本發(fā)明涉及焊接領(lǐng)域，特別是涉及一種激光焊接系統(tǒng)及方法。

背景技術(shù)：

我國作為制造業(yè)大國，激光焊接廣泛應(yīng)用于工業(yè)制造領(lǐng)域，例如汽車制造，建筑業(yè)和軍事領(lǐng)域等。激光焊接是利用激光瞬時(shí)能量密度高的特點(diǎn)，通過激光束與金屬材料的熱能量傳遞與作用，將金屬材料轉(zhuǎn)變?yōu)槿廴跔顟B(tài)再冷卻凝固的過程，但是由于激光功率過大，焊接過程的匙孔形態(tài)的變化，金屬蒸汽的流動(dòng)，飛濺的產(chǎn)生都會(huì)對(duì)熔融金屬凝固時(shí)的晶粒組織產(chǎn)生影響，進(jìn)而影響焊縫成形。

目前，為了改善焊縫質(zhì)量，一般采用以下四種方法：

1、調(diào)整激光焊接過程中的工藝參數(shù)：焊接速度、焊接激光功率、保護(hù)氣體的流速、離焦量等，來改善激光焊接中產(chǎn)生的缺陷；

上述方法，通過激光焊接工藝參數(shù)的調(diào)節(jié)來改善焊縫成形需要大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)才能得到最優(yōu)的焊接參數(shù)，且不同金屬材料的焊接所需要的焊接參數(shù)各不相同，工藝復(fù)雜，參數(shù)確定繁瑣。

2、設(shè)置橫向旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)：施加磁場(chǎng)后熔池金屬不斷切割磁力線，從而被攪動(dòng)并不斷沖刷凝固層，此時(shí)液固界面前沿晶體和枝晶破碎、脫落，造成較強(qiáng)的溫度起伏，加強(qiáng)晶體脫落以后的形核增殖作用并獲得細(xì)小晶體，從而改善焊縫質(zhì)量；

上述方法，橫向旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)對(duì)熔池的影響只能在水平方向上，對(duì)熔池的攪拌不夠充分，當(dāng)勵(lì)磁電流低于臨界值時(shí)對(duì)焊縫成形無影響。

3、設(shè)置超聲發(fā)生器：通過超聲振動(dòng)作用于焊接板上，減少焊縫氣孔的產(chǎn)生，優(yōu)化焊接熔池的形成、流動(dòng)和凝固等跨狀態(tài)轉(zhuǎn)變階段，達(dá)到改善焊縫組織的效果；

上述方法，超聲發(fā)生作用器通過傳遞方法作用于熔池。超聲作用位置距離熔池越遠(yuǎn)，其作用效果越差，作用范圍越有限制。電弧超聲在熔池中為縱波傳播，熔合區(qū)中間的晶粒細(xì)化程度優(yōu)于兩側(cè)焊趾處。

4、在焊板上涂層活性劑，可以有效改變激光焊接過程中焊縫咬邊的深度以及焊縫的熔寬和余高，改善焊縫形貌；

上述方法，不同成分的活性劑的加入可以隨著使用者的意愿使焊縫熔寬、余高等參數(shù)增加或者減小，改善焊縫外貌。單活性劑的加入會(huì)使焊縫熔合區(qū)的氣孔數(shù)增加。有些活性劑(cr2o3)會(huì)使熔合區(qū)出現(xiàn)金屬夾雜現(xiàn)象，而在添加活性劑的激光焊焊接接頭抗拉強(qiáng)度均比無活性劑激光焊焊接接頭的抗拉強(qiáng)度低等缺點(diǎn)。

現(xiàn)有技術(shù)中，一般采用上述四種方法中的任意一種方法，來改善焊縫的質(zhì)量，每種方法都具有其較為明顯的缺點(diǎn)，對(duì)于焊縫質(zhì)量的改善效果不顯著。

因此，如何有效改善焊縫的質(zhì)量，是本領(lǐng)域技術(shù)人員目前需要解決的技術(shù)問題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種激光焊接系統(tǒng)及方法，用于細(xì)化熔池中的晶粒，使得凝固組織分布更加均勻，提高抗腐蝕和力學(xué)性能，減少氣泡的產(chǎn)生。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供如下技術(shù)方案：

一種激光焊接系統(tǒng)，包括位于焊件的焊縫兩側(cè)的兩個(gè)橫向旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)發(fā)生器，以及位于所述焊件的焊縫上方的超聲波發(fā)生器，所述橫向旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)發(fā)生器與所述超聲波發(fā)生器位于同一縱面上。

優(yōu)選的，位于所述焊縫兩側(cè)的所述橫向旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)發(fā)生器的連線，與所述超聲波發(fā)生器正下方的交界點(diǎn)位于所述焊件的熔池內(nèi)。

優(yōu)選的，還包括安裝在機(jī)床上并位于所述焊件的焊縫上方的激光頭。

優(yōu)選的，所述焊件為對(duì)接焊件。

優(yōu)選的，所述橫向旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)發(fā)生器為交流電旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)發(fā)生器，并且，交流旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的強(qiáng)度可通過交流頻率調(diào)節(jié)，所述交流頻率為8hz～12hz。

優(yōu)選的，所述超聲波發(fā)生器包括超聲波振動(dòng)源、換能器、變幅桿和工具頭，上述超聲波振動(dòng)源可將工頻電轉(zhuǎn)化為高功率、高頻率的電流提供給所述換能器，所述換能器將其轉(zhuǎn)化為機(jī)械振動(dòng)能，通過所述變幅桿將振幅放大后送到所述工具頭，從而作用于熔體。

優(yōu)選的，所述工具頭的底部與所述熔池上方的距離為0.5～1mm。

一種激光焊接方法，包括以下步驟：

步驟s1：安裝焊件和激光頭；

步驟s2：在所述焊件的焊縫兩側(cè)各安裝一個(gè)橫向旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)發(fā)生器，在焊件的焊縫上方安裝超聲波發(fā)生器，所述橫向旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)發(fā)生器與所述超聲波發(fā)生器位于同一縱面上；

步驟s3：開啟所述激光頭對(duì)所述焊件進(jìn)行加熱，所述焊件移動(dòng)，直至完成焊接過程。

優(yōu)選的，位于所述焊縫兩側(cè)的所述橫向旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)發(fā)生器的連線，與所述超聲波發(fā)生器正下方的交界點(diǎn)位于所述焊件的熔池內(nèi)。

優(yōu)選的，位于所述焊件的焊縫兩側(cè)的所述橫向旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的連線垂直于所述焊縫的延伸方向。

本發(fā)明所提供的激光焊接系統(tǒng)，包括位于焊件的焊縫兩側(cè)的兩個(gè)橫向旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)發(fā)生器，以及位于所述焊件的焊縫上方的超聲波發(fā)生器，所述橫向旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)發(fā)生器與所述超聲波發(fā)生器位于同一縱面上。該激光焊接系統(tǒng)，通過橫向旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)發(fā)生器和超聲波發(fā)生器的設(shè)置，可以實(shí)現(xiàn)橫向旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)和超聲場(chǎng)的疊加，對(duì)熔池凝固過程時(shí)，在水平方向和垂直方向施加洛倫茲力和縱波使熔池在各個(gè)方向得到充分的攪拌，從而使凝固的焊縫得到更精細(xì)的晶粒；超聲場(chǎng)與電磁場(chǎng)復(fù)合作用下，可以有效改善超聲處理作用范圍小的不足，超聲場(chǎng)空化作用也可以強(qiáng)化電磁攪拌對(duì)組織的細(xì)化效果，將二者復(fù)合作用焊縫凝固過程，對(duì)熔池的凝固組織細(xì)化有很大的幫助；復(fù)合場(chǎng)的介入使熔池各位置晶粒得到細(xì)化，并且能更好的減少氣孔的產(chǎn)生，在一定層面上，可以優(yōu)化各個(gè)焊接參數(shù)的范圍。

本發(fā)明所提供的激光焊接方法，包括：安裝焊件和激光頭；在所述焊件的焊縫兩側(cè)各安裝一個(gè)橫向旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)發(fā)生器，在焊件的焊縫上方安裝超聲波發(fā)生器，所述橫向旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)發(fā)生器與所述超聲波發(fā)生器位于同一縱面上；開啟所述激光頭對(duì)所述焊件進(jìn)行加熱，所述焊件移動(dòng)，直至完成焊接過程。該激光焊接方法，使得熔池置于超聲場(chǎng)和旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)組成的復(fù)合場(chǎng)中，對(duì)熔池中合金熔體晶粒強(qiáng)烈攪動(dòng)，提高焊縫的合金力學(xué)性能：強(qiáng)度、硬度、抗彎強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度等，還能減少焊縫中氣孔氣泡的產(chǎn)生，有效提高焊縫質(zhì)量。

附圖說明

為了更清楚地說明本發(fā)明實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對(duì)實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)描述中所需要使用的附圖作簡(jiǎn)單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一些實(shí)施例，對(duì)于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動(dòng)的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。

圖1為本發(fā)明所提供的激光焊接系統(tǒng)一種具體實(shí)施方式的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本發(fā)明所提供的激光焊接方法的流程圖；

其中：1-超聲波發(fā)生器、2-焊件、3-橫向旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)發(fā)生器、4-熔池、5-變幅桿、6-工具頭。

具體實(shí)施方式

本發(fā)明的核心是提供一種激光焊接系統(tǒng)及方法，能夠細(xì)化熔池中的晶粒，使得凝固組織分布更加均勻，提高抗腐蝕和力學(xué)性能，減少氣泡的產(chǎn)生，有效改善焊縫質(zhì)量。

為了使本技術(shù)領(lǐng)域的人員更好地理解本發(fā)明方案，下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說明。

請(qǐng)參考圖1和圖2，圖1為本發(fā)明所提供的激光焊接系統(tǒng)一種具體實(shí)施方式的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為本發(fā)明所提供的激光焊接方法的流程圖。

在該實(shí)施方式中，激光焊接系統(tǒng)包括橫向旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)發(fā)生器3和超聲波發(fā)生器1。

其中，橫向旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)發(fā)生器3的個(gè)數(shù)為兩個(gè)，分別位于焊件2的焊縫兩側(cè)，超聲波發(fā)生器1位于焊件2的焊縫上方，橫向旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)發(fā)生器3與超聲波發(fā)生器1位于同一縱面上，橫向旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)發(fā)生器3，即勵(lì)磁裝置，產(chǎn)生的橫向旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)和功率超聲波產(chǎn)生的聲空化和聲流效應(yīng)相互促進(jìn)的情況下，產(chǎn)生的螺旋復(fù)合場(chǎng)使激光焊接過程中熔池4全方位得到充分的攪拌，使熔體被迫充分?jǐn)噭?dòng)從而獲得晶粒組織細(xì)化、成分均勻、表面質(zhì)量好且氣孔較少的焊縫。而電磁攪拌相應(yīng)的會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)熱，可加劇熔池4在固液界面的溫度波動(dòng)，產(chǎn)生的剪切力可以使枝晶臂熔斷。

該激光焊接系統(tǒng)，通過橫向旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)發(fā)生器3和超聲波發(fā)生器1的設(shè)置，可以實(shí)現(xiàn)橫向旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)和超聲場(chǎng)的疊加，對(duì)熔池4凝固過程時(shí)，在水平方向和垂直方向施加洛倫茲力和縱波使熔池4在各個(gè)方向得到充分的攪拌，從而使凝固的焊縫得到更精細(xì)的晶粒；超聲場(chǎng)與電磁場(chǎng)復(fù)合作用下，可以有效改善超聲處理作用范圍小的不足，超聲場(chǎng)空化作用也可以強(qiáng)化電磁攪拌對(duì)組織的細(xì)化效果，將二者復(fù)合作用焊縫凝固過程，對(duì)熔池4的凝固組織細(xì)化有很大的幫助；復(fù)合場(chǎng)的介入使熔池4各位置晶粒得到細(xì)化，并且能更好的減少氣孔的產(chǎn)生，在一定層面上，可以優(yōu)化各個(gè)焊接參數(shù)的范圍。

在上述各實(shí)施方式的基礎(chǔ)上，位于焊縫兩側(cè)的橫向旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)發(fā)生器3的連線，與超聲波發(fā)生器1正下方的交界點(diǎn)位于焊件2的熔池4內(nèi)，可以保證復(fù)合場(chǎng)作用在熔池4中，保證熔池4的凝固質(zhì)量。

在上述各實(shí)施方式的基礎(chǔ)上，還包括安裝在機(jī)床上并位于焊件2的焊縫上方的激光頭，激光頭產(chǎn)生的激光打在焊件2的焊縫上，將焊件2熔化后，實(shí)現(xiàn)焊接。

這里需要說明的是，在焊接過程中，僅焊件2移動(dòng)，橫向旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)發(fā)生器3、超聲波發(fā)生器1和激光頭的位置均固定，方便操作。

在上述各實(shí)施方式的基礎(chǔ)上，焊件2為對(duì)接焊件2，即該焊接系統(tǒng)主要用于將兩塊鋼板焊接固定為一體結(jié)構(gòu)。

進(jìn)一步，焊件2具體為非磁性材料，可以為鋼板，具體可以為不銹鋼板，高碳鋼板等。

在上述各實(shí)施方式的基礎(chǔ)上，橫向旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)發(fā)生器3優(yōu)選為交流電磁場(chǎng)發(fā)生器。

上述設(shè)置，相對(duì)于使用直流電，交流電產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)更有實(shí)用性，參數(shù)調(diào)節(jié)也更加方便，調(diào)節(jié)電壓可以直接根據(jù)變壓器直接改變電壓，而且交流旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的強(qiáng)度還可以通過頻率來調(diào)節(jié)，最優(yōu)頻率是在8hz～12hz之間，次頻率范圍磁感應(yīng)強(qiáng)度值穩(wěn)定。頻率的增大，攪拌器內(nèi)中心磁感應(yīng)強(qiáng)度降低。因?yàn)槿魏谓饘賹?duì)交變磁場(chǎng)都有屏蔽作用，攪拌頻率增大，集膚層厚度減小，對(duì)磁場(chǎng)的屏蔽作用增強(qiáng)，因而攪拌器中心的磁感應(yīng)強(qiáng)度降低。

在上述各實(shí)施方式的基礎(chǔ)上，超聲波發(fā)生器1包括超聲波振動(dòng)源、換能器、變幅桿5和工具頭6，其中，超聲波振動(dòng)源作為驅(qū)動(dòng)電源，驅(qū)動(dòng)電源可將工頻電轉(zhuǎn)化為高功率、高頻率的電流提供給換能器，換能器將高功率、高頻率的電流轉(zhuǎn)化為機(jī)械振動(dòng)能，然后通過變幅桿5將振幅放大后送到工具頭6，從而作用于熔池4內(nèi)的熔體。

優(yōu)選的，所述工具頭6的底部與所述熔池4上方的距離為0.5～1mm，便于振動(dòng)能作用于整個(gè)熔池4上。

這里需要說明的是，工具頭6和變幅桿5之間可以采用連接螺栓進(jìn)行緊固，同時(shí)，超聲波發(fā)生器1可以通過螺栓安裝在激光頭的后部。

本實(shí)施例所提供的焊接系統(tǒng)，橫向旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)發(fā)生器3的作用機(jī)理是利用外加交變磁場(chǎng)，旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)切割激光焊接熔池4中的液態(tài)金屬，在熔池4液態(tài)金屬中產(chǎn)生感生電流，液態(tài)金屬就相當(dāng)于載流導(dǎo)體，在旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)中受到電磁力的作用，因而，旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)使熔池4中液態(tài)金屬產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。

而超聲波發(fā)生器1通過在熔池4中的振動(dòng)，產(chǎn)生聲空化和聲流效應(yīng)，強(qiáng)化熔池4的對(duì)流，橫向旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)和超聲場(chǎng)的復(fù)合，使得原本熔池4中的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)轉(zhuǎn)變?yōu)槁菪艌?chǎng)，進(jìn)而產(chǎn)生較大的軸向分力，軸向分量擴(kuò)大超聲作用的覆蓋面積和縱深范圍，強(qiáng)化了超聲破碎枝晶、細(xì)化組織的作用并且大大促進(jìn)了功率超聲波在整個(gè)熔池4內(nèi)實(shí)現(xiàn)爆發(fā)生核，這是凝固過程中細(xì)化晶粒的關(guān)鍵。由于旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)轉(zhuǎn)變?yōu)槁菪艌?chǎng)，并且與超聲場(chǎng)的共同作用，引起整個(gè)熔池4更加強(qiáng)烈的攪動(dòng)，一方面能使超聲空化作用產(chǎn)生的大量凝固核心，另一方面能使熔池4不斷波動(dòng)，能加快熔池4底部氣孔的溢出速度，進(jìn)而降低焊縫在凝固時(shí)保留的氣孔數(shù)量。

除上述激光焊接系統(tǒng)外，本發(fā)明還提供了一種激光焊接方法。

該激光焊接方法包括以下步驟：

步驟s1：安裝焊件2和激光頭，激光頭可安裝在焊接機(jī)床上，焊件2安裝在機(jī)床導(dǎo)軌上，方便焊件2的移動(dòng)，焊件2的移動(dòng)方向應(yīng)當(dāng)平行于焊縫的延伸方向；

步驟s2：在焊件2的焊縫兩側(cè)各安裝一個(gè)橫向旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)發(fā)生器3，在焊件2的焊縫上方安裝超聲波發(fā)生器1，橫向旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)發(fā)生器3與超聲波發(fā)生器1位于同一縱面上，即保證橫向旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)發(fā)生器3產(chǎn)生的電磁場(chǎng)與超聲波發(fā)生器1產(chǎn)生的超聲場(chǎng)可以疊加在作用在焊縫上，具體應(yīng)當(dāng)作用在熔池4內(nèi)；

步驟s3：開啟激光頭對(duì)焊件2進(jìn)行加熱，焊件2移動(dòng)，直至完成焊接過程。

該激光焊接方法，使得熔池4置于超聲場(chǎng)和旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)組成的復(fù)合場(chǎng)中，對(duì)熔池4中合金熔體晶粒強(qiáng)烈攪動(dòng)，提高焊縫的合金力學(xué)性能：強(qiáng)度、硬度、抗彎強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度等，還能減少焊縫中氣孔氣泡的產(chǎn)生，有效提高焊縫質(zhì)量。

在上述各實(shí)施方式的基礎(chǔ)上，位于焊縫兩側(cè)的橫向旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)發(fā)生器3的連線，與超聲波發(fā)生器1正下方的交界點(diǎn)位于焊件2的熔池4內(nèi)，可以保證復(fù)合場(chǎng)作用在熔池4中，保證熔池4的凝固質(zhì)量。

在上述各實(shí)施方式的基礎(chǔ)上，位于焊件2的焊縫兩側(cè)的橫向旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的連線垂直于焊縫的延伸方向，同樣的，超聲波發(fā)生器1應(yīng)當(dāng)垂直于焊件2的表面布置。

本實(shí)施例所提供的激光焊接系統(tǒng)和方法，具有以下優(yōu)點(diǎn)：

1、施加橫向旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)和功率超聲復(fù)合場(chǎng)后，熔池4中合金凝固組織在各個(gè)方向的晶粒均有一定程度的細(xì)化，凝固組織細(xì)化效果比單一外場(chǎng)作用的情況下更為明顯，且分布更加均勻；

2、橫向旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)在水平方向產(chǎn)生的攪拌與超聲流產(chǎn)生的軸方向攪拌相輔相成，橫向旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)轉(zhuǎn)變?yōu)闄M向螺旋磁場(chǎng)，引起整個(gè)熔池4的強(qiáng)烈攪動(dòng)，擴(kuò)大超聲空化作用的覆蓋面積，加強(qiáng)超聲波破壞破碎枝晶、細(xì)化組織的作用；

3、橫向螺旋磁場(chǎng)加速了激光焊接過程中熔池4金屬溶體的散熱，冷卻速度加快，將縱向超聲波產(chǎn)生的熱能均勻分布在整個(gè)熔池4，使晶體細(xì)化的更明顯，顯著改善合金的凝固組織，抗腐蝕和力學(xué)性能。

4、由于超聲場(chǎng)有益于抑制熔池4中的氣孔數(shù)量的產(chǎn)生，橫向旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的軸向力的疊加將超聲振動(dòng)完全深入作用于整個(gè)激光焊接熔池4底部，提高熔池4底部氣孔溢出速度，使氣孔消除效果得到顯著提高。

5、優(yōu)化各個(gè)激光焊接參數(shù)范圍。

以上對(duì)本發(fā)明所提供的激光焊接系統(tǒng)及方法進(jìn)行了詳細(xì)介紹。本文中應(yīng)用了具體個(gè)例對(duì)本發(fā)明的原理及實(shí)施方式進(jìn)行了闡述，以上實(shí)施例的說明只是用于幫助理解本發(fā)明的方法及其核心思想。應(yīng)當(dāng)指出，對(duì)于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以對(duì)本發(fā)明進(jìn)行若干改進(jìn)和修飾，這些改進(jìn)和修飾也落入本發(fā)明權(quán)利要求的保護(hù)范圍內(nèi)。