[发明专利]一种基于洛伦兹力的激光焊接熔池控制方法

说明书

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。

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时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焊接熔池控制方法，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焊接熔池控制方法，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。