CN109454328B - 基于温度反馈的激光焊接入射角实时调控系统及焊接方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了基于温度反馈的激光焊接入射角实时调控系统及其焊接方法，焊接系统包括激光焊接模块、焊接控制模块以及安装在激光焊接模块侧壁的夹持器和红外温度反馈模块，夹持器的一端固定在激光焊接模块的侧壁，另一端与红外温度反馈模块连接，通过夹持器的夹持端调节红外温度反馈模块的角度，便于红外测温仪测定特定区域的温度；本发明通过上述实时调控系统能够实时地检测特定区域的平均温度，温度过高，系统将会相应地作出反馈，对激光焊接入射角进行调整，增加激光在材料中的入射距离，有效地防止烧穿现象的发生。本发明特别适用于铝、镁合金等薄盖板结构的焊接。
Description
技术领域
本发明涉及金属材料加工领域，尤其涉及基于温度反馈的盖板结构的激光入射角可实时调控的焊接系统及其焊接方法。
背景技术
发明主要是针对一些特定的结构，由于板子的厚度不同，在不同的位置，导热特征也不同，同时材料的熔点相对较低，加上板子相对较薄，对激光热输入特别敏感的一些合金如铝合金、镁合金，在采用激光焊等高能密度焊时容易出现烧穿现象。
经过大量试验表明，特定区域的焊接温度超过一定数值时，将会出现烧穿等焊接缺陷，而由于焊接参数予以设定后在焊接过程中遇到较高温度不能随时更改，所以容易导致烧穿等现象出现。
发明内容
针对上述存在的问题，本发明旨在提供基于温度反馈的激光焊接入射角实时调控系统及其焊接方法，该焊接系统是在焊接过程中对焊接区域的温度采取实时的反馈，焊接时如果检测温度较高，可相应地作出温度反馈，对激光焊接入射角作出上调，相对增加激光在材料中的入射距离，可以有效地防止烧穿现象的发生。
为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案如下：
基于温度反馈的激光焊接入射角实时调控系统，所述焊接系统包括激光焊接模块、焊接控制模块以及安装在激光焊接模块侧壁的夹持器和红外温度反馈模块，所述夹持器的一端固定在所述激光焊接模块的侧壁，另一端与所述红外温度反馈模块连接，通过所述夹持器的夹持端调节所述红外温度反馈模块的角度，便于红外测温仪测定特定区域的温度。
作为优选，所述夹持器包括螺纹固定端、一个转向轴一、一个转向轴二以及两个夹持臂，所述螺纹固定端一端固定在激光焊接模块侧壁，另一端连接所述转向轴一，所述转向轴一的另一端垂直连接所述转向轴二，在所述转向轴二的两端均连接设置所述夹持臂。
作为优选，所述夹持臂由折弯部和弧形夹持板组成，两块所述弧形夹持板之间形成用于夹持所述红外温度反馈模块的夹持腔，每块所述弧形夹持板的内壁上均设置凸起条，每两个所述凸起条之间形成散热通道。
作为优选，所述红外温度反馈模块通过传输模块一与所述焊接控制模块连接，所述焊接控制模块通过传输模块二与激光焊接模块连接。
作为优选，所述红外温度反馈模块侧壁通过气管连接有空压机。
作为优选，所述红外反馈模块前端套接一柱形隔热保护套。
作为优选，在所述红外温度反馈模块前端且在所述柱形隔热保护套内嵌入一平面保护镜片。
基于温度反馈的激光焊接入射角实时调控系统的焊接方法，包括以下步骤：
步骤一：在焊接控制模块上设定好激光焊接速度，激光功率，离焦量以及起焊角度θ1，并调用设定好的焊接程序；
步骤二：在红外温度反馈模块端部安装保护装置，并在红外温度反馈模块一侧通过气管连接空压机，通过保护装置以及空压机保护红外探头不被损坏；
步骤三：通过夹持器连接好激光头和红外温度反馈模块，夹持器可以控制调节红外温度反馈模块的角度；
步骤四：激光焊接模块的激光头慢慢移至金属起焊点，激光头打出激光，待焊金属受热，温度迅速上升，母材开始熔化，在焊接的过程中通过红外温度反馈模块检测焊缝一侧距离激光斑点相同距离的特定区域的平均温度，此时测得的温度为T1，T1通过传输模块进入控制模块进行反馈；
步骤五：激光焊接模块中预先设定的焊接入射角为θ1的临界温度为T0，若T1<T0，则焊接控制模块向激光头发出指令，继续沿用θ1进行焊接；若T1>T0，则焊接控制模块通过已设置的焊接温度与激光入射角的关系，更换焊接入射角θ2，反馈至激光头继续焊接；其中，焊接入射角的调节通过如下非线性曲线进行调节控制：
θ=A1*exp(-T/t1)+θ0
其中：T为红外温度反馈模块测得的实时温度，θ0=4.89612 ， A1=884.07352 ， t1=77.57039。
作为优选，采用氩气作为保护气进行焊接，气流量设定为15L/min，激光功率采用2200W至2500W，激光焊接速度在30mm/s至50mm/s之间，离焦量采用-2mm。
作为优选，所述保护装置包括柱形隔热保护套和平面保护镜片，所述柱形隔热保护套套设在所述红外温度反馈模块的端部，所述平面保护镜片嵌入设置在所述柱形隔热保护套内。
本发明的有益效果是：
在特定区域的焊接温度超过一定数值时，将会出现烧穿等焊接缺陷，而由于焊接参数予以设定后在焊接过程中遇到较高温度不能随时更改，所以容易导致烧穿等现象出现。本发明通过实时调控系统的设置能够实时地检测特定区域的平均温度，温度过高，系统将会相应地作出反馈，对激光焊接入射角进行调整，增加激光在材料中的入射距离，有效地防止烧穿现象的发生。
附图说明
图1为本发明实时调控的焊接系统的示意图。
图2为本发明红外温度反馈模块的组装示意图。
图3为本发明激光入射角与焊接温度的关系曲线图。
图4为本发明夹持器的俯视示意图。
图5为实施例1的实际效果图。
图6为实施例3的实际效果图。
其中：1-焊接控制模块，2-激光焊接模块，21-激光头，3-夹持器，4-红外温度反馈模块，5-空压机，6-柱形隔热保护套，7-平面保护镜片，8-气管，9-螺纹固定端，10-转向轴一，11-转向轴二，12-夹持臂，121-折弯部，122-弧形夹持板，123-凸起条。
具体实施方式
为了使本领域的普通技术人员能更好的理解本发明的技术方案，下面结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步的描述。
参照附图1-4所示，基于温度反馈的激光焊接入射角实时调控系统，所述焊接系统包括激光焊接模块2、焊接控制模块1以及安装在激光焊接模块2侧壁的夹持器3和红外温度反馈模块4，所述夹持器3的一端固定在所述激光焊接模块2的侧壁，另一端与所述红外温度反馈模块4连接，通过所述夹持器3的夹持端调节所述红外温度反馈模块4的角度，便于红外测温仪测定特定区域的温度。
所述夹持器包括螺纹固定端9、一个转向轴一10、一个转向轴二11以及两个夹持臂12，所述螺纹固定端9一端固定在激光焊接模块侧壁，另一端连接所述转向轴一10，所述转向轴一10的另一端垂直连接所述转向轴二11，在所述转向轴二11的两端均连接设置所述夹持臂12，所述夹持臂12由折弯部121和弧形夹持板122组成，两块所述弧形夹持板122之间形成用于夹持所述红外温度反馈模块的夹持腔，每块所述弧形夹持板的内壁上均设置凸起条123，每两个所述凸起条123之间形成散热通道：本发明针对红外温度反馈模块的可测定不同区域的目的，设计可专门用于该红外温度反馈模块的夹持器，该夹持器在控制模块的控制作用下，可以实现在垂直面和水平面的自由旋转，以此来实现对不同焊接区域的温度实时检测的目的，转向轴一在垂直面进行旋转，转向轴二在水平旋转，通过夹持器夹持红外温度反馈模块在垂直面和水平面的自由旋转达到调节的目的，进一步的为了使红外温度反馈模块在检测过程中与弧形夹持板之间的散热效果更好，本发明还设置了凸起条，凸起条为圆弧结构，采用塑性材料制成，具有较好的摩擦性，同时通过散热通道还能较好的进行散热。
在本发明中，所述红外温度反馈模块4通过传输模块一与所述焊接控制模块连接，所述焊接控制模块通过传输模块二与激光焊接模块2连接，所述红外温度反馈模块4侧壁通过气管8连接有空压机5，焊接时可对焊接飞溅进行横吹，进一步保护红外温度反馈模块4，所述红外反馈模块前端套接一柱形隔热保护套6，在所述红外温度反馈模块4前端且在所述柱形隔热保护套6内嵌入一平面保护镜片7，在平面保护镜片7下方，柱形隔热保护套6侧壁有端口通过气管8与空气压缩机相连，焊接时可对焊接飞溅进行横吹，进一步保护测温仪。
基于温度反馈的激光焊接入射角实时调控系统的焊接方法，包括以下步骤：
步骤一：在焊接控制模块1上设定好激光焊接速度，激光功率，离焦量以及起焊角度θ1，并调用设定好的焊接程序；采用氩气作为保护气进行焊接，气流量设定为15L/min，激光功率采用2200W至2500W，激光焊接速度在30mm/s至50mm/s之间，离焦量采用-2mm；
步骤二：在红外温度反馈模块4端部安装保护装置，并在红外温度反馈模块4一侧通过气管8连接空压机5，通过保护装置以及空压机5保护红外探头不被损坏；所述保护装置包括柱形隔热保护套6和平面保护镜片7，所述柱形隔热保护套6套设在所述红外温度反馈模块4的端部，所述平面保护镜片7嵌入设置在所述柱形隔热保护套6内；
步骤三：通过夹持器3连接好激光头21和红外温度反馈模块4，夹持器3可以控制调节红外温度反馈模块4的角度；
步骤四：激光焊接模块2的激光头21慢慢移至金属起焊点，激光头21打出激光，待焊金属受热，温度迅速上升，母材开始熔化，在焊接的过程中通过红外温度反馈模块4检测焊缝一侧距离激光斑点相同距离的特定区域的平均温度，此时测得的温度为T1，T1通过传输模块进入控制模块进行反馈；
步骤五：激光焊接模块2中预先设定的焊接入射角为θ1的临界温度为T0，若T1<T0，则焊接控制模块1向激光头21发出指令，继续沿用θ1进行焊接；若T1>T0，则焊接控制模块1通过已设置的焊接温度与激光入射角的关系，更换焊接入射角θ2，反馈至激光头21继续焊接；其中，焊接入射角的调节通过如下非线性曲线进行调节控制：
θ=A1*exp(-T/t1)+θ0
其中：T为红外温度反馈模块4测得的实时温度，θ0=4.89612 ， A1=884.07352 ， t1=77.57039。
在本发明中，根据事先的试验结果，分析提取了部分试验数据，得到多个坐标数据，包括6个焊接临界温度T1=400℃，T2=420℃，T3=450℃，T4=490℃，T5=540℃，T6=600℃与6个激光入射角θ1=10°，θ2=8.8°，θ3=7.6°，θ4=6.5°，θ5=5.7°，θ6=5.1°，通过分析比较，利用origin软件拟合出来的一个非线性曲线。
本发明采用ABB公司生产的光纤激光器，对铝合金等薄盖板结构使用对接方式进行焊接，采用氩气作为保护气进行焊接，气流量设定为15L/min。激光功率根据实际情况采用2200W至2500W，激光焊接速度根据待焊板材实际情况在30mm/s至50mm/s之间进行调整，离焦量采用-2mm，同时由于铝合金等合金对激光有高反射性，故将在焊接之前设定一个初始激光焊接入射角，在开始焊接过程后，控制模块将根据以上拟合的激光焊接入射角度与反馈温度曲线对红外温度测试仪反馈的温度进行相应的调节。
实施例1
本发明对新能源汽车电池压铸铝合金加热器盖板结构进行光纤激光焊接。铝合金加热器盖板厚度为3mm，采用对接方式进行焊接，采用氩气作为保护气进行焊接，气流量设定为15L/min，离焦量采用-2mm，激光功率设定为2300W，焊接速度为45mm/s，设定初始激光焊接入射角度为8°，根据计算机显示，当温度测温仪检测到大约440℃之前，角度一直没变，随着温度超过440℃并继续增加时，红外测温仪反馈至控制模块，控制模块发出指令，激光焊接入射角开始减小，最终维持在 525℃左右，激光焊接入射角大约为6°。结果发现，焊缝成形良好，表面没有爆孔，气孔等缺陷，特别是容易发生缺陷的转角处、圆弧处的焊接也未发现明显的缺陷。通过切割发现，焊缝截面没有明显气孔，四周均未烧穿，如图5所示。
实施例2
本发明对某品牌7000系列铝合金手机后盖进行光纤激光焊接。采用对接方式进行焊接，采用氩气作为保护气进行焊接，气流量设定为15L/min，后盖厚度约为2.5mm，离焦量采用-2mm，激光功率设为2200W，焊接速度为50mm/s,设定初始激光焊接入射角度为7°，根据计算机显示，当温度处于大约为470°以下时，激光入射角处于不变状态，随着焊接的进行，特定区域的温度持续上升，达到以及超过470°后，控制模块作出反馈，激光入射角作出改变，焊接温度最终维持在575℃，显示角度为5.5°。根据焊接结果，盖板四周焊缝成形较好，没有塌陷，爆孔，气孔等缺陷，经检测达到力学性能要求以及硬度要求。
实施例3
本发明对华为某通讯设备集成电路6061铝合金冷却系统进行光纤激光焊接。采用对接方式进行焊接，采用氩气作为保护气进行焊接，气流量设定为15L/min，离焦量采用-2mm，盖板厚度为4mm，激光功率设定为2400W，焊接速度30mm/s，设定初始焊接入射角为9°，通过对计算机的观察，发现测温仪检测的温度始终处于415℃以下，故控制模块一直未发出调整角度指令。焊接完成，可以发现焊缝整体成形较好，焊纹清晰，没有咬边，焊瘤，气孔，夹渣等明显的缺陷，根据切割结果，发现没有烧穿等缺陷，符合综合力学性能，如图6所示。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。
Claims (3)
1.基于温度反馈的激光焊接入射角实时调控系统的焊接方法，焊接系统包括激光焊接模块、焊接控制模块以及安装在激光焊接模块侧壁的夹持器和红外温度反馈模块，所述夹持器的一端固定在所述激光焊接模块的侧壁，另一端与所述红外温度反馈模块连接，通过所述夹持器的夹持端调节所述红外温度反馈模块的角度，便于红外测温仪测定特定区域的温度，所述夹持器包括螺纹固定端、一个转向轴一、一个转向轴二以及两个夹持臂，所述螺纹固定端一端固定在激光焊接模块侧壁，另一端连接所述转向轴一，所述转向轴一的另一端垂直连接所述转向轴二，在所述转向轴二的两端均连接设置所述夹持臂，
其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：在焊接控制模块上设定好激光焊接速度，激光功率，离焦量以及起焊角度θ1，并调用设定好的焊接程序；
步骤二：在红外温度反馈模块端部安装保护装置，并在红外温度反馈模块一侧通过气管连接空压机，通过保护装置以及空压机保护红外探头不被损坏；
步骤三：通过夹持器连接好激光头和红外温度反馈模块，夹持器可以控制调节红外温度反馈模块的角度；
步骤四：激光焊接模块的激光头慢慢移至金属起焊点，激光头打出激光，待焊金属受热，温度迅速上升，母材开始熔化，在焊接的过程中通过红外温度反馈模块检测焊缝一侧距离激光斑点相同距离的特定区域的平均温度，此时测得的温度为T1，T1通过传输模块进入控制模块进行反馈；
步骤五：激光焊接模块中预先设定的起焊角度为θ1的临界温度为T0，若T1<T0，则焊接控制模块向激光头发出指令，继续沿用θ1进行焊接；若T1>T0，则焊接控制模块通过已设置的焊接温度与激光入射角的关系，更换焊接入射角θ2，反馈至激光头继续焊接；其中，焊接入射角的调节通过如下非线性曲线进行调节控制：
θ=A1*exp(-T/t1)+θ0
其中：T为红外温度反馈模块测得的实时温度，θ0=4 .89612 ，A1=884 .07352，t1=77.57039。
2.根据权利要求1所述的基于温度反馈的激光焊接入射角实时调控系统的焊接方法，其特征在于，采用氩气作为保护气进行焊接，气流量设定为15L/min，激光功率采用2200W至2500W，激光焊接速度在30mm/s至50mm/s之间，离焦量采用-2mm。
3.根据权利要求1所述的基于温度反馈的激光焊接入射角实时调控系统的焊接方法，其特征在于，所述保护装置包括柱形隔热保护套和平面保护镜片，所述柱形隔热保护套套设在所述红外温度反馈模块的端部，所述平面保护镜片嵌入设置在所述柱形隔热保护套内。
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Application publication date: 20190312 Assignee: Center for technology transfer Jiangsu University of Science and Technology Assignor: JIANGSU University OF SCIENCE AND TECHNOLOGY Contract record no.: X2021980006173 Denomination of invention: Real time control system and welding method of laser welding incident angle based on temperature feedback Granted publication date: 20210601 License type: Common License Record date: 20210714 |
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| EC01 | Cancellation of recordation of patent licensing contract | ||
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Assignee: Center for technology transfer Jiangsu University of Science and Technology Assignor: JIANGSU University OF SCIENCE AND TECHNOLOGY Contract record no.: X2021980006173 Date of cancellation: 20210826 |