激光焊接装置的制作方法

1.本实用新型涉及激光焊接技术领域，尤其涉及一种激光焊接装置。


背景技术：

2.激光焊接是利用高能量密度的激光束作为热源的一种高效精密焊接方法。20世纪70年代主要用于焊接薄壁材料和低速焊接，焊接过程属热传导型，即激光辐射加热工件表面，表面热量通过热传导向内部扩散，通过控制激光脉冲的宽度、能量、峰值功率和重复频率等参数，使工件熔化，形成特定的熔池。
3.近年来，随着光谱技术和激光功率的提高，激光焊接技术逐渐被用于厚板窄间隙的焊接。在厚板窄间隙的焊接中使用激光填丝焊接，即在焊缝中预先填入特定焊接材料后用激光照射熔化或在激光照射的同时填入焊接材料以形成焊接接头的方法。
4.窄间隙激光填丝焊接常见的主要问题是焊接缺陷。其中焊接缺陷以气孔和未熔合缺陷较为突出，气孔成因复杂，主要是焊接熔透不完全以及凝固速度过快导致。
5.相关学者研究发现增大光斑直径可减少气孔产生，但是增大光斑直径无法完全消除气孔，尤其是气孔敏感材料。为此现有技术中相关学者通过在焊接装置中增加磁场来有效缓解这一问题。
6.但是，对于厚板窄间隙的激光填丝焊接，通过现有的焊接装置进行焊接，会使待焊试件的焊缝侧壁产生未熔合的焊接缺陷。


技术实现要素：

7.本实用新型提供一种激光焊接装置，用以解决现有技术中上述技术缺陷，能够有效消除窄间隙激光填丝焊中焊缝侧壁未熔合的焊接缺陷，以使焊缝成型美观。
8.为了实现上述目的，本实用新型提供一种激光焊接装置，包括：
9.焊接平台，用于装夹待焊试件；
10.激光焊接构件，位于所述焊接平台上方，并通过回转结构设置在机架上，用于对所述待焊试件进行施焊；
11.磁场发生构件，与所述激光焊接构件联动设置，以使所述激光焊接构件在施焊状态下，处于交变磁场的作用当中。
12.根据本实用新型提供的激光焊接装置，所述回转结构包括回转驱动件和回转台；
13.所述回转驱动件设置在所述机架上，所述回转台与所述回转驱动件转动连接，所述激光焊接构件设置在所述回转台上。
14.根据本实用新型提供的激光焊接装置，所述激光焊接构件包括第一激光器和第二激光器；
15.所述第一激光器和所述第二激光器以所述回转台的转动轴线为中心对称设置。
16.根据本实用新型提供的激光焊接装置，所述磁场发生构件包括交变电磁场线圈和连接件；
17.所述连接件将所述交变电磁场线圈固定于靠近所述第一激光器和/或所述第二激光器的一侧。
18.根据本实用新型提供的激光焊接装置，还包括送丝机构，所述送丝机构由驱动结构、送丝轮和矫直结构组成。
19.根据本实用新型提供的激光焊接装置，所述焊接平台上设置有用于夹持所述待焊试件的夹持组件。
20.根据本实用新型提供的激光焊接装置，所述焊接平台下方设置有移动结构，用于控制所述焊接平台进行移动。
21.根据本实用新型提供的激光焊接装置，所述移动结构由丝杠螺母副和导轨相配合组成；
22.所述焊接平台固定连接在所述丝杠螺母上。
23.根据本实用新型提供的激光焊接装置，所述磁场发生构件与磁弧控制系统连接，所述磁弧控制系统的频率范围为10hz～50hz，所述磁场发生构件的磁场强度范围为20mt～180mt。
24.根据本实用新型提供的激光焊接装置，所述磁弧控制系统的频率范围为20hz～40hz，所述磁场发生构件的磁场强度范围为60mt～180mt。
25.本实用新型提供的激光焊接装置，通过设置磁场发生构件，使激光焊接构件在交变磁场作用下对待焊试件进行焊接，焊缝熔池的液面波动小，且交变磁场对熔池具有一定的搅拌作用，可加快气体逸出；熔滴的过渡为“铺展过渡”，使熔池流动更加稳定，焊缝成型美观，可以有效消除现有焊接技术中焊缝密集型气孔和侧壁未熔合等焊接缺陷。
26.另外，激光焊接构件通过回转结构设置在机架上，能够在焊接平台保持固定不动的情况下，根据焊接环境选择对激光焊接构件的位置进行改变，从而改变焊接方向，以使激光焊接装置的使用范围更广。
27.另外，在交变磁场辅助作用下进行窄间隙激光填丝焊接时，经实验验证交变磁场的磁场强度低于20mt和高于180mt时焊缝表面成型较差，因此需要将磁场强度控制在20mt～180mt范围内，对应的磁弧控制系统的频率范围控制为10～50hz。
附图说明
28.为了更清楚地说明本实用新型或现有技术中的技术方案，下面将对实验例或现有技术描述中所需要使用的附图作以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本实用新型的一些实验例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
29.图1是本实用新型提供的激光焊接装置的立体图；
30.图2是本实用新型提供的激光焊接装置的俯视图；
31.图3是本实用新型提供的激光焊接装置的焊接过程示意图；
32.图4a是本实用新型对比例1的焊缝横截貌图之一；
33.图4b是本实用新型实验例1的焊缝横截貌图；
34.图5a是本实用新型对比例1的焊缝金相组织图；
35.图5b是本实用新型实验例1的焊缝金相组织图；
36.图6a是本实用新型对比例1的焊缝横截貌图之二；
37.图6b是本实用新型实验例2的焊缝横截貌图；
38.图6c是本实用新型实验例3的焊缝横截貌图；
39.图6d是本实用新型实验例4的焊缝横截貌图；
40.图6e是本实用新型实验例5的焊缝横截貌图。
41.附图标记：
42.1、焊接平台；
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2、激光焊接构件；
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21、第一激光器；
43.22、第二激光器；
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3、磁场发生构件；
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31、交变电磁场线圈；
44.32、连接件；
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4、送丝机构；
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41、焊丝；
45.5、回转结构；
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51、回转驱动件；
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52：回转台；
46.6、机架；
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7、待焊试件；
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8、气孔；
47.9、未熔合部分；
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10、窄间隙。
具体实施方式
48.为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型中的附图，对本实用新型中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实验例是本实用新型一部分实验例，而不是全部的实验例。基于本实用新型中的实验例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实验例，都属于本实用新型保护的范围。
49.在实用新型的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体式连接；可以是机械连接，也可以是电连接；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。“第一”“第二”“第三”“第四”不代表任何的序列关系，仅是为了方便描述进行的区分。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在实用新型中的具体含义。
50.下面结合图1至图6e，对本实用新型的实验例进行描述。应当理解的是，以下描述仅是本实用新型的示意性实施方式，并未对本实用新型构成任何限定。
51.本实用新型适用于厚板窄间隙焊接，窄间隙焊接是厚板焊接领域的一项先进技术。其与普通坡口的埋弧焊相比，窄间隙焊具有无可比拟的优越性，如坡口窄、焊缝金属填充量少，可以节省大量的焊材和焊接工时；且由于窄间隙焊时热输入量较低，焊缝金属和热影响区的组织明显细化，能够提高其力学性能，特别是塑性和韧性。
52.如图1至图3所示，作为本实用新型的一种实施例，本实施例提供一种激光焊接装置，包括焊接平台1、激光焊接构件2和磁场发生构件3。
53.其中，如图1所示，焊接平台1用于装夹待焊试件7；激光焊接构件2位于焊接平台1上方，用于对待焊试件7进行施焊，激光焊接构件2可以通过机械臂固定，也可以通过机架6固定。
54.其中，如图1和图2所示，磁场发生构件3与激光焊接构件2联动设置，以使激光焊接构件2在施焊状态下，始终处于交变磁场的作用当中。通过实验证明激光焊接构件2在交变磁场作用下对待焊试件7进行焊接时，焊缝熔池的液面波动小；交变磁场对熔池具有一定的
搅拌作用，以加快气体逸出，使熔池流动更加稳定，从而使熔滴的过渡为“铺展过渡”，焊缝成型美观，可以有效消除现有焊接技术中焊缝密集型气孔8和侧壁存在未熔合部分9等焊接缺陷。
55.其中，如图1和图2所示，激光焊接构件2通过回转结构5设置在机架6上，能够在焊接平台1保持固定不动的情况下，根据焊接环境选择对激光焊接构件2的位置进行改变，从而改变焊接方向，以使激光焊接装置的使用范围更广。
56.进一步的，回转结构5包括回转驱动件51和回转台，回转驱动件51设置在机架6上，回转台与回转驱动件51转动连接，激光焊接构件2设置在回转台上。
57.其中，回转驱动件51可以为电机或回转气缸等，回转台的形状与机架6的形状相适应，以确保整个机架6的稳定性。
58.如图1所示，激光焊接构件2可以只包括一个激光器，也可以包括两个激光器，即第一激光器21和第二激光器22，第一激光器21和第二激光器22以回转台52的转动轴线为中心对称设置，具体是以回转台52的转动中心为对称中心，第一激光器21和第二激光器22呈中心对称设置，以使第一激光器21和第二激光器22的位置能够根据焊接环境的变化进行相应的变化。
59.如图1所示，磁场发生构件3包括交变电磁场线圈31和连接件32；连接件32将交变电磁场线圈31固定于靠近第一激光器21和/或第二激光器22的一侧，以使交变电磁场线圈31与各个激光器能够同步移动。
60.如图3所示，本实施例还包括送丝机构4，送丝机构4由驱动结构、送丝轮和矫直结构组成。由于窄间隙10的单道焊缝深宽比大，通过填丝焊接，能够使熔池中的气体在熔池凝固时很难逸出。
61.其中，矫直机构使焊丝41在进入送丝软管前不发生弯曲，保证出丝畅顺，送丝稳定，以及保证焊接过程的稳定性及焊缝的一致性。
62.在本实施例中，焊接平台1上还设置有用于夹持待焊试件7的夹持组件(图中未示出)，该夹持组件根据待焊试件7的形状和结构进行制定，比如待焊试件7为一个厚钢板，则夹持组件可以为气缸夹爪等，气缸夹爪固定在焊接平台1上，当待焊试件7固定在焊接平台1之后，气缸夹爪摆动并夹紧待焊试件7。
63.在本实施例中，焊接平台1的下方设置有移动结构，待焊试件7装夹在焊接平台1上之后，焊接平台1能够在移动结构的带动下，沿着焊接路径移动，以使焊接平台1相对于激光焊接构件2运动，从而完成激光焊接的焊接过程。
64.具体的，移动结构(图中未示出)可以由丝杠螺母副和导轨相配合组成，焊接平台1固定连接在丝杠螺母上。当丝杠在电机驱动下实现回转运动时，丝杠螺母在导轨的导向作用下，将圆周运动转变为直线运动，以带动焊接平台1水平移动。
65.请参阅图4a至图6e，结合以上实施例的说明，对本实用新型的部分技术方案进行详细的说明，以及对相应的技术效果进行实验分析。
66.对比例1
67.选取商业牌号为s32101双相不锈钢作为待焊试件7，待焊试件7的厚度为25mm，将其置于清洗溶液中，清洗时间为10分钟，清洗完成后将待焊试件7取出置于室温下自然晾干，然后用砂轮机进行表面打磨处理。
68.将磁场发生构件3与激光焊接构件2固定，以使磁场发生构件3位于待焊试件7的上方，确保焊接过程中，磁场发生构件3与激光焊接构件2保持联动。
69.将待焊试件7置于焊接平台1上的夹持组件中，调整激光焊接构件2的相关参数，即通过操作面板调节离焦量为 20mm，设置焊枪移动轨迹的安全点，确定起焊点与止焊点后调整焊接速度参数，确定焊接速度为0.9m/min。
70.通过示教过程轻轻敲打待焊试件7，使焊丝41处于焊缝中间偏下位置，焊丝41端部离待焊试件7底部距离为2mm，控制光丝间距为1mm，确保焊丝41伸长量为15mm。
71.示教过程演练结束后，将焊枪从焊缝中水平移动至焊丝41端部且离焊缝端部外2mm处，对比例1中不加载交变磁场，相当于磁场强度为0mt，磁弧控制系统的频率为0hz。
72.通过送丝机构4自动匹配送丝速度，使送丝速度为5.5m/min。待所有的部件连接检查完毕之后，在电脑终端输入激光功率为5.0kw、焊接电流等参数，对待焊试件7进行激光焊接，以形成如图4a所示的焊缝横截貌图之一(附图在3mm的比例下)和如图6a所示的焊缝横截貌图之一(附图在2mm的比例下)，以及形成如图5a所示的焊缝金相组织图。
73.实验例1
74.选取商业牌号为s32101双相不锈钢作为待焊试件7，待焊试件7的厚度为25mm，将其置于清洗溶液中进行清洗，清洗时间为10分钟，清洗完成后将待焊试件7取出置于室温下自然晾干，然后用砂轮机进行表面打磨处理，直至待焊试件7出现明亮的银色金属表面色泽。
75.其中，清洗溶液可以为有机溶剂，具体为丙酮、松香或汽油，擦拭待焊试件7待焊试件7表面的油污。清洗溶液也可以由重油污清洗剂与热水混合，重油污清洗剂和热水比例为1:10；于焊缝坡口处轻轻打磨避免改变坡口尺寸。
76.具体清理时，处理待焊试件7距正反面坡口边缘10～20mm的灰尘杂物，同时用无纺布蘸取无水乙醇擦拭除去坡口内外侧的灰尘污垢。
77.将磁场发生构件3与激光焊接构件2固定，以使磁场发生构件3位于待焊试件7的上方，确保焊接过程中，磁场发生构件3与激光焊接构件2保持联动。
78.清理安装完成之后，将待焊试件7置于焊接平台1上的夹持组件中，调整激光焊接构件2的相关参数，即通过操作面板调节离焦量为 20mm，设置焊枪移动轨迹的安全点，确定起焊点与止焊点后调整焊接速度参数，确定焊接速度为0.9m/min。
79.通过示教过程轻轻敲打待焊试件7，使焊丝41处于焊缝中间偏下位置，控制焊丝距离，使焊丝41端部离待焊试件7底部距离为2mm，使交变电磁场线圈31(磁头)距离待焊试件7表面高度为10mm，控制光丝间距为1mm，确保焊丝41伸长量为15mm。
80.当示教过程演练结束后，将焊枪从焊缝中水平移动至焊丝41端部离焊缝端部外2mm处，同时将磁场发生构件3与磁弧控制系统连接，通过调节磁弧控制系统的频率调节磁场发生构件3的磁场强度，利用数字特斯拉计测量焊丝41端部的磁场强度，将焊丝41端部的磁场强度控制为20mt，磁弧控制系统的频率对应为10hz。
81.通过送丝机构4自动匹配送丝速度。待所有的部件检查连接检查完毕之后，在电脑终端输入激光功率、焊接电流等参数，对待焊试件7进行激光焊接，以形成如图4b所示的焊缝横截貌图，以及形成如图5b所示的焊缝金相组织图。
82.以下表1是实验例1和对比例1中力学性能及焊缝成形情况的比较，对照表1能够获
知实验例1的技术方案存在显著的有益效果。
83.表1力学性能及焊缝成形情况对比表
[0084][0085]
以下表2是实验例1和对比例1中奥氏体与铁素体含量对焊缝的影响效果对比，对照表2能够获知实验例1的技术方案的有益效果明显优于对比例1。
[0086]
表2奥氏体与铁素体含量对焊缝的影响表
[0087] 奥氏体含量(％)铁素体含量(％)焊缝成型情况实验例150.849.2良好对比例160.139.9存在未熔合
[0088]
对实验例1和对比例1的焊缝横截貌图分析之后，发现对比例1在无交变磁场辅助作用下，尽管焊缝成形均匀对称，但是焊缝根部两侧出现了严重未熔合部分9，即存在侧壁未熔合问题，以及存在气孔8。
[0089]
而实验例1在附加交变磁场作用下所获得的坡口内填充焊缝均未出现侧壁未熔合和气孔的焊接缺陷，焊缝成型较为美观。
[0090]
因此，通过在激光焊接装置中加载交变磁场，在交变磁场作用的激光焊接过程中，焊缝熔池液面波动小，熔滴过渡为“铺展过渡”，熔池流动更加稳定，焊缝成型美观，可以有效消除焊缝中存在密集型气孔8和侧壁未熔合等焊接缺陷，以提高厚板窄间隙采用激光填丝焊的焊接质量。
[0091]
实验例2
[0092]
在上述实验例1的基础上，与上述实验例1不同的是。
[0093]
确保其他条件和设置均不变，示教过程演练结束后将焊枪从焊缝中水平移动至焊丝41端部离焊缝端部外2mm处，利用数字特斯拉计测量焊丝41端部的磁场强度，使磁场强度为60mt，频率为10hz。
[0094]
通过送丝机构4自动匹配送丝速度，送丝速度为5.5m/min。待所有的部件检查连接检查完毕之后，在电脑终端输入激光功率为5.0kw、焊接电流等参数，对待焊试件7进行激光焊接，以形成如图6b所示的焊缝横截貌图。
[0095]
实验例3
[0096]
在上述实验例2的基础上，与上述实验例2不同的是。
[0097]
确保其他条件和设置均不变，示教过程演练结束后将焊枪从焊缝中水平移动至焊丝41端部离焊缝端部外2mm处，利用数字特斯拉计测量焊丝41端部的磁场强度，使磁场强度为90mt，磁弧控制系统的频率对应为30hz。
[0098]
通过送丝机构4自动匹配送丝速度，送丝速度为5.5m/min。待所有的部件检查连接检查完毕之后，在电脑终端输入激光功率为5.0kw、焊接电流等参数，对待焊试件7进行激光焊接以形成如图6c所示的焊缝横截貌图。
[0099]
对实验例2和实验例3的焊缝横截貌进行详细分析后，发现磁场强度从60mt增加到90mt的区间范围内，焊缝的熔宽呈现减小的趋势，而熔深呈现出增加的趋势，因此能够说明焊接效果更好，焊接质量更为牢固。
[0100]
表3是实验例2和实验例3中力学性能及焊缝成形情况的比较，对照表3获知随着磁场强度的增加，焊接熔深增加，焊接质量提高。
[0101]
表3力学性能及焊缝成形情况对比表
[0102][0103]
以下表4是实验例2和实验例3中奥氏体与铁素体含量对焊缝的影响效果对比，对照表2能够获知实验例3的技术方案的有益效果明显优于对比例2。
[0104]
表4奥氏体与铁素体含量对焊缝的影响表
[0105][0106][0107]
实验例4
[0108]
在上述实验例3的基础上，与上述实验例3不同的是。
[0109]
确保其他条件和设置均不变，示教过程演练结束后将焊枪从焊缝中水平移动至焊丝41端部离焊缝端部外2mm处，利用数字特斯拉计测量焊丝41端部的磁场强度，使磁场强度为120mt，频率为40hz。
[0110]
通过送丝机构4自动匹配送丝速度，送丝速度为5.5m/min。待所有的部件检查连接检查完毕之后，在电脑终端输入激光功率为5.0kw、焊接电流等参数，对待焊试件7进行激光焊接，以形成如图6d所示的焊缝横截貌图。
[0111]
实验例5
[0112]
在上述实验例4的基础上，与上述实验例4不同的是。
[0113]
确保其他条件和设置均不变，确保其他条件和设置均不变，示教过程演练结束后将焊枪从焊缝中水平移动至焊丝41端部离焊缝端部外2mm处，利用数字特斯拉计测量焊丝41端部的磁场强度，使磁场强度为180mt，磁弧控制系统的频率对应为50hz。
[0114]
通过送丝机构4自动匹配送丝速度，送丝速度为5.5m/min。待所有的部件检查连接检查完毕之后，在电脑终端输入激光功率为5.0kw、焊接电流等参数，对待焊试件7进行激光焊接，以形成如图6e所示的焊缝横截貌图。
[0115]
对实验例4和实验例5的焊缝横截貌进行详细分析后，发现磁场强度从120mt增加到180mt的区间范围内，随着磁场强度的增加，焊缝熔宽开始增大，熔深反而逐渐减小。
[0116]
为了追求厚板窄间隙的焊接效率，通常会将送丝速度适当增大，在填充焊丝41能
够全部熔化的前提下，焊缝根部获得的能量减小，导致在焊缝搭接区域出现熔合不良的情况，可以得出填丝焊接厚板窄间隙时，熔深比熔宽更为重要，故而增加的磁场强度若超过180mt，焊接效果不会随之提高，反而焊接效果会有所下降。
[0117]
以下表5是实验例4和实验例5中力学性能及焊缝成形情况的比较，对照表5获知随着磁场强度的增加，焊接熔深反而减小，焊接质量下降。
[0118]
表5力学性能及焊缝成形情况对比表
[0119][0120]
以下表6是实验例2和实验例3中奥氏体与铁素体含量对焊缝的影响效果对比，对照表6能够获知实验例4的技术方案的有益效果明显优于对比例5。
[0121]
表6奥氏体与铁素体含量对焊缝的影响表
[0122] 奥氏体含量(％)铁素体含量(％)焊缝成型情况实验例450.349.7良好对比例560.139.9熔深较小
[0123]
对上面的各个实验例和对比例经过详细分析可以得出，在相同的激光焊接工艺参数下，激光焊接装置加载交变磁场辅助焊接的厚板窄间隙焊缝中，不存在的侧壁未熔合缺陷和密集型气孔的缺陷，且能够提升焊接试件的综合力学性能，以提高焊接质量。
[0124]
因此，在交变磁场的辅助作用下进行厚板窄间隙的焊接，可明显消除窄间隙焊缝存在侧壁未熔合缺陷和密集型气孔的缺陷。因为附加交变磁场对熔池具有一定搅拌作用，熔滴过渡为“铺展过渡”，以使熔池流动更加稳定，焊缝成型美观。
[0125]
通过本实用新型提供的激光焊接装置进行的厚板窄间隙焊接，探伤检测发现焊缝局部区域未出现密集型的气孔和侧壁未熔合缺陷，因此可以说明本实用新型的技术方案能够有效提高焊接质量，保障激光焊接的稳定性与高效性，进而扩展激光焊接的应用领域。
[0126]
另外，由上可知，磁弧控制系统的频率范围为10hz～50hz，磁场发生构件的磁场强度范围为20mt～180mt。作为优选，磁场发生构件的磁场强度范围为60mt～180mt，磁弧控制系统的频率范围为20～40hz。
[0127]
需要说明的是，本实用新型各个实验例中的技术方案可以相互结合，但是相互结合的基础是以本领域普通技术人员能够实现为准；当技术方案的结合出现相互矛盾或者无法实现时，应当认为这种技术方案的结合不存在，即也不属于本实用新型的保护范围。
[0128]
最后应说明的是：以上实验例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实验例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实验例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实验例技术方案的精神和范围。