CN108608113A - 一种基于冷却速度的自适应激光焊接装置及使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于冷却速度的自适应激光焊接装置，包括焊接激光系统、送丝焊枪、焊缝跟踪系统、尾拖保护系统、随焊激光热处系统和中间连接架。尾拖保护系统快速冷却液态焊缝熔池；随焊激光热处系统加热高温蠕变区的焊缝组织；焊缝跟踪系统实时监测焊缝形状和熔池温度，并根据监测结果实时调控送丝焊枪的送丝速度、尾拖保护系统的冷却能力和随焊激光热处系统的加热功率；随焊激光热处系统、尾拖保护系统、送丝焊枪、焊接激光系统和焊缝跟踪系统沿焊缝形成方向依次固定在中间连接架上。本发明结构紧凑，能够高精度跟踪焊缝、自适应填充焊缝和基于冷却速度调控焊缝组织和应力状态，特别适用于对微小型零件或超薄板材的精密焊接。

Description

一种基于冷却速度的自适应激光焊接装置及使用方法

技术领域

本发明涉及激光焊接领域，尤其涉及一种基于冷却速度的自适应激光焊接装置及使用方法。

背景技术

和传统焊接方法相比，高能量密度的激光焊接具有整体热输入量小、焊接速度快，焊缝的深宽比大和焊接精度高等优点，可以提升企业的生产效率、降低成本并提高加工产品的质量，在核电装备、海洋工程、舰船制造、石油化工、航空航天等工业领域中得到越来越多的推广应用。

目前最常用的激光焊接方法是纯激光自熔焊，焊接过程中不填充焊丝，通过对母材的加热融化从而凝固形成接头。但自熔焊接过程中会导致母材中部分合金成分蒸发，焊缝的搭桥能力较差，从而导致接头成形不良；另外，由于激光聚焦光斑很小，所以对于焊前工件的加工和装配要求较高。鉴于此，国外奥地利Fronius公司开发出激光复合焊枪，国内有公开的专利CN201217126Y及CN106271129A对焊枪进一步改善，通过激光填丝焊的方法，增强了焊缝桥接能力，并通过改变焊丝的成分对焊缝的组织进行改善。但激光填丝焊过程中，激光和焊丝的作用过程不完全可控，使得焊缝熔宽不精确，影响焊缝质量；此外，液态熔池金属焊缝的上部冷却速度较慢，使得该区域晶粒粗大，导致焊缝韧性大大降低；而高温蠕变区凝固的焊缝金属温度下降快速，使得试件在焊后存在较大的应力，严重时甚至引起变形。

因此，本领域的技术人员致力于开发一种能够高精度跟踪焊缝、自适应填充焊缝和基于冷却速度调控焊缝组织和应力状态的激光焊接装置及使用方法。

发明内容

有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是如何通过合理的设计，使得激光焊接装置能够高精度跟踪焊缝、自适应填充焊缝和基于冷却速度实时调控焊缝组织和应力状态。

为实现上述目的，本发明提供了一种基于冷却速度的自适应激光焊接装置，包括焊接激光系统、送丝焊枪、焊缝跟踪系统、尾拖保护系统、随焊激光热处系统和中间连接架；所述尾拖保护系统被配置为快速冷却液态焊缝熔池；所述随焊激光热处系统被配置为加热高温蠕变区的焊缝组织；所述焊缝跟踪系统被配置为实时监测焊缝形状和熔池温度，并根据监测结果调控所述送丝焊枪送丝速度、所述尾拖保护系统冷却能力和所述随焊激光热处系统的加热功率；所述随焊激光热处系统、所述尾拖保护系统、所述送丝焊枪、所述焊接激光系统和所述焊缝跟踪系统，沿焊缝形成方向依次固定在所述中间连接架。

进一步地，所述焊缝跟踪系统，包括第一温度传感器、第二温度传感器和光学摄像头，所述第一温度传感器和所述光学摄像头测量焊缝熔池前段的温度和形状，所述第二温度传感器测量焊缝组织高温蠕变区温度；通过比较与给定值的差值，所述焊缝跟踪系统调节所述送丝焊枪、所述尾拖保护系统和所述随焊激光热处系统。

进一步地，所述焊缝跟踪系统，被配置为能够在所述中间连接架上沿XYZ三个自由度调节。

进一步地，所述尾拖保护系统，被配置为能够在所述中间连接架上沿XYZ三个自由度调节。

进一步地，所述尾拖保护系统包括保护气存储装置和空腔室，所述空腔室顶部与所述保护气存储装置相通，所述空腔室底部分布至少两个与外界贯通的气孔。

进一步地，所述尾拖保护系统的所述保护气存储装置的气体为氩气或氦气，且气流量受所述焊缝跟踪系统控制。

进一步地，所述随焊激光热处系统，被配置为能够在所述中间连接架上沿XYZ三个自由度调节。

进一步地，所述随焊激光热处系统的加热光束形状为矩形光斑，光斑的长度方向上沿着焊缝的焊接方向，且加热光束方向垂直于焊缝形成方向。

进一步地，所述随焊激光热处系统的加热功率为所述焊接激光系统出射功率的3％～10％，且加热功率受所述焊缝跟踪系统控制。

进一步地，本发明还提供了基于冷却速度的自适应激光焊接装置的使用方法，所述使用方法包括以下步骤：

步骤一：调试所述焊接激光系统，设置出射激光束的离焦量、偏转角度和功率密度；

步骤二：根据所述焊接激光系统的位置及激光焦点，调整所述送丝焊枪的出丝角度和干伸长，并使出丝落点位于所述焊接激光系统的光斑中心；

步骤三：调节所述焊缝跟踪系统的位置，使得所述焊缝跟踪系统能够对焊缝熔池前段的形状和温度，以及焊缝组织的高温蠕变区温度进行监测；

步骤四：调节所述尾拖保护系统的位置，使所述尾拖保护系统能够正常吹出保护气，对焊缝的液态熔池进行保护和冷却；

步骤五：调节所述随焊激光热处系统的位置，使其对准熔池后部的焊缝金属；

步骤六：初始化所述焊缝跟踪系统关于焊缝形状、焊缝熔池初期温度和高温蠕变区温度的给定值，初始化焊接速度、所述送丝焊枪的送丝速度、所述尾拖保护系统的气流量和所述随焊激光热处系统的加热功率；

步骤七：开始焊接。

和现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

(1)通过焊缝跟踪系统的使用，实时监测焊缝前段熔池的形状和温度，以及高温蠕变区的焊缝组织温度，通过闭环控制，实时调节送丝速度、尾拖保护系统的冷却能力和随焊激光热处系统的加热功率，大大提高了焊缝的精确度和力学性能；

(2)尾拖保护系统的使用可以快速冷却高温凝固阶段的熔池，细化了焊缝金属的晶粒，提升了焊缝力学性能；同时，惰性气体还可以对焊接过程中的熔池进行保护，降低焊缝接头的氧化程度；

(3)随焊激光热处系统降低了焊缝组织高温蠕变区的冷却速度，增加焊接接头在高温蠕变区的停留时间，加强蠕变释放应力效应，从而降低了试验件焊接残余应力。

以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。

附图说明

图1是本发明的一个较佳实施例的基于冷却速度的自适应激光焊接装置示意图；

图2是本发明的另一个较佳实施例的尾拖保护系统正视图；

图3是本发明的另一个较佳实施例的对焊缝的冷却效果图。

其中，1-中间连接架，2-焊缝跟踪系统，3-送丝焊枪，4-焊接激光系统，5-尾拖保护系统，6-随焊激光热处系统，7-焊缝，8-气孔，9-空腔室。

具体实施方式

以下参考说明书附图介绍本发明的多个优选实施例，使其技术内容更加清楚和便于理解。本发明可以通过许多不同形式的实施例来得以体现，本发明的保护范围并非仅限于文中提到的实施例。

在附图中，结构相同的部件以相同数字标号表示，各处结构或功能相似的组件以相似数字标号表示。附图所示的每一组件的尺寸和厚度是任意示出的，本发明并没有限定每个组件的尺寸和厚度。为了使图示更清晰，附图中有些地方适当夸大了部件的厚度。

实施例一：如图1所示是本发明的一个较佳实施例，一种基于冷却速度的自适应激光焊接装置，包括中间连接架1、焊缝跟踪系统2、送丝焊枪3、焊接激光系统4、尾拖保护系统5和随焊激光热处系统6。随焊激光热处系统6、尾拖保护系统5、送丝焊枪3、焊接激光系统4和焊缝跟踪系统2，沿焊缝形成方向依次固定在中间连接架1上。

激光填丝焊在焊接过程中，影响焊缝关键性能的一般分为两个阶段，快速凝固阶段和高温蠕变阶段。在快速凝固阶段中，熔池液态金属温度快速下降，熔池迅速形成晶粒，但熔深较大或热传导性能不好的材料，晶粒粒径较大，使得焊缝组织力学性能大大下降，尤其是韧性；高温蠕变区焊缝的自然冷却，可能会导致试件的残存应力得不到有效释放，严重时甚至导致试件变形。

为解决上述问题，本实施例中，设置尾拖保护系统5在焊缝形成初期对液态金属进行快速冷却。尾拖保护系统5包括空腔室9和保护气存储装置，空腔室9顶部与保护气存储装置相通；空腔室9底部在靠近焊缝7的一侧，有若干数量与外界贯通的气孔8，将温度较低的保护气从气孔8吹向液态熔池；此外，还设置了随焊激光热处系统6。实际焊接时，由于焊接速度相对于焊缝熔池冷却凝固速度较慢，焊接激光系统4和尾拖保护系统5行进之后，随焊激光热处系统6热处理的同一焊段，一般处于高温蠕变区。所以，使用随焊激光热处系统6对处于高温蠕变区的接头组织进行加热，延长焊缝组织在高温蠕变区的停留时间，对降低接头的应力效果较为明显。优选地，随焊激光热处系统6的加热功率设置为焊接激光系统4激光功率出射功率的3％～10％，且加热光束形状为矩形光斑，光斑的长度方向沿焊缝7的焊接方向，方向垂直于焊缝方向。

实际焊接过程中，由于激光和焊丝的作用过程不完全可控，焊缝的冷却速度并非恒定不变。因此，设置焊缝跟踪系统2实时监测焊缝形状和熔池温度以及高温蠕变区的接头温度，并根据监测结果实时调控送丝焊枪3送丝速度、尾拖保护系统5冷却能力和随焊激光热处系统6的加热功率，最大程度提升焊缝的成形质量。

本实施例中，焊缝跟踪系统2还包括第一温度传感器、第二温度传感器和光学摄像头：光学摄像头以高分辨率拍摄熔池形成初期焊缝前段形状，并不断与预制的参考焊缝形状对比，根据图像识别算法，实时调整送丝焊枪3的位置和送丝速度；第一温度传感器和第二温度传感器分别实时监测熔池形成初期焊缝前段的温度以及处于高温蠕变区的焊缝组织温度；通过比较与给定值的差值，当熔池形成初期焊缝前段的温度较高时，适当增加尾拖保护系统5的保护气体流速，反之则适当减少；当高温蠕变区的接头温度较低时，适当增加随焊激光热处系统6的加热功率；反之则适当减少。优选地，尾拖保护系统5的保护气体流速调节范围为焊接初始时尾拖保护系统5气体流速的0.8倍～1.2倍；随焊激光热处系统6的加热功率范围为焊接初始时随焊激光热处系统6加热功率的0.8倍～1.2倍。

为尽量避免尾拖保护系统5的冷却和保护作用对焊接激光系统4产生影响，降低生产效率，尾拖保护系统5应与送丝焊枪3和焊接激光系统4保持一定距离。考虑到板材以及间隙宽度等多种焊接情形，优选地，尾拖保护系统5与送丝焊枪3之间的距离一般为0.1ms～0.5ms乘以行进速度。为进一步降低尾拖系统5的保护气对焊接熔池形成的影响，优选地，气孔8设置为圆柱型，且对称轴逆着焊缝7的形成方向，与竖直方向夹角为45°～60°。

实际焊接过程中，熔融金属会在焊缝上方形成等离子层，为减少等离子体扩散、氧化焊缝接头和影响焊接激光系统4的输出效率，尾拖保护系统5的吹出的保护气一般选择为惰性气体。优选地，尾拖保护系统5的吹出的保护气选择为氦气或者氩气。

实施例二：图2所示为本发明另一较佳实施例。该实施例中，尾拖保护系统5的空腔室9为椭球型。为防止焊接过程中熔融液态金属飞溅堵塞气孔8。优选地，尾拖保护系统5选择紫铜材料。

本实施例中，为更好地优化各系统的配合效果，焊缝跟踪系统2、送丝焊枪3、尾拖保护系统5和随焊激光热处系统6均可以在中间连接架1上沿XYZ三个自由度进行空间位置微调；此外，送丝焊枪3还配有一个θ角调节机构，以更好的与焊接激光系统4配合。

实施例三：图3为本发明一个较佳实施例具体实施的焊缝冷却效果图。

本实施例是针对2mm厚、0.3mm间隙的430不锈钢钢件进行焊接。

本实施例中，尾拖保护系统5的吹出的保护气选择为氩气，气孔8设置为圆柱型，且对称轴逆着焊缝7的形成方向，与竖直方向夹角为45°。

焊接前的调试工作如下：

步骤一：设置焊接激光系统4的功率为4000W、离焦量+12mm，此时光斑直径1.3mm，；

步骤二：根据焊接激光系统4的空间位置及激光焦点，设置送丝焊枪3的出丝角度与焊接激光系统4成45°出丝干伸长为10mm，并使出丝落点位于所述焊接激光系统的光斑中心；

步骤三：调节焊缝跟踪系统2的空间位置，使得焊缝跟踪系统2能够对焊缝7熔池前段的形状和温度，以及焊缝组织的高温蠕变区温度进行监测；

步骤四：调节尾拖保护系统5的空间位置，使所述尾拖保护系统能够正常吹出保护气，对焊缝的液态熔池进行保护和冷却；

步骤五：调节随焊激光热处系统6的空间位置，使其对准熔池后部的焊缝金属，且距离焊缝的垂直距离为5mm；

步骤六：初始化所述焊缝跟踪系统关于焊缝形状、焊缝熔池初期温度和高温蠕变区温度的给定值，初始化焊接速度为2.6m/min、送丝焊枪3的送丝速度为3.5m/min、尾拖保护系统5的氩气流量为20L/min和随焊激光热处系统6的加热功率为20W；

步骤七：开始焊接。

图3中传统的激光填丝焊焊缝冷却曲线，是按焊缝跟踪系统2的初始化参数固定不变进行焊接的焊缝温度曲线。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (10)

1.一种基于冷却速度的自适应激光焊接装置，其特征在于，包括焊接激光系统、送丝焊枪、焊缝跟踪系统、尾拖保护系统、随焊激光热处系统和中间连接架；所述尾拖保护系统被配置为快速冷却液态焊缝熔池；所述随焊激光热处系统被配置为加热高温蠕变区的焊缝组织；所述焊缝跟踪系统被配置为实时监测焊缝形状和熔池温度，并根据监测结果调控所述送丝焊枪送丝速度、所述尾拖保护系统冷却能力和所述随焊激光热处系统的加热功率；所述随焊激光热处系统、所述尾拖保护系统、所述送丝焊枪、所述焊接激光系统和所述焊缝跟踪系统，沿焊缝形成方向依次固定在所述中间连接架。

2.如权利要求1所述的基于冷却速度的自适应激光焊接装置，其特征在于，所述焊缝跟踪系统，包括第一温度传感器、第二温度传感器和光学摄像头，所述第一温度传感器和所述光学摄像头测量焊缝熔池前段的温度和形状，所述第二温度传感器测量焊缝组织高温蠕变区温度；通过比较与给定值的差值，实时控制所述送丝焊枪、所述尾拖保护系统和所述随焊激光热处系统。

3.如权利要求1所述的基于冷却速度的自适应激光焊接装置，其特征在于，所述焊缝跟踪系统，被配置为能够在所述中间连接架上沿XYZ三个自由度调节。

4.如权利要求1所述的基于冷却速度的自适应激光焊接装置，其特征在于，所述尾拖保护系统，被配置为能够在所述中间连接架上沿XYZ三个自由度调节。

5.如权利要求1所述的基于冷却速度的自适应激光焊接装置，其特征在于，所述尾拖保护系统包括保护气存储装置和空腔室，所述空腔室顶部与所述保护气存储装置相通，所述空腔室底部分布至少两个与外界贯通的气孔。

6.如权利要求5所述的基于冷却速度的自适应激光焊接装置，其特征在于，所述尾拖保护系统的所述保护气存储装置的气体为氩气或氦气，且气流量受所述焊缝跟踪系统控制。

7.如权利要求1所述的基于冷却速度的自适应激光焊接装置，其特征在于，所述随焊激光热处系统，被配置为能够在所述中间连接架上沿XYZ三个自由度调节。

8.如权利要求1所述的基于冷却速度的自适应激光焊接装置，其特征在于，所述随焊激光热处系统的加热光束形状为矩形光斑，光斑的长度方向沿着焊缝的焊接方向，且加热光束垂直于焊缝形成方向。

9.如权利要求1所述的基于冷却速度的自适应激光焊接装置，其特征在于，所述随焊激光热处系统的加热功率为所述焊接激光系统出射功率的3％～10％，且加热功率受所述焊缝跟踪系统控制。

10.如权利要求1所述的基于冷却速度的自适应激光焊接装置的使用方法，其特征在于，所述使用方法包括以下步骤：

步骤一：调试所述焊接激光系统，设置出射激光束的离焦量、偏转角度和功率密度；

步骤二：根据所述步骤一的所述焊接激光系统的位置及激光焦点，调整所述送丝焊枪的出丝角度和干伸长，并使出丝落点位于所述焊接激光系统的光斑中心；

步骤三：调节所述焊缝跟踪系统的位置，使得所述焊缝跟踪系统能够对焊缝熔池前段的形状和温度，以及焊缝组织的高温蠕变区温度进行监测；

步骤四：调节所述尾拖保护系统的位置，确保所述尾拖保护系统能够正常吹出保护气，对焊缝的液态熔池进行保护和冷却；

步骤五：调节所述随焊激光热处系统的位置，使其对准熔池后部的焊缝金属；

步骤六：初始化所述焊缝跟踪系统关于焊缝形状、焊缝熔池初期温度和高温蠕变区温度的给定值，初始化焊接速度、所述送丝焊枪的送丝速度、所述尾拖保护系统的气流量和所述随焊激光热处系统的加热功率；

步骤七：开始焊接。