CN109079325B - 激光填丝焊过渡方式实时监控装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种激光填丝焊过渡方式实时监控装置及方法，属于焊接质量控制领域。该方法可以实时监控焊接过程中熔化焊丝的过渡形式。该装置的实现以动态电阻算法基础，包括导电滑块、恒流电源、随动装置、电阻信号监测装置、主控模块；焊接过程中通过在焊丝与母材之间添加的电路中电阻值的信号变化来判断焊接过程的稳定性，主控模块发出相应地命令来改变送丝装置的送丝速度，达到焊接过程中稳定的液桥过渡形式。
Description
技术领域
本发明涉及焊接质量控制领域，特别涉及一种激光填丝焊过渡方式实时监控装置及方法。
背景技术
目前，激光填丝焊技术应用广泛，激光填丝焊通过添加焊丝的方式改善焊缝成分和组织，从而达到抑制焊接缺陷和增加焊前装配间隙宽容度等目的。激光填丝焊过程中熔滴过渡行为是一个复杂的过程，涉及加热、熔化以及过渡主要阶段。在激光填丝焊过程中，焊丝熔化后主要以插入、液桥、滴状过渡的方式进入到熔池中。其中，插入过渡方式过程中焊丝会对熔池产生较强的搅拌作用，影响焊缝成形；滴状过渡方式时由于金属液滴的过渡频率与送丝速度难以匹配，焊缝成形较差；焊丝熔化后液态金属通过液桥过渡方式可以得到较好的焊缝成形。通常通过设定合理的焊接速度与送丝速度等工艺参数可以实现激光填丝焊过程中的液桥过渡。而在实际过程中由于薄板的不平整性、焊接过程中薄板的变形及焊接过程中的不稳定性，焊丝与母材的预置高度会放生改变，影响熔滴过渡方式稳定性。为了保证在焊接过程中始终为液桥过渡方式，需要对液态金属与熔池的关系进行实时监控。目前，焊接过程的监控方法都是使用高速摄像仪器在外围配合完成监控任务。由于摄像装置固定，而焊接装置移动且无其他类型监控仪器配合，高速摄像实时监控的精度较低。
发明内容
本发明的目的在于提供一种激光填丝焊过渡方式实时监控装置及方法，解决了现有技术存在的上述问题。本发明针对激光填丝焊焊接过程中过渡方式的要求，希望焊丝以稳定的液桥方式过渡到焊缝中，使激光填丝焊得到较好的焊缝成形。
本发明的上述目的通过以下技术方案实现：
激光填丝焊过渡方式实时监控装置，包括导电滑块1、恒流电源2、随动装置3、电阻信号监测装置4及主控模块5，在送丝枪的焊丝中安装导电滑块1，母材表面设置随动装置3且与激光头同步运动，所述随动装置3由导电滑轮、柔性杆组成，导电滑轮与母材柔性接触，在激光填丝焊过程中，焊丝、母材与焊丝的熔化液滴通过导电滑块1与随动装置3组成闭合电路，并在电路中添加一个恒流电源2，所述主控模块5包括电阻信号采集电路及送丝速度调节电路；在焊接过程中，导电滑块1与焊丝稳定接触，但不影响焊丝的送进，随动装置3通过柔性杆始终与母材连接，并且在焊接过程中随着激光头同步运动；在焊接过程中电阻信号反应焊接过程中熔滴过渡形式，通过电阻信号监测装置4、主控模块5监控电阻信号的变化达到监控焊接方式的目的。
在焊接过程中，焊丝、母材与熔化焊丝通过导电滑块1、柔性杆与导电滑轮组合闭合电路，电路中添加的恒流电源2提供稳定电流，根据欧姆定律测量出电路中的动态电阻，通过电阻信号监测装置4将信号传递给主控模块5，主控模块5的电阻信号采集电路与送丝速度调节电路通过数据总线发出改变送丝速度的指令给送丝装置，送丝装置改变送丝速度，维持焊丝与母材之间距离，保证焊接过程中熔化的焊丝以液桥过渡的形式过渡到焊缝中。
本发明的另一目的在于提供一种激光填丝焊过渡方式实时监控方法，激光填丝焊开始时，记录激光填丝焊焊接起始阶段过程电阻信号；在监控过程中这段电阻信号被采集并记录，但不会传递给主控模块，不会改变预置送丝速度；在激光填丝焊过程中当熔化的焊丝以液桥的方式过渡到焊缝中时，在焊接过程中电阻信号波动不超过±5%，认为电阻在此时间内稳定，因此主控模块5不会发出任何指令，送丝装置以预置送丝速度进行送丝；当熔化的焊丝以滴状形式过渡到熔池中，此时为滴状过渡形式，焊丝与母材之间的电路会间断性断开，电阻信号监测装置4监测的电阻信号出现周期性消失的规律；主控模块5收到反馈的电阻信号发出焊丝速度增大的指令，送丝装置会增大送丝速度，使过渡方式调整为液桥过渡，电阻信号趋于稳定；在焊接过程中，当未融化的焊丝深入到熔池中，此时为插入过渡形式，未融化的焊丝会与母材接触，在焊丝与母材之间的电阻信号极不稳定，电阻信号时断时续且无规律，通过对电阻信号监测装置4将电阻信号传递给主控模块5，发出减小送丝速度的命令，送丝设备减小送丝速度，使过渡方式调整为液桥过渡。
所述的激光填丝焊过渡方式实时监控方法，包括如下步骤：
步骤1、工件表面处理，在进行电阻信号监测之前，对工件表面进行除油、除尘清理，减少工件表面杂志对电路回路的干扰；
步骤2、焊接刚开始时，电阻信号监测装置4同时启动，首先在焊接的初始状态，在此时间内，焊丝刚开始熔化，电路中没有电阻信号，采集焊接刚开始的这段电阻信号以及对应的时间，多次测量后收集多组焊接起始阶段所需的时间Δt；
步骤3、开始焊接，在焊接起始阶段时间Δt内的电阻信号不被采集，主控模块5不会发出命令，送丝速度不会发生改变；Δt时间过后，电阻信号被采集，根据采集的电阻信号判断焊丝熔化后的过渡方式，起到监控激光填丝焊液滴过渡方式的目的；在焊接过程中，如果在时间t内，电阻信号波动范围不超过±5%，认为电路稳定，激光填丝焊中熔化的焊丝以连续稳定的液桥方式过渡到焊缝中，主控模块5不会发出指令；当焊接过程中液态金属以滴状方式过渡到熔池中时，焊丝与母材之间会产生周期性断路，电阻信号会出现周期性消失的情况，此时通过对电阻信号的采集，将电阻信号传递给主控模块5，调节增大送丝速度，保证焊丝与母材相对距离的稳定性，实现金属液滴的液桥过渡；当焊接过程中，焊丝完全熔化，焊丝以固态深入到熔池中，这种情况为插入过渡，此时，电阻信号会时断时续且无规律，主控模块5收到电阻信号后，发出减小送丝速度的命令，保证焊丝与母材相对距离的稳定性，实现金属液滴稳定液桥过渡。
本发明的有益效果在于：利用电阻信号实时反映焊接过程液态金属的过渡形式，并且通过对电阻信号实时采集，主控模块对电阻信号的处理发出相应指令来调节送丝速度，使焊接过程始终保持相对稳定的液桥过渡。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1为本发明的激光填丝焊过渡方式实时监控装置的结构示意图；
图2为液桥过渡过程中电阻信号；
图3为液滴过渡过程中电阻信号；
图4为插入过渡过程中电阻信号；
图5为本发明的焊接过程流程图。
图中：1、导电滑块；2、恒流电源；3、随动装置；4、电阻信号监测装置；5、主控模块。
具体实施方式
下面结合附图进一步说明本发明的详细内容及其具体实施方式。
参见图1至图5所示，本发明的激光填丝焊过渡方式实时监控装置及方法，该方法可以实时监控焊接过程中熔化焊丝的过渡形式。该装置的实现以动态电阻算法基础，包括导电滑块，恒流电源，随动装置，电阻信号监测装置，主控模块组成；焊接过程中通过在焊丝与母材之间添加的电路中电阻值的信号变化来判断焊接过程的稳定性，主控模块发出相应地命令来改变送丝装置的送丝速度，达到焊接过程中稳定的液桥过渡形式。在送丝枪的焊丝中安装导电滑块1，母材表面设置随动装置3使其与激光头同步运动，其中随动装置3由导电滑轮与柔性杆组成，导电滑轮与母材柔性接触，焊丝、母材、恒流电源2与随动装置3组成的闭合回路用于动态电阻实时测量，高效率的解决对焊接过程中过渡形式的实时监控；所述主控模块5包括电阻信号采集电路及送丝速度调节电路；焊接过程中液态金属以液桥方式过渡到熔池中时，在任意时间t内电路中电阻信号在±5%内波动，可认为电阻比较稳定。
当焊接过程中液态金属以滴状方式过渡到熔池中时，焊丝与母材之间会产生周期性断路，电阻信号会出现周期性消失的情况，此时通过对电阻信号的采集，主控模块5根据电阻信号采集电路反馈的电阻信号输出相应地命令，相应调节增大送丝速度，保证焊丝与母材相对距离的稳定性，实现金属液体的液桥过渡。
当焊丝未完全熔化，焊丝以固态深入到熔池中，这种情况为焊丝的插入过渡方式。这时电阻信号不稳定，电阻信号时断时续且无规律。固态焊丝会对熔池有较强的搅拌作用，影响焊缝成形。此时通过对电阻信号的采集，主控模块根据电阻信号输出相应地命令，减小送丝速度，保证焊丝与母材相对距离的稳定性，实现熔化焊丝的液桥过渡。
参见图1至图5所示，本发明的激光填丝焊液桥过渡方式实时监控装置，是由导电滑块1、随动装置2、恒流电源3、电阻信号监测装置4及主控模块5组成。随动装置2是由导电滑轮与柔性杆组成，主控模块5包括电阻信号采集电路与送丝速度调节电路。在焊接过程中导电滑块1始终与焊丝稳定接触，并且不影响焊丝的送进。导电滑轮与母材通过柔性杆连接，可以实现在不平整的工件上稳定运动并且激光头同步运动。由焊丝、母材及随动装置2由导线连接成闭合回路，恒流源3为电路提供恒定电流，可以根据欧姆定律测定激光填丝焊过程中的动态电阻，电阻监测装置4与主控模块相连实现电阻信号实时采集与分析。主控模块5由电阻信号采集电路与送丝速度调节电路构成，主控模块5接受电阻监测装置4发出的电阻信号，通过电阻信号采集电路采集与分析以及送丝速度调节电路发出相应指令，通过数据总线与焊接送丝设备相连，实现送丝速度的改变，调整激光填丝焊接过程中焊丝熔化后的过渡方式。
本发明的激光填丝焊液桥过渡方式实时监控方法，包括如下步骤：
步骤1、工件表面处理，在进行电阻信号监测之前，对工件表面进行除油、除尘清理，减少工件表面杂志对电路回路的干扰；
步骤2、焊接刚开始时，监测装置同时启动，首先在焊接的初始状态，在此时间内，焊丝刚开始熔化，电路中电阻无限大，采集焊接刚开始的这段电阻信号以及对应的时间，多次测量后收集多组焊接起始阶段所需的时间Δt；
步骤3、开始焊接，在焊接起始阶段时间Δt时间内的电阻信号不被采集，主控模块5不会发出命令，送丝速度不会发生改变。Δt时间过后，电阻信号被采集，根据采集的电阻信号判断焊丝熔化后的过渡方式，起到监控激光填丝焊液滴过渡方式的目的。在焊接过程中，如果在任意时间段t内，电阻信号波动范围为±5%，可以认为电路稳定，激光填丝焊中熔化的焊丝以连续稳定的液桥方式过渡到焊缝中，主控模块5不会发出指令；当焊接过程中液态金属以滴状方式过渡到熔池中时，焊丝与母材之间会产生周期性断路，电阻信号会出现周期性消失的情况，此时通过对电阻信号的采集，将电阻信号传递给主控模块5，调节增大送丝速度，保证焊丝与母材相对距离的稳定性，实现金属液滴的液桥过渡；当焊接过程中，焊丝完全熔化，焊丝以固态深入到熔池中，这种情况为插入过渡。此时，电阻信号时断时续且无规律。此时，主控模块5收到电阻信号后，发出较小送丝速度的命令，保证焊丝与母材相对距离的稳定性，实现金属液滴稳定液桥过渡。
实施例：
下面将结合本发明中的说明书附图，对发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
利用上述方法使激光填丝焊在焊接过程中液态金属保持液桥过渡方式，以角焊缝的激光填丝焊为例，包括如下步骤：
步骤（1）使用1mm与2mm不锈钢板搭接的形式，1mm板材在上，2mm板材在下，两块板材的具体规格是150×100×1.0+150×100×2.0（单位：mm）；使用的焊丝为308L不锈钢焊丝，焊丝直径1.2mm；焊接过程中激光功率1800w，焊接速度0.020m/s，预置送丝速度为2m/min。
步骤（2）为保证在焊接过程中焊丝与母材可以构成电路回路，在送丝枪内部添加导电滑块并由导线引出，导电滑块的内径与焊丝直径相当，保证在送丝过程中不影响送丝速度并且与焊丝始终保持稳定接触；焊接过程中送丝嘴需要与激光头同步运动，由送丝枪引出的回路通过导电滑轮与母材连接，导电滑轮通过柔性杆使其在焊接过程中始终与母材保持稳定性接触。
步骤（3）在激光填丝焊过程中，动态电阻可以实时反映出熔化后的液态金属与熔池的位置关系，即液态金属的过渡方式，在焊丝与母材之添加恒流源，来计算动态电阻：Ri=U/Ii；其中Ri与Ii是在i时刻所测量到的电阻值与电流值；
步骤（4）监控焊接起始阶段与焊接结束阶段的电阻信号，排除这两段信号对电阻信号调节装置的影响，焊接起始阶段时间与焊接结束阶段时间均为0.12s，这两段时间的电阻信号不予监测。
步骤（5）如果此时焊接过程中焊丝以液桥形式过渡到熔池中，测得的动态电阻信号会在±5%内波动，预置的送丝速度不会改变；
步骤（6）如果焊接过程中焊材以滴状过渡形式过渡到熔池中，送丝速度较小，在某一时刻电路断开，电阻信号周期性消失，周期为0.27s，主控模块会发出相应命令，送丝装置根据反馈的命令，相应的增大预置送丝速度；
步骤（7）如果焊接过程中焊材以插入过渡形式过渡到熔池中，这是由于送丝速度过快，焊丝未完全熔化就进入到熔池中，电阻信号时断时续且无规律，根据电阻信号，主控模块会发出相应命令，送丝速度调节装置根据反馈的命令，相应的减小送丝速度。
以上所述仅为本发明的优选实例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡对本发明所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (1)
1.一种激光填丝焊过渡方式实时监控方法，其特征在于：
通过实时监控装置进行监控，所述实时监控装置包括：导电滑块（1）、恒流电源（2）、随动装置（3）、电阻信号监测装置（4）及主控模块（5），在送丝枪的焊丝中安装导电滑块（1），母材表面设置随动装置（3）且与激光头同步运动，所述随动装置（3）由导电滑轮、柔性杆组成，导电滑轮与母材柔性接触，在激光填丝焊过程中，焊丝、母材与焊丝的熔化液滴通过导电滑块（1）、柔性杆与导电滑轮组合闭合电路，并在电路中添加一个恒流电源（2）提供稳定电流，所述主控模块（5）包括电阻信号采集电路及送丝速度调节电路；在焊接过程中，导电滑块（1）与焊丝稳定接触，但不影响焊丝的送进，随动装置（3）通过柔性杆始终与母材连接，并且在焊接过程中随着激光头同步运动；在焊接过程中电阻信号反应焊接过程中熔滴过渡形式，根据欧姆定律测量出电路中的动态电阻，通过电阻信号监测装置（4）将信号传递给主控模块（5），主控模块（5）的电阻信号采集电路与送丝速度调节电路通过数据总线发出改变送丝速度的指令给送丝装置，送丝装置改变送丝速度，维持焊丝与母材之间的距离，保证焊接过程中熔化的焊丝以液桥过渡的形式过渡到焊缝中；
所述实时监控方法具体包括如下步骤：
步骤1、工件表面处理，在进行电阻信号监测之前，对工件表面进行除油、除尘清理，减少工件表面杂志对电路回路的干扰；
步骤2、焊接刚开始时，电阻信号监测装置（4）同时启动，采集焊接刚开始的这段电阻信号以及对应的时间，多次测量后收集多组焊接起始阶段所需的时间Δt；
步骤3、开始焊接，在焊接起始阶段时间Δt内的电阻信号被采集并记录，但不会传递给主控模块（5），不会改变预置送丝速度；Δt时间过后，根据采集的电阻信号判断焊丝熔化后的过渡方式，起到监控激光填丝焊液滴过渡方式的目的；在焊接过程中，如果在时间t内，电阻信号波动范围不超过±5%，认为电路稳定，激光填丝焊中熔化的焊丝以连续稳定的液桥方式过渡到焊缝中，主控模块（5）不会发出指令，送丝装置以预置送丝速度进行送丝；当焊接过程中液态金属以滴状方式过渡到熔池中时，焊丝与母材之间会产生周期性断路，电阻信号监测装置（4）监测的电阻信号会出现周期性消失的规律，此时通过对电阻信号的采集，将电阻信号传递给主控模块（5），主控模块（5）收到反馈的电阻信号发出焊丝速度增大的指令，送丝装置会增大送丝速度，使过渡方式调整为液桥过渡，电阻信号趋于稳定；当焊接过程中，焊丝以固态深入到熔池中，这种情况为插入过渡，未融化的焊丝会与母材接触，在焊丝与母材之间的电阻信号极不稳定，电阻信号时断时续且无规律，通过电阻信号监测装置（4）将电阻信号传递给主控模块（5），主控模块（5）收到电阻信号后，发出减小送丝速度的命令，送丝设备减小送丝速度，使过渡方式调整为液桥过渡，保证焊丝与母材相对距离的稳定性。
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2018
- 2018-10-23 CN CN201811233275.4A patent/CN109079325B/zh active Active
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