CN104668776A

CN104668776A - 一种封闭式环形焊缝的激光焊接方法

Info

Publication number: CN104668776A
Application number: CN201510048417.XA
Authority: CN
Inventors: 蔡亚鹏; 李达; 林培晨; 林学春
Original assignee: JIANGSU ZKSX LASER TECHNOLOGY Co Ltd
Current assignee: JIANGSU ZKSX LASER TECHNOLOGY Co Ltd
Priority date: 2015-01-30
Filing date: 2015-01-30
Publication date: 2015-06-03

Abstract

一种封闭式环形焊缝的激光焊接方法，包括以下步骤：1）工装定位；2）转台旋转；3）激光焊接；4）焊接完毕，激光头上升；5）转台停止旋转。本发明，可有效解决中小型封闭式环形焊缝激光焊接时出现的飞溅、气孔及鼓包等焊接缺陷问题，大大提高焊接效率，避免了零件的二次返工，提高了工件的焊接稳定性，焊件合格率达到99.5%以上。

Description

一种封闭式环形焊缝的激光焊接方法

技术领域

本发明涉及一种封闭式环形焊缝激光焊接方法，尤其涉及一种基于激光器功率控制的针对中小型零件封闭式环形焊缝的激光焊接方法。属于激光焊接领域。

背景技术

激光焊接是20世纪70年代发展起来的焊接新技术，激光焊接是把能量密度很高的激光束照射到工件上，使工件受热熔化，然后冷却得到焊缝。激光焊接技术具有精度高、深穿透、能量密度高、适应性强等众多优点，应用领域越来越广，受到航空航天、机械电工，尤其是汽车制造业的高度重视。

例如在汽车制造业中，传统的焊接方法包括电阻点焊、MIG/MAG焊以及摩擦焊等，焊接方法简便，易实现，但相比于激光焊接，焊接质量不高，工件易变性。由于激光焊能量密度高，焊接深度/宽度比高，其焊接质量比传统焊接方法高，目前激光焊接主要应用于车身钢板焊接、坯板拼焊、齿轮及传动部件等的焊接，就焊接焊缝的形式可大概分为纵向（横向）焊缝和环形焊缝。

激光焊接应用于纵向焊缝、未封闭式环形焊缝及大型零件封闭式环形焊缝时，焊缝成型美观，焊缝热影响区小，焊缝接头质量高，且无明显的气孔、飞溅等焊接缺陷，用于企业生产时，产品合格率高，可以大大提高企业竞争力。但是中小型零件封闭式环形焊缝在进行激光焊接时，在焊缝收尾处容易出现气孔、飞溅及鼓包等焊接缺陷，出现缺陷的几率达80%以上，严重影响焊接生产。

发明内容

针对中小型零件封闭式环形焊接问题，本发明的目的是提供一种封闭式环形焊缝的激光焊接方法，是在焊缝收尾前的一段时间内，缓慢降低激光功率，激光功率降低的速率与此段距离工件温度上升的速率呈正比例关系（），从温度场的角度解决了焊缝的缺陷问题。

本发明的技术方案是通过以下方式实现的：一种封闭式环形焊缝的激光焊接方法，包括以下步骤：1）工装定位；2）转台旋转；3）激光焊接；4）焊接完毕，激光头上升；5）转台停止旋转；其特征在于：

1）工装定位：确定需要环形焊接的中小型回转零件，设计焊接工装并夹紧工件，使激光头所在平面高于施焊平面；

2）、转台旋转：工件装夹完毕后，设定激光焊接相关工艺参数：激光功率、转台转速、气体流速，操控集成控制界面，激光头下降，转台旋转；

所述步骤2）中的转台先于激光焊接触发旋转的时间t≥(t₂’-t₀’)，t₂’与转台系统的响应与惯性有关。

3）、激光焊接：激光头下降，进行激光焊接；

4）、激光头上升：焊接完毕，激光头上升；

5）、转台停止旋转。

所述的转台稳定旋转的时间(t₃’-t₂’)≥(t₅-t₀)。

所述步骤3）、4）在进行激光焊接时，在焊缝收尾处的一段距离内，激光功率由外加控制系统进行控制，其随着时间在降低，降低速率与这段距离温度上升的速率呈正比例关系，即。

所述步骤5）中的转台滞后于激光焊接触发停止旋转的时间t≥(t₅’-t₃’)。

本发明，可有效解决中小型封闭式环形焊缝激光焊接时出现的飞溅、气孔及鼓包等焊接缺陷问题，大大提高焊接效率，避免了零件的二次返工，提高了工件的焊接稳定性，焊件合格率达到99.5%以上。

附图说明

图1为本发明的系统结构框图。

图2为电机转速随时间变化的工作曲线。

图3为激光焊接时激光功率随时间变化的工作曲线。

图4为激光焊接时基于功率控制系统下激光功率随时间变化的工作曲线。

具体实施方式

由图1知，是本发明一种封闭式环形焊缝的激光焊接方法搭建的系统图，系统由激光器、功率控制系统、激光头、电机控制系统、转台、工件及工装夹具、集成控制界面组成。

以汽车变速箱零件前进档环形焊接对象，采用江苏中科四象激光科技有限公司ZKSX3004光纤耦合输出全固态激光器（配套光纤和激光头）以及日本FANUC机器人搭建激光焊接系统。ZKSX3004光纤耦合输出全固态激光器为半导体二极管列阵侧面泵浦，额定功率为3kW，其在国内首次实现了400μm的光纤耦合连续输出，耦合效率高达96.7%；激光器采用PLC控制系统，高精度激光功率闭环控制与自动补偿功能，使激光输出功率稳定性达到2%以内；人机界面友好，集成接口简洁，可简易实现与机器人、机床的系统集成。

前进档待焊环形焊缝直径为φ40mm，起始无功率控制激光焊接时，选取的参数为：激光功率P=2800W，焊接速度v=2m/min，焦距f=150mm。在距离焊缝闭合处30°左右，易出现气孔、凹坑等缺陷。按图3所示，选取t₆=8.5s作为功率起始下降时间时刻，t₃=10s时刻功率为P=2500W，功率下降幅度为200W/s，功率控制系统下焊缝无明显的焊接缺陷，焊接过程稳定。

1、工装定位：针对具体的回转零件，设计合适的焊接工装，以保证焊接方便，及零件的焊后精度要求。激光焊接前装夹工件，此时为保证装夹效率，激光头所在平面高于施焊平面。

2、激光头下降，转台旋转。工件装夹完毕后，设定激光焊接相关工艺参数，包括激光功率、转台转速、气体流速等，操控集成控制界面，激光头下降，转台旋转。

3、进行激光焊接。

4、焊接完毕，激光头上升。

5、转台停止旋转。

本发明一种封闭式环形焊缝激光焊接方法所述的转台由电机带动，转台的工作状态可以分为5个阶段，如图2所示。t₀’时刻，触发转台旋转信号，t₀’~t₁’为转台系统响应时间；t₁’~t₂’为电机得到输入信号，从零速到设定转速ω₁的速度上升时间，时间长短与所选电机惯性大小相关；t₂’~t₃’为转台以转速ω₁正常工作状态；t₃’时刻触发转台停止旋转信号，t₃’~t₄’为转台滞后响应时间；t₄’~t₅’为转台得到响应，停止旋转的时间。为了避免转台系统响应和电机惯性对焊接质量产生影响，选取转台先于激光焊接触发旋转的时间t≥(t₂’-t₀’)，滞后于激光焊接触发停止旋转的时间t≥(t₅’-t₃’)，转台稳定旋转的时间(t₃’-t₂’)≥(t₅-t₀)。

本发明一种封闭式环形焊缝激光焊接方法所述步骤3的技术方案为：

一般激光焊接时，激光器功率随时间的变化可以分为5个时间段，如图3所示，为：t₀~t₁开始焊接时系统响应时间；t₁~t₂激光功率密度上升至稳定时间；t₂~t₃激光稳定焊接时间；t₃~t₄停止焊接时系统响应时间；t₄~t₅激光功率密度下降至0。为避免焊缝起始处及收尾处熔深不足引起的焊接质量问题，在环形焊缝的激光焊接时，需要一定的叠焊距离，即整个环形焊缝的角度大于360度。由于零件的热传导作用，在焊接起始点的反方向附近的焊缝区，会经历一个受热温度上升到冷却温度下降的过程，在焊接大型零件封闭式环形焊缝时，焊接到此处焊缝区时，温度已然下降，激光焊接形成的“匙孔”不会因温度产生失稳现象，焊缝无明显缺陷；而在焊接中小型零件封闭式环形焊缝时，此处焊缝区温度很高，“匙孔”极易出现失稳，因而极易导致气孔、飞溅及鼓包等焊接缺陷。

本发明一种封闭式环形焊缝激光焊接方法对焊缝起始点反方向的易出现缺陷处的温度场（）进行测定，提出了一种基于激光器功率控制的针对中小型零件封闭式环形焊缝的激光焊接方法，如图4所示。在t₂与t₃之间的t₆时刻，对激光功率做缓降处理，降低的速率与此处热传导受热温度上升的速率呈正比例关系，即，t₆视待焊零件的尺寸及激光焊接速度而定，t₆可有激光功率控制系统进行设定。

Claims

1.一种封闭式环形焊缝的激光焊接方法，包括以下步骤：1）工装定位；2）转台旋转；3）激光焊接；4）焊接完毕，激光头上升；5）转台停止旋转；其特征在于：

1）、工装定位：确定需要环形焊接的中小型回转零件，设计焊接工装并夹紧工件，使激光头所在平面高于施焊平面；

3）、激光焊接：激光头下降，进行激光焊接；

4）、激光头上升：焊接完毕，激光头上升；

5）、转台停止旋转。

2.根据权利要求1所述的一种封闭式环形焊缝的激光焊接方法，其特征在于：所述的步骤2）中转台的稳定旋转时间为(t₃’-t₂’)≥(t₅-t₀)。

3.根据权利要求1所述的一种封闭式环形焊缝的激光焊接方法，其特征在于：所述步骤2）中转台先于激光焊接触发旋转的时间t≥(t₂’-t₀’)，t₂’与转台系统的响应与惯性有关。

4.根据权利要求1所述的一种封闭式环形焊缝的激光焊接方法，其特征在于：所述步骤3）、4）中，在激光焊接焊缝收尾处的一段距离内，激光功率由外加控制系统进行控制，其随着时间在降低，降低速率与这段距离温度上升的速率呈正比例关系，即。

5.根据权利要求1所述的一种封闭式环形焊缝的激光焊接方法，其特征在于：所述步骤5）中的转台滞后于激光焊接触发停止旋转的时间t≥(t₅’-t₃’)。