一种激光电弧复合熔透焊电磁辅助磁头及自主调控系统

本发明属于激光加电弧复合热源焊接，特别是涉及激光电弧复合熔透焊电磁辅助磁头及自主调控系统。

背景技术：

1、激光加电弧复合热源焊综合了激光焊和电弧焊的优点，能够实现铝合金等高反光材料15mm以下厚板单道穿透，具有焊接速度高、搭桥能力强、焊后变形小且易于实现自动化的优点。对于铝合金厚板复合熔透焊，由于工件背面无支撑结构且熔池体积大，整个熔池所受垂直向下的合力极易超过工件底部的表面张力，金属熔液易流动到工件背面，引起根部缺陷，如滴落、驼峰及焊瘤等，且仅依靠工艺手段难以有效地抑制。现有的辅助穿透焊背面成形的控制策略多为：焊缝背面吹保护气体、工件底部开槽口或开发背面保护装置，以上方法皆存在着待焊工件尺寸有限、焊前准备工作量大且繁琐。

2、目前外加磁场已被大量应用于辅助调控焊接过程，有助于抑制熔池流动速度、降低等离子体对激光的抑制效果、改变电弧的分布形态、细化接头组织、也能够减少焊接缺陷。但是，企业实际生产过程中所面临的常是大尺寸构件及长时间的焊接工作，磁场发生装置中的电磁线圈会因持续工作而产生大量的电阻热，造成同电压下通过的电流减小，所产生的磁场强度降低，另外，对于铝合金等高导热率材料，整个工件的温度会随着焊接作业的进行而升高，而母材热量的积累会进一步加剧根部缺陷的发生。

技术实现思路

1、为了克服现有技术的不足，本发明设计了一种激光电弧复合熔透焊电磁辅助磁头及自主调控系统。解决了电磁场辅助焊接大尺寸、高导热率、高反光材料构件时，由于电磁线圈磁导率发生起伏、热积累效应提高，会引起磁场强度波动剧烈、工件根部下榻缺陷进一步加剧问题。

2、本发明所设计的一种激光电弧复合熔透焊电磁辅助磁头，包括柱状的中空铁芯，铁芯外部螺旋盘绕有线圈，两端分别连接有导磁杆，绕有线圈的铁芯外部套有屏蔽外壳，所述铁芯和屏蔽外壳两端密封，形成以铁芯中空内部为第一层冷却空间，铁芯与屏蔽外壳之间的腔体为第二层冷却空间的密闭冷却结构，所述第一层冷却空间与第二层冷却空间均设置有进气孔和出气孔。

3、进一步地，所述屏蔽外壳两端分别设置有屏蔽盖，所述铁芯两端与屏蔽盖抵接。

4、更进一步地，所述屏蔽盖外径与屏蔽外壳内径相同，所述屏蔽盖嵌置于屏蔽外壳两端。

5、进一步地，所述屏蔽盖设置有与铁芯尺寸对应的盲孔，所述铁芯两端嵌置于盲孔内，所述第一冷却空间和第二冷却空间的进气孔共用同一进气通道，所述第一冷却空间和第二冷却空间的出气孔共用同一出气通道。

6、更进一步地，所述进气通道由依次经过屏蔽外壳一端侧壁、其中一屏蔽盖和铁芯侧壁的通孔构成，所述出气通道由依次经过屏蔽外壳另一端侧壁，另一屏蔽盖和铁芯侧壁的通孔构成；所述屏蔽盖的通孔均与第二冷却空间连通。

7、进一步地，所述屏蔽外壳上设置有用于嵌置其中一导磁杆的凹槽。

8、进一步地，所述导磁杆形成的磁场方向包括水平方面平行或者垂直于焊缝，还包括磁场穿透焊缝。

9、基于同一发明构思，本发明还公开了一种利用所述的激光电弧复合熔透焊电磁辅助磁头的自主调控系统，包括电磁辅助磁头、计算机测试调控系统、可调节冷气压缩装置及移动平台；

10、所述电磁辅助磁头安装于移动平台上，设置在熔透焊背面，由导磁杆引出磁场，沿焊缝随焊接组件移动，分布在焊缝两侧；

11、所述计算机测试调控系统用于接收传感器反馈的电磁辅助磁头温度、磁场强度值，并控制可调节冷气压缩装置，实时调节进气孔的冷空气温度、流量及冷却时间。

12、进一步地，所述传感器包括温度传感器和磁场强度测试模块，所述温度传感器设置于屏蔽外壳外侧，所述磁场强度测试模块与焊缝以导磁杆为轴对称布置。

13、进一步地，所述可调节冷气压缩装置包括气瓶、气体阀和压缩冷却装置，所述气体阀安装在气瓶出口与压缩冷却装置之间的导管上，所述压缩冷却装置同时连接计算机与进气孔。

14、本发明的有益效果如下：通过设计的电磁线圈双侧冷却组合结构，能够快速地冷却磁头、稳定磁场强度，且便于安装与拆卸；磁头产生的磁场强度由计算机测试调控系统实时检测，当磁场强度波动超过一定范围后，由计算机动态调整冷气压缩装置的出气温度、流量及冷却时间，能够使磁场强度稳定在一定范围内；另外，所设计的导磁杆安装十分便捷并支持多姿态、灵活安装，可引入不同方向的横向或纵向磁场。

技术特征：

1.一种激光电弧复合熔透焊电磁辅助磁头，其特征在于：包括柱状的中空铁芯(26)，铁芯(26)外部螺旋盘绕有线圈(20)，两端分别连接有导磁杆，绕有线圈的铁芯(26)外部套有屏蔽外壳(23)，所述铁芯(23)和屏蔽外壳(23)两端密封，形成以铁芯中空内部为第一层冷却空间(18)、铁芯(26)与屏蔽外壳(23)之间的腔体为第二层冷却空间(17)的密闭冷却结构，所述第一层冷却空间(18)与第二层冷却空间(17)均设置有进气孔和出气孔。

2.根据权利要求1所述的激光电弧复合熔透焊电磁辅助磁头，其特征在于：所述屏蔽外壳(23)两端分别设置有屏蔽盖，所述铁芯(23)两端与屏蔽盖抵接。

3.根据权利要求2所述的激光电弧复合熔透焊电磁辅助磁头，其特征在于：所述屏蔽盖外径与屏蔽外壳(23)内径相同，所述屏蔽盖嵌置于屏蔽外壳(23)两端。

4.根据权利要求1所述的激光电弧复合熔透焊电磁辅助磁头，其特征在于：所述屏蔽盖设置有与铁芯(26)尺寸对应的盲孔，所述铁芯(26)两端嵌置于盲孔内，所述第一冷却空间(18)和第二冷却空间(17)的进气孔为同一进气通道，所述第一冷却空间(18)和第二冷却空间(17)的出气孔为同一出气通道。

5.根据权利要求4所述的激光电弧复合熔透焊电磁辅助磁头，其特征在于：所述进气通道由依次经过屏蔽外壳(23)一端侧壁、其中一屏蔽盖和铁芯(26)侧壁的通孔构成，所述出气通道由依次经过屏蔽外壳(23)另一端侧壁，另一屏蔽盖和铁芯(26)侧壁的通孔构成；所述屏蔽盖的通孔均与第二冷却空间连通。

6.根据权利要求1所述的激光电弧复合熔透焊电磁辅助磁头，其特征在于：所述屏蔽外壳(23)上设置有用于嵌置其中一导磁杆的凹槽。

7.根据权利要求1所述的激光电弧复合熔透焊电磁辅助磁头，其特征在于：所述导磁杆形成的磁场方向包括水平方面平行或者垂直于焊缝，还包括磁场穿透焊缝。

8.一种利用权利要求1-7任一所述的激光电弧复合熔透焊电磁辅助磁头的自主调控系统，其特征在于：包括电磁辅助磁头(8)、计算机测试调控系统、可调节冷气压缩装置及移动平台(7)；

9.根据权利要求8所述的自主调控系统，其特征在于：所述传感器包括温度传感器(9)和磁场强度测试模块(10)，所述温度传感器(9)安装于屏蔽外壳(23)外侧，所述磁场强度测试模块(10)与焊缝以导磁杆为轴对称布置。

10.根据权利要求8所述的自主调控系统，其特征在于：所述可调节冷气压缩装置包括气瓶(12)、气体阀(13)和压缩冷却装置(11)，所述气体阀(13)安装在气瓶(12)出口与压缩冷却装置(11)之间的导管上，所述压缩冷却装置(11)同时连接计算机(6)与进气孔。

技术总结
本发明公开了一种激光电弧复合熔透焊电磁辅助磁头及自主调控系统，电磁辅助磁头包括柱状的中空铁芯，铁芯外部螺旋盘绕有线圈，两端分别连接有导磁杆，绕有线圈的铁芯外部套有屏蔽外壳，铁芯和屏蔽外壳两端密封，形成以铁芯中空内部为第一层冷却空间，铁芯与屏蔽外壳之间的腔体为第二层冷却空间的密闭冷却结构，两层冷却空间均设置有进气孔和出气孔。该电磁辅助磁头再配以计算机和冷气压缩装置，通过测试模块检测到磁场强度偏离额定范围后，自主调控系统实时、动态向冷却压缩装置发出指令调整冷却气体的温度、流量及冷却时间，保证磁头产生稳定的磁场，可有效减少铝合金等高导热材料在长时间焊接工况下的根部塌陷、驼峰及滴落等缺陷。

技术研发人员：胥国祥,王耀伟,赵文勇,刘文,胡庆贤,朱杰,刘靖宇,李玲玉,李文达
受保护的技术使用者：江苏科技大学
技术研发日：
技术公布日：2025/1/2