CN111633336B - 一种提高焊接过程稳定性的激光矢量焊接方法 - Google Patents

一种提高焊接过程稳定性的激光矢量焊接方法 Download PDF

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一种提高焊接过程稳定性的激光矢量焊接方法，本发明涉及激光焊接技术领域。本发明要解决常规激光圆形摆动焊接存在匙孔和液态熔池稳定性差，易产生气孔和飞溅焊接缺陷的技术问题。本发明方法通过激光束自身摆动轨迹线特征可编辑功能对常规激光自身圆形摆动轨迹线进行局部区域的优化编辑，形成优化后的激光圆形摆动轨迹线，实现对激光圆形摆动焊接局部区域轨迹线曲率半径和激光焊接线速度优化。本发明方法可以显著改善液态熔池局部区域流动过程稳定性差的问题，达到优化焊缝成形，降低焊缝内部气孔率，解决了常规圆形摆动激光焊接在局部区域易产生飞溅的技术难题。本发明用于摆动激光焊接。

Description

一种提高焊接过程稳定性的激光矢量焊接方法
技术领域
本发明涉及激光焊接技术领域。
背景技术
激光焊接属于高能束焊接技术范畴，也是目前发展较快且最有前景的焊接方法之一。随着对激光焊接机理研究的不断深入，以及相关制造技术及控制技术的不断进步，在传统单激光焊接工艺基础上发展起来的摆动激光焊接技术具有诸多优点：其一，摆动激光焊接技术降低了对焊接试件装配精度的要求；其二，激光束摆动具有对液态熔池的搅拌作用，使内部气孔的溢出速度加快，显著降低了焊缝内部气孔率；其三，摆动激光焊接由于具有空间热量分布可控的特点，在焊接不等厚板等领域具有其独特的优势。
目前，激光焊接的光束常见的摆动方式有垂直摆、平行摆、圆形摆和“8”字形摆等，该方法虽然可以在一定程度上解决传统单激光焊接难以克服的难题，但已有的摆动工艺本身也存在一些亟需解决的工艺难题，诸如焊缝表面成形不均匀，焊接过程中局部区域飞溅相对较多等。上述问题产生的主要原因是激光束自身摆动线速度和实际焊接速度矢量叠加后所得的激光束相对液态熔池的轨迹线特征(线速度和曲率半径)一直处于动态的变化过程，局部区域会出现激光束相对液态熔池的摆动速度变化过快和摆动轨迹线曲率半径过小等问题，直接导致匙孔和液态熔池的稳定性变差，易产生气孔和飞溅等焊接缺陷。
发明内容
本发明要解决常规激光圆形摆动焊接存在匙孔和液态熔池稳定性差，易产生气孔和飞溅焊接缺陷的技术问题，而提供一种提高焊接稳定性的激光矢量焊接方法。
一种提高焊接过程稳定性的激光矢量焊接方法，具体按以下步骤进行：
步骤一、调节保护气相对激光辐照点位置，安装同轴高速摄像拍摄系统；
步骤二、采用常规激光圆形摆动焊接方式对待焊板面进行焊接，设置激光参数，其中激光自身圆形摆动幅度为R1；通过高速摄像拍摄系统记录焊接时激光圆形摆动M个周期内产生飞溅的位置及时间，然后将M个周期内产生的飞溅区域平移到一个周期内，形成整合周期；
步骤三、确定修正激光束摆动轨迹线的特征参数：
A、沿圆周方向将步骤二平移后的整合周期分为n个区域，通过高速摄像拍摄系统统计确定n个区域中易产生飞溅区域及易产生飞溅区域对应的圆心角φ；
B、通过公式
Figure RE-GDA0003198576260000021
确定易产生飞溅区域的修正摆动幅度R2，其中修正系数K的取值为：0.4≤K≤0.6；
C、利用已获得参数R1、R2和φ，根据公式R12+d2-R22＝2R1×d×cos(π-φ/2)，计算得到偏心距d；然后通过偏心距d确定修正摆动幅度R2的圆心位置；
步骤四、通过激光束摆动轨迹线编辑软件录入步骤三确定的修正激光束摆动轨迹线的特征参数，修改易产生飞溅区域的激光束摆动轨迹，获得优化的激光圆形摆动轨迹线，完成一种提高焊接稳定性的激光矢量焊接方法。
由于修整后易产生飞溅区域摆动线速度不能太快；并且激光束相对液态熔池摆动轨迹线的曲率半径比常规激光束圆形摆动焊接的曲率半径大，因此经验证修正系数K的取值范围在0.4～0.6之间较为合适。当摆动幅度R1较大时K的值也应该偏大，相反K值应当偏小。
本发明的有益效果是：
本发明所述的一种提高焊接过程稳定性的激光矢量焊接方法是在常规激光自身圆形摆动轨迹线的基础上，针对易产生飞溅区域，修改原始常规激光自身圆形摆动轨迹线的几何特征，实现对激光圆形摆动轨迹线关键特征的修正，即，将易产生飞溅特定区域的激光摆动线速度和轨迹线曲率半径优化到合理区间，达到稳定焊接过程，抑制缺陷产生的目的。通过该方法可获得优质高效的激光焊接效果。
该工艺的显著特征在于：常规激光自身摆动线速度和焊接速度矢量叠加后得到的才是激光焊接线速度，常规激光自身摆动线速度的大小虽然不变，但其摆动方向在不断改变，所以矢量叠加后得到的激光焊接线速度的大小也一直处于变化状态，同时常规激光圆形摆动焊接轨迹线的曲率半径也一直处于动态变化中；常规激光自身圆形摆动轨迹线的周期变化的长短和常规激光圆形摆动焊接轨迹线的周期一致；焊接速度V确定时，激光圆形摆动焊接轨迹线的曲率半径大小直接受激光束自身摆动参数的影响；因此本发明通过对激光束自身摆动轨迹线局部区域的优化设计，可以实现对激光焊接线速度和激光圆形摆动焊接轨迹线曲率半径的优化调节；并以高速摄像对焊接过程中飞溅产生区域的实际统计分析为依据，结合不同材料和工艺要求，可设计出特定条件下的激光圆形摆动焊接轨迹线特征，实现对熔池流动和匙孔稳定性的调控，解决传统单激光焊接及常规激光圆形摆动焊接过程易产生飞溅的技术难题。
经验证，采用本发明优化后的激光束摆动轨迹线进行自熔焊接可获得焊缝表面成形均匀一致，内部气孔率低、焊接过程飞溅量显著下降的焊接效果。与优化前的常规圆形摆动激光焊接相比，优化后焊接的气孔率降至2％以下，焊接飞溅量同比减少70～80％，对焊接过程稳定性的改善效果十分显著。
本发明用于摆动激光焊接。
附图说明
图1为实施例一常规激光自身圆形摆动轨迹线示意图；
图2为实施例一常规激光圆形摆动焊接轨迹线示意图；
图3为实施例一常规激光自身圆形摆动的轨迹线分区域示意图；
图4为实施例一中R1、d、R2和φ在常规激光自身圆形摆动轨迹线中的示意图。
具体实施方式
本发明技术方案不局限于以下所列举的具体实施方式，还包括各具体实施方式之间的任意组合。
具体实施方式一：本实施方式一种提高焊接过程稳定性的激光矢量焊接方法，具体按以下步骤进行：
步骤一、调节保护气相对激光辐照点位置，安装同轴高速摄像拍摄系统；
步骤二、采用常规激光圆形摆动焊接方式对待焊板面进行焊接，设置激光参数，其中激光自身圆形摆动幅度为R1；通过高速摄像拍摄系统记录焊接时激光圆形摆动M个周期内产生飞溅的位置及时间，然后将M个周期内产生的飞溅区域平移到一个周期内，形成整合周期；
步骤三、确定修正激光束摆动轨迹线的特征参数：
A、沿圆周方向将步骤二平移后的整合周期分为n个区域，通过高速摄像拍摄系统统计确定n个区域中易产生飞溅区域及易产生飞溅区域对应的圆心角φ；
B、通过公式
Figure RE-GDA0003198576260000032
确定易产生飞溅区域的修正摆动幅度R2，其中修正系数K的取值为：0.4≤K≤0.6；
C、利用已获得参数R1、R2和φ，根据公式R12+d2-R22＝2R1×d×cos(π-φ/2)，计算得到偏心距d；然后通过偏心距d确定修正摆动幅度R2的圆心位置；
步骤四、通过激光束摆动轨迹线编辑软件录入步骤三确定的修正激光束摆动轨迹线的特征参数，修改易产生飞溅区域的激光束摆动轨迹，获得优化的激光圆形摆动轨迹线，完成一种提高焊接稳定性的激光矢量焊接方法。
本实施方式激光圆形摆动焊接的参数中激光自身圆形摆动幅度为R1，摆动频率为f，则激光圆形摆动的线速度为2πR1f。通过激光矢量焊接方案的实施，原始摆动轨迹线的特征在任意区域内都可以做出相应调整，进而调节激光束相对熔池摆动轨迹线曲率半径和速度大小，使得矢量合成后任意区域内激光束相对液态熔池的摆动线速度和轨迹线的曲率半径均在一个恰当的工艺区间内。轨迹线的特征可以根据需要由直线、圆弧、曲线等几何特征通过首尾相连进行编辑，进而组成不同的轨迹线特征，达到改善焊接过程稳定性的目的。
本实施方式通过修改轨迹线实现焊接过程稳定性的控制，因此原始摆动轨迹线的种类不仅限于圆形，还包括线性、8字型等，修正轨迹线的轨迹也不仅限于圆形，还包括直线、弧线等首尾相连组成的特征曲线。
涉及的材料适用于可进行激光焊接的材料。
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：步骤二中2000≥M≥500。其它与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二不同的是：步骤二所述高速摄像拍摄系统采用半导体辅助光源及808nm窄带滤光片进行成像，每秒拍摄2000帧图片。其它与具体实施方式一或二相同。
具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是：步骤二中待焊板面材质为Q235碳钢，设置激光摆动频率f为40～50Hz，激光功率P为5～6kW，激光自身圆形摆动幅度R1为0.7～0.9mm，激光离焦量F为2～8mm，焊接速度V为0.8～1.2m/min。其它与具体实施方式一至三之一相同。
具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四之一不同的是：步骤二中待焊板面材质为TC4钛合金，设置激光摆动频率f为50Hz，激光离焦量F为3mm，激光功率P 为6kW，激光自身圆形摆动幅度R1为0.6mm，焊接速度V为1.2m/min。其它与具体实施方式一至四之一相同。
具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一至五之一不同的是：步骤三中步骤A 中20≥n≥8。其它与具体实施方式一至五之一相同。
具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式一至六之一不同的是：步骤四中所述修改易产生飞溅区域的激光束摆动轨迹具体过程如下：
D、以坐标原点为激光自身圆形摆动幅度R1的圆心坐标，绘制常规激光自身圆形摆动轨迹线；
E、确定步骤三A中的易产生飞溅区域对应激光自身圆形摆动轨迹线的终点和起点，并删除易产生飞溅区域对应的轨迹；
F、以步骤E中确定的终点和起点，设定修正激光束摆动轨迹线的特征参数，完成修改。其它与具体实施方式一至六之一相同。
采用以下实施例验证本发明的有益效果：
实施例一：
本实施例一种提高焊接过程稳定性的激光矢量焊接方法，具体按以下步骤进行：
一种提高焊接过程稳定性的激光矢量焊接方法，具体按以下步骤进行：
步骤一、调节保护气相对激光辐照点位置，安装同轴高速摄像拍摄系统；其中保护气体为氩气，流量为25L/min；
步骤二、采用常规激光圆形摆动焊接方式对待焊板面进行焊接，设置激光参数，其中激光自身圆形摆动幅度为R1；通过高速摄像拍摄系统记录焊接时激光圆形摆动500个周期内产生飞溅的位置及时间，然后将500个周期内产生的飞溅区域平移到一个周期内，形成整合周期；
其中，待焊板面材质为Q235碳钢，规格为200mm*100mm*6mm，参考焊缝成形和气孔率，确定6mm厚Q235钢常规激光摆动焊接最佳的工艺参数区间，设置摆动频率f 为50Hz，激光功率P为5.8kW，激光自身摆动幅度R1为0.8mm，激光离焦量F为5mm，焊接速度V为0.9m/min；
步骤三、确定修正激光束摆动轨迹线的特征参数：
A、沿圆周方向将步骤二平移后的整合周期分为8个区域，通过高速摄像拍摄系统统计确定8个区域中易产生飞溅区域为区域1和8以及区域4和5，其余区域为非易产生飞溅区域，其中区域1和8对应的圆心角φ为90°，区域4和5对应的圆心角φ为90°；
B、通过公式
Figure RE-GDA0003198576260000051
确定易产生飞溅区域的修正摆动幅度R2，其中修正系数K为0.5，计算的到R2为1.6mm；
C、利用已获得参数R1、R2和φ，根据公式R12+d2-R22＝2R1×d×cos(π-φ/2)，计算得到偏心距d为0.93mm；然后通过偏心距d确定修正摆动幅度R2的圆心位置；
激光自身圆形摆动幅度R1的圆心坐标为(0，0)，区域1和8的角平分线与区域4 和5的角平分线均与X轴重合，计算出区域1和8修正摆动幅度R2的圆心坐标为(0.93， 0)，区域4和5修正摆动幅度R2的圆心坐标为(-0.93，0)，
步骤四、通过激光束摆动轨迹线编辑软件录入步骤三确定的修正激光束摆动轨迹线的特征参数，修改易产生飞溅区域的激光束摆动轨迹，获得优化的激光圆形摆动轨迹线，完成一种提高焊接稳定性的激光矢量焊接方法。
其中，步骤四中所述编辑修正激光束摆动轨迹特征具体过程如下：
D、以坐标(0，0)为激光自身圆形摆动幅度R1的圆心坐标，设置R1为0.8mm，绘制常规激光自身圆形摆动轨迹线；
E、将步骤三A确定的易产生飞溅区域中区域1和8的起点设为点3，终点设为点4，删除区域1和8的摆动轨迹线，同理将区域4和5的起点设为点1，终点设为点2，删除区域4和5的摆动轨迹线；
F、以步骤E中的点1为起始点、点2终结点，设定修正摆动幅度R2的圆心坐标(0.93，0)，摆动幅度R2为1.6mm，绘制区域1和8修正摆动轨迹；以点3为起始点、点4终结点，设定修正后激光轨迹的圆心坐标(-0.93，0)，摆动幅度R2为1.6mm，绘制区域4和 5修正摆动轨迹。
图1为实施例一常规激光自身圆形摆动轨迹线示意图；
图2为实施例一常规激光圆形摆动焊接轨迹线示意图，其中标记1、2、3、4、5、6、 7、8的独立区域表示把摆动周期内完整的轨迹线分为8个特征区域，进行飞溅数量的统计分析，每一个区域对应激光轨迹的圆心角为45°。
图3为实施例一常规激光自身圆形摆动的轨迹线分区域示意图，其中虚线圆弧为修正前常规激光自身圆形摆动轨迹线，实线圆弧2-1为区域4、5修正后优化的激光圆形摆动轨迹线，半径为R2，实现圆弧2-2为区域1、8修正后优化的激光圆形摆动轨迹线，半径为R2；其中八个区域与图2中8个特征区域相对应。
图4为实施例一中R1、d、R2和φ在常规激光自身圆形摆动轨迹线中的示意图，由图中可知R1为修正前激光束自身摆动轨迹线的半径，φ为需要修正区域，d为修正后轨迹线的圆心相对修正前轨迹线圆心的偏心距，R2为需修正区域修正后轨迹线的摆动半径；其中d为半径R2修正区域的圆心和常规圆心摆动R1的圆心之间的距离，修正区域R2 的圆心位于修正区域角平分线的反向延长线上。
采用上述方法获得的优化后的激光束摆动轨迹线进行自熔焊接可获得焊缝表面成形均匀一致，内部气孔率低、焊接过程飞溅量显著下降的焊接效果。同优化前的常规圆形摆动激光焊接相比，优化后的气孔率从3％降低到了1.8％，焊接飞溅量同比减少了80％，对焊接过程稳定性的改善效果十分显著。
实施例二：
本实施例与实施例一不同的是：待焊材料为TC4钛合金，规格为180mm*70mm*8mm。
步骤二设置摆动频率f为50Hz，激光功率P为6kW，激光自身圆形摆动幅度R1为0.6mm，激光离焦量F为3mm，焊接速度V为1.2m/min；其他步骤及参数与实施例一均相同。
经分析，易产生飞溅区域为区域1和8以及区域4和5，修正系数K为0.5，修正后的R2为1.2mm，计算得到偏心距d为0.84mm。
通过高速摄像系统，对常规激光摆动焊接和激光矢量焊接两种工艺下产生的飞溅数量进行统计分析。结果表明，本实施例1、8和4、5区域常规激光圆形摆动焊接由于激光束相对工件的扫描轨迹线曲率半径较小，焊接方向的变化速度较为剧烈，导致熔池稳定性下降，焊接过程中这四个区域的飞溅量较大，而优化后激光矢量焊接工艺可以将飞溅量下降70％左右，气孔率也有3.2％下降到2％，更为重要的是焊缝内部无大尺寸气孔出现。这进一步证明激光矢量焊接在降低焊缝内部缺陷，提高焊接过程稳定性方面的有益效果。

Claims (6)

1.一种提高焊接过程稳定性的激光矢量焊接方法，其特征在于该方法具体按以下步骤进行：
步骤一、调节保护气相对激光辐照点位置，安装同轴高速摄像拍摄系统；
步骤二、采用常规激光圆形摆动焊接方式对待焊板面进行焊接，设置激光参数，其中激光自身圆形摆动幅度为R1；通过高速摄像拍摄系统记录焊接时激光圆形摆动M个周期内产生飞溅的位置及时间，然后将M个周期内产生的飞溅区域平移到一个周期内，形成整合周期；
步骤三、确定修正激光束摆动轨迹线的特征参数：
A、沿圆周方向将步骤二平移后的整合周期分为n个区域，通过高速摄像拍摄系统统计确定n个区域中易产生飞溅区域及易产生飞溅区域对应的圆心角φ；
B、通过公式
Figure FDA0003198576250000011
确定易产生飞溅区域的修正摆动幅度R2，其中修正系数K的取值为：0.4≤K≤0.6；
C、利用已获得参数R1、R2和φ，根据公式R12+d2-R22＝2R1×d×cos(π-φ/2)，计算得到偏心距d；然后通过偏心距d确定修正摆动幅度R2的圆心位置；
步骤四、通过激光束摆动轨迹线编辑软件录入步骤三确定的修正激光束摆动轨迹线的特征参数，修改易产生飞溅区域的激光束摆动轨迹，获得优化的激光圆形摆动轨迹线，完成一种提高焊接稳定性的激光矢量焊接方法；
步骤四中所述修改易产生飞溅区域的激光束摆动轨迹具体过程如下：
D、以坐标原点为激光自身圆形摆动幅度R1的圆心坐标，绘制常规激光自身圆形摆动轨迹线；
E、确定步骤三A中的易产生飞溅区域对应激光自身圆形摆动轨迹线的终点和起点，并删除易产生飞溅区域对应的轨迹；
F、以步骤E中确定的终点和起点，设定修正激光束摆动轨迹线的特征参数，完成修改。
2.根据权利要求1所述的一种提高焊接过程稳定性的激光矢量焊接方法，其特征在于步骤二中2000≥M≥500。
3.根据权利要求1所述的一种提高焊接过程稳定性的激光矢量焊接方法，其特征在于步骤二所述高速摄像拍摄系统采用半导体辅助光源及808nm窄带滤光片进行成像，每秒拍摄2000帧图片。
4.根据权利要求1所述的一种提高焊接过程稳定性的激光矢量焊接方法，其特征在于步骤二中待焊板面材质为Q235碳钢，设置激光摆动频率f为40～50Hz，激光功率P为5～6kW，激光自身圆形摆动幅度R1为0.7～0.9mm，激光离焦量F为2～8mm，焊接速度V为0.8～1.2m/min。
5.根据权利要求1所述的一种提高焊接过程稳定性的激光矢量焊接方法，其特征在于步骤二中待焊板面材质为TC4钛合金，设置激光摆动频率f为50Hz，激光离焦量F为3mm，激光功率P为6kW，激光自身圆形摆动幅度R1为0.6mm，焊接速度V为1.2m/min。
6.根据权利要求1所述的一种提高焊接过程稳定性的激光矢量焊接方法，其特征在于步骤三中步骤A中20≥n≥8。
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