[发明专利]一种电磁力辅助脉冲激光焊接方法及焊接装置

说明书

技术领域

本发明涉及一种焊接技术领域，特别是一种电磁力辅助脉冲激光焊接方法及焊接装置。

背景技术

焊接是现代制造业中最为重要的材料成形技术之一。激光焊接作为新型焊接技术，以其能量密度高、焊接速度快、熔深大、热影响区小、焊缝成形好、易于自动化控制等优点日益受到重视。广泛应用于航空航天、武器制造、船舶制造、汽车制造、微电子制造、压力容器制造、民用及医用等领域。

随着大功率激光器的发展,激光深熔焊技术在工业领域越来越得到广泛的使用,激光焊接的熔深也进一步增加,但激光深熔焊尤其是激光焊接厚板易出现气孔和组织严重不均匀问题，是典型的焊接冶金缺陷。

而激光焊接气孔主要有冶金气孔和工艺气孔。冶金气孔是由于气体在熔池的溶解度随温度变化显著大量吸附和析出聚集造成,而工艺气孔主要是焊接时溶池中的匙孔瞬间失稳。前者一般形态圆滑且体积较小，通过焊接前处理、焊接时间控制，实际过程发现对焊接接头影响有效。后者形成的气孔一般形状不规则,直径较大。使有效的工作横截面变小、机械性能随之显著下降,并使得焊接部位致密性变差,降低气密性。此外,气孔不规则边缘处可能会发生应力的集中现象,使焊缝塑性降低。

组织严重不均匀主要是由于激光焊接过冷度大，焊缝冷却速度快，熔池未及充分流动、混合就已经凝固，可能导致宏观焊缝边缘出现粗大的柱状晶组织，再往中心将生成第二相甚至夹杂物，中心一般为等轴晶，会出现组织的显著不均匀，极易在焊接应力、时效等后过程中出现延时裂纹。试验分析发现，夹杂物和不均匀组织，对焊接接头的抗疲劳性能、拉伸性能等造成显著影响。

所以,消除激光焊接工艺气孔和组织不均匀，减少焊接工件负载过程中的应力集中，消除夹杂物及不均匀组织，是提高激光深熔焊接工艺质量的关键。

目前,解决激光深熔焊接气孔问题主要有三种方法。一是单纯使用脉冲波形激光,改变了小孔的行为,减少保护气体被卷入小孔；二是采用活性气体,使得气体能够溶解于焊缝或与熔池金属发生反应生成化合物。三是采用辅助激光束进行焊接,对焊缝进行加热保温甚至重新融化，新开一条气孔逸出的通道，增加气孔的聚集和逸出。但目前这些方法存在着不能完全消除气孔，气孔消除效率低，或带来焊接热影响区变大，吸收其他气体造成焊缝韧性下降等问题。

目前,解决激光深熔焊接组织不均匀问题的方法主要有：采用周期性的脉冲激光对熔池进行周期性地能量输入，形成周期性出现的温度梯度，在此梯度作用下产生张力差异，对熔池进行搅拌均匀；在该方法中，脉冲调制的控制难度大，尤其对异种材料激光焊接经验证效果非常差。

发明内容

本发明的主要目的是提供一种电磁力辅助脉冲激光焊接的方法与焊接装置，本发明的技术方案可以显著的降低甚至消除激光焊接时气孔和组织不均匀，对由于“匙孔”不稳定、提前闭合而产生的工艺气孔进行抑制，对由于温度及张力分布不均匀造成的溶池流动不充分而导致的组织严重不均匀的情况进行改善，能够显著提高焊接接头的综合力学性能，是一种提高焊接工件加工效率、质量、可靠性的高效果及效率的技术。

本发明提供的技术方案为：一种电磁力辅助脉冲激光焊接方法，包括以下步骤：

步骤1：将待加工的工件固定；

步骤2：在保护气体的保护下，采用脉冲激光对工件表面的焊缝进行焊接，并获取工件表面的等离子体面积；在一个脉冲宽度内或者在一个脉冲宽度的中后期内，所述的脉冲激光的功率逐步降低；

步骤3：设当脉冲激光施加过程中工件表面的等离子体面积降低为焊接时等离子面积最大时的1/e时的时刻为t，则在t～t+1ms内的任一时刻，对工件施加磁场，所述的磁场的强度为0.1～10T，磁场持续时间为1～100ms。

在上述的电磁力辅助脉冲激光焊接方法中，所述的步骤3中，所述的磁场的强度为0.2～1.5T，磁场持续时间为5～20ms。

在上述的电磁力辅助脉冲激光焊接方法中，所述的工件焊缝无间隙或间隙小于0.06mm。

在上述的电磁力辅助脉冲激光焊接方法中，所述的工件表面的等离子体面积通过高速摄像机获取。使用高速摄像机对焊接时工件表面产生的等离子体进行在线检测，使用二值法对拍摄到的图像进行处理，并进行等离子体面积计算，依据等离子体面积，系统自动判断焊接进程。当等离子体面积降低为焊接时的1/e时，可以判断“匙孔”即将在5～20ms内关闭。

在上述的电磁力辅助脉冲激光焊接方法中，所述的工件表面的等离子体面积的获取方法具体为使用高速摄像机对焊接时工件表面进行在线检测，使用二值法对拍摄到的图像进行处理，进行等离子体面积计算。