[发明专利]一种双磁场和超声波协同辅助激光深熔焊接装置

说明书

本发明提供一种双磁场和超声波协同辅助激光深熔焊接装置，包括底座、工作台、机械臂、激光焊接机、移动机构、焊接台、超声振动机、交变电磁场线圈、交变电磁场电源、恒定电磁场线圈、恒定电磁场电源，利用超声波和电磁场的共同作用，加速熔池内气体的逸出，抑制气孔缺陷；同时，利用超声波冲击力与磁场电磁力的耦合作用，打碎金属间脆性化合物和粗大晶粒，减少金属间脆性化合物数量，细化晶粒，提高焊接质量。建立磁场和超声波协同作用下的激光深熔焊接传热、传质数学模型，揭示焊接过程中熔池传热和流动的规律，研究超声波和交变磁场对气泡上浮速率以及稳定磁场对熔池凝固速率的影响，重点剖析减小气孔缺陷的机理。

技术领域

本发明涉及激光焊接技术领域，具体为一种双磁场和超声波协同辅助激光深熔焊接装置。

背景技术

节能降耗和减轻环境污染已经成为人类面临的共同问题。减轻交通运输工具自身的重量可以有效地降低燃油的消耗以及排放，因此越来越多的轻金属(如铝合金、镁合金等)被用到汽车、航空航天等运载工具上。镁和铝是当前地壳中分布比较广泛的两种金属元素，其优良性能越来越受到人们的关注。镁合金具有质量轻、比强度和比刚度高、良好的抗震能力、抗辐射、易回收等优点，被誉为新世纪的“绿色工程材料”。同样，铝合金因其具有质量轻、塑性好、耐腐蚀性强、力学性能优良和制造工艺相对成熟等优点，在交通运输行业得到了越来越广泛的应用。

因此，镁与铝的连接问题越来越受到人们的关切。焊接是目前广泛应用的一种金属连接手段。但是，由于镁和铝具有较高的化学活性和热传导性，二者的可焊性较差，这些已经成为制约镁铝合金应用的技术难关和亟待解决的问题。目前，镁铝焊接存在的主要问题归纳如下：

(1)氧化、夹杂、焊缝下榻和蒸发导致的焊接问题。镁和铝的化学性能活泼，容易与氧结合生成MgO和Al₂O₃等氧化物。因MgO和Al₂O₃等氧化物的熔点高，在焊接过程中不容易熔化，极易形成夹杂，从而降低焊接接头的强度；同时，镁和铝的熔点、沸点较低，在大功率焊接过程中，容易造成合金元素的蒸发甚至烧损，容易造成焊缝塌陷，进而造成焊接接头强度的显著降低。

(2)粗晶、热应力和裂纹导致的焊接问题。镁合金和铝合金的热导率较大，当采用大功率热源进行焊接时，焊缝及其周围热量过高，容易导致晶粒粗大并发生枝晶偏析现象。此外镁和铝的热膨胀系数较大，焊接过程中极易产生较大的焊接应力，而且脆性区间温度较宽，容易形成裂纹，进而影响焊接接头的力学性能。

(3)脆性金属间化合物的形成问题。镁、铝异种金属焊接时易形成金属间脆性化合物，焊缝中过多的金属间脆性化合物会严重降低其力学性能。

(4)溶解度差异所导致的焊接问题。镁、铝在液态时的相互溶解度较小，两种金属很难形成熔合区。此外，高温时气体在镁铝中溶解度较大，固态时溶解度很小，从而容易产生气孔，降低熔合区的塑性和韧性。

因此，探索适合镁-铝异种金属之间新的焊接方法，研究关键技术以及工艺问题，对于彻底解决制约镁-铝异种金属焊接应用的技术瓶颈，扩大轻质合金在轨道交通运输工具甚至航空航天领域上的应用规模，大幅减小日益紧迫的环境污染和能源消耗压力，具有非常重要的科学研究价值和现实意义。