一种电磁力辅助脉冲激光焊接方法及焊接装置的制造方法
【技术领域】
[0001 ] 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
目.0
【背景技术】
[0002]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。
[0003]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。
[0004]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。
[0005]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。
[0006]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。
[0007]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。
[0008]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】
[0009]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。
[0010]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:
[0011]步骤1:将待加工的工件固定；
[0012]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；
[0013]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Ι/e时的时刻为t，则在t?t+lms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I?100ms。
[0014]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。
[0015]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。
[0016]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Ι/e时，可以判断“匙孔”即将在5?20ms内关闭。
[0017]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。
[0018]在上述的电磁力辅助脉冲激光焊接方法中，所述的方法用于用于点焊、对焊、搭接焊、船型焊中各种同、异种金属接头的激光焊接。
[0019]在上述的电磁力辅助脉冲激光焊接方法中，所述的脉冲激光的激光峰值功率为所述的脉冲激光的脉宽为6.5?10ms，所述的脉冲激光的峰值功率为0.3?7Kw，所述的脉冲激光的脉冲之间的间隔10?40ms，光斑直径为0.2?1.3mm，离焦量为-5?4.2mm。
[0020]在上述的电磁力辅助脉冲激光焊接方法中，所述的脉冲激光采用分段或不分段调制的脉冲，焊接为非穿透焊接。
[0021]本发明还提供采用上述的电磁力辅助脉冲激光焊接方法的焊接装置，包括激光发生器、光学传输系统、光学聚焦系统、夹装工作台、保护气体供应设备、控制系统，还包括脉冲电流产生器、电磁转换设备、用于采集工件表面图像的高速摄像机，所述的激光发生器、脉冲电流产生器、高速摄像机、夹装工作台分别连接至控制系统，所述的激光发生器通过光学传输系统与光学聚焦系统，所述的脉冲电流产生器与电磁转换设备相连，所述的电磁转换设备设置在工件下方，所述的保护气体供应设备的供气口设置在工件的焊缝处，所述的光学聚焦系统作用于工件表面。
[0022]在述的电磁力辅助脉冲激光焊接装置中，所述的保护气体供应设备包括保护气体瓶和连接在保护气体瓶上的保护气体管道，所述的保护气体管道的出口设置在工件的焊缝处。
[0023]本发明的有益效果如下:
[0024]本发明采用脉冲功率逐步降低的脉冲激光对工件进行焊接，当其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l/e时施加磁场，判断“匙孔”即将在5?20ms内关闭，可以使得“匙孔”肩部的液态金属加速向“匙孔”腰部流动、聚集；加速向“匙孔”底部流动、聚集，“匙孔”底部被良好填充，腰束部贴近熔化金属形成小气孔，融化金属形态明显瘦长。此处形成的熔池，由于主要作用力是电磁力，因此没有明显中心，流动比较充分，组织相对更为均匀。产生的小气孔由于电磁力对熔化金属的加速挤压作用，而被排挤从焊缝表面逸出，熔池受电磁力影响液态金属流动充分，组织均匀，抑制焊接气孔的产生，减少了受力及载荷过程中的不均匀及应力集中现象，提高了焊接接头的综合力学性能。
【附图说明】
[0025]图1是本发明的电磁力辅助脉冲激光焊接装置的结构示意图；
[0026]图2是本发明的焊接方法的流程方框图；
[0027]图3是本发明的高速摄像机所拍摄到的焊接过程中等离子体变化的图像；
[0028]图4是采用本发明的方法和不采用本发明方法的焊接效果图；
[0029]图5是本发明实施例6?15的不同的磁场施加时间对气孔率的影响的曲线图；
[0030]图6是本发明实施例6?15的不同的磁场施加时间对熔深的影响的曲线图。
【具体实施方式】
[0031]下面结合【具体实施方式】，对本发明的技术方案作进一步的详细说明，但不构成对本发明的任何限制。
[0032]实施例1
[0033]如图1所示，一种电磁力辅助脉冲激光焊接装置，包括激光发生器1、光学传输系统12、光学聚焦系统11、夹装工作台6、保护气体供应设备、控制系统3，还包括脉冲电流产生器2、电磁转换设备5、用于采集工件表面图像的高速摄像机4，所述的激光发生器1、脉冲电流产生器2、高速摄像机4、夹装工作台6分别连接至控制系统3，所述的激光发生器I通过光学传输系统12与光学聚焦系统11相连，所述的脉冲电流产生器2与电磁转换设备5相连，所述的电磁转换设备5设置在工件8下方，所述的保护气体供应设备的供气口设置在工件8的焊缝处，所述的光学聚焦系统11作用于工件8表面，具体来说所述的保护气体供应设备包括保护气体瓶7和连接在保护气体瓶上的保护气体管道10，所述的保护气体管道10的出口设置在工件8的焊缝处。
[0034]所述激光发生器I为相关固体脉冲激光器，可以为半导体、光纤、YAG等；光学传输系统可以是光路或者传输光纤，连接激光器与光学聚焦系统，传输激光；所述电磁转换设备5用于产生磁场，脉冲电流产生器2用于产生脉冲电流，通过电磁转换设备5产生磁场；光学聚焦系统11用于聚集激光；保护