，当脉冲电流经过加工头内部的线圈时产生脉冲强磁场，引发金属工件内部形成感生涡流磁场，进而在工件内部形成强的电磁力以实现对金属材料的塑性加工。脉冲电磁力对工件表面产生的瞬间峰值压力可达近400MPa，变形区内金属流动的速度可达300m／s，是一种效率极高的塑形加工方法。因为上述技术特点，脉冲强磁场成形技术能够实现金属材料的在线加工和校形。

发明内容

本发明的目的在于提供一种脉冲强磁场辅助激光焊接方法与设备，本发明可以实时改善焊接接头的残余应力分布状态，降低结构变形，从而大幅度提高焊接接头的质量、结构制造精度和加工效率。

本发明提供的一种脉冲强磁场辅助激光焊接方法，其特征在于，焊接过程中先将激光束照射到工件上形成焊接接头，再将脉冲强磁场施加于刚刚凝固的焊接接头及其周围热影响区域，脉冲强磁场在工件表面产生压应力使接头区域发生塑性变形，释放残余应力，以降低焊接接头应力集中和结构变形程度，并提高焊接接头疲劳强度。

上述技术方案可以采用下述任一种或任几种方式进行改进：

(1)激光功率为300W～15000W，更优选的范围为1500W～5000W，对于点焊，单点焊接时间为0.05s～10s，更优选的范围为0.2s～3s；对于缝焊，焊接速度为0.5m／min～30m／min，更优选的范围为1m／min～6m／min。

(2)脉冲强磁场辅助激光焊接加工头可以沿Z轴(垂直于工件表面的方向)上下移动使作用于工件表面的激光光斑处于变焦状态，激光光斑直径为0.1mm～10mm，更优选的范围为0.5mm～5mm。

(3)在激光焊接过程中，可以采用振镜聚焦系统使激光束在工件表面沿半径方向摆动，以扩大激光束作用范围，并增强熔池流动，提高焊缝质量。激光束的摆幅为0.5mm～5mm，并且可以以圆形、椭圆形、矩形、三角形、八字形等图形方式进行摆动，但不局限于这些形式。

(4)所述激光焊接工艺可以填充材料来改善焊接冶金过程，提高接头质量，填充材料以薄膜、粉末或丝材的形式进行添加。

(5)所述激光焊接工艺除了单一激光焊接方法外，还可以在激光热源旁加装电弧热源作为次级热源，采用效率更高、焊接缺陷更少的激光-电弧复合焊接方法来提高焊缝质量。

(6)电磁转换装置和工件表面的间距为0.5mm～50mm，更优选的范围为2mm～10mm；脉冲磁场强度为0.05T-90T，更优选的范围为0.5T-50T；磁场脉宽为1μs～3s，更优选的范围为100μs～500ms。对于点焊，所述的特定延迟时间的范围为0.5s～300s，优选范围为5s～60s；对于缝焊，所述的特定延迟时间由电磁转换装置与激光束中轴的水平间距除以焊接速度得到，电磁转换装置与激光束水平间距的范围为10mm～500mm，优选范围为30mm～50mm。

本发明提供的实现上述脉冲强磁场辅助激光焊接方法的设备，包括激光器、脉冲强磁场发生器、数控系统、光学传输系统、激光脉冲强磁场复合加工头和加工机床；