[发明专利]超高功率激光与多钨极磁控旋动电场同轴复合焊方法

摘要

本发明涉及一种超高功率激光与多钨极磁控旋动电场同轴复合焊方法。在超高功率激光中、厚板焊接中，由于剧烈的热能转换效应使焊接极为不稳，易出现气孔、裂纹等问题。本发明其特征是：在超高功率激光焊接小孔正上方，加一个同轴直流磁场和一个对称环形分布的多钨极直流电场，二者上下组合形式构成一个可同轴定向搅动的电场与激光束进行弱复合，其步骤是：在工件与钨极之间施加一个10~500V直流电场，多钨极由4个或4个以上钨极构成，每个钨极有相同电位，有一对对称分布的钨极长度略长出大约1~3mm，每个钨极头部均向内指向激光焊接小孔边缘附近并通有同轴保护气体，电场上方加设一个直流磁场。本发明用于超高功率激光与多钨极磁控旋动电场同轴复合焊方法。

主权项

1.一种超高功率激光与多钨极磁控旋动电场同轴复合焊方法，其特征是：在超高功率激光焊接小孔正上方，加设一个同轴直流磁场和一个由多钨极对称环形分布的直流电场，二者以上下组合形式构成一个可同轴定向搅动的电场与激光束进行弱复合，具体步骤如下：首先是在工件与钨极之间施加一个10~500V的直流电场，根据不同焊接材料及工艺的特殊需求外设电场电势范围还可适当扩大，所述的钨极接电源负极，所述的工件接电源正极，所述的多钨极由4个或者4个以上钨极构成，每个钨极具有相同电位，在激光焊接小孔的正上方对称环形分布，但是钨极长度上不完全一致，其中有一对对称分布的钨极长度略长出大约1~3mm，每个钨极头部均向内指向激光焊接小孔边缘附近并通有同轴保护气体，其次，在电场上方加设一个直流磁场，电流调节范围一般在0~50A，在焊接材料及工艺固定的情况下也可以选用永磁铁来代替，激光焊接时在所述的多钨极电场作用下，较长的钨极与工件间首先形成2个电弧，然后通过所述同轴直流磁场引导形成定向旋转的2个电弧，其频率为0~500Hz；所述多钨极由于具有相同的电势，而且其中有一对对称分布的钨极长度略长，因此焊接时会最先在这对钨极上引弧，电流方向均是从工件指向钨极，在其各自电流磁场的作用下，2个对称的电弧相互吸引，阳极斑点汇聚于激光小孔边缘附近，然后在所述的同轴直流磁场引导向下，2个电弧同时发生定向偏转，电弧阳极斑点沿激光小孔边缘附近作定向圆周运动，此过程中弧长被不断拉大，直至电弧阴极斑点从原钨极头部跳跃至与阳极斑点距离更近、电势能更大的临近钨极上去，由此循环运动形成定向旋转的电弧；在激光焊接过程中，通过电势较高的外部电场引导等离子体中的正离子向钨极方向加速运动，负离子向激光焊接小孔及工件方向加速运动，加速带电粒子定向运动并在工件和钨极间形成电流，同时还可快速电离小孔喷出的金属蒸汽形成正负离子，并以同样方式快速疏散已电离的金属蒸汽，减少所述的等离子体及金属蒸汽对激光的干扰，增加熔深和提高焊接稳定性，此外，在电场及带电粒子定向移动形成的磁场中，激光焊接小孔内部的激光等离子体中的大量负电子在库仑力及洛仑兹力作用下，轨迹发生改变重新轰击激光焊接小孔内壁及临近区域，使激光焊接小孔内壁吸收电子表面热能增加，激光焊接小孔直径均匀增大稳定性提高，实现减小气孔倾向、降低激光焊接小孔内压力波动幅值、减小飞溅的效果；所述的多钨极磁控旋动电场，一方面，可引导孔外等离子体及已电离的金属蒸汽脱离原喷射轨迹并沿椎面旋动消散，有效疏散在激光束通道上的等离子体及金属蒸汽，降低对激光的散射及吸收作用；另一方面，钨极形成的2个对称电弧相互收缩，其阳极斑点汇聚于激光小孔附近且同步旋转，起到压缩电弧，提高热源效率，增强电弧稳定性，增大激光小孔的上开口面积，提高焊接稳定性的作用，同时，在洛伦兹力作用下使激光焊接小孔内壁及周边金属液沿向下方向和电场运动方向产生定向的下旋流场，在涡流离心力作用下有利于增加激光焊接小孔直径和小孔稳定性，另外通过定向搅拌激光焊接小孔周边熔池，可获得较好的焊缝成形同时，还能细化晶粒，起到提高组织均匀性、减少热裂纹生成、提高接头力学性能和抗疲劳性能等晶粒细化效果。