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技术

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。本发明专利技术解决了现有的小直径薄壁管焊接技术存在的未熔合、烧穿、气孔等缺陷；技术要点：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、夹持装置等。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。磁场发生器通过套在待焊小直径薄壁管外部的线圈产生强磁场。利用此设备，本发明专利技术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。

Equipment and method for magnetic field assisted laser arc hybrid welding of small diameter thin walled tubes

The invention relates to a device and a method for magnetic field assisted laser arc hybrid welding of small diameter thin-walled pipe, belonging to the welding technical field. The invention solves the defects of unfused, burned and porous in the existing welding technology of small diameter thin-walled pipe, and the technical key points are as follows: the equipment includes laser, arc welding machine, magnetic field generator, welding positioner, welding robot, clamping device, etc. The welding positioner is used for clamping the small diameter thin-walled pipe to be welded and adjusting the welding position of the small diameter thin-walled pipe to be welded. The magnetic field generator generates strong magnetic field through the coil which is sleeved outside the small diameter thin wall tube to be welded. Using this device, the method of the invention acts on the droplet and the flowing molten pool by the strong magnetic field generated by the induction coil, generates the Lorentz force acting on the droplet and the molten pool, promotes the fusion of the welding wire and the base metal, and solves the problem of poor wettability of the Hard-to-weld metal welding wire. At the same time, the flow of molten pool can be adjusted by stirring molten pool to refine grain, improve the defect of weld porosity and improve welding quality.

【技术实现步骤摘要】
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
本专利技术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

技术介绍
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。
技术实现思路
在下文中给出了关于本专利技术的简要概述，以便提供关于本专利技术的某些方面的基本理解。应当理解，这个概述并不是关于本专利技术的穷举性概述。它并不是意图确定本专利技术的关键或重要部分，也不是意图限定本专利技术的范围。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，本专利技术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：本专利技术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：本专利技术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专利技术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：本专利技术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。采用本专利技术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为本专利技术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为本专利技术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本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种磁场辅助激光电弧复合焊接小直径薄壁管的设备，其特征在于，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(40)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。

【技术特征摘要】
1.一种磁场辅助激光电弧复合焊接小直径薄壁管的设备，其特征在于，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(40)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。2.根据权利要求1所述的一种磁场辅助激光电弧复合焊接小直径薄壁管的设备，其特征在于，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。3.根据权利要求2所述的一种磁场辅助激光电弧复合焊接小直径薄壁管的设备，其特征在于，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。4.根据权利要求3所述的一种磁场辅助激光电弧复合焊接小直径薄壁管的设备，其特征在于，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)；所述磁场电源(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。5.根据权利要求4所述的一种磁场辅助激光电弧复合焊接小直径薄壁管的设备，其特征在于，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。6.根据权利要求4所述的一种磁场辅助激光电弧复合焊接小直径薄壁管的设备，其特征在于，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(...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘福运，檀财旺，潘雁甲，李国豪，张珊珊，陈波，宋晓国，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学威海，山东船舶技术研究院，
类型：发明
国别省市：山东,37