一种外加磁场预置梯度镀层的异种金属激光焊接装置及方法

本发明涉及一种外加磁场预置梯度镀层后的激光焊接装置及方法，属于异种金属材料焊接加工领域。

背景技术：

1、节能减排成为汽车工业发展的焦点，汽车轻量化是实现节能减排的重要途径。因此，亟需开发一种能有效减少焊缝的缺陷并同时优化焊缝区的组织成分获得高质量的铝钢接头的焊接方法。

2、异种金属焊接最大的问题是由于两种金属的热物理性能存在差异，焊缝组织容易形成脆性金属化合物，导致焊缝性能差，焊接质量低。在异种金属之间，添加中间层金属有益于改善焊缝质量。一般方法是添加金属箔或者金属粉末，来辅助异种金属焊接，但是存在焊接质量可控性差的问题。

3、电镀是利用电化学阴极沉积原理在金属表面电镀上一薄层其它金属或合金，该技术是制备异种金属焊中间层的有效方法。但是焊接用激光束的能量一般呈高斯分布，需要与之对应的梯度镀层作为中间层金属。因此，亟需一种有效的制备梯度镀层作为中间层金属并且与异种金属焊接无缝对接的装置与方法。

技术实现思路

1、本发明提供一种外加磁场预置梯度镀层的异种金属激光焊接方法及装置，该发明能通过外加梯度磁场获得梯度金属镀层，中间梯度金属层致密性良好；激光焊接后，形成成型良好、无明显缺陷的异种金属焊缝。

2、本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

3、一种外加磁场预置梯度镀层的异种金属激光焊接装置，其特征在于：包括左升降系统、右升降旋转系统、激光焊接系统、焊接夹具、电磁场混粉电镀系统、电镀电源、磁场电源、吹气喷嘴、左立柱、右立柱以及工作台，左立柱固定在工作台的左侧，激光焊接系统固定在左立柱上，左升降系统包括液压缸、伸缩杆、压板、上板夹具、上板试件，液压缸固定在工作台上；焊接夹具固定在工作台上，由两块方料组成，中间留有加工间隙；右升降旋转系统通过螺栓固定在工作台上且置于焊接夹具右侧，右立柱固定在工作台右端并分为上、中、下三层，上层固定吹气喷嘴，中层放置磁场电源，下层放置电镀电源，电磁场混粉电镀系统固定在右升降旋转系统右侧的工作台上；

4、作为本发明的进一步优选，电磁场混粉电镀系统包括电镀槽、磁场绝缘座、接线柱、导电线圈、绝缘电镀夹具、铜板电极、磁性粒子以及下板试件，电镀槽内部焊有四块隔板，左右各两块隔板形成的两个空腔用于放置磁场绝缘座，磁场绝缘座有两个，内设有空腔，接线柱固定于空腔内部，接线柱呈“工”字型，导电线圈缠绕在接线柱上，导电线圈在接线柱中间匝数最多，并向两头依次减少，呈现梯度分布；电镀槽内中间两块隔板之间形成混粉电镀区，用以存放电镀液；电镀槽内左右两侧外部腔体为水浴加热区，用以存放纯净水；磁场绝缘座上方固定有两根横杠，绝缘电镀夹具和铜板电极通过所述两根横杠悬吊于混粉电镀区；铜板电极与电镀电源正极连接，下板试件下端插入绝缘电镀夹具中，下板试件非电镀区域被绝缘电镀夹具保护，只露出待电镀区域，下板试件上端与电镀电源负极连接；混粉电镀区电镀液中混有磁性粒子，导电线圈与磁场电源相接通电，在混粉电镀区外侧形成外加梯度磁场，磁性粒子在外加梯度磁场的作用下在混粉电镀区形成梯度分布；

5、作为本发明的进一步优选，右升降旋转系统包括导轨、转轴、固定转轴、舵机、支撑板、支杆销、支杆、丝母轴、变位夹具、升降电机、升降电机联轴器、丝杆、旋转底座、底架、旋转电机联轴器、旋转电机以及轴承座，旋转底座通过螺栓连接固定在工作台上，旋转电机固定在旋转底座中心，底架通过旋转电机联轴器与旋转电机连接；升降电机固定在底架左侧，丝杆通过升降电机联轴器与升降电机输出轴连接，丝杆两端设有轴承座；底架上安装四根支杆，每两根交叉呈x形为一组，支杆销将两组x形支杆连接，两组x形支杆的右下角通过固定转轴固定在底架上，两组x形支杆的左下角连接丝母轴，丝母轴与丝杆螺纹连接，两组x形支杆右上角通过固定转轴固定在支撑板底部，两组x形支杆的左上角通过转轴安装在导轨内，导轨固定在支撑板底部；支撑板右端底部固定有舵机，变位夹具固定于舵机并通过连接舵机实现垂直到水平的翻转，下板试件上端固定在变位夹具中，变位夹具处于悬垂状态时保证下板试件与电磁场混粉系统中的绝缘电镀夹具对齐；

6、作为本发明的进一步优选，激光焊接系统包括激光器、入射管、全反光镜、聚焦透镜、平面镜、喷嘴以及聚焦管，激光器发出的激光束进入入射管，通过固定在管内的全反光镜反射，垂直射入聚焦管内，经过聚焦透镜和平面镜从喷嘴射出，射入所述焊接夹具的加工间隙内；

7、作为本发明的进一步优选，磁场电源为直流电源，电压范围为50-80v；

8、作为本发明的进一步优选，接线柱的横截面积为5-15mm2；

9、作为本发明的进一步优选，磁性微粒直径为500-800nm；

10、作为本发明的进一步优选，电镀液为硫酸铜溶液，硫酸铜浓度为150-250g/l，添加硫酸50-60g/l；

11、作为本发明的进一步优选，激光器为nd：yag激光器，功率为500-1500w；

12、一种外加磁场预置梯度镀层的异种金属激光焊接装置，具体包括以下步骤：

13、第一步：将下板试件接入电镀电源负极，通过压板固定在变位夹具上，打开右升降系统中的升降电机，将下板试件下降并插入电磁场混粉电镀系统中的绝缘电镀夹具中，铜板电极接入电镀电源正极；

14、第二步：打开磁场电源，混粉电镀区电镀液中的磁性粒子随导电线圈匝数的变化呈梯度分布；

15、第三步：打开电镀电源，在磁性粒子的辅助作用下，下板试件待电镀区域开始进行电化学沉积，逐渐形成梯度镀层；

16、第四步：电镀达到预定时间后，依次关闭电镀电源和磁场电源，完成梯度镀层沉积；

17、第五步：打开升降电机，丝杆转动，丝母轴在丝杆上移动，两组支杆变形带动支撑板上升，将完成梯度镀层沉积的下板试件从绝缘电镀夹具中完全取出，关闭升降电机；

18、第六步：打开舵机，变位夹具与电镀完成的下板试样从垂直状态翻转为水平状态，下板试样紧贴在支撑板底部，打开吹气喷嘴将下板试样具有梯度镀层的表面吹干；

19、第七步：打开旋转电机，底架旋转至焊接夹具正上方，下板试件与焊接夹具之间的加工间隙位置相对应；

20、第八步：打开升降电机，下压支撑板，让支撑板、下板试件及焊接夹具压紧；

21、第九步：打开液压缸，使伸缩杆带动压板下降，使上板试件与下板试件贴合，两者一起压紧在在焊接夹具表面；

22、第十步：打开激光器，使聚焦激光束对准加工间隙，对两块板材进行激光搭接焊接。

23、通过以上技术方案，相对于现有技术，本发明具有如下有益效果：

24、1、本发明的方法以电化学沉积主，在电化学沉积的基础上，外加梯度磁场，形成预置梯度镀层，电镀完成后，利用高能激光束焊接工件，最终得到成型良好、力学性能优良的焊缝。

25、2、本发明装置结构简单，易于安装、检测。

26、3、本发明装置能够重复利用电镀溶液和磁性粒子，能有效降低成本和保护环境。

技术特征：

1.一种外加磁场预置梯度镀层的异种金属激光焊接装置，其特征在于：包括左升降系统(1)、右升降旋转系统(3)、激光焊接系统(2)、焊接夹具(9)、电磁场混粉电镀系统(5)、电镀电源(7)、磁场电源(6)、吹气喷嘴(4)、左立柱(13)、右立柱(12)以及工作台(8)，左立柱(13)固定在工作台(8)的左侧，激光焊接系统(2)固定在左立柱(13)上，左升降系统(1)包括液压缸(101)、伸缩杆(102)、压板(103)、上板夹具(104)、上板试件(105)，液压缸(101)固定在工作台(8)上；焊接夹具(9)固定在工作台(8)上，由两块方料组成，中间留有加工间隙(10)；右升降旋转系统(3)通过螺栓固定在工作台(8)上且置于焊接夹具(9)右侧，右立柱(12)固定在工作台(8)右端并分为上、中、下三层，上层固定吹气喷嘴(4)，中层放置磁场电源(6)，下层放置电镀电源(7)，电磁场混粉电镀系统(5)固定在右升降旋转系统(3)右侧的工作台(8)上。

2.根据权利要求1所述的一种外加磁场预置梯度镀层的异种金属激光焊接装置，其特征在于：所述电磁场混粉电镀系统(5)包括电镀槽(506)、磁场绝缘座(501)、接线柱(505)、导电线圈(508)、绝缘电镀夹具(503)、铜板电极(504)、磁性粒子(509)以及下板试件(11)，电镀槽(506)内部焊有四块隔板，左右各两块隔板形成的两个空腔用于放置磁场绝缘座(501)，磁场绝缘座(501)有两个，内设有空腔(502)，接线柱(505)固定于空腔(502)内部，接线柱(505)呈“工”字型，导电线圈(508)缠绕在接线柱(505)上，导电线圈(508)在接线柱(505)中间匝数最多，并向两头依次减少，呈现梯度分布；电镀槽(506)内中间两块隔板之间形成混粉电镀区(507)，用以存放电镀液；电镀槽(506)内左右两侧外部腔体(511)为水浴加热区，用以存放纯净水；磁场绝缘座(501)上方固定有两根横杠，绝缘电镀夹具(503)和铜板电极(504)通过所述两根横杠悬吊于混粉电镀区(507)；铜板电极(504)与电镀电源(7)正极连接，下板试件(11)下端插入绝缘电镀夹具(503)中，下板试件(11)非电镀区域被绝缘电镀夹具(503)保护，只露出待电镀区域，下板试件(11)上端与电镀电源(7)负极连接；混粉电镀区(507)电镀液中混有磁性粒子(509)，导电线圈(508)与磁场电源(6)相接通电，在混粉电镀区(507)外侧形成外加梯度磁场，磁性粒子(509)在外加梯度磁场的作用下在混粉电镀区(507)形成梯度分布。

3.据权利要求1所述的一种外加磁场预置梯度镀层的异种金属激光焊接装置，其特征在于：右升降旋转系统(3)包括导轨(301)、转轴(302)、固定转轴(303)，舵机(304)、支撑板(305)，支杆销(306)、支杆(307)、丝母轴(308)、变位夹具(309)、升降电机(310)、升降电机联轴器(311)、丝杆(312)、旋转底座(313)、底架(314)、旋转电机联轴器(315)、旋转电机(316)以及轴承座(317)，旋转底座(313)通过螺栓连接固定在工作台(8)上，旋转电机(316)固定在旋转底座(313)中心，底架(314)通过旋转电机联轴器(315)与旋转电机(316)连接；升降电机(310)固定在底架(314)左侧，丝杆(312)通过升降电机联轴器(311)与升降电机(310)输出轴连接，丝杆(312)两端设有轴承座(317)；底架(314)上安装四根支杆(307)，每两根交叉呈x形为一组，支杆销(306)将两组x形支杆连接，两组x形支杆的右下角通过固定转轴(303)固定在底架(314)上，两组x形支杆的左下角连接丝母轴(308)，丝母轴(308)与丝杆(312)螺纹连接，两组x形支杆右上角通过固定转轴(303)固定在支撑板(305)底部，两组x形支杆的左上角通过转轴(302)安装在导轨(301)内，导轨(301)固定在支撑板(305)底部；支撑板(305)右端底部固定有舵机(304)，变位夹具(309)固定于舵机(304)并通过连接舵机(304)实现垂直到水平的翻转，下板试件(11)上端固定在变位夹具(309)中，变位夹具(309)处于悬垂状态时保证下板试件(11)与电磁场混粉系统(5)中的绝缘电镀夹具(503)对齐。

4.根据权利要求1所述的一种外加磁场预置梯度镀层的异种金属激光焊接装置，其特征在于：激光焊接系统(2)包括激光器(201)、入射管(202)、全反光镜(203)、聚焦透镜(204)、平面镜(205)、喷嘴(206)以及聚焦管(207)，激光器(201)发出的激光束进入入射管(202)，通过固定在管内的全反光镜(203)反射，垂直射入聚焦管(207)内，经过聚焦透镜(204)和平面镜(205)从喷嘴(206)射出，射入所述焊接夹具(9)的加工间隙(10)内。

5.根据权利要求2所述的一种外加磁场预置梯度镀层的异种金属激光焊接装置，其特征在于：磁场电源为直流电源，电压范围为50-80v。

6.根据权利要求2所述的一种外加磁场预置梯度镀层的异种金属激光焊接装置，其特征在于：接线柱的横截面积为5-15mm2。

7.根据权利要求2所述的一种外加磁场预置梯度镀层的异种金属激光焊接装置，其特征在于：磁性微粒直径为500-800nm。

8.根据权利要求2所述的一种外加磁场预置梯度镀层的异种金属激光焊接装置，其特征在于：电镀液为硫酸铜溶液，硫酸铜浓度为150-250g/l，添加硫酸50-60g/l。

9.根据权利要求3所述的一种外加磁场预置梯度镀层的异种金属激光焊接装置，其特征在于：激光器(201)为nd：yag激光器，功率为500-1500w。

10.一种基于权利要求1至权利要求9任一项所述的外加磁场预置梯度镀层的异种金属激光焊接装置的焊接方法，其特征在于：具体包括以下步骤：

技术总结
本发明涉及一种外加磁场预置梯度镀层的异种金属激光焊接装置及方法，针对电镀加工区外加梯度磁场，使得电镀液中的磁性粒子呈梯度分布，影响作为阴极的下板试件表面的电流密度分布，从而在下板试件表面沉积梯度分布的中间金属镀层，再利用升降及旋转装置将下板试件提升、翻转，转移到异种金属上板试件的下方，两者贴合后，利用高功率激光束，进行异种金属材料激光搭接焊接，获得力学性能良好、表面无明显缺陷的焊缝。本发明能有效提高异种金属焊缝的力学性能，装置结构简单、操作方便，可提高加工质量和加工效率。

技术研发人员：张华,顾慧研
受保护的技术使用者：南通大学
技术研发日：
技术公布日：2024/8/15