CN113146046A - 一种超高功率激光-电弧/焊丝双摆动焊接方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种超高功率激光‑电弧/焊丝双摆动焊接方法及装置，属于激光焊接技术领域。本发明通过激光和电弧的双摆动，使激光‑焊丝共同作用于工件，产生稳定的电弧与焊接熔池，实现激光‑电弧/焊丝双摆动焊接。装置包括由超高功率激光器、摆动焊接头、焊接机器人组成的激光摆动机构，由电弧焊枪、与电弧焊枪相连的焊丝摆动图形控制器组成的电弧/焊丝摆动机构以及激光束‑焊丝连接机构。本发明通过激光摆动将小光斑焊接演化为准大光斑焊接保证该方法的桥接能力，进一步通过电弧/焊丝摆动增强该方法的填充能力，从而满足大间隙焊接工况；同时使用超高功率激光焊接，实现大型厚壁构件大间隙情况下的焊接成形，大幅提高焊接效率。
Description
技术领域
本发明属于激光焊接技术领域，更具体地，涉及一种超高功率激光-电弧/焊丝双摆动焊接方法及装置。
背景技术
大型船舶、海洋平台等高性能海洋装备制造对大型厚壁构件(10mm～40mm)高质高效焊接技术提出了迫切需求。然而，受前道工序的影响(卷板回弹、切割变形等)，大型厚壁构件焊接时存在拼装间隙大(可达5mm～10mm)且动态变化的特点，对焊接技术提出了巨大挑战。
目前，海洋大型厚壁构件焊接以手工电弧焊为主，存在热输入大、微观组织粗大、裂纹/气孔缺陷多发、热变形大、生产效率低等问题，难以满足高质高效的制造需求。激光-电弧复合焊接技术将激光与电弧两种热源复合，相互作用、相互加强形成一种新型高效热源，达到“1+1＞2”的协同效应，具有熔深大、桥接性好、焊接速度快等优点。目前，激光-电弧复合焊接在薄壁/中厚壁构件制造中已得到广泛应用。然而，在面对拼装间隙大且动态变化的大型厚壁构件焊接时，现有激光-电弧复合焊接技术仍存在间隙适应能力不足的问题，易导致未熔合、下塌等缺陷。因此，亟待研发大型厚壁构件高质高效焊接技术。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明的目的在于提供一种超高功率激光-电弧/焊丝双摆动焊接方法及装置，旨在解决现有激光-电弧复合焊接技术存在的间隙适应能力不足的问题。
为实现上述目的，本发明一方面提供了一种超高功率激光-电弧/焊丝双摆动焊接方法，包括以下步骤：
将激光束聚焦在焊缝起始点处，调节焊丝和激光束的位姿；
控制激光束沿预设的轨迹摆动，焊丝跟随激光束轨迹摆动的同时按照预设的轨迹摆动，激光束和焊丝共同作用于待焊接工件，进行摆动焊接直至焊缝终点。
本发明将激光-电弧复合焊与激光摆动焊接两种焊接方式进行结合，同时增加焊丝的摆动，通过激光摆动将小光斑焊接演化为准大光斑焊接保证该方法的桥接能力，进一步通过电弧/焊丝摆动增强该方法的填充能力，从而满足大间隙焊接工况。
进一步地，激光为超高功率，调节范围为6kW～30kW。激光摆动使得聚焦的小光斑逐步演化为准大光斑，增加了激光束能量的作用范围；激光摆动轨迹有四种形式，分别为线形、圆形、“∞”形、“8”形。电弧/焊丝在激光摆动的同时再按照预设轨迹摆动，相比于激光单摆动，能进一步增加摆动强度，提升对熔池的搅拌强度；电弧摆动依赖数控系统编程实现，轨迹可自行设计。
进一步地，为达到最佳焊接效果，激光束的离焦量范围为-5mm～5mm，优选范围为-2.5mm～2.5mm，焊接速度的范围为30mm/s～100mm/s，优选范围为60mm/s～80mm/s，激光束与焊丝夹角范围为15°～55°，优选范围为25°～45°，光丝间距范围为0.5mm～6mm，优选范围为2mm～4mm。
进一步地，摆动参数包括激光束的摆动振幅、频率和焊丝的摆动频率、振幅，激光束的摆动振幅范围为-5mm～5mm，频率范围为50Hz～500Hz，焊丝的摆动振幅范围为-2mm～2mm、频率范围为50Hz～500Hz。
进一步地，对于拼接间隙小于等于5mm的工况，选择单道焊接成形；对于拼接间隙大于5mm的工况，选择多道焊接成形。
按照本发明的另一方面，提供了一种超高功率激光-电弧/焊丝双摆动焊接装置，包括激光摆动机构、电弧/焊丝摆动机构、激光束-焊丝连接机构；
激光摆动机构包括超高功率激光器、与超高功率激光器相连的摆动焊接头、与摆动焊接头相连的焊接机器人，电弧/焊丝摆动机构包括电弧焊枪、与电弧焊枪相连的焊丝摆动图形控制器，用于控制焊丝实现任意轨迹的摆动，摆动焊接头通过激光束-焊丝连接机构与电弧焊枪相连接，激光束-焊丝连接机构用于固定激光束和焊丝的相对位置，实现激光摆动机构和电弧/焊丝摆动机构的耦合，使激光和焊丝共同作用于工件。
优选地，焊丝摆动图形控制器为数控系统，通过信号传输线传输电信号控制焊丝，实现任意轨迹的摆动。
优选地，超高功率激光器输出的激光功率为6kW～30kW，通过信号传输线传输高能量密度激光用于焊接工件。
优选地，摆动焊接头包括准直单元、聚焦单元、振荡单元和控制单元，准直单元的输入与超高功率激光器相连，振荡单元和准直单元的输出相连，振荡单元的输出和聚焦单元相连，准直单元、聚焦单元、振荡单元均与控制单元相连，控制单元用于控制超高功率激光器产生的激光束在预设范围内实现任意轨迹的摆动。
优选地，焊接机器人为六自由度机器人，由机械臂和控制柜组成，用于控制摆动焊接头的移动轨迹。
通过本发明所构思的以上技术方案，与现有技术相比，能够取得以下有益效果：
1.本发明将激光-电弧复合焊与激光摆动焊两种工艺相结合，保留两种焊接工艺的优势，在均匀化焊缝成型质量，减少焊接气孔、飞溅和裂纹等缺陷，细化晶粒组织等方面具有良好的效应；弥补两种焊接工艺的缺陷，适用于构件拼装间隙大的情况，产生“1+1>2”的效应。同时，将电弧/焊丝进行摆动，增强该方法的填充能力，从而满足更大间隙焊接工况。
2.本发明通过摆动焊接头实现激光摆动，基于焊丝摆动图形控制器实现电弧摆动，均能实现快速、精确的定位与控制。同时，通过对激光束与焊丝摆动轨迹的合理规划，能够控制两者摆动轨迹的有效耦合，促进焊丝的熔滴过渡效应、减少未熔合、下塌等焊接缺陷，提高复合焊接工艺的稳定性。
3.本发明所提供的超高功率激光-电弧/焊丝双摆动焊接装置，通过电信号与光信号实现装置的控制与反馈调节，实现运动的准确与快速的调控；激光摆动与电弧摆动的相关控制方法已有成熟的体系，使用比较简单；激光束-焊丝调节装置分别连接摆动焊接头与电弧焊枪，调节光丝间距、激光束与电弧夹角。总体而言，整个装置的技术难度较低，容易实现。
4.本发明通过激光摆动将小光斑焊接演化为准大光斑焊接保证该方法的桥接能力，进一步通过电弧/焊丝摆动增强该方法的填充能力，从而满足大间隙焊接工况，同时通过将激光功率提升至3万瓦级，实现大型厚壁构件的单道焊接成形，从而大幅提高焊接效率。该方法将有力提升大型厚壁构件的制造能力，尤其适用于大间隙海洋厚壁结构件的焊接，并可推广到航空航天、轨道交通等领域。
附图说明
图1是超高功率激光-电弧/焊丝双摆动焊接方法的焊接过程示意图；
图2是激光摆动图形示意图和直线运动图形示意图以及两者的合运动即激光束的实际焊接轨迹图形示意图；
图3是激光束的实际焊接轨迹图形示意图和焊丝摆动图形示意图以及两者的合运动即焊丝的实际运动轨迹图形示意图；
图4是焊丝摆动的控制原理图；
在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：1、激光束，2、焊丝，3、旋转大光斑，4、电弧，5、激光实际焊接轨迹，6、工件A，7、工件B，8、拼接间隙，9、激光束摆动图形，10、激光束直线运动图形，11、焊丝摆动图形，12、焊丝实际运动轨迹，13、激光束与电弧夹角，14、激光作用点，15、光丝间距，16、激光束-焊丝连接机构，17、信号传输线，18、焊丝摆动图形控制器。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间不构成冲突就可以相互组合。
本发明提供了一种超高功率激光-电弧/焊丝双摆动焊接装置，主要包括超高功率激光器、摆动焊接头、焊接机器人、电弧焊枪、激光束-焊丝连接机构16、信号传输线17、焊丝摆动图形控制器18等。
超高功率激光器提供6kW～30kW的激光功率，通过信号传输线17传输高能量密度激光用于焊接工件；焊接机器人控制摆动焊接头的摆动轨迹，焊丝摆动图形控制器18依赖数控系统通过信号传输线17传输电信号控制电弧的摆动轨迹。
摆动焊接头包括准直单元、聚焦单元、振荡单元，超高功率激光器发出的激光经过准直聚焦之后投射到振镜上，振镜即连接在由两个方向的振镜电机组成的光束偏转器上的微小反射镜片，通过计算机控制电机有目的偏转反射镜的角度，使激光束在一定范围内实现各种轨迹的摆动，并能精确按照激光束摆动图形运动。焊接机器人为六自由度机器人，由机械臂和控制柜组成。
激光束-焊丝连接机构16用于固定激光束1和焊丝2的大致相对位置，设定激光束1和焊丝2的初始夹角与光丝间距，同时在焊接过程中基于数控系统通过焊丝摆动图形控制器18精确控制焊丝2沿焊丝摆动图形11运动。
本发明还提供了一种超高功率激光-电弧/焊丝双摆动焊接方法，如图1所示，包括以下步骤：
第1步将激光束聚焦在焊缝起始点处，调节焊丝和激光束的位姿，包括激光束与电弧夹角13、激光作用点14、光丝间距15；
第2步设定激光功率、激光束的离焦量、焊接速度，选择合适的摆动参数(激光束1的摆动振幅、频率，焊丝2的摆动振幅、频率)，控制激光束1与焊丝2依照程序分别沿激光实际焊接轨迹5与焊丝实际运动轨迹12运动，使激光-焊丝共同作用于工件，产生稳定的电弧与焊接熔池，实现激光-电弧/焊丝双摆动焊接，完成大间隙工件的焊接。激光束的实际焊接轨迹和焊丝的实际运动轨迹分别如图2和3所示。
其中，激光为超高功率，调节范围为6kW～30kW。激光摆动轨迹有四种形式，分别为线形、圆形、“∞”形、“8”形，电弧摆动依赖数控系统编程实现，轨迹可自行设计。为达到最佳焊接效果，光丝间距范围为0.5mm～6mm，优选范围为2mm～4mm，激光束与电弧夹角范围为15°～55°，优选范围为25°～45°，激光束的离焦量范围为-5mm～5mm，优选范围为-2.5mm～2.5mm，焊接速度范围为30mm/s～100mm/s，优选范围为60mm/s～80mm/s，激光摆动振幅范围为-5mm～5mm，摆动频率范围为50Hz～500Hz，电弧摆动振幅范围为-2mm～2mm，摆动频率范围为50Hz～500Hz。对于拼接间隙小于等于5mm的工况，可以单道焊接成形；对于大型构件达10mm的大拼接间隙，可以多道焊接成形，大幅提高焊接效率。
本实施方式中，如图4所示，通过摆动焊接头基于振镜控制器实现激光摆动，通过数控系统基于焊丝摆动图形控制器18实现电弧摆动，均能实现快速、精确的定位与控制。同时，通过对激光束与焊丝摆动轨迹的合理规划，能够控制两者摆动轨迹的有效耦合，促进焊丝的熔滴过渡效应、减少咬边、未熔合等焊接缺陷，提高复合焊接工艺的稳定性。具体而言，激光束的实际焊接轨迹5是激光束摆动图形9和激光束直线运动图形10的合运动轨迹，焊丝实际运动轨迹12是激光束的实际焊接轨迹5和焊丝摆动图形11的合运动轨迹，即在焊接时焊丝2绕电弧4作小范围的摆动。当电弧4的电流临近达到峰值时，控制焊丝2靠近电弧4，使熔滴更容易脱离焊丝；当熔滴脱离焊丝瞬间，控制焊丝2远离电弧4，使熔滴过渡更稳定。同时，超高功率激光-电弧/焊丝的双摆动相比于激光单摆动，能进一步增加摆动强度，提升对熔池的搅拌强度；通过激光摆动将小光斑焊接演化为准大光斑焊接保证该方法的桥接能力，进一步通过电弧/焊丝摆动增强该方法的填充能力，从而满足大间隙焊接工况。
本实施方式中，整个装置通过电信号与光信号实现装置的控制与反馈调节，实现运动的准确与快速的调控；激光摆动与电弧摆动的相关控制方法已有成熟的体系，使用比较简单；激光束-焊丝连接机构分别连接摆动焊接头与电弧焊枪，通过数控系统调节光丝间距、激光束与电弧夹角。总体而言，整个装置的技术难度较低，容易实现。将激光-电弧复合焊与激光摆动焊两种工艺相结合，保留两种焊接工艺的优势，在均匀化焊缝成型质量，减少未熔合、下塌等缺陷，细化晶粒组织等方面具有良好的效应；弥补两种焊接工艺的缺陷，适用于构件拼装间隙大的情况，产生“1+1>2”的效应。
本发明提供的方法通过激光摆动将小光斑焊接演化为准大光斑焊接保证该方法的桥接能力，进一步通过电弧/焊丝摆动增强该方法的填充能力，从而满足大间隙焊接工况，同时通过将激光功率提升至3万瓦级，实现大型厚壁构件的单道焊接成形，从而大幅提高焊接效率。该方法将有力提升大型厚壁构件的制造能力，尤其适用于大间隙海洋厚壁结构件的焊接，并可推广到航空航天、轨道交通等领域。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种超高功率激光-电弧/焊丝双摆动焊接方法，其特征在于，包括以下步骤：
将激光束聚焦在焊缝起始点处，调节焊丝和激光束的位姿；
控制激光束沿预设的轨迹摆动，焊丝跟随激光束轨迹摆动的同时按照预设的轨迹摆动，激光束和焊丝共同作用于待焊接工件，进行摆动焊接直至焊缝终点。
2.如权利要求1所述的超高功率激光-电弧/焊丝双摆动焊接方法，其特征在于，激光束和焊丝的位姿包括激光束与焊丝夹角和光丝间距，激光束与焊丝夹角范围为15°～55°，光丝间距范围为0.5mm～6mm。
3.如权利要求1所述的超高功率激光-电弧/焊丝双摆动焊接方法，其特征在于，激光束的预设摆动轨迹的振幅范围为-5mm～5mm、频率范围为50Hz～500Hz，焊丝的预设摆动轨迹的振幅范围为-2mm～2mm、频率范围为50Hz～500Hz。
4.如权利要求1所述的超高功率激光-电弧/焊丝双摆动焊接方法，其特征在于，激光束的离焦量范围为-5mm～5mm，激光束的功率范围为6kW～30kW，焊接的速度范围为30mm/s～100mm/s。
5.如权利要求2所述的超高功率激光-电弧/焊丝双摆动焊接方法，其特征在于，对于待焊接工件的拼接间隙小于等于5mm的工况，选择单道焊接成形；对于待焊接工件的拼接间隙大于5mm的工况，选择多道焊接成形。
6.一种超高功率激光-电弧/焊丝双摆动焊接装置，其特征在于，包括：激光摆动机构、电弧/焊丝摆动机构、激光束-焊丝连接机构；
激光摆动机构包括超高功率激光器、与超高功率激光器相连的摆动焊接头、与摆动焊接头相连的焊接机器人，电弧/焊丝摆动机构包括电弧焊枪、与电弧焊枪相连的焊丝摆动图形控制器，用于控制焊丝实现任意轨迹的摆动，摆动焊接头通过激光束-焊丝连接机构与电弧焊枪相连接，激光束-焊丝连接机构用于固定激光束和焊丝的相对位置，实现激光摆动机构和电弧/焊丝摆动机构的耦合，使激光和焊丝共同作用于工件。
7.如权利要求6所述的超高功率激光-电弧/焊丝双摆动焊接装置，其特征在于，焊丝摆动图形控制器为数控系统，通过信号传输线传输电信号控制电弧焊枪，实现任意轨迹的摆动。
8.如权利要求6所述的超高功率激光-电弧/焊丝双摆动焊接装置，其特征在于，所述超高功率激光器输出的激光功率为6kW～30kW。
9.如权利要求6所述的超高功率激光-电弧/焊丝双摆动焊接装置，其特征在于，所述摆动焊接头包括准直单元、聚焦单元、振荡单元，准直单元的输入与超高功率激光器相连，振荡单元和准直单元的输出相连，振荡单元的输出和聚焦单元相连，通过控制超高功率激光器产生的激光束在预设范围内实现任意轨迹的摆动。
10.如权利要求6所述的超高功率激光-电弧/焊丝双摆动焊接装置，其特征在于，所述焊接机器人为六自由度机器人，由机械臂和控制柜组成，用于控制摆动焊接头的移动轨迹。
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