权利要求
1.一种电、磁场耦合辅助激光-电弧复合焊接装置，其包括有：
一激光发射器，布置在焊接方向的前面，用于发射出焊接用的激光束;
一磁场线圈，设置在激光发射器的下方，让激光束从磁场线圈中心穿过;
一磁场控制器，输出连接磁场线圈，为磁场线圈提供交流电;
一磁场电源， 连接磁场控制器的输入，为其供电;
一电场电源，它的正极与待焊工件连接，负极与激光发射器末端连接;
一焊枪，布置在焊接方向的后面。
2.根据权利要求1所述的复合焊接装置，其特征在于所述磁场线圈通过两侧连接板和激光发射器用螺栓固定连接在一起。
3.根据权利要求2所述的复合焊接装置，其特征在于所述连接板上部设计成两个滑孔，下部设计成一个通孔，通过连接板将磁场线圈与激光发射器连接起来，调节滑孔位置来调节磁场线圈高度。
4.根据权利要求3所述的复合焊接装置，其特征在于所述磁场线圈和激光发射器是同轴线布置;所述激光发射器作为激光焊接头与焊枪通过夹具固定连接。
6.根据权利要求1所述的复合焊接装置，其特征在于所述焊接所用待焊工件材料为6061铝合金，厚度为10±1mm。
7.根据权利要求1所述的复合焊接装置，其特征在于所述焊接其焊接方式为对接，坡口形式为Y型坡口，所述待焊工件装配间隙为0～1mm。
8.根据权利要求1所述的复合焊接装置，其特征在于所述电场电源用一台电压连续可调(0～220V)直流电源提供电压。
9.一种电、磁场耦合辅助激光-电弧复合焊接稀土铝合金方法，其特征在于采用权利要求1~8任意一种所述的电、磁场耦合辅助激光-电弧复合焊接装置，并包括以下步骤：
S1，将待焊接工件及稀土铝合金焊丝放在烘箱烘干2～4小时，温度设置为80±5℃，取出后将焊缝对接位置进行机械打磨，并用酒精将对接面擦拭干净;
S2，将待焊接工件固定好，前端与后端位置用焊枪点焊住;
S3，设置激光工作参数，激光功率为2～5kW，激光振镜摆动幅度为1～1.2mm，摆动频率为200～300Hz;
S4，设置电弧工作参数，电流为180～220A，焊接速度为0.6～1m/min;
S5，设置电场参数，电场电源用一台电压连续可调(0～220V)直流电源提供电压;
S6，设置磁场工作参数，磁场强度为60～90mT;
S7，设置焊接机械臂运行轨迹，机械臂摆动幅度为0～9mm;
S8，打开电场电源，启动磁场电源及其磁场控制器，激光、电弧随机械臂程序启动开始出光，出弧，机械臂按照预设轨迹进行焊接;
S9，焊接完成，关闭电场电源、磁场电源及其磁场控制器。
10.根据权利要求9所述方法，其特征在于所述焊接其环境湿度控制在40%以下。
说明书
技术领域
[0001]本发明涉及激光焊接技术领域，尤其是涉及一种电、磁场耦合辅助激光-电弧复合焊接装置及其焊接稀土铝合金方法。
背景技术
[0002]铝合金以比强度高、导热性好、耐蚀性好、易加工成形、再生性好等优良综合性能和较低的价格，成为汽车轻量化、节能减排的首选材料。焊接是汽车铝合金结构制造的最重要加工方法，其中熔化焊是目前应用最广泛和最主要的铝合金焊接技术，而铝合金焊接不同于钢焊接，仍存在许多问题。
[0003]铝合金激光-电弧复合焊接技术兼具激光焊的大熔深、高效率、较小变形及电弧焊的良好桥接性和较强适应能力的优点，但目前采用的常规Al-Si合金焊丝质量不稳定，易导致焊丝中的氢被遗留到焊缝中，导致接头中存在大量气孔(冶金型)，影响焊缝质量和力学性能，而在焊丝中加入稀土元素La、Ce能够起到良好的除氢效果，但如何使得两种稀土元素在焊接接头中均匀分布，成为了激光-电弧复合焊接铝合金的一大难点。
[0004]另外，激光-电弧复合焊接时，高能量密度的激光使金属蒸汽发生电离，在工件上方形成一团等离子体云。这团等离子体会吸收、散射和反射入射的激光能量，显著降低激光的有效利用率，导致焊接熔深变浅、过程不稳定，这种现象在较高功率激光焊接时尤为严重。
[0005]为此，本发明提供了一种电、磁场耦合辅助激光-电弧复合焊接稀土铝合金方法，用以解决上述中的问题。
发明内容
[0006]本发明的首要目的是提供一种电、磁场耦合辅助激光-电弧复合焊接装置，它解决激光-电弧复合焊接稀土铝合金过程中，稀土元素分布不均匀以及等离子体减弱激光能量的问题，具有结构合理、操作方便的特点。
[0007]本发明的又一个目的是提供一种相关的焊接稀土铝合金方法，具有工艺科学合理、易操作的特点，同时有效提高焊缝内部质量，提升了焊接接头的力学性能。
[0008]本发明解决首要技术问题的技术方案是：一种电、磁场耦合辅助激光-电弧复合焊接装置，其包括有：
[0009]一激光发射器，布置在焊接方向的前面，用于发射出焊接用的激光束;
[0010]一磁场线圈，设置在激光发射器的下方，让激光束从磁场线圈中心穿过;
[0011]一磁场控制器，输出连接磁场线圈，为磁场线圈提供交流电;
[0012]一磁场电源， 连接磁场控制器的输入，为其供电;
[0013]一电场电源，它的正极与待焊工件连接，负极与激光发射器末端连接;
[0014]一焊枪，布置在焊接方向的后面。
[0015]进一步，所述磁场线圈通过两侧连接板和激光发射器用螺栓固定连接在一起。
[0016]再进一步，所述连接板上部设计成两个滑孔，下部设计成一个通孔，通过连接板将磁场线圈与激光发射器连接起来，调节滑孔位置来调节磁场线圈高度。
[0017]再进一步，所述磁场线圈和激光发射器是同轴线布置;所述激光发射器作为激光焊接头与焊枪通过夹具固定连接。
[0018]进一步，所述焊接所用焊丝为稀土铝合金焊丝，焊丝中添加了La、Ce两种稀土元素。
[0019]进一步，所述焊接所用待焊工件材料为6061铝合金，厚度为10±1mm。
[0020]进一步，所述焊接其焊接方式为对接，坡口形式为Y型坡口，所述待焊工件装配间隙为0～1mm。
[0021]最后，所述电场电源用一台电压连续可调(0～220V)直流电源提供电压。
[0022]本发明解决又一个技术问题的技术方案是一种电、磁场耦合辅助激光-电弧复合焊接稀土铝合金方法，其特征在于采用上述任意一种所述的电、磁场耦合辅助激光-电弧复合焊接装置，并包括以下步骤：
[0023]S1，将待焊接工件及稀土铝合金焊丝放在烘箱烘干2～4小时，温度设置为80±5℃，取出后将焊缝对接位置进行机械打磨，并用酒精将对接面擦拭干净;
[0024]S2，将待焊接工件固定好，前端与后端位置用焊枪点焊住;
[0025]S3，设置激光工作参数，激光功率为2～5kW，激光振镜摆动幅度为1～1.2mm，摆动频率为200～300Hz;
[0026]S4，设置电弧工作参数，电流为180～220A，焊接速度为0.6～1m/min;
[0027]S5，设置电场参数，电场电源用一台电压连续可调(0～220V)直流电源提供电压;
[0028]S6，设置磁场工作参数，磁场强度为60～90mT;
[0029]S7，设置焊接机械臂运行轨迹，机械臂摆动幅度为0～9mm;
[0030]S8，打开电场电源，启动磁场电源及其磁场控制器，激光、电弧随机械臂程序启动开始出光，出弧，机械臂按照预设轨迹进行焊接;
[0031]S9，焊接完成，关闭电场电源、磁场电源及其磁场控制器。
[0032]最后，所述焊接其环境湿度控制在40%以下。
[0033]与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
[0034]1.在常规Al-Si合金焊丝中加入稀土元素了La、Ce，利用稀土的净化、细化、变质、固溶和生成有益第二相的作用，实现了焊丝氢含量降低、组织细化和接头力学性能提升目标。
[0035]2.电磁力会对熔池产生搅拌作用，将加强熔池内液体金属的传热和对流，使熔池内包括稀土元素La、Ce等溶质均匀化。
[0036]3.外加电场和磁场，电场加速带电粒子的运动，进而增加磁场作用下等离子体中带电粒子的洛伦兹力，促使带电粒子向工件方向运动，降低屏蔽效应，增大熔深。
[0037]本发明工艺科学合理，操作方便，不但有效抑制了激光诱导等离子体对激光的屏蔽效应，提高了激光的能量传输，增大了熔深，还改善了焊缝内部质量，提升了焊接接头的力学性能，对于焊接效率有严格要求的行业尤为重要，如汽车制造、航空航天和电子设备制造等领域。
附图说明
[0038]图1为本发明的工作原理结构示意图;
[0039]图2为本发明的连接板结构示意图;
[0040]图3为本发明待焊接工件的结构示意图;
[0041]图4为本发明的气孔对比图;为不加电、磁场耦合的焊接和加电、磁场耦合的焊接对比。
具体实施方式
[0042]下面结合附图以及具体实施例对本发明的技术方案进行详细说明。对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通
[0043]技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
[0044]在本申请中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体;可以是机械连接，也可以是电连接，还可以是通信;可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。
[0045]下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制
[0046]参照图1至图3，公开了一种电、磁场耦合辅助激光-电弧复合焊接装置，它可以用于焊接稀土铝合金。
[0047]参照图1，本发明包括电场电源5、磁场电源3、磁场线圈2、磁场控制器4、激光发射器1、焊枪6、连接板7、螺栓8以及待焊接工件9等主要部件。
[0048]焊接方式为激光在前电弧在后的焊接方式，就是说一作为激光焊接头的激光发射器1，布置在焊接方向的前面，而一电弧焊枪6布置在焊接方向的后面，激光焊接头与电弧焊枪通过夹具固定连接。
[0049]磁场装置由磁场线圈2、磁场电源3及磁场控制器4组成，磁场电源3经过磁场控制器4后连接磁场线圈2。磁场控制器4产生交流电使电流产生的磁场方向周期改变，最大磁感应强度为280mT。激光束从磁场线圈2中心穿过，所述磁场线圈2通过连接板7用螺栓8与激光发射器1固定连接在一起，并且最佳是同轴设置。
[0050]参照图2，连接板7上部设计成两个滑孔71、72，下部设计成一个通孔73，通过连接板7将磁场装置与激光焊接头连接在一起，调节滑孔71、72位置来调节磁场线圈2高度。
[0051]电场装置采用电场电源5是用一台电压连续可调(0～220V)直流电源提供电压，电场电源5的正极与待焊工件9连接，负极与激光发射器1末端连接。
[0052]参照图3，待焊接工件9为6061铝合金试板，焊接方式为对接，试板尺寸为300*150*10mm，对接侧留有钝边4~5mm，坡口为Y型，坡口角度为65~70°，对接焊缝间隙为0~1mm。
[0053]使用本发明中的电、磁场耦合辅助激光-电弧复合焊接稀土铝合金方法对待焊接件进行焊接前，将待焊工件及稀土铝合金焊丝放在烘箱烘干2～4小时，温度设置为80℃，取出后将焊缝对接位置进行机械打磨，并用酒精将对接面擦拭干净、，然后放置于焊接工位，用压紧器将焊接件固定好。
[0054]将待焊工件的首尾用电弧焊枪点焊住，设置点焊焊接电流为140-160A，点焊后，用角磨机将首尾重新打磨成上述坡口形状，并将首尾两处机械打磨并用酒精擦拭。
[0055]参照图3待焊件尺寸及坡口形式，采取单道多层焊的方式，包括打底层，中间层，以及盖面层。
[0056]在上述焊接前期工作完成后，结合附图和实施例对本发明进一步说明。
[0057]实施例1
[0058]一种电、磁场耦合辅助激光-电弧复合焊接稀土铝合金方法，打底层焊接方法及步骤：
[0059]步骤1，设置激光工作参数，激光功率为4～5kW，激光振镜摆动幅度为1～1.2mm，摆动频率为200～300Hz。
[0060]步骤2，设置电弧工作参数，电流为180～190A，焊接速度为0.8～1m/min，
[0061]步骤3，设置电场参数，100～200V。
[0062]步骤4，设置磁场工作参数，磁场强度为60～90mT。
[0063]步骤5，设置焊接机械臂运行轨迹，机械臂摆动幅度为0～9mm。
[0064]步骤6，打开电场电源，启动磁场电源及其磁场控制器，激光、电弧随机械臂程序启动开始出光，出弧，机械臂按照预设轨迹进行焊接。
[0065]步骤7，焊接完成，关闭电场电源、磁场电源及其磁场控制器。
[0066]实施例2
[0067]一种电、磁场耦合辅助激光-电弧复合焊接稀土铝合金方法，中间层焊接方法及步骤：
[0068]步骤1，设置激光工作参数，激光功率为2～2.5kW，激光振镜摆动幅度为1～1.2mm，摆动频率为200～300Hz。
[0069]步骤2，设置电弧工作参数，电流为200～220A，焊接速度为0.8～1m/min。
[0070]步骤3，设置电场参数，100～200V。
[0071]步骤4，设置磁场工作参数，磁场强度为60～90mT。
[0072]步骤5，设置焊接机械臂运行轨迹，机器人摆动幅度为4～6mm。
[0073]步骤6，打开电场电源，启动磁场电源及其磁场控制器，激光、电弧随机械臂程序启动开始出光，出弧，机械臂按照预设轨迹进行焊接。
[0074]步骤7，焊接完成，关闭电场电源、磁场电源及其磁场控制器。
[0075]实施例3
[0076]一种电、磁场耦合辅助激光-电弧复合焊接稀土铝合金方法，盖面层焊接方法及步骤：
[0077]步骤1，设置激光工作参数，激光功率为2～2.5kW，激光振镜摆动幅度为1～1.2mm，摆动频率为200～300Hz。
[0078]步骤2，设置电弧工作参数，电流为200～220A，焊接速度为0.6～0.7m/min。
[0079]步骤3，设置电场参数，100～200V。
[0080]步骤4，设置磁场工作参数，磁场强度为60～90mT。
[0081]步骤5，设置焊接机械臂运行轨迹，机器人摆动幅度为7～9mm。
[0082]步骤6，打开电场电源，启动磁场电源及其磁场控制器，激光、电弧随机械臂程序启动开始出光，出弧，机械臂按照预设轨迹进行焊接。
[0083]步骤7，焊接完成，关闭电场电源、磁场电源及其磁场控制器。
[0084]不加电、磁场耦合的焊接和加电、磁场耦合的焊接对比结果，请参见图4，本发明的加电、磁场耦合的焊接在焊缝中基本无气孔，从而可以提高焊接力学性能。
[0085]加入稀土前后焊缝平均晶粒尺寸对比，请参见下述表1;
[0086]表1
[0087]
[0088]可见本发明的加入稀土前后焊缝平均晶粒尺寸可以大大减少。
[0089]加入稀土前后焊接接头力学性能对比，请参见下表2。
[0090]表2
[0091]
[0092]可见，本发明中加入稀土元素La、Ce焊接力学性能显著提升。
[0093]通过采用本发明中的电、磁场耦合辅助激光-电弧复合焊接稀土铝合金方法对待焊接工件进行焊接，抑制了激光诱导等离子体对激光的屏蔽效应，提高了激光的能量传输，增大了熔深。同时电磁力对熔池产生搅拌作用，将加强熔池内液体金属的传热和对流，使熔池内包括稀土元素La、Ce等溶质均匀化，减少了焊接气孔的产生，改善了焊缝内部质量，提升了焊接接头的力学性能，对于焊接效率有严格要求的行业尤为重要，如汽车制造、航空航天和电子设备制造等领域。
[0094]在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“示例”、“具体示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
[0095]以上公开的本发明优选实施例只是用于帮助阐述本发明。优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施方式。显然，根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。
说明书附图(4)
