CN111805086B - 一种基于调频相控式脉冲激光的脉动填丝焊接方法及系统 - Google Patents

一种基于调频相控式脉冲激光的脉动填丝焊接方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于调频相控式脉冲激光的脉动填丝焊接方法及系统，该方法包括：脉动送丝电源连接脉动送丝电机和信号采集单元，控制器通过脉动送丝电机控制焊丝进行周期性填丝和回抽，依次连接信号采集单元、控制单元、计算机和脉冲激光发生器，控制单元，控制单元输出触发信号，计算机控制脉冲激光的输出功率，触发信号在一个周期内依次为回抽脉冲Gbs、移相脉冲
Figure DDA0002613176570000011
和填丝脉冲Gfs，脉动送丝电机进行回抽和填丝时，计算机先后接收到Gbs、
Figure DDA0002613176570000012
和Gfs，脉冲激光发生器对应输出过渡脉冲、低功率脉冲和高功率脉冲，实现焊丝的完全融化。与现有技术相比，本发明具有焊接均匀、熔深大等优点。

Description

一种基于调频相控式脉冲激光的脉动填丝焊接方法及系统
技术领域
本发明涉及电子测量与控制领域，尤其是涉及一种基于调频相控式脉冲激光的脉动填丝焊接方法及系统。
背景技术
在激光焊接过程中，一方面要保证激光器产生的能量最大限度地被工件吸收，获得最大熔深效果,另一方面要保证焊后的工件表面平整均匀无塌陷。此外，有时候还需要通过控制整个焊缝的热输入和填料改善焊缝区域的组织和性能，这就需要通过热输入与填料匹配来完成焊接。为了最大发挥复合效应，人们已经发现通过给脉冲电弧匹配一个脉冲激光输出可以解决焊接等离子体对激光的吸收和散射作用。
现有技术也给出了一些解决方案，中国专利CN02156592.9提出了一种激光-电弧复合脉冲协调控制焊接方法，在激光-电弧复合热源焊接过程中，激光功率输出脉冲与电弧电流脉冲在同步脉冲信号的控制下，协调控制输出；中国专利CN200910248761.8提出了一种脉冲激光-交流电弧复合焊接方法，激光的脉冲由峰值脉冲和后续的基值脉冲构成，在交流电弧电流正半波的二分之一处，触发激光的峰值脉冲，后续激光基值脉冲延续到交流电弧同一周期负半波结束；交流电弧频率为脉冲激光频率的整数倍，该专利实现了能量优化配置，能在较低激光功率下形成激光小孔，利用小孔效应，提高了焊接熔深和电弧稳定性，改善了焊缝质量。但上述专利的控制对象为TIG电弧的特性，激光填丝焊接过程中存在在焊丝熔化的过程，文献“E.Assuncao,S.Williams,Comparison of continuous wave andpulsed wave laser welding effects,Optics and Lasers in Engineering”(2013)发现脉冲激光产生的熔深要比连续激光产生的熔深大，如果焊丝连续输出，而激光是脉冲，则有可能出现熔化不均匀的现象。但采用脉动送丝时，由于送丝惯性的存在，即输出高功率激光时焊丝处于填丝状态，激光准备进入低功率时焊丝回抽，但是由于前期是填丝状态，焊丝存在向前继续送丝的惯性，焊丝回抽会有延时，可能导致焊丝不能完全熔化，出现粘丝的现象，影响焊接效果。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种基于调频相控式脉冲激光的脉动填丝焊接方法及系统，焊接均匀，熔深大。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种基于调频相控式脉冲激光的脉动填丝焊接方法，包括：
脉动送丝电源连接脉动送丝电机和信号采集单元，所述的脉动送丝电机与焊丝和控制器连接，所述的控制器通过脉动送丝电机控制焊丝进行周期性填丝和回抽，依次连接信号采集单元、控制单元、计算机和脉冲激光发生器，所述的信号采集单元为电弧电流采集传感器，电弧电流采集传感器将输出电源输出的电流信号转换为0～4V的电压信号并传送至控制单元，所述的控制单元输出触发信号，所述的控制单元先将电弧电流采集传感器输出的电压信号放大到-15V～+15V，再对放大的电压信号进行鉴幅和比较，获得获得峰值状态信号和基值状态信号，所述的控制单元对峰值状态信号和基值状态信号进行整形，获得Gbs和Gfs，所述的控制单元再通过Gbs进行移相获得比Gbs延迟
Figure BDA0002613176550000021
的Gfs，Gbs、
Figure BDA0002613176550000022
和Gfs共同构成触发信号，所述的计算机根据触发信号触发脉冲激光发生器，并控制脉冲激光的输出功率；
所述的触发信号为周期性信号，在一个周期内按先后顺序依次为回抽脉冲Gbs、移相脉冲
Figure BDA0002613176550000023
和填丝脉冲Gfs，所述的脉动送丝电机依次进行回抽和填丝时，计算机先后接收到Gbs、
Figure BDA0002613176550000024
和Gfs并控制脉冲激光发生器分别对应输出过渡脉冲PF3、低功率脉冲PF1和高功率脉冲PF2，焊丝在填丝时为了避免顶丝，需要熔化热量，故接收PF2，当焊丝进行回抽时由于焊丝回抽存在惯性，会继续进行填丝，因此此时接收PF3，保证焊丝完全融化，然后逐渐过渡至PF1，激光输出功率由高到低平稳过渡，实现焊丝的完全融化。
进一步地，所述的PF3、PF1和PF2均为方波脉冲，所述的PF3的最大功率Pp3等于PF2的最大功率Pp2，所述的PF3的最小功率Pp3等于PF1的最大功率Pp1，一个周期内PF3的输出功率由Pp2逐渐递减为Pp1。
一种基于调频相控式脉冲激光的脉动填丝焊接系统，包括脉动送丝单元、脉动送丝电源、信号采集单元、脉冲控制单元和脉冲触发单元，所述的脉动送丝单元包括互相连接的脉动送丝电机和控制器，所述的控制器控制脉动送丝电机进行周期性填丝和回抽，所述的脉动送丝电源用于为脉动送丝电机供电，所述的信号采集单元为电弧电流采集传感器，用于采集脉动送丝电源输出的电流信号并转换为电压信号，所述的脉冲控制单元用于将电压信号转换为触发信号，所述的脉冲控制单元包括依次连接的电压放大电路、电压比较电路、单稳电路和移相电路，所述的脉冲触发单元包括计算机和脉冲激光发生器，所述的电压放大电路将电弧电流采集传感器输出的电压信号放大到-15V～+15V，所述的电压比较电路分为峰值状态和基值状态，放大后的电压信号经过电压比较电路后对应产生回抽脉冲Gbs和填丝脉冲Gfs，所述的移相电路使峰值状态产生相位角
Figure BDA0002613176550000031
而获得比Gbs延迟
Figure BDA0002613176550000032
的移相脉冲
Figure BDA0002613176550000033
Gbs、
Figure BDA0002613176550000034
和Gfs共同构成触发信号，所述的计算机根据触发信号触发脉冲激光发生器，并控制脉冲激光的输出功率；
所述的触发信号为周期性信号，在一个周期内按先后顺序依次为回抽脉冲Gbs、移相脉冲
Figure BDA0002613176550000035
和填丝脉冲Gfs，所述的
Figure BDA0002613176550000036
比Gbs延迟且相位差为
Figure BDA0002613176550000037
所述的计算机接收到Gbs、
Figure BDA0002613176550000038
和Gfs后脉冲激光发生器分别对应输出过渡脉冲PF3、低功率脉冲PF1和高功率脉冲PF2，所述的PF1、PF3和PF2的平均功率依次递增，使得填丝时焊丝接收PF2，回抽时焊丝依次接收PF3和PF1，实现焊丝的完全融化。
进一步地，所述的PF3、PF1和PF2均为方波脉冲，所述的PF3的最大功率Pp3等于PF2的最大功率Pp2，所述的PF3的最小功率Pp3等于PF1的最大功率Pp1，一个周期内PF3的输出功率由Pp2逐渐递减为Pp1。
与现有技术相比，本发明具有以如下有益效果：
(1)本发明采集脉动送丝电源的电流信号并转换为电压信号，根据该电压信号输出触发信号，触发信号为周期性信号，在一个周期内按先后顺序依次为回抽脉冲Gbs、移相脉冲
Figure BDA0002613176550000039
和填丝脉冲Gfs，脉动送丝电机依次进行回抽和填丝时，计算机先后接收到Gbs、
Figure BDA00026131765500000310
和Gfs并控制脉冲激光发生器分别对应输出过渡脉冲PF3、低功率脉冲PF1和高功率脉冲PF2，所述的PF1、PF3和PF2的平均功率依次递增，使得填丝时焊丝接收PF2，回抽时焊丝依次接收PF3和PF1，使得焊丝在填丝和回抽的切换过程中焊丝接收的激光能量逐渐降低，避免因脉动送丝电机的惯性导致焊丝的熔化不均匀，脉动送丝电机的送丝和脉冲激光发生器输出的脉冲功率实现匹配，使得焊接均匀，提高了焊接的熔深；
(2)本发明将电压信号依次输入电压放大电路、电压比较电路、单稳电路和移相电路，单稳电路输出通过回抽脉冲、填丝脉冲，回抽脉冲基于移相与调频技术获得移相脉冲，获得三种脉冲激光发生器的输出功率的切换信号，结构简单。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为触发信号和激光输出功率的逻辑时序图；
图3为控制单元的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
实施例1
一种基于调频相控式脉冲激光的脉动填丝焊接方法，如图1，包括：
脉动送丝电源连接脉动送丝电机和信号采集单元，脉动送丝电机与焊丝和控制器连接，控制器通过脉动送丝电机控制焊丝进行周期性填丝和回抽，依次连接信号采集单元、控制单元、计算机和脉冲激光发生器，信号采集单元将输出电源输出的电流信号转换为电压信号并传送至控制单元；
如图2，所述的控制单元先将电弧电流采集传感器输出的电压信号放大到-15V～+15V，再对放大的电压信号进行鉴幅和比较，获得获得峰值状态信号和基值状态信号，所述的控制单元对峰值状态信号和基值状态信号进行整形，获得Gbs和Gfs，所述的控制单元再通过Gbs进行移相获得比Gbs延迟
Figure BDA0002613176550000041
的Gfs，Gbs、
Figure BDA0002613176550000042
和Gfs共同构成触发信号，计算机根据触发信号触发脉冲激光发生器，并控制脉冲激光的输出功率；
触发信号为周期性信号，在一个周期内按先后顺序依次为回抽脉冲Gbs、移相脉冲
Figure BDA0002613176550000044
和填丝脉冲Gfs，
Figure BDA0002613176550000043
比Gbs延迟且相位差为
Figure BDA0002613176550000045
根据脉动送丝电机的送丝惯性程度进行设定，Gbs、
Figure BDA0002613176550000046
和Gfs的时长分别为Tbs、
Figure BDA0002613176550000047
和Tfs，
Figure BDA0002613176550000048
大于Tbs，
Figure BDA0002613176550000049
小于Gbs和Gfs的起始时差减去
Figure BDA00026131765500000410
的时长后所得到的时长。
Figure BDA00026131765500000411
大于Gbs的时长且小于Gbs和；
激光填丝进行焊接时激光束作用于焊丝上，焊丝被激光束加热熔化，填充焊缝间隙，焊丝的加热熔化依靠三种能量熔化，即激光辐照能量、金属蒸汽辐照能量以及熔池辐照能量，焊丝熔化的能量与来自激光能量产生的辐射能相关，采用脉冲激光焊接时金属蒸汽辐射减弱，所以熔化焊丝的能量主要来自于激光辐射能量和熔池辐射能量，在需要控制焊缝形貌形成鱼鳞纹形的焊缝形貌时需采用脉动送丝，此时脉动送丝电机的送丝速度需与激光输出的能量匹配，在较大的填丝速度下匹配较小的激光功率则可能出现焊丝不能完全熔化，直接顶入熔池的现象，同理较小的回抽或送丝速度很低时匹配较大功率的激光可能出现局部塌陷或熔池下凹的现象，计算机接收到Gbs、
Figure BDA0002613176550000051
和Gfs后脉冲激光发生器分别对应输出过渡脉冲PF3、低功率脉冲PF1和高功率脉冲PF2，PF1、PF3和PF为方波脉冲，平均功率依次递增，PF1的峰值功率和基值功率分别为Pp1和Pb1，PF2的峰值功率和基值功率分别为Pp2和Pb2，PF3的最大功率Pp3等于Pp2，PF3的最小功率Pp3等于Pp1，一个周期内PF3的输出功率由Pp2线性递减为Pp1，使得填丝时焊丝接收PF2，回抽时焊丝依次接收PF3和PF1，在存在送丝惯性的情况下实现焊丝的完全融化。PF1的周期Tp1和PF2的Tp2可根据焊丝的材料和工艺调整。
实施例2
与实施例1对应的一种基于调频相控式脉冲激光的脉动填丝焊接系统，包括脉动送丝单元、脉动送丝电源、信号采集单元、脉冲控制单元和脉冲触发单元，脉动送丝单元包括互相连接的脉动送丝电机和控制器，控制器控制脉动送丝电机进行周期性填丝和回抽，脉动送丝电源用于为脉动送丝电机供电，信号采集单元用于采集脉动送丝电源输出的电流信号并转换为电压信号，脉冲控制单元用于将电压信号转换为触发信号，如图3，脉冲控制单元包括依次连接的电压放大电路、电压比较电路、单稳电路和移相电路，电压放大电路将电弧电流采集传感器输出的电压信号放大到-15V～+15V，电压比较电路分为峰值状态和基值状态，放大后的电压信号经过电压比较电路后对应产生回抽脉冲Gbs和填丝脉冲Gfs，移相电路使峰值状态产生相位角
Figure BDA0002613176550000052
而获得比Gbs延迟
Figure BDA0002613176550000053
的移相脉冲
Figure BDA0002613176550000054
Gbs、
Figure BDA0002613176550000055
和Gfs共同构成触发信号，脉冲触发单元包括计算机和脉冲激光发生器，计算机根据触发信号触发脉冲激光发生器，并控制脉冲激光的输出功率，触发信号为周期性信号，在一个周期内按先后顺序依次为回抽脉冲Gbs、移相脉冲
Figure BDA0002613176550000056
和填丝脉冲Gfs，
Figure BDA0002613176550000057
比Gbs延迟且相位差为
Figure BDA0002613176550000059
计算机接收到Gbs、
Figure BDA0002613176550000058
和Gfs后脉冲激光发生器分别对应输出过渡脉冲PF3、低功率脉冲PF1和高功率脉冲PF2，PF1、PF3和PF2的平均功率依次递增，PF3、PF1和PF2均为方波脉冲，PF3的最大功率Pp3等于PF2的最大功率Pp2，PF3的最小功率Pp3等于PF1的最大功率Pp1，一个周期内PF3的输出功率由Pp2逐渐递减为Pp1，使得填丝时焊丝接收PF2，回抽时焊丝依次接收PF3和PF1，在存在送丝惯性的情况下实现焊丝的完全融化。PF1的周期Tp1和PF2的Tp2可根据焊丝的材料和工艺调整。
实施例1和实施例2提出了一种基于调频相控式脉冲激光的脉动填丝焊接方法及系统，实现脉动送丝量与激光能量传输的匹配，保证焊接过程焊丝对激光能量的最大吸收，使得带焊接过程均匀、稳定和平稳。
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员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 (6)

1.一种基于调频相控式脉冲激光的脉动填丝焊接方法，包括：
脉动送丝电源连接脉动送丝电机和信号采集单元，所述的脉动送丝电机与焊丝和控制器连接，所述的控制器通过脉动送丝电机控制焊丝进行周期性填丝和回抽，依次连接信号采集单元、控制单元、计算机和脉冲激光发生器，所述的信号采集单元将输出电源输出的电流信号转换为电压信号并传送至控制单元，所述的控制单元输出触发信号，所述的计算机根据触发信号触发脉冲激光发生器，并控制脉冲激光的输出功率；
其特征在于，所述的触发信号为周期性信号，在一个周期内按先后顺序依次为回抽脉冲Gbs、移相脉冲
Figure FDA0003233515470000011
和填丝脉冲Gfs，所述的脉动送丝电机依次进行回抽和填丝时，计算机先后接收到Gbs、
Figure FDA0003233515470000012
和Gfs并控制脉冲激光发生器分别对应输出过渡脉冲PF3、低功率脉冲PF1和高功率脉冲PF2，所述的PF1、PF3和PF2的平均功率依次递增，使得填丝时焊丝接收PF2，回抽时焊丝依次接收PF3和PF1，实现焊丝的完全融化；
所述的控制单元对电压信号进行鉴幅与比较后获得峰值状态信号和基值状态信号，所述的控制单元对峰值状态信号和基值状态信号进行整形，获得Gbs和Gfs，所述的控制单元通过Gbs进行移相获得Gfs；
所述的控制单元在进行鉴幅与比较之前对电压信号进行信号放大。
2.根据权利要求1所述的一种基于调频相控式脉冲激光的脉动填丝焊接方法，其特征在于，所述的PF3、PF1和PF2均为方波脉冲，所述的PF3的最大功率Pp3等于PF2的最大功率Pp2，所述的PF3的最小功率Pp3等于PF1的最大功率Pp1，一个周期内PF3的输出功率由Pp2逐渐递减为Pp1。
3.根据权利要求1所述的一种基于调频相控式脉冲激光的脉动填丝焊接方法，其特征在于，所述的信号采集单元为电弧电流采集传感器。
4.一种基于调频相控式脉冲激光的脉动填丝焊接系统，包括：
脉动送丝单元，包括互相连接的脉动送丝电机和控制器，所述的控制器控制脉动送丝电机进行周期性填丝和回抽；
脉动送丝电源，用于为脉动送丝电机供电；
信号采集单元，用于采集脉动送丝电源输出的电流信号并转换为电压信号；
脉冲控制单元，用于将电压信号转换为触发信号；
脉冲触发单元，包括计算机和脉冲激光发生器，所述的计算机根据触发信号触发脉冲激光发生器，并控制脉冲激光的输出功率；
其特征在于，所述的触发信号为周期性信号，在一个周期内按先后顺序依次为回抽脉冲Gbs、移相脉冲
Figure FDA0003233515470000021
和填丝脉冲Gfs，所述的脉动送丝电机依次进行回抽和填丝时，计算机先后接收到Gbs、
Figure FDA0003233515470000022
和Gfs并控制脉冲激光发生器分别对应输出过渡脉冲PF3、低功率脉冲PF1和高功率脉冲PF2，所述的PF1、PF3和PF2的平均功率依次递增，使得填丝时焊丝接收PF2，回抽时焊丝依次接收PF3和PF1，实现焊丝的完全融化；
所述的脉冲控制单元包括依次连接的电压比较电路、单稳电路和移相电路；
所述的脉冲控制单元还包括电压放大电路。
5.根据权利要求4所述的一种基于调频相控式脉冲激光的脉动填丝焊接系统，其特征在于，所述的PF3、PF1和PF2均为方波脉冲，所述的PF3的最大功率Pp3等于PF2的最大功率Pp2，所述的PF3的最小功率Pp3等于PF1的最大功率Pp1，一个周期内PF3的输出功率由Pp2逐渐递减为Pp1。
6.根据权利要求4所述的一种基于调频相控式脉冲激光的脉动填丝焊接系统，其特征在于，所述的信号采集单元为电弧电流采集传感器。
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