一种集成式复合电/磁场辅助激光焊接设备

1.本发明属于激光焊接相关技术领域，更具体地，涉及一种集成式复合电/磁场辅助激光焊接设备。


背景技术：

2.铝合金焊接技术是航空航天、轨道交通等领域轻量化铝合金构件制造的关键技术，而激光焊接具有热输入小、熔深大、变形小、效率高、柔性好等优势，为铝合金构件焊接提供了有效手段。然而，铝合金激光焊接时，熔池小孔极易失稳坍塌而生成气泡，并且由于铝合金熔体密度较低，气泡所受浮力小、上浮速度慢，导致气泡难以逸出熔池，造成焊接气孔缺陷严重。由于气孔缺陷导致承载面积减小、应力集中变大，铝合金中厚板高功率激光焊接接头的抗拉强度甚至不足母材的60％。为此，如何抑制铝合金中厚板高功率激光焊接气孔缺陷是亟待解决的瓶颈问题。
3.近年来，利用电/磁复合场辅助已成为铝合金激光焊接抑制气孔缺陷的有效手段。电磁辅助技术相比于其它方式具有清洁无污染、理论研究基础完善等特点。利用电/磁复合场改善铝合金激光焊接气孔缺陷的原理大致是：将待焊铝合金工件置于横向静磁场中，沿焊接方向对工件施加恒定电流。在激光焊接过程中，由于电磁感应现象，激光熔池中的带电熔体内会产生定向的洛伦兹力，改善熔池流动行为，加快气泡上浮速度，抑制铝合金激光焊接气孔缺陷。
4.而目前，该方法在实施过程中磁场部分大多数是采用固定的磁场发生装置对待焊工件所处空间施加静磁场，电场部分则是利用直流电源对工件整体施加电流。由于在焊接过程中，始终保持电流方向与焊接方向重合、磁场方向与焊接方向垂直才能使电磁场的调控作用最大化。显然，在面对复杂焊接路径时，现有的磁场/电场施加方式会导致磁场/电场方向与焊接方向不一致，并不能使电磁调控效应最大化。同时，现有的磁场与电场发生装置固定方式需要在工件尺寸发生变化时对磁铁间距和位置做出改变，装备占地空间大、调节方式繁琐，降低了操作人员的工作效率。


技术实现要素：

5.针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种集成式复合电/磁场辅助激光焊接设备，其通过在激光焊接过程中对待焊试件施加电/磁场，促进焊接熔池中的气泡排出。同时，辅助的电/磁场可以随激光焊接头移动，从而实现在复杂焊接路径场景下的电磁调控效应最大化。
6.为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种集成式复合电/磁场辅助激光焊接设备，所述焊接设备包括两个电磁铁安装架、两个直流电磁铁、激光焊接头、两个导电轮安装架及两个导电轮，两个所述电磁铁安装架对称在设置在所述激光焊接头的左右两侧，且两个所述电磁铁安装架的一端连接于所述激光焊接头，两个所述直流电磁铁分别设置在两个所述电磁铁安装架的另一端；两个所述导电轮安装架对称设置在所述激光焊接头
的前后侧，且两个所述导电轮安装架分别连接于两个所述电磁铁安装架，两个所述导电轮分别连接于两个所述导电轮安装架，使得所述导电轮及所述直流电磁铁均与所述激光焊接头同步运动。
7.进一步地，所述焊接设备还包括两个导电轮压紧装置，两个所述导电轮压紧装置的一端分别连接于两个所述导电轮安装架的中部，另一端分别连接于两个所述导电轮。
8.进一步地，所述导电轮压紧装置包括第一连接板、弹簧及第二连接板，所述弹簧相背的两端分别连接于所述第一连接板及所述第二连接板；所述第一连接板及所述第二连接板分别连接于所述导电轮安装架及所述导电轮。
9.进一步地，所述焊接设备还包括导线，所述导线的一端穿过所述弹簧后连接于所述导电轮，另一端连接于直流电源。
10.进一步地，两个所述直流电磁铁关于所述激光焊接头对称设置，且两者的极面对置，两个所述直流电磁铁的几何中心的连线垂直于焊接方向。
11.进一步地，所述电磁铁安装架通过调整自身的弯折角度来调节两个所述直流电磁铁的夹角的大小。
12.进一步地，所述导电轮与所述导电轮安装架之间的角度能够调整。
13.进一步地，所述导电轮安装架相背的两端分别连接于两个所述电磁铁安装架。
14.总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，本发明提供的集成式复合电/磁场辅助激光焊接设备主要具有以下有益效果：
15.1.现有电/磁场辅助激光焊接设备在焊接过程中大多是对待焊工件整体施加电场和磁场，在实际生产中，磁场可能会因为工件的结构而受到不同程度的屏蔽，电场可能因为工件体积过大而逐渐衰减；而本发明中通过将直流电磁铁及导电轮分别固定在所述激光焊接头上，实现两者对焊接位置的跟踪效果，保证磁场与电场可以精准的施加在焊接熔池部位，同时磁场的角度可以通过调整各自安装架来自由调整，保证在焊接过程中，电流与磁场始终以指定方向作用于焊接熔池，保证了焊接效果的一致性。
16.2.现有为工件供电的方式大多是将直流电源的正负两极采用固定电极的方式(鳄鱼夹夹持、导电胶粘合等)连接到工件上；但固定电极无法在加工过程中，根据焊接方向改变电流方向。而本发明使用两个导电轮装置作为电流的正负极，导电轮由铜制成，保证了良好的导电性，同时也能够跟随激光焊接头移动，并保持正负极之间的电流方向始终与焊接方向重合，导电轮上还配有导电轮压紧装置，其中的弹簧可以保证导电轮与工件的良好接触以避免虚接。
17.3.现有的电/磁发生装置是独立布置，磁场由间距可调的两块电磁铁激发，电场则是由直流电源激发；传统的磁场发生装置需要体积较大的夹具固定，且在焊接开始之前需要根据工件尺寸调整磁铁间距，如果加工工件尺寸与电磁铁夹具差距过大，还需要更换夹具，操作工序繁琐。而本发明将电磁发生装置高度集成化并安装在激光焊接头上。集成后，装置只针对焊接部位施加电/磁场，免去了根据工件尺寸调整电磁铁夹具的工作；同时，由于电/磁发生装置不需要额外的夹具固定，也节省了空间。
附图说明
18.图1是本发明提供的一种集成式复合电/磁场辅助激光焊接设备的使用状态示意
图；
19.图2是图1中的集成式复合电/磁场辅助激光焊接设备沿一个角度的示意图；
20.图3是图1中的集成式复合电/磁场辅助激光焊接设备沿另一个角度的示意图；
21.图4是图1中的集成式复合电/磁场辅助激光焊接设备的平面示意图。
22.在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：1-激光焊接头，2-电磁铁安装架，3-导电轮安装架，4-导电轮压紧装置，5-直流电磁铁，6-导线，7-导电轮。
具体实施方式
23.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
24.请参阅图1、图2、图3及图4，本发明提供了一种集成式复合电/磁场辅助激光焊接设备，所述焊接设备包括激光焊接头1、两个电磁铁安装架2、两个导电轮安装架3、两个导电轮压紧装置4、两个直流电磁铁5、两个导线6及两个导电轮。
25.两个所述电磁铁安装架2的一端分别连接于所述激光焊接头1的左右侧，两个所述直流电磁铁5分别通过螺钉安装在两个所述电磁铁安装架2的另一端上。两个所述直流电磁铁5关于所述激光焊接头1对称设置，且两者的极面对置，两个所述直流电磁铁5的几何中心的连线垂直于焊接方向。
26.两个所述导电轮安装架3分别位于所述激光焊接头1的前后侧，且所述导电轮安装架3相背的两端分别连接于两个所述电磁铁安装架2。两个所述导电轮压紧装置4分别连接于两个所述导电轮安装架3的中部，两个所述导电轮分别连接于两个所述导电轮压紧装置4。其中，两个所述导电轮相对于所述激光焊接头1对称设置。
27.所述导电轮压紧装置4包括第一连接板、弹簧及第二连接板，所述弹簧相背的两端分别连接于所述第一连接板及所述第二连接板。所述第一连接板及所述第二连接板分别连接于所述导电轮安装架3及所述导电轮。
28.所述导线6的一端穿过所述弹簧后连接于所述导电轮，另一端连接于直流电源。
29.所述电磁铁安装架2在连接激光焊接头1与所述直流电磁铁5的同时，通过调整自身的弯折角度来调节两个所述直流电磁铁5的夹角的大小，在保证两个所述直流电磁铁5激发的磁场磁感线垂直穿过焊接熔池的同时，还可以调节焊接熔池内的磁场强度。同时，电磁铁安装架2是固定在激光焊接头1上的，所述直流电磁铁5可以始终跟随焊接位置。
30.所述导电轮与所述导电轮安装架3之间的角度可以调整，导电轮安装架3安装在所述激光焊接头1上可以起到跟踪焊接位置的效果。同时，导电轮的轮式结构也能保证焊接设备在工件表面顺畅运动，减少了摩擦。所述导电轮压紧装置4内部设置的导线6连接所述导电轮，实现外部电源对工件的供电。
31.所述焊接设备工作时，启动所述焊接设备中的直流电磁铁5和导电轮连接的外部电源后，该设备在激光焊接过程中，所述直流电磁铁5和导电轮会对工件焊接位置施加电流及均匀磁场，并且磁场方向始终与焊接方向垂直，电流方向始终与焊接方向重合。复合的电
场/磁场可以在焊接熔池中产生定向的洛仑兹力，促使气泡排出熔池，有效抑制铝合金激光焊接中常见的气孔缺陷问题。
32.本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种集成式复合电/磁场辅助激光焊接设备，其特征在于：所述焊接设备包括两个电磁铁安装架、两个直流电磁铁、激光焊接头、两个导电轮安装架及两个导电轮，两个所述电磁铁安装架对称在设置在所述激光焊接头的左右两侧，且两个所述电磁铁安装架的一端连接于所述激光焊接头，两个所述直流电磁铁分别设置在两个所述电磁铁安装架的另一端；两个所述导电轮安装架对称设置在所述激光焊接头的前后侧，且两个所述导电轮安装架分别连接于两个所述电磁铁安装架，两个所述导电轮分别连接于两个所述导电轮安装架，使得所述导电轮及所述直流电磁铁均与所述激光焊接头同步运动。2.如权利要求1所述的集成式复合电/磁场辅助激光焊接设备，其特征在于：所述焊接设备还包括两个导电轮压紧装置，两个所述导电轮压紧装置的一端分别连接于两个所述导电轮安装架的中部，另一端分别连接于两个所述导电轮。3.如权利要求2所述的集成式复合电/磁场辅助激光焊接设备，其特征在于：所述导电轮压紧装置包括第一连接板、弹簧及第二连接板，所述弹簧相背的两端分别连接于所述第一连接板及所述第二连接板；所述第一连接板及所述第二连接板分别连接于所述导电轮安装架及所述导电轮。4.如权利要求3所述的集成式复合电/磁场辅助激光焊接设备，其特征在于：所述焊接设备还包括导线，所述导线的一端穿过所述弹簧后连接于所述导电轮，另一端连接于直流电源。5.如权利要求1-4任一项所述的集成式复合电/磁场辅助激光焊接设备，其特征在于：两个所述直流电磁铁关于所述激光焊接头对称设置，且两者的极面对置，两个所述直流电磁铁的几何中心的连线垂直于焊接方向。6.如权利要求1-4任一项所述的集成式复合电/磁场辅助激光焊接设备，其特征在于：所述电磁铁安装架通过调整自身的弯折角度来调节两个所述直流电磁铁的夹角的大小。7.如权利要求1-4任一项所述的集成式复合电/磁场辅助激光焊接设备，其特征在于：所述导电轮与所述导电轮安装架之间的角度能够调整。8.如权利要求1-4任一项所述的集成式复合电/磁场辅助激光焊接设备，其特征在于：所述导电轮安装架相背的两端分别连接于两个所述电磁铁安装架。

技术总结
本发明属于激光焊接相关技术领域，其公开了一种集成式复合电/磁场辅助激光焊接设备，焊接设备包括两个电磁铁安装架、两个直流电磁铁、激光焊接头、两个导电轮安装架及两个导电轮，两个电磁铁安装架对称在设置在激光焊接头的左右两侧，且两个电磁铁安装架的一端连接于激光焊接头，两个直流电磁铁分别设置在两个电磁铁安装架的另一端；两个导电轮安装架对称设置在激光焊接头的前后侧，且两个导电轮安装架分别连接于两个电磁铁安装架，两个导电轮分别连接于两个导电轮安装架，使得导电轮及直流电磁铁均与激光焊接头同步运动。本发明通过在激光焊接过程中对待焊试件施加电/磁场，促进焊接熔池中的气泡排出。接熔池中的气泡排出。接熔池中的气泡排出。


技术研发人员：耿韶宁 高昱 蒋平
受保护的技术使用者：华中科技大学
技术研发日：2023.07.12
技术公布日：2023/10/5