CN112108768A - 一种用于改善双激光束双侧同步焊接收弧缺陷的脉冲激光转换装置与方法 - Google Patents

一种用于改善双激光束双侧同步焊接收弧缺陷的脉冲激光转换装置与方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种用于改善蒙皮‑桁条结构双激光束双侧同步焊接接头收弧缺陷的脉冲激光转换装置与方法。其特点在于，通过在收弧位置将连续激光变为脉冲激光以达到改善收弧缺陷的目的。在双激光束双侧同步焊接即将结束时，光开关打开，连续激光变成脉冲激光，通过脉冲激光比较系统将检测到的电流信号与既定电流信号进行比较，通过放大器将信号输出到脉冲控制系统实现对脉冲激光峰值的调节。焊后对T型接头的弧坑深度大小进行测量，并使用X射线无损检测法检测气孔和裂纹，将检测结果与脉冲能量形成关联数据库，探明脉冲激光能量对收弧位置焊缝质量的影响，为获得高质量双激光束双侧同步焊接接头提供指导。

Description

一种用于改善双激光束双侧同步焊接收弧缺陷的脉冲激光转 换装置与方法
技术领域：
本发明涉及一种用于改善双激光束双侧同步焊接收弧缺陷的脉冲激光转换装置与方法，属于铝合金或钛合金激光焊接弧坑缺陷控制技术领域。
背景技术：
铝合金具有密度小、比强度高、耐腐蚀性好与良好的热稳定性等性能，目前已被大量应用于航空航天结构件中。钛合金强度高、耐蚀性好、耐热性高，主要用于制作飞机发动机压气机部件，其次为火箭、导弹和高速飞机的结构件。激光焊接是利用高能量密度的激光束作为热源的一种高效精密焊接方法，是激光材料加工技术应用的重要方面之一。激光焊接技术具有变形小、能量高的特点，尤其是对于飞机机身筒段中最为常见的蒙皮-桁条结构，采用双激光束双侧同步焊接技术不仅可以实现T型结构焊接接头的高效连接，而且相比于铆接大大减轻了机身的重量。但是由于激光束在收弧段速度的逐渐降低，导致单位时间激光热输入增大，从而导致弧坑的产生，降低了T型结构的力学性能。采用脉冲激光可以降低激光束的热输入，从而改善收弧处弧坑缺陷。
对于焊缝上某一点来说，线能量用来表征单位长度上输入能量的大小，通常用功率和焊接速度的比值表示。在焊接末端，由于输入能量保持不变，而激光器进行减速，则线能量迅速增加，从而引发了收弧弧坑焊接缺陷。弧坑是焊缝的薄弱处，并且伴随着气孔、裂纹等缺陷的产生。光开关实现了将连续激光转换为脉冲激光，脉冲激光有效降低了能量输入，并且国内已有学者研究发现脉冲激光焊接对焊接接头气孔的控制更为理想，可以获得更高抗拉强度和较为理想的焊缝形貌。
发明内容：
1.一种用于改善双激光束双侧同步焊接收弧缺陷的脉冲激光转换装置与方法，其特征在于：包括脉冲激光转换装置和弧坑深度大小、X射线气孔、裂纹缺陷检测结果与脉冲激光峰值与基值关联数据库。其中脉冲激光转换装置包括：脉冲激光开关装置，脉冲激光比较系统与反馈装置，脉冲激光峰值控制系统。对脉冲激光转换装置相匹配的方法为：脉冲激光开关装置的光开关控制连续激光变为脉冲激光，通过脉冲激光比较系统实现对脉冲激光电流信号的实时监控，通过激光峰值控制系统对脉冲激光的峰值进行实时调控，实现精准控制激光热输入的目的。在收弧过程中，假设焊接速度均匀减小，通过相应的计算公式得出脉冲激光峰值的分布，并转化为电流信号作为给定值。对焊接完成的弧坑进行深度测量、X射线检测气孔、裂纹缺陷并与脉冲峰值与基值建立关联数据库。
2.进一步的，双激光束双侧同步焊接蒙皮-桁条材料选用铝合金或钛合金，在焊前进行打磨后使用碱洗液去除待焊件表面的油脂等杂质，并使用丙酮擦拭试样表面以确保试样表面清洁，然后用专用的夹具进行装夹。
3.进一步的，对激光头的位置和角度进行调整，对焊接机器人进行示教，在距离焊接结束位置还有5mm的位置放置光信号检测器，当有激光通过时释放脉冲电流信号，触发同步信号发生器。
4.进一步的，在蒙皮-桁条结构双激光束双侧同步焊接过程中，使用保护气体进行防氧化保护，当激光束到达距离结束位置还有5mm的位置，同步信号发生器控制光开关的打开，连续激光变为脉冲激光，对焊缝末端进行焊接。
5.进一步的，脉冲激光比较系统中的信息采集装置用来接收脉冲峰值，光电探测器将脉冲激光信号转换为电流信号，比较器用于输出电流信号与给定电流信号的差值，通过放大器用于将差值放大，并传输到脉冲激光峰值控制系统。
6.进一步的，由放大器输出的误差信号传输给控制器，由控制器获得脉冲电流上升沿或下降沿的信号，触发光路调节器，从而增大或减小脉冲激光的峰值。当放大器输出数据为0时，脉冲激光峰值保持不变；当放大器输出数据为正时，控制器获得脉冲电流下降沿信号，脉冲峰值减小；当放大器输出数据为负时，控制器获得脉冲电流上升沿信号，脉冲峰值增加，实现对脉冲激光输入能量的准确控制。
7.进一步的，假设激光头在焊接末端均匀减速，焊接速度为vm/min，脉冲激光焊接的长度设定为5mm，则脉冲作用时间为0.3/vs；假设脉冲激光均匀减小，占空比为50％，脉冲周期宽度为10ms，设定基值为P0，峰值为Pn(其中n为脉冲激光的序数)，则
Figure BSA0000184903850000021
其中
Figure BSA0000184903850000022
电流与激光功率的关系为In＝K·Pn(其中K为将脉冲激光信号转换为电流信号的转换系数)，则给定电流信号为
Figure BSA0000184903850000023
8.进一步的，当焊接完成后，对焊后的弧坑深度、X射线无损检测法检测的气孔率、裂纹等检测结果与脉冲峰值形成关联数据库，方便对弧坑优化脉冲峰值参数的优化与调用。
本发明的有益效果为：
1.本发明提供一种用于改善双激光束双侧同步焊接收弧缺陷的脉冲激光转换装置，基于该装置，可以按照给定方案实现将连续激光转换为脉冲激光，并控制脉冲激光的峰值，实现对激光束热输入的精准控制。
2.本发明提供一种用于改善双激光束双侧同步焊接收弧缺陷的脉冲激光转换方法，通过对脉冲峰值进行设计，计算得到给定脉冲电流信号值，为脉冲激光峰值提供依据；通过对焊后的弧坑深度、X射线无损检测法检测的气孔率、裂纹等检测结果与脉冲峰值与基值形成关联数据库，方便对改善弧坑的脉冲参数进行优化设计和参考。
附图说明
图1是2219铝合金T型结构双激光束双侧同步焊接示意图；
图2是脉冲激光转换及控制的流程图；
图3是脉冲激光峰值示意图；
图4是对脉冲激光建立关联数据库流程图。
其中，1-桁条，2-蒙皮，3-焊缝，4-保护气喷嘴，5-激光束。
具体实施方式：
本发明提供一种用于改善双激光束双侧同步焊接收弧缺陷的脉冲激光转换装置及方法，为使本发明的技术方案更加生动、易懂，参照附图并对照实例对本发明进行详细说明。应当说明，此处所描述的具体实施仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
下面通过具体的实例并结合附图对本发明进行详细描述。
双激光束双侧同步焊接T型接头的蒙皮和桁条材料选用的是2219铝合金，其中蒙皮尺寸为宽200mm×长500mm×厚3.5mm，桁条尺寸为宽20mm×长500mm×厚4mm×高55mm。在焊前首先采用碱洗液处理待焊件0.5～2min，以去除材料表面的氧化膜和油污等杂质，之后使用丙酮擦拭试样表面，然后放于干燥箱中恒温80℃半小时烘干。
进行双激光束双侧同步焊之前，先对激光头的位置和角度进行调整，将自制的夹具将蒙皮桁条固定在工作台上，对焊接机器人进行示教，在距离焊接结束位置还有5mm的位置放置光信号检测器，当光信号检测器检测到有激光通过时释放脉冲电流信号，触发同步信号发生器。
进行双激光束双侧同步焊接实验，实验所用激光设备为德国TRUMPF公司生产的TruDisk-12003碟片激光器，其最大输出功率可达12000W；焊接过程的控制由KUKA KR30HA六轴焊接机器人来完成，其最大工作范围为2033mm，重复精度为±0.05mm。双激光束双侧同步焊接示意图如图1所示，两侧激光束5聚焦在桁条1与蒙皮2表面接触处对称位置上并保证同步移动。一侧的保护气喷嘴4与激光束5在随着焊接机器人的移动而运动，在运动过程中保持相对静止。焊接方向如图1所示，激光焊后在桁条1与蒙皮2连接的位置形成了焊缝3，焊接实验选用参数为激光功率4000W，焊接速度2.5m/min，激光入射角度30°。在距离焊接结束位置还有5mm的位置，光信号检测器检测到有激光通过释放脉冲电流信号，触发同步信号发生器，光开关打开，连续激光变为脉冲激光，对焊缝末端进行焊接。
对脉冲激光峰值进行设计以得到预期效果。假设激光头在焊接末端均匀减速，焊接速度为2.5m/min，脉冲激光焊接的长度设定为5mm，则脉冲作用时间为0.12s；假设脉冲激光均匀减小，占空比为50％，脉冲周期宽度为10ms，则脉冲周期个数为
Figure BSA0000184903850000041
设定基值为1kW，峰值为PnkW(其中n为脉冲激光的序数，n＝1，2，3……)，则
Figure BSA0000184903850000042
脉冲激光的峰值分布示意图如图3所示。设K为将脉冲激光功率信号转换为电流信号的转换系数，取K＝1，电流与激光功率的关系为In＝K·Pn，则给定电流信号为
Figure BSA0000184903850000043
脉冲激光转换及控制的流程图如图2所示。脉冲激光比较系统中的信息采集装置用来接收脉冲峰值，并将脉冲激光峰值信号传输到光电探测器，由光电探测器将脉冲激光峰值信号转换为电流信号。电流信号传输到比较器中，与给定电流信号进行对比得到差值，传输到放大器中将差值放大，放大的差值传输到脉冲激光峰值控制系统。由放大器输出的差值信号传输给控制器，由控制器获得脉冲电流上升沿或下降沿的信号，触发光路调节器，从而增大或减小脉冲激光的峰值。当放大器输出数据为0时，脉冲激光峰值保持不变，半个周期即5ms后激光脉冲降为基值1kW；当放大器输出数据为正时，控制器获得脉冲电流下降沿信号，脉冲峰值减小，直至减小到设定的脉冲峰值，保持此脉冲峰值不变，半个周期后激光脉冲降为基值1kW；当放大器输出数据为负时，控制器获得脉冲电流上升沿信号，脉冲峰值增加，直至增加到设定的脉冲峰值，并保持此脉冲峰值不变，半个周期后激光脉冲降为基值1kW，从而实现对脉冲激光输入能量的准确控制。在整个对脉冲激光峰值调节的过程中，需要各个光路原件的灵敏度极高，反馈时间控制在0.1ms以内，以达到精准控制的效果。
对焊后的弧坑深度使用游标卡尺进行多次测量取平均值，使用X射线无损检测法对弧坑位置进行气孔率和裂纹的检测，将检测结果与脉冲峰值与基值形成关联数据库，如图4所示，方便对改善弧坑的优化脉冲峰值与基值参数进行设计，有利于提高焊接接头的整体性能。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下还可以作出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种用于改善蒙皮-桁条结构双激光束双侧同步焊接接头收弧缺陷的脉冲激光转换装置，包括脉冲激光开关装置，脉冲激光比较系统与反馈装置，脉冲激光峰值控制系统，其特征在于：激光脉冲开关装置能够实现将连续激光变为脉冲激光，通过脉冲激光比较系统与反馈装置实现对脉冲激光电流信号的实时监控，通过激光峰值控制系统对脉冲激光的峰值进行实时调控，实现精准控制激光热输入的目的。
2.根据权利要求1所述的脉冲激光开关装置，其特征在于：在焊接机器人中安装同步信号发生器，用于控制光开关的打开，激光由连续激光变为脉冲激光，对焊缝末端进行脉冲激光焊接。
3.根据权利要求1所述的脉冲激光比较系统与反馈装置，其特征在于：信息采集装置来接收脉冲峰值，光电探测器将脉冲激光信号转换为电流信号，比较器用于输出电流信号与给定电流信号的差值，放大器用于将差值放大并传输到脉冲激光峰值控制系统。
4.根据权利要求1所述的脉冲激光峰值控制系统，其特征在于：将放大器输出的误差信号进行处理，由控制器获得脉冲电流上升沿或下降沿的信号，触发光路调节器，从而增大或减小脉冲激光的峰值，当放大器输出数据为0时，脉冲激光峰值保持不变，实现对脉冲激光输入能量的准确控制。
5.一种用于改善T型结构双激光束双侧同步焊接接头收弧缺陷的方法，采用权利要求2所述的激光脉冲开关装置，当激光头到达距离焊接末端5mm位置时，同步信号发生器传输信号至光开关，光开关打开，连续激光变为脉冲激光。
6.一种用于改善T型结构双激光束双侧同步焊接接头收弧缺陷的方法，采用权利要求3所述的脉冲激光比较系统，其特征在于：假设激光头在焊接末端均匀减速，焊接速度为vm/min，脉冲激光焊接的长度设定为5mm，则脉冲作用时间为0.3/vs；假设脉冲激光均匀减小，占空比为50％，周期宽度为10ms，设定基值为P0，峰值为Pn(其中n为脉冲激光的序数)，则
Figure FSA0000184903840000011
其中
Figure FSA0000184903840000012
电流与激光功率的关系为In＝K·Pn(其中K为将脉冲激光信号转换为电流信号的转换系数)，则给定电流信号为
Figure FSA0000184903840000013
7.一种用于改善T型结构双激光束双侧同步焊接接头收弧缺陷的方法，其特征在于：对焊后的弧坑深度、X射线无损检测法检测的气孔率、裂纹等检测结果与脉冲峰值形成关联数据库，方便对弧坑脉冲峰值参数进行优化设计和调用。
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