[發明專利]基于外加磁場的激光熔釬焊焊接接頭性能調控裝置及方法

在審

• 申請號: 202111305490.2
• 申請日: 2021-11-05
• 公開（公告）號: CN113953613A
• 公開（公告）日: 2022-01-21
• 發明（設計）人: 李響;殷志敏;岳靈平;李德閣;李浩言;俞偉勇;壽峰;方杰;劉平平;曹征領;季世超;湯超;何衛;王利民
• 申請（專利權）人: 國網浙江省電力有限公司湖州供電公司;浙江泰侖電力集團有限責任公司;中國電力科學研究院有限公司;國網電力科學研究院武漢南瑞有限責任公司
• 主分類號: B23K1/005
• 分類號: B23K1/005;B23K3/00;B23K3/08
• 代理公司: 武漢開元知識產權代理有限公司 42104
• 代理人: 潘杰

本發明公開了一種基于外加磁場的激光熔釬焊焊接接頭性能調控裝置及方法，它包括焊接底座、焊接平臺和控制器，焊接底座和焊接平臺之間設置有多個伸縮支撐柱，焊接底座的表面上設置有磁場發生裝置，焊接平臺上對稱設置有固定夾具，固定夾具上方設置有焊接機器人，熱成像測溫儀和高速攝像機；控制器分別與伸縮支撐柱、固定夾具、熱成像測溫儀、高速攝像機和光纖激光器連接，光纖激光器與焊接機器人連接；所述控制器與上級計算機實現通訊。本發明既解決了攪拌摩擦焊接過程中鋁合金變形較大的問題，又解決了熔焊過程中鋁鋼異種材料界面易生金屬間化合物的問題，同時無需通過送粉或送絲的方式填充金屬，可大幅提升焊接質量和效率、降低生產成本。

技術領域

本發明涉及激光焊接接頭性能調控領域，具體涉及一種基于外加磁場的激光熔釬焊焊接接頭性能調控裝置及方法。

背景技術

隨著汽車輕量化的提出，在車身設計中開始使用鋁合金與傳統鋼材的焊接結構。由于鋁/鋼異種金屬在焊接過程中極易發生冶金反應生成脆硬性較高的金屬間化合物，導致接頭脆硬性上升，降低了構件的機械力學性能。

現有焊接方法主要包括熔焊和攪拌摩擦焊，它們的缺陷如下：

1.熔焊不易控制焊接過程中的熱輸入，會導致接頭內生成大量的金屬間化合物；

2.攪拌摩擦焊會導致焊接過程中鋁合金變形過大，應用性較低。

激光熔釬焊接對焊接過程熱輸入有較高的控制性，避免了焊接過程中鋁合金的大變形問題，同時具有高柔性和高效率，但由于冶金反應仍然存在，接頭鋁鋼異種金屬界面內會生成一定量的金屬間化合物，需要進一步的調控。

現有調控方法主要是通過噴粉及填絲向熔池中填充金屬調控焊接接頭性能。但采用噴粉的方式填充金屬，會導致焊接過程中卷入水蒸氣，焊縫形成后因為不同的相熱膨脹系數的差異產生氣孔、裂紋等缺陷；而采用填絲的方式填充金屬，需要輔助送絲設備并精確控制光斑與焊絲的相對位置，設備結構復雜性高，技術難度大。

發明內容

本發明的目的在于克服現有技術的不足，提供了一種基于外加磁場的激光熔釬焊焊接接頭性能調控裝置及方法，本發明通過外加磁場與熔池內部熱電流相互作用形成洛倫茲力，從而控制熔池的動態行為，一方面均勻化熔池中的合金元素分布特征抑制金屬間化合物的形成，另一方面有效調控熔池的熱循環過程改善焊縫及熱影響區的微觀組織，最終實現焊接接頭力學性能的有效提升。

為實現上述目的，本發明所設計一種基于外加磁場的激光熔釬焊焊接接頭性能調控裝置，它包括焊接底座和焊接平臺，所述焊接底座和焊接平臺之間設置有多個伸縮支撐柱，所述焊接底座的表面上設置有磁場發生裝置，所述焊接平臺上對稱設置有固定夾具，所述固定夾具上方設置有焊接機器人，熱成像測溫儀和高速攝像機；

所述裝置還包括控制器，所述控制器分別與伸縮支撐柱、固定夾具、熱成像測溫儀、高速攝像機和光纖激光器連接，所述光纖激光器與焊接機器人連接；所述控制器與上級計算機實現通訊。

進一步地，所述磁場發生裝置的最大磁場強度≤300mT(磁場發生裝置感應線圈中的通過電流以及工件與發生裝置之間距離的控制以實現對工件表面磁場模式、磁場方向、磁場強度等參數的精準調節，其中，磁場模式為恒定或交變磁場)。

再進一步地，所述焊接平臺與磁場發生裝置之間距離為0～300mm。

再進一步地，所述磁場發生裝置中感應線圈通電的電流≤500A。

再進一步地，所述紅外熱成像儀的測溫范圍為±3000℃，測溫精度為±1℃(用于分析焊接過程中的熱循環特征)。

再進一步地，所述高速攝像機的最高分辨率為1280×800，最高拍攝速率為300000幀/秒(用于分析焊接過程中熔池的動態變化特征)。

本發明還提供了一種上述調控裝置的激光熔釬焊方法，包括以下步驟：