一种熔池形貌主动干预电磁装备

摘要

本发明涉及激光特种加工工艺，具体的是指一种熔池形貌主动干预电磁装备。本发明由工件放置于试样台阶梯面，通电后旋转金属棒产生一个以其为圆心的环形磁场，作用于熔池内形成感应电流。感应电流在磁场下生成洛伦兹力，垂直作用的熔池外表面，改变熔池高度、深度及宽度，最终实现对熔池形貌的主动干预。

权利要求

1.一种熔池形貌主动干预电磁装备，其特征在于，所述装备包括试样台、金属环、导电栓、电机和金属棒；上下两金属环由两个导电栓固定在绝缘的试样台上，导电栓尾部穿透试样台一侧，作为外部导电接口；金属棒为水平放置两金属环间，通过金属弹片与两金属环接触导电，金属棒同时与电机相连接；电机位于试样台底部；外部交流电源通过双U形导线与导电栓尾部连接，实现整体封闭回路；试样台上表面对称铣出2个阶梯面，工件水平放置在阶梯面上进行电磁干预加工；通电后旋转金属棒产生一个以其为圆心的环形磁场，作用于熔池内形成感应电流，感应电流在磁场下生成洛伦兹力，垂直作用于熔池外表面，改变熔池高度、深度及宽度，最终实现对熔池形貌的主动干预。

2.如权利要求1所述的一种熔池形貌主动干预电磁装备，其特征在于，导电栓通过螺母和垫片固定在绝缘的试样台一侧。

3.如权利要求1所述的一种熔池形貌主动干预电磁装备，其特征在于，金属棒轴向中心位于两金属环圆心同一垂线。

4.如权利要求1所述的一种熔池形貌主动干预电磁装备，其特征在于，电机中心与金属环中心位于同一垂线。

5.如权利要求1所述的一种熔池形貌主动干预电磁装备，其特征在于，金属棒分别通过首尾处的两金属弹片与上下两金属环接触。

6.如权利要求1所述的一种熔池形貌主动干预电磁装备，其特征在于，导电的金属棒安装在电机上，在两个上下平行的金属环中以3000r/min的转速自转；外部交流电源可提供0～1000A 50HZ的交变电流。

说明书

一种熔池形貌主动干预电磁装备

技术领域

[0001] 本发明涉及激光特种加工工艺，应用在激光熔覆、激光焊接、激光熔注、激光熔凝等特种加工领域，具体的是指一种熔池形貌主动干预电磁装备。
技术背景

[0002] 激光熔覆、激光焊接和激光熔注等特种加工工艺，通过输入高能来熔化局部金属，实现后续生产目标。在加工过程中，不可避免地会产生熔池。就激光熔覆而言，过大、过深的
熔池会造成熔覆层稀释率过高，影响熔覆层质量，并且由于熔池宽高比过小，造成涂层与基
体的结合强度差强人意。一般传统对熔池形貌的控制仅限于工艺参数的调整，但参数优化
总以牺牲送粉率、降低激光功率和加快扫描速度为代价，大大限制了探索优质涂层的工艺
范围，效果往往差强人意。

发明内容

[0003] 针对以上不足，本发明提供了一种熔池形貌主动干预电磁装备，可以在不考虑工艺参数的情况下，对熔池进行全方位形貌控制。

[0004] 本发明的一种熔池形貌主动干预电磁装备，由试样台、金属环、导电栓、螺母、垫片、电机、金属弹片和金属棒组成；金属环由导电栓、螺母和垫片固定在绝缘试样台上,导电
栓尾部穿透试样台一侧,作为外部导电接口；金属棒轴向中心位于两金属环圆心同一垂线，
并与电机相连接；电机位于试样台底部,其中心与金属环中心位于同一垂线；通过首尾处两
金属弹片，金属棒分别与上下两金属环接触；外部交流电源通过双U形导线与导电栓尾部连
接，可实现整体封闭回路；试样台上表面对称铣出2个阶梯面，工件可水平放置在阶梯面上
进行电磁干预加工。通电后旋转金属棒产生一个以其为圆心的环形磁场，作用于熔池内形
成感应电流。感应电流在磁场下生成洛伦兹力，垂直作用于熔池外表面，改变熔池高度、深
度及宽度，最终实现对熔池形貌的主动干预。

[0005] 所述的一种熔池形貌主动干预电磁装备，可广泛应用在激光熔覆、激光焊接、激光熔注、激光熔凝等存在局部微熔的特种加工场合。

[0006] 本专利以激光熔覆为案例进行详细原理说明，对于其他特种加工中形成的熔池作用原理基本类似。导电金属棒安装在微型电机上，在两个上下平行的金属环中以3000r/min
的转速自转。外部交流电源可提供0～1000A50HZ的交变电流，金属棒通过首尾两个金属弹
片与金属环接触导电，整体可形成封闭回路。附图5展示了金属杆位于熔池正下方时，横截
面与纵截面洛伦兹力分布情况。当在0～1/2周期时，金属杆会产生一个以其为圆心，不断向
外扩散的环形磁场，从熔池正视图可见为逆时针方向,见附图5(a)。由楞次定律可知，熔池
内必定生成封闭感应电流来阻碍金属棒所产生的磁场。故根据右手定律和趋肤效应分析，
感应电流主要分布在熔池外表面，其产生的感应磁场与外部施加磁场方向相反，起到抵消
部分施加磁场作用。将熔池沿金属棒水平平行方向，可垂直分割出无数如附图5(b)所示纵
截面，并且每个纵截面内感应电流分布均一致。感应电流在磁场作用下产生洛伦兹力，由左
手定则可判断其方向为垂直熔池纵截面外轮廓向里。将所用纵截面结合起来可知，熔池外
表面整体会受到一个向内挤压的洛伦兹力作用。类似地，可判断出在1/2～1周期内，熔池外
表面整体也会产生相同大小和方向的洛伦兹力。为了描述方便，附图5只展示了金属棒位于
熔道正下方时的特殊情况。事实上，金属棒转速为3000r/min，因此可以理解为在熔覆过程
中，金属棒时刻存在于熔池底部，每个水平平行于此时金属棒的熔池纵截面均受到与附图5
类似分布的洛伦兹力。故无论熔道在哪，熔池都会受到一个垂直外表面向内挤压的洛伦兹
力。在此作用下，熔池高度和深度会明显减小，而宽度有所增加。通过改变交变电流，从而控
制金属棒所产生的环形磁场大小，并进而影响熔池内生成的感应电流大小，最终实现控制
熔池表面所受洛伦兹力大小。但无论洛伦兹力大小发生怎样变化，其方向依旧垂直于熔池
外表面向内，实现对熔池高度、深度及宽度的主动干预，最终控制熔池形貌。

[0007] 熔池是形状是固定的,变化的是垂直切割熔池的方向,都是平行于此刻在熔池底部的金属棒方向。金属棒与熔池的距离会影响熔池压缩效果，但由于具体工件形状不同，加
工位置不同，不是本发明所能限制的。但能通过增大电流来弥补距离带来的缺陷。

[0008] 发明效益

[0009] 1本发明通过调节交变电流大小，可针对各种应用场合，实现对熔池形貌的任意调节；2本发明解除了熔池形貌对工艺参数的限制，使得熔池形貌成为单独可控因素，为特种
加工参数优化提供更大范围；3可实时调节交变电流大小，在不改变工艺参数条件下，实现
特种加工应对不同工况时，加工范围的连续调整；4就激光熔覆而言，熔池形貌的控制有利
于降低涂层稀释率、增加熔池宽高比来提高涂层与基体的结合强度；5就激光焊接而言，熔
池形貌控制可大大降低熔池深度，避免焊穿，在细小精密零件中的微焊而言，极为重要；6就
激光熔凝而言，提高熔池的宽度有利于扩大单次熔凝面积，大大提高工作效率。

附图说明

[0010] 图1：熔池形貌主动干预电磁装备正视图。

[0011] 图中包括，1试样台；2‑1、2‑2金属环；3阶梯面；4‑1、4‑2垫片；5‑1、5‑2螺母；6‑1、6‑2导电栓；

[0012] 图2：电磁装备半剖图。

[0013] 图3：电磁装备俯视图。金属棒为水平放置两金属环间，通过金属弹片与两金属环接触导电。

[0014] 图中包括，7电机；

[0015] 图4：关键零件示意图。

[0016] 图中包括，8‑1、8‑2金属弹片；9金属棒。

[0017] 图5：熔池内部洛伦兹力分布原理图。

[0018] 图中包括，(a)0～1/2周期熔池横截面，(b)0～1/2周期熔池纵截面，(c)1/2～1周期熔池横截面，(d)1/2～1周期熔池纵截面。

具体实施方式

[0019] 为更好的阐述本发明的实施细节，下面结合附图1对本发明的一种熔池形貌主动干预电磁装备进行详细说明。

[0020] 本发明的一种熔池形貌主要干预电磁装备，包括试样台1、金属环2‑1，2‑2、垫片4‑1,4‑2、螺母5‑1,5‑2、导电栓6‑1,6‑2、电机7、金属弹片8‑1,8‑2和金属棒9组成。金属环2‑1,
2‑2由导电栓6‑1,6‑2、垫片4‑1,4‑2和螺母5‑1,5‑2固定在绝缘试样台上1，导电栓6‑1,6‑2
尾部穿透试样台1一侧,作为外部导电接口。金属棒6轴向中心位于两金属环2‑1,2‑2圆心同
一垂线，并与电机7连接。电机7位于试样台底部,其中心与金属环2‑1，2‑2中心位于同一垂
线。通过首尾处金属弹片8‑1,8‑2，金属棒9分别与上下两金属环2‑1,2‑2接触，外部交流电
源通过双U形导线与导电栓6‑1,6‑2尾部连接，可整体实现封闭回路。试样台上表面对称铣
出2个阶梯面，工件可水平放置在阶梯面上进行电磁干预加工。通电后旋转金属棒产生一个
以其为圆心的环形磁场，作用于熔池内形成感应电流。感应电流在磁场下生成洛伦兹力，垂
直作用的熔池外表面，改变熔池高度、深度及宽度，最终实现对熔池形貌的主动干预。

[0021] 一种熔池形貌主动干预电磁装备，其特征在于，由工件放置于试样台阶梯面，通电后旋转金属棒产生一个以其为圆心的环形磁场，作用于熔池内形成感应电流。感应电流在
磁场下生成洛伦兹力，垂直作用的熔池外表面，改变熔池高度、深度及宽度，最终实现对熔
池形貌的主动干预。

[0022] 实施实例一：

[0023] 采用YLS‑2000‑TR型激光器，在IN718合金表面熔覆一层IN718涂层。主要加工参数为：光斑直径2mm，激光功率1000W，扫描速度500mm/min,送粉率0.3g/min。在不启动电磁装
备的状态下，熔覆一道长40mm的单道涂层，后打开电磁装备，电机转速3000r/min，交变电流
100A、300A和600A。熔覆后测量横截面熔宽、熔高、熔深，计算稀释率及宽高比，见表一。从表
一可以发现，随着交变电流强度的增加，稀释率和宽高比明显改善，涂层结合强度、质量更
好。

[0024] 表一 熔覆层形貌数据汇总

[0025] 电流A 熔宽mm 熔高mm 熔深mm 稀释率 宽高比0 2.254 1.325 2.224 0.627 0.635
100 2.523 1.02 1.568 0.606 0.975
300 3.254 0.803 0.875 0.521 1.939
600 3.654 0.547 0.235 0.301 4.673

[0026] 实施实例二：

[0027] 采用YLS‑2000‑TR型激光器，在IN718合金表面进行熔凝实验。主要加工参数为：光斑直径2mm，激光功率1000W，扫描速度500mm/min。在不启动电磁装备的状态下，熔覆一道长
40mm的单道涂层，后打开电磁装备，电机转速3000r/min，交变电流100A、300A和600A。熔覆
后测量横截面熔宽见表二。从表二可以发现，随着交变电流强度的增加，熔池宽度为递增趋
势。当电流为600A时，熔宽增加了88.12％，有效提高了单次熔凝面积，益于生产效率。

[0028] 表二 熔凝形貌数据汇总

[0029]电流A 熔宽mm
0 1.524
100 2.124
300 2.365
600 2.867