一种磁场辅助激光电弧复合焊接小直径薄壁管的设备及方法与流程

本发明涉及一种焊接小直径薄壁管的设备及方法，具体涉及一种磁场辅助激光电弧复合焊接小直径薄壁管的设备及方法，属于焊接技术领域。

背景技术：

激光焊接是一种新型焊接技术，因其能量密度高、焊接速度快、焊缝成形好、易于自动化控制等优点，得到广泛应用。而激光电弧复合焊接是一种将激光和电弧两种能量表现形式不同的热源结合起来的焊接方法，该种焊接方法具有焊接效率高、焊接熔深大、焊缝成形好、热输入量小、能量利用率高等优点，可有效发挥两种热源的优势，同时弥补彼此的不足。其在航空航天、船舶制造、汽车制造、微电子制造、压力容器制造、民用及医用等领域具有广泛的应用。

对于焊接性较差的铝合金、镁合金等而言，采用激光电弧复合焊接技术焊接铝、镁合金板材已经可以得到较好焊接质量的接头。然而，现有的激光电弧复合焊接技术在焊接镁合金、铝合金等难焊金属的小直径薄壁管时，仍存在较多问题。这是因为小直径管筒体曲率大，而铝、镁等合金的熔融金属表面张力较小，流动性较强，粘着系数低，在采用变换机转动来平衡小直径管的焊接位置时，往往会造成熔化的焊丝来不及凝固而在重力的作用下沿着焊缝表面向下流动，从而使焊缝出现未融合、烧穿、气孔等缺陷，进而影响焊缝质量。

技术实现要素：

在下文中给出了关于本发明的简要概述，以便提供关于本发明的某些方面的基本理解。应当理解，这个概述并不是关于本发明的穷举性概述。它并不是意图确定本发明的关键或重要部分，也不是意图限定本发明的范围。其目的仅仅是以简化的形式给出某些概念，以此作为稍后论述的更详细描述的前序。

鉴于此，本发明根据磁场辅助激光电弧焊接的优势，针对现有的小直径薄壁管焊接技术的缺陷，提供了一种磁场辅助激光电弧复合焊接小直径薄壁管的设备及方法，可大大减少未熔合、烧穿、气孔等缺陷，提高焊缝质量。

方案一：本发明提供了一种磁场辅助激光电弧复合焊接小直径薄壁管的设备，包括激光器、电弧焊机、磁场发生器、焊接变位机、焊接机器人和夹持装置；

待焊小直径薄壁管装夹在焊接变位机上，磁场发生器通过夹持装置支撑套装在待焊小直径薄壁管上，激光器和电弧焊机接装在焊接机器人上；

所述激光器用于产生激光；所述电弧焊机用于产生焊接电弧；所述焊接变位机用于夹持待焊小直径薄壁管及调节待焊小直径薄壁管的焊接位置；所述磁场发生器用于产生磁场，通过套在待焊小直径薄壁管外部的线圈作用于待焊位置；所述焊接机器人用于调整激光电弧复合焊接参数，控制焊接过程，安装激光器和电弧焊机；所述夹持装置33用于固定并支撑磁场发生器，调整磁场与焊接位置的距离。

其中，所述焊接机器人将激光器发出的激光和电弧焊机产生的电弧进行耦合，并控制焊接过程；所述磁场发生器套在待焊小直径薄壁管的外部，在磁场电源的激励下产生能够搅拌熔池并促进熔化焊丝熔合管壁的磁场。

进一步地：所述激光器为固体激光器、光纤激光器或者气体激光器，包括激光发生器、光学传输系统和激光输出头，所述激光发生器产生的激光经过所述光学传输系统，由所述激光输出头聚焦于待焊小直径薄壁管的表面。

进一步地：所述电弧焊机包括电弧焊电源、焊丝传输系统、焊枪，所述弧焊电源调节电弧的焊接参数，并通过焊丝传输系统将焊丝传输至焊枪输出电弧作用于待焊小直径薄壁管的表面。

进一步地：所述磁场发生器包括磁场电源、磁场控制系统、感应线圈和绝缘外壳；所述磁场电源、磁场控制系统与感应线圈连接，所述磁场控制系统用于控制磁场的强度和极性；所述感应线圈位于圆筒状的绝缘外壳内部；绝缘外壳通过夹持装置套在待焊小直径薄壁管的外部；所述绝缘外壳内部填充固化剂，防止感应线圈变形。

进一步地：所述绝缘壳体32的内径与待焊小直径薄壁管的直径差值为8～10mm，外径应由内部填充感应线圈的匝数而定。

进一步地：所述焊接机器人包括数控系统和机器臂；所述数控系统与机器臂、激光发生器、电弧焊电源、磁场控制系统和焊接变位机电信号连接，数控系统用于调整激光与电弧的焊接参数及控制机器臂的运动，控制焊接变位机转动；所述机器臂末端接装所述激光输出头和所述焊枪。

进一步地：所用磁场发生器可以增加铁芯，以提高磁场强度，改善磁场的辅助效果，所述铁芯可置于待焊小直径薄壁管的内部。

方案二：本发明提供了一种磁场辅助激光电弧复合焊接小直径薄壁管的方法，其依托方案一所述一种磁场辅助激光电弧复合焊接小直径薄壁管的设备实现的，具体为：

步骤一：将待焊小直径薄壁管装夹到焊接变位机上；

步骤二：调整夹持装置的高度至合适高度，再将磁场发生器套在待焊小直径薄壁管上；

步骤三：通过数控系统，输入焊接参数，所述焊接参数具体为：激光功率、离焦量、焊接电流、焊接速度、光丝间距、磁场强度、保护气体流量、磁场发生器与焊缝之间距离，然后经过机器臂调整激光输出头、焊枪的相对位置；

步骤四：按照上述参数首先打开磁场发生器，待磁场稳定后，打开激光器、弧焊机和焊接变位机；焊接变位机随着焊接的进行不断转动待焊小直径薄壁管，直至焊接任务完成。

进一步地：步骤三中，激光功率范围为50w～10000w，更优范围为100w～5000w；焊接电流范围为30a～1000a，更优范围为100a～700a；光丝间距范围为0mm～10mm，更优范围为1mm～6mm；焊接速度范围为0.1m/min～30m/min，更优范围为0.5m/min～6m/min；离焦量范围为-5mm～+5mm，更优范围为-3mm～+3mm；保护气体流量范围为1～20l/min，更优范围为5～15l/min；磁场发生器与焊缝的间距为5mm～50mm,更优范围为5mm～20mm；磁场强度为0.05t～90t，更优范围为0.5t～50t。

进一步地：上述方法可采用激光先导或者电弧先导的方式。

进一步地：所述步骤一中，待焊小直径薄壁管60为管厚为2mm、内径为40mm的镁合金管；步骤三中，焊接电流为200a，激光功率为200w，焊接速度为1400mm/min，保护气体流量为10l/min，离焦量为0mm，光丝间距为2mm，磁场感应强度为15t，磁场发生器与焊缝之间距离为10mm。

进一步地：所用焊接热源除了可以采用本发明采用的激光电弧复合热源，也可根据待焊小直径薄壁管的材料、直径、厚度和实际工作环境，更换为单电弧热源或者单激光热源。所采用的电弧热源形式可以为熔化极惰性/活性气体保护焊(mig/mag)、惰性气体钨极氩弧焊(tig)等等。

有益效果：

本发明采用套在待焊小直径薄壁管上的感应线圈发出的外加磁场辅助焊接，通过外加磁场对焊接过程中产生的带电熔滴施加洛伦兹力，增大电弧动压力，促进熔滴滴落形成熔池，改善未熔合的缺陷；同时磁场对熔池起到搅拌作用，调整其流动和温度场分布，不仅可以起到降低气孔、细化晶粒、减少裂纹的作用，而且对铝、镁合金等难焊金属的熔融焊丝熔合小直径管壁起到显著的改善作用。采用本发明设备及方法焊接完成后，焊缝无气孔、烧穿、凹坑等缺陷，通过观察焊缝横截面发现，焊缝熔深略有增加；通过观察显微组织发现，组织得到细化，组织成分更加均匀。焊缝焊后检测证明焊缝抗拉载荷可以达到母材的95％以上。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种磁场辅助激光电弧复合焊接小直径薄壁管设备的原理框图；

图2为本发明实施例提供的一种磁场辅助激光电弧复合焊接小直径薄壁管设备结构示意图；

图3为外加磁场作用下的熔滴受力示意图；

图4为图3的侧视图；

图5为有无磁场作用下的镁合金小直径薄壁管的激光-电弧复合焊接效果对比图；

其中，附图标记分别为：

激光发生器11；光学传输系统12；激光输出头13；弧焊电源21；焊丝传输系统22；焊枪23；感应线圈31；绝缘外壳32；夹持装置33；磁场电源34；磁场控制系统35；焊接变位机40；数控系统51；机器臂52；待焊小直径薄壁管60；无磁场(a)；有磁场(b)。

具体实施方式

在下文中将结合附图对本发明的示范性实施例进行描述。为了清楚和简明起见，在说明书中并未描述实际实施方式的所有特征。然而，应该了解，在开发任何这种实际实施例的过程中必须做出很多特定于实施方式的决定，以便实现开发人员的具体目标，例如，符合与系统及业务相关的那些限制条件，并且这些限制条件可能会随着实施方式的不同而有所改变。此外，还应该了解，虽然开发工作有可能是非常复杂和费时的，但对得益于本发明公开内容的本领域技术人员来说，这种开发工作仅仅是例行的任务。

在此，还需要说明的一点是，为了避免因不必要的细节而模糊了本发明，在附图中仅仅示出了与根据本发明的方案密切相关的装置结构和/或处理步骤，而省略了与本发明关系不大的其他细节。

实施例1：如图1和图2所示，本实施例的一种磁场辅助激光电弧复合焊接小直径薄壁管的设备，包括激光器、电弧焊机、磁场发生器、焊接变位机、焊接机器人和夹持装置33；

待焊小直径薄壁管60装夹在焊接变位机40上，磁场发生器通过夹持装置33支撑套装在待焊小直径薄壁管60上，激光器和电弧焊机接装在焊接机器人上；

所述激光器用于产生激光；所述电弧焊机用于产生焊接电弧；所述焊接变位机用于夹持待焊小直径薄壁管及调节待焊小直径薄壁管的焊接位置；所述磁场发生器用于产生磁场，通过套在待焊小直径薄壁管外部的线圈作用于待焊位置；所述焊接机器人用于调整激光电弧复合焊接参数，控制焊接过程，安装激光器和电弧焊机；所述夹持装置33用于固定并支撑磁场发生器，调整磁场与焊接位置的距离。

所述激光器为固体激光器、光纤激光器或者气体激光器，包括激光发生器11、光学传输系统12和激光输出头13，所述激光发生器11产生的激光经过所述光学传输系统12，由所述激光输出头13聚焦于待焊小直径薄壁管60的表面。

所述电弧焊机包括电弧焊电源21、焊丝传输系统22、焊枪23，所述弧焊电源21调节电弧的焊接参数，并通过焊丝传输系统22将焊丝传输至焊枪23输出电弧作用于待焊小直径薄壁管60的表面。

所述磁场发生器包括磁场电源34、磁场控制系统35、感应线圈31和绝缘外壳32；所述电源34、磁场控制系统35与感应线圈31连接，所述磁场控制系统25用于控制磁场的强度和极性；所述感应线圈31位于圆筒状的绝缘外壳32内部；绝缘外壳32通过夹持装置33套在待焊小直径薄壁管60的外部；所述绝缘外壳32内部填充固化剂，防止感应线圈变形。

所述焊接机器人包括数控系统51和机器臂52；所述数控系统51与机器臂52、激光发生器11、电弧焊电源21、磁场控制系统35和焊接变位机40电信号连接，数控系统51用于调整激光与电弧的焊接参数及控制机器臂的运动，控制焊接变位机40转动；所述机器臂52末端接装所述激光输出头13和所述焊枪23。

所述焊接变位机为座式焊接变位机(现有技术)，其包括回转工作台、倾斜轴扇形齿轮、机座、顶针及控制系统等。所述座式焊接变位机通过回转工作台的转动和倾斜将所夹持的小直径管焊缝处于水平或者易于施焊位置，所述扇形齿轮用于驱动回转工作台的转动和倾斜。所述机座用于固定整个焊接变位机身。所述顶针与回转工作台相配合，用于夹持待焊的小直径薄壁管。

实施例2：如图1-图4所示，本实施例的一种磁场辅助激光电弧复合焊接小直径薄壁管的方法，其依托实施例1所述一种磁场辅助激光电弧复合焊接小直径薄壁管的设备实现的，具体为：

步骤一：将待焊小直径薄壁管60装夹到焊接变位机上40；

步骤二：调整夹持装置33的高度至合适高度，再将磁场发生器套在待焊小直径薄壁管60上；

步骤三：通过数控系统51，输入焊接参数，所述焊接参数具体为：激光功率、离焦量、焊接电流、焊接速度、光丝间距、磁场强度、保护气体流量、磁场发生器与焊缝之间距离，然后经过机器臂52调整激光输出头13、焊枪23的相对位置；

步骤四：按照上述参数首先打开磁场发生器，待磁场稳定后，打开激光器、弧焊机和焊接变位机；焊接变位机40随着焊接的进行不断转动待焊小直径薄壁管60，直至焊接任务完成。

实施案例：

本实例焊接工件为管厚为2mm、内径为40mm的镁合金管，焊接要求为对接缝焊，焊接方式选择为激光-mig电弧复合焊，采用的工艺参数为：焊接电流为200a，激光功率为200w,焊接速度为1400mm/min，保护气体流量为10l/min，离焦量为0mm，光丝间距为2mm，磁场感应强度为15t，磁场发生器与焊缝之间距离为10mm。

参见图5，焊接完成后，焊缝无气孔、烧穿、凹坑等缺陷，通过观察焊缝横截面发现，焊缝熔深略有增加；通过观察显微组织发现，组织得到细化，组织成分更加均匀。焊缝焊后检测证明焊缝抗拉载荷可以达到母材的95％以上。

本发明方法通过感应线圈产生的强磁场作用于熔滴和流动的熔池，产生作用于熔滴和熔池的洛伦兹力，促进焊丝与母材的融合，解决难焊金属焊丝润湿性差的问题。同时通过搅拌熔池，调整熔池流动，起到细化晶粒，改善焊缝气孔缺陷的问题，提高焊接质量。

虽然本发明所揭示的实施方式如上，但其内容只是为了便于理解本发明的技术方案而采用的实施方式，并非用于限定本发明。任何本发明所属技术领域内的技术人员，在不脱离本发明所揭示的核心技术方案的前提下，可以在实施的形式和细节上做任何修改与变化，但本发明所限定的保护范围，仍须以所附的权利要求书限定的范围为准。