(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202210924200.0 (22)申请日 2022.08.02 (71)申请人 南京航空航天大 学 地址 211106 江苏省南京市秦淮区御道街 29号 (72)发明人 魏艳红　郭凯　陈纪城　马振一　 杜心伟　 (51)Int.Cl. B23K 26/24(2014.01) B23K 26/70(2014.01) (54)发明名称 一种基于磁场形态仿真设计的磁场辅助激 光焊接平台 (57)摘要 本发明涉及一种基于磁场形态仿真设计的 磁场辅助激光焊接平台， 该平台应用于磁控焊接 技术领域。 所述平台由磁场发生装置和 弱磁损焊 接工装组成， 具体包括U型铁芯、 铜导线圈、 外加 励磁电源、 弱磁损焊接平台、 导气管及铜垫片。 其 中将线圈均匀缠绕在由硅钢薄片叠加组成的U型 硅钢铁芯表面， 并连接励磁电源产生磁场， 弱磁 损的焊接平台可有效降低磁场在空间法向上的 损耗。 本装置具体的装置尺寸通过磁场形态仿真 辅助设计， 借助励磁电源施加恒流及交变电流， 可在焊接材料中心产生较为集中稳定的横向稳 恒及交变磁场， 用于调控焊接过程熔池流动行 为， 从而优化焊接质量， 改善 焊接工艺。 权利要求书1页 说明书4页 附图3页 CN 115070210 A 2022.09.20 CN 115070210 A 1.一种基于磁场形态仿真设计的磁场辅助激光焊接平台， 其特征在于： 包括磁场发生 装置和焊接工装平台。 其中磁场发生装置由U型铁芯、 铜导线圈及外部励磁电源组成； 焊接 工装平台由弱磁损的焊接平台、 导气管及铜垫片组成。 将所述铜导线圈均匀缠绕在所述U 型 铁芯表面， 并连接所述外部励磁电源的正负极， 通过施加恒流及交变电流， 在所述U型铁芯 端面产生较为集中的横向稳恒及交变磁场。 采用弱磁损金属材料制作所述焊接平台， 可有 效降低磁场强度在平台法向上的衰减， 使得待焊材料中心可产生较为均匀且集中的横向磁 场。 将所述导气管及铜垫片均匀开孔， 通过在所述导气管中施加保护气 体， 可起到全焊透条 件下的背面保护效果， 此外， 所述铜垫片可有效防止焊透条件下所焊材料背面与平台桌面 的粘连。 磁场 发生装置及焊接工装平台相关尺寸由磁场形态仿真手段辅助设计完成， 磁场 形态仿真包括以下步骤： A)根据所设计的磁场辅助焊接平台， 建立三维磁场辅助焊接平台几何模型， 所述模型 涉及不同U型铁芯的尺寸(主要为铁芯端面尺寸、 铁芯端面间距及铁芯端面角度)、 线圈匝 数、 励磁电流强度、 励磁电流频率 等的组合； B)将所述几何模型导入多物理场仿真计算软件Comsol中， 建立磁场形态仿真模型， 计 算不同装置尺寸 参数组合下的磁场大小及分布； C)根据仿真计算结果， 对比不同尺寸参数下的磁场大小及磁场分布， 考虑实际焊接所 需磁场强度， 确定最终的U型铁芯尺寸(主要为铁芯端面尺寸、 铁芯端面间距及铁芯端面角 度)、 线圈匝数、 励磁电流强度及 励磁电流频率的组合。 2.如权利要求1所述的基于磁场形态仿真设计的磁场辅助激光焊接平台， 其特征在于， 所述U型铁 芯由定制的0.2mm  U型硅钢薄片 叠加组成， 硅钢薄片具有优异的导磁性能与较差 的导电性能， 相同电源输入 条件下可产生较大的磁通密度， 有效避免涡 流的产生， 减少功 率 损耗。 3.如权利要求1所述的基于磁场形态仿真设计的磁场辅助激光焊接平台， 其特征在于， 所述焊接平台由与空气磁导率相近的弱磁损铝材料制成， 在平台内部开凹槽至平台表面 2mm处， 将U型硅钢铁芯竖直置于凹槽内部， 使得铁芯端面能最大程度的接近待焊材料焊缝 处， 在焊缝处产生较强的均匀集中磁场。 4.如权利要求1所述的基于磁场形态仿真设计的磁场辅助激光焊接平台， 其特征在于， 所述导气管顶部及铜垫片均匀开孔， 所述铜垫片为2mm厚， 置于平台表面所开凹槽中， 可有 效防止穿透焊条件下待焊材料焊缝底部与平台的粘连， 此外， 通过在导气管中通以保护气 体， 可起到焊接过程中焊缝背面保护的效果。 5.如权利要求1所述的基于磁场形态仿真设计的磁场辅助激光焊接平台， 其特征在于， 所述磁场发生装置及焊接工装平台相关尺寸参数借由磁场形态仿真手段辅助设计完成。 通 过对比仿真计算结果， 确定所述U型硅钢铁芯端面尺寸为20mm ×30mm， 铁芯端面间距为 20mm， 铁芯端面角度为0 °； 为满足高频电流下待焊材料焊缝处磁场强度需求， 将线圈匝数确 定为3000匝， 在5A励磁电流下， 工件待焊区域磁感应强度可达到420 ‑535mT之间； 在10A/ 2.5kHz励磁电流下， 工件待焊区域磁感应强度可达到～300mT， 可达到理想的焊接熔池电磁 搅拌效果。权　利　要　求　书 1/1 页 2 CN 115070210 A 2一种基于磁场形 态仿真设计的磁场辅助激光焊接平台 技术领域 [0001]本发明涉及 一种基于磁场形态仿真设计的磁场辅助 激光焊接平台， 通过仿真设计 的手段辅助搭建合理可靠的磁场辅助激光焊接装置， 属于磁控激光焊接领域。 背景技术 [0002]与传统的弧焊方法相比， 激光焊作为高能束焊， 较为集中的热源有效 降低了构件 的焊后残余应力 及焊接变形， 且更高的可达焊接速度大大提高了焊接生产效率。 近年来， 随 着高功率、 高光束质量激光器及配套装备 的逐步产业化应用， 激光焊接技术在中厚板结构 件成形领域适用性显著 提高， 在自动化与轻量化方面具有突出优势。 然而， 由于某些待焊工 件的固有 材料属性， 在焊接过程中易出现气孔、 成形差等宏观焊接缺陷， 并且随着激光功 率 的增大， 熔池合金元素的蒸发速率随之提高， 使得不同位置， 尤其是焊缝熔深位置的第二相 溶质浓度出现明显差异， 同时激光焊较快的冷却速度使得熔池中的合金元素无法充分的扩 散/迁移， 这些都直接导致了焊缝凝固组织的不均匀， 造成不同位置的晶粒尺 寸差异及成分 偏析， 并进一步削弱了接头的力学性能， 成为制约中厚板激光焊接技术发展的瓶颈 问题之 一。 [0003]采用外加磁场辅助激光焊接过程能够灵活干预熔池动力学行为， 稳恒磁场会在熔 池中产生显著的哈特曼效应可抑制液相流动速率， 改善能量分布并优化焊缝成形； 交变磁 场形成的电磁搅拌作用可显著 提高熔池局部流速， 改善合金元素的空间分布均匀性。 此外， 二者都会在熔池固液界面附近产生显著的热电磁效应， 可用于调控熔池的热、 流及溶质分 布， 从而达到抑制焊接缺陷， 优化熔池凝固结晶条件， 改善焊缝 组织形态及最 终的力学性能 优化的目的。 [0004]现有的磁场辅助焊接装置多为大型复杂装置， 制作成本高昂且装置体积较大， 灵 活性较差。 本发明通过采用磁导率较大的U 型硅钢薄片材料作为铁 芯， 采用弱磁损材料制作 焊接工作台， 通过灵活调节外部励磁电源功率及频率， 从而在待焊材料焊缝处激发不同需 求下的磁场强度。 此种磁场激发装置， 可产生长时间均匀稳定的磁场， 保障磁场对熔池动力 学的稳定调控， 有效改善焊接过程中的缺陷及焊后接 头性能的削弱问题。 发明内容 [0005]针对现有技术的以上缺陷或改进需求， 本发明提供了一种基于磁场形态仿真设计 的磁场辅助激光焊接平台， 其目的在于， 在激光焊接中， 通过磁场诱导电磁力改善熔池传热 传质， 调控熔池流动行为， 进而改善焊缝成形， 避免溶质不均匀分布所造成的性能削弱问 题， 借助磁场形态仿真手段 可大大降低平台设计制作成本和周期， 提高竣工效率。 [0006]为实现上述目的， 本发明提供了一种基于磁场形态仿真设计的磁场辅助 激光焊接 平台， 包括磁场发生装置和焊接工装平台， 所述磁场发生装置置于焊接工装平台下方， 包括 由定制的U型硅钢薄片叠加组成的硅钢铁芯， 均匀缠绕在硅钢铁芯表面的铜导线圈以及线 圈两端所接外部励磁电源。 所述焊接工装平台由与 空气磁导率相同的弱磁损铝材料制成，说　明　书 1/4 页 3 CN 115070210 A 3