CN113977078B - 协同控制激光位置和功率的手持式激光焊接设备及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种协同控制激光位置和功率的手持式激光焊接设备及方法。该手持式激光焊接设备包括：激光光源，其被配置为在光源控制器的控制下发出激光束；振镜，其反射激光束，并连接至振镜电机，振镜电机在电机控制器的控制下驱动振镜往复摆动，被反射的激光束在一摆动范围内往复摆动；和中央控制器，其被配置为控制光源控制器和电机控制器，使得：当激光束处于距离摆动中心更远的第一位置处时具有第一功率，当激光束处于距离摆动中心更近的第二位置处时具有第二功率，第一功率低于第二功率。通过该方案，可以沿着激光束的摆动轨迹在工件上获得相对均匀的能量分布，克服摆动轨迹两侧边缘能量过高的问题，获得均匀焊缝和更佳焊接质量。

Description

协同控制激光位置和功率的手持式激光焊接设备及方法

技术领域

本发明涉及激光焊接领域，具体涉及手持式激光焊接设备及其控制方法。

背景技术

激光焊接是利用激光聚焦焦点处极高的能量使母材熔化实现焊接，具有焊接速度快、热变形区域小、操作简单等优点。近年来，手持式激光焊接设备的应用越来越广泛。但是，由于钣金件制造误差导致拼接时接缝较大，而激光焦点非常小，不能满足较大焊缝的焊接。现有技术提供在手持式激光焊接设备的内部增加一个或多个振镜，使激光焦点能在一定范围内摆动。最广泛应用的是单振镜偏摆的手持激光焊接设备。但是，由于焦点往复摆动，焦点偏摆轨迹的两侧在极短时间内被激光重复照射，导致过量的能量被吸收，容易造成咬边等焊接缺陷，焊缝成形质量较差。

因此，实践中亟待提供一种能够提提高焊缝成形质量的手持式激光焊接设备及其控制方法。

发明内容

本发明旨在提供一种通过协同控制激光束的位置和功率的手持式激光焊接设备及其控制方法，以克服激光能量分布不均匀的问题，提高焊缝形成质量。

在本发明的第一方面，提供了一种手持式激光焊接设备，包括：激光光源，其被配置为在光源控制器的控制下发出激光束；振镜，其反射激光束，并连接至振镜电机，振镜电机在电机控制器的控制下驱动振镜往复摆动，被反射的激光束在一摆动范围内往复摆动；和中央控制器，其被配置为控制光源控制器和电机控制器，使得：当激光束处于距离摆动中心更远的第一位置处时具有第一功率，当激光束处于距离摆动中心更近的第二位置处时具有第二功率，第一功率低于第二功率。

通过上述方案，随着激光束摆动式前进，远离摆动中心位置处的相邻激光束光斑的重合程度较大，但激光功率较小，该位置附近的累积激光功率不至于过高，与靠近摆动中心位置处的累积激光功率相近，从而可以沿着激光束的摆动轨迹在工件上获得相对均匀的能量分布，有助于克服摆动轨迹两侧边缘能量过高的问题，获得更均匀的焊缝和更佳的焊接质量。

可选地，激光束的功率从摆动范围两侧到摆动范围中心逐渐增大。

可选地，激光束的功率从摆动范围两侧到摆动范围中心线性增大。

可选地，所述摆动范围的角度被分为多个角度段，每个角度段内的激光束的功率相同。

可选地，所述多个角度段可以是等间距的，也可以是不等间距的。

可选地，中央控制器被配置为控制光源控制器和电机控制器，以同步地实现激光束的第一位置和第一功率，同步地实现激光束的第二位置和第二功率。

可选地，所述手持式激光焊接设备还包括：准直透镜，其将激光光源发出的发散光束偏转为平行光束，振镜反射该平行光束；聚焦透镜，其将被反射的平行光束偏转为会聚光束，会聚光束投射至被焊接的工件。

在本发明的第二方面，提供了一种手持式激光焊接设备的控制方法，包括以下步骤：

-中央控制器发出激光功率控制指令和振镜摆动控制指令；

-光源控制器接收所述激光功率控制指令，控制激光光源发出激光束；

-电机控制器接收所述振镜摆动控制指令，控制振镜电机驱动振镜往复摆动，并反射激光束在一摆动范围内往复摆动；

其中，所述激光功率控制指令和振镜摆动控制指令被配置为使得：当激光束处于距离摆动中心更远的第一位置处时具有第一功率，当激光束处于距离摆动中心更近的第二位置处时具有第二功率，第一功率低于第二功率。

通过上述方案，可沿着激光束的摆动轨迹在工件上获得相对均匀的能量分布，有助于克服摆动轨迹两侧边缘处能量过高的问题，获得更均匀的焊缝和更佳的焊接质量。

可选地，在该方法中，所述激光功率控制指令和振镜摆动控制指令被配置为使得：激光束的功率从摆动范围两侧到摆动范围中心逐渐增大。

可选地，在该方法中，所述激光功率控制指令和振镜摆动控制指令被配置为使得：激光束的功率从摆动范围两侧到摆动范围中心线性增大。

可选地，在该方法中，所述激光功率控制指令和振镜摆动控制指令被配置为使得：所述摆动范围的角度被分为多个角度段，每个角度段内的激光束的功率相同。

可选地，在该方法中，所述多个角度段可以是等间距的，也可以是不等间距的。

可选地，在该方法中，中央控制器发出激光功率控制指令和振镜摆动控制指令，以同步地实现激光束的第一位置和第一功率，同步地实现激光束的第二位置和第二功率。

可选地，所述控制方法还可以包括以下步骤：

-中央控制器发出第一振镜摆动控制指令和第一激光功率控制指令；

-电机控制器接收第一振镜摆动控制指令，控制振镜电机转动，驱动振镜转动至第一角度；

-光源控制器接收第一激光功率控制指令，控制激光光源以第一功率发出第一激光束，第一激光束被处于第一角度的振镜反射至工件表面，第一激光束处于距离摆动中心更远的第一位置处；

-中央控制器发出第二振镜摆动控制指令和第二激光功率控制指令；

-电机控制器接收第二振镜摆动控制指令，控制振镜电机转动，带动振镜转动至第二角度；

-光源控制器接收第二激光功率控制指令，控制激光光源以高于第一功率的第二功率发出第二激光束，第二激光束被处于第二角度的振镜反射至工件表面，第二激光束处于距离摆动中心更近的第二位置处，第二激光束的功率高于第一激光束的功率。

附图说明

图1示出了根据本发明的手持式激光焊接设备的示意图；

图2示出了手持式激光焊接设备的激光束与工件相接部位的示意图；

图3示出了根据本发明的激光功率和振镜角度协同控制的示意图；

图4示出了根据本发明的手持式激光焊接设备的示意框图。

附图标记：1激光光源；2准直透镜；3振镜；4振镜电机；5聚焦透镜；6中央控制器；7电机控制器；8光源控制器。

具体实施方式

为了使得本发明的技术方案的目的、方案和优点更加清楚，下文中将结合本发明的具体实施例的示意性附图，对本发明实施例的技术方案进行清楚和完整的描述。除非另有说明，否则本文所使用的术语具有本领域通常的含义。附图中相同的附图标记代表相同的部件。

图1示出了根据本发明实施例的手持式焊接设备的示意图，其主要包括激光光源1、准直透镜2、振镜3、振镜电机4、聚焦透镜5等。激光光源1发出激光束，该激光束为发散光束。准直透镜2接收发散光束，并使其偏转为平行光束。振镜3具有反射面，其设置在平行光束的光路中，使其以一定角度反射。聚焦透镜5接收反射的平行光束，并使其偏转为会聚光束，其会聚至焦点，并投射至待焊接的工件表面，用于加热、熔化和焊接工件。振镜电机4连接至振镜5，用于驱动振镜4围绕轴线X往复摆动，摆动的振镜4会使激光束的出射方向也随之往复摆动。

图2示出了激光束与焊接工件相接部位的放大视图。被焊接的两个工件的拼接缝具有一间隙G。如上所述，在振镜3的作用下，从手持式焊接设备发出的激光束S在第一角度位置和第二角度位置之间往复摆动，这两个角度位置之间相隔摆动角度θ，摆动角度θ与振镜3的摆动角度一致。随着激光束的摆动，激光束作用于工件的光斑从第一工件上的第一端点移动越过间隙G，移动至第二工件上的第二端点，形成第一轨迹J1；然后，从该第二端点反向移动越过间隙G，移动至第一工件上的第三端点，形成第二轨迹J2，依此往复，形成覆盖工件间隙的焊接区域，最终形成焊缝。在第一轨迹J1和第二轨迹J2的相接位置附近，二者间距逐渐减小至零，对应的光斑位置也逐渐重叠至完全重合，这会使得焊缝边缘区域在短时间内被激光重复照射，导致工件材料被过度加热，产生咬边等焊接缺陷。

为克服上述问题，本发明提出，协同地控制激光束的位置与能量，即，当激光束移动到边缘位置时，激光束能量降低，当激光束移动到中间位置时，激光束能量升高，从而在工件材料上形成整体上均匀的激光能量分布，形成较好质量的焊缝。

图3示出了根据本发明实施例的激光功率与振镜角度之间的对应关系图。横轴为振镜角度，纵轴为各振镜角度下的激光功率，从中可见，在两侧位置，即，振镜角度为0或θ时，激光功率最小；在中间位置，即振镜角度为θ/2时，激光功率最大；从两侧位置至中间位置，激光功率逐渐增大，优选地，可以线性地增大。在具体实施方式中，如图3所示，振镜角度θ可被划分为十个等长的角度段，同一角度段内的激光功率相同，不同角度段内的激光功率不同，激光功率随着远离两侧位置和靠近中间位置而逐渐增大。在其他实施例中，振镜角度θ可被划分为不等长的多个角度段，同一角度段内的激光功率相同，不同角度段内的激光功率不同，激光功率随着远离两侧位置和靠近中间位置而逐渐增大。

图4示出了能够实现本发明的功率控制方案的手持式焊接设备的示意图，其主要包括：中央控制器6、电机控制器7、振镜电机5、振镜3、光源控制器8、激光光源1。电机控制器7被配置为控制振镜电机5按特定运动参数转动，以带动振镜3在角度θ内往复摆动。光源控制器8被配置为控制激光光源1按特定功率参数发出激光，以输出具有特定功率的激光束。中央控制器6被配置为控制电机控制器7与光源控制器8协同工作，所谓协同工作是指——激光光源1的输出功率与振镜3的摆动角度相对应，靠近摆动范围边界处的输出功率较低，而靠近摆动范围中心处的输出功率较高。

在具体实施方式中，中央控制器6可以是PLC控制系统，其具有获取模块和控制模块，获取模块可从上位机系统接收设置参数，也可从监控系统接收监控数据。控制模块按照预先设定的方式向电机控制器7依次发出一系列振镜摆动控制指令，以改变振镜的摆动角度；并向光源控制器8发出一系列激光功率控制指令，以改变激光束的功率。其中，所述一系列激光功率控制指令中的每一条包括激光功率信息，其与所述一系列振镜摆动控制指令中的一条或多条指令相对应。例如，如图3所示，一系列振镜摆动控制指令控制振镜3从0度经过多个角度位置摆动至θ角度，使激光束从摆动幅度的一个端点位置移动到另一端点位置；与此对应地，10条激光功率控制指令构成依次发出的一个系列，其中，每条激光功率控制指令对应θ角度的十分之一，并且，每条激光功率控制指令所实现的激光功率在前5条指令中依次增大，在后5条指令中依次减小。

根据本发明实施例的手持式焊接设备可实施以下控制方法，其包括：

步骤S1：中央控制器6发出激光功率控制指令和振镜摆动控制指令；

步骤S2：光源控制器8接收所述激光功率控制指令，控制激光光源1发出激光束；

步骤S3：电机控制器7接收所述振镜摆动控制指令，控制振镜电机5驱动振镜3往复摆动，并反射激光束在一摆动范围内往复摆动；

特别地，所述激光功率控制指令和振镜摆动控制指令被配置为使得：当激光束处于距离摆动中心更远的第一位置处时具有第一功率，当激光束处于距离摆动中心更近的第二位置处时具有第二功率，第一功率低于第二功率。

在具体实施例中，激光功率控制指令和振镜摆动控制指令可以并行发出；也可以串行发出，只要能实现振镜位置和激光功率的协同控制即可，均落入本专利保护范围。

在具体实施例中，激光功率控制指令可以与振镜摆动控制指令一对一对应，即，每发出一条振镜摆动控制指令，即对应发出一条激光功率控制指令，来改变激光束的功率；另外，激光功率控制指令可以与振镜摆动控制指令一对多对应，即，每发出一组振镜摆动控制指令，即对应发出一条激光功率控制指令，来改变激光束的功率，只要能实现振镜位置和激光功率的协同控制即可，均落入本专利保护范围。

根据本发明实施例的手持式焊接设备还可实施以下控制方法，其包括：

步骤1：中央控制器6向电机控制器7发出第一振镜摆动控制指令，并向光源控制器8发出第一激光功率控制指令；

步骤2：电机控制器7根据第一振镜摆动控制指令控制振镜电机4转动，带动振镜3转动至第一角度；

步骤3：光源控制器8根据第一激光功率控制指令控制激光光源1工作，以第一功率发出第一激光束，第一激光束被处于第一角度的振镜3反射；

步骤4：中央控制器6向电机控制器7发出第二振镜摆动控制指令，并向光源控制器8发出第二激光功率控制指令；

步骤5：电机控制器7根据第二振镜摆动控制指令控制振镜电机4转动，带动振镜3转动至第二角度；

步骤6：光源控制器根据第二激光功率控制指令控制激光光源1工作，以第二功率发出第二激光束，第二激光束被处于第二角度的振镜3反射，其中，第二功率与第一功率不同。

特别地，第一激光束被处于第一位置，第二激光束被处于第二位置，第一位置比第二位置更靠近摆动范围的边界、且更远离摆动范围的中心，相应地，第一激光束的功率低于第二激光束的功率。

根据以上控制方法，当操作人员手持操作该焊接设备沿一焊接路径移动时，激光束的光斑在摆动范围内往复摆动，形成多个线性轨迹首尾相连而成的锯齿形轨迹(如图2所示)。对于每个线性轨迹，上述第一位置处光斑与相邻另一线性轨迹中的光斑的重合程度大于上述第二位置处的光斑与相邻另一线性轨迹中的光斑的重合程度，但由于第一位置处的激光功率低于第二位置处的激光功率，使得第一位置附近的累积激光能量与第二位置附近的累积激光能量相近。因此，在整体上，每个线性轨迹各个位置附近的累积激光能量相近，从而可获得均匀的能量分布，这种均匀的能量分布可以显著地克服焊缝边缘处被过度加热而产生焊接缺陷的问题，从而提高了焊接质量。

本文参照优选的实施例详细描述了本发明的示范性实施方式，然而本领域技术人员可理解的是，在不背离本发明构思的前提下，可以对上述具体实施例做出多种变型和改型，且可以对本发明提出的各种技术特征、结构进行多种组合，而不超出本发明的保护范围，本发明的保护范围由所附的权利要求确定。

Claims (14)

1.一种手持式激光焊接设备，其特征在于，包括：

激光光源，其被配置为在光源控制器的控制下发出激光束；

振镜，其反射激光束，并连接至振镜电机，振镜电机在电机控制器的控制下驱动振镜往复摆动，被反射的激光束在一摆动范围内往复摆动；和

中央控制器，其被配置为控制光源控制器和电机控制器，使得：

当激光束处于距离摆动中心更远的第一位置处时具有第一功率，当激光束处于距离摆动中心更近的第二位置处时具有第二功率，第一功率低于第二功率。

2.根据权利要求1所述的手持式激光焊接设备，其特征在于，激光束的功率从摆动范围两侧到摆动范围中心逐渐增大。

3.根据权利要求2所述的手持式激光焊接设备，其特征在于，激光束的功率从摆动范围两侧到摆动范围中心线性增大。

4.根据权利要求1-3中任一项所述的手持式激光焊接设备，其特征在于，所述摆动范围的角度被分为多个角度段，每个角度段内的激光束的功率相同。

5.根据权利要求4所述的手持式激光焊接设备，其特征在于，所述多个角度段是等间距的，或者，所述多个角度段是不等间距的。

6.根据权利要求1-3中任一项所述的手持式激光焊接设备，其特征在于，中央控制器被配置为控制光源控制器和电机控制器，以同步地实现激光束的第一位置和第一功率，同步地实现激光束的第二位置和第二功率。

7.根据权利要求1所述的手持式激光焊接设备，其特征在于，还包括：

准直透镜，其将激光光源发出的发散光束偏转为平行光束，振镜反射该平行光束；

聚焦透镜，其将被反射的平行光束偏转为会聚光束，会聚光束投射至被焊接的工件。

8.一种手持式激光焊接设备的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

中央控制器发出激光功率控制指令和振镜摆动控制指令；

光源控制器接收所述激光功率控制指令，控制激光光源发出激光束；

电机控制器接收所述振镜摆动控制指令，控制振镜电机驱动振镜往复摆动，并反射激光束在一摆动范围内往复摆动；

其中，所述激光功率控制指令和振镜摆动控制指令被配置为使得：当激光束处于距离摆动中心更远的第一位置处时具有第一功率，当激光束处于距离摆动中心更近的第二位置处时具有第二功率，第一功率低于第二功率。

9.根据权利要求8所述的控制方法，其特征在于，激光束的功率从摆动范围两侧到摆动范围中心逐渐增大。

10.根据权利要求9所述的控制方法，其特征在于，激光束的功率从摆动范围两侧到摆动范围中心线性增大。

11.根据权利要求8至10中任一项所述的控制方法，其特征在于，所述摆动范围的角度被分为多个角度段，每个角度段内的激光束的功率相同。

12.根据权利要求11所述的控制方法，其特征在于，所述多个角度段是等间距的，或者，所述多个角度段是不等间距的。

13.根据权利要求8至10中任一项所述的控制方法，其特征在于，中央控制器发出激光功率控制指令和振镜摆动控制指令，以同步地实现激光束的第一位置和第一功率，同步地实现激光束的第二位置和第二功率。

14.根据权利要求8至10中任一项所述的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

中央控制器发出第一振镜摆动控制指令和第一激光功率控制指令；

电机控制器接收第一振镜摆动控制指令，控制振镜电机转动，驱动振镜转动至第一角度；

光源控制器接收第一激光功率控制指令，控制激光光源以第一功率发出第一激光束，第一激光束被处于第一角度的振镜反射至工件表面，第一激光束处于距离摆动中心更远的第一位置处；

中央控制器发出第二振镜摆动控制指令和第二激光功率控制指令；

电机控制器接收第二振镜摆动控制指令，控制振镜电机转动，带动振镜转动至第二角度；

光源控制器接收第二激光功率控制指令，控制激光光源以高于第一功率的第二功率发出第二激光束，第二激光束被处于第二角度的振镜反射至工件表面，第二激光束处于距离摆动中心更近的第二位置处。