CN114951996B - 一种激光能量时空协同调制的激光深熔焊接方法与系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种激光能量时空协同调制的激光深熔焊接方法，其主要步骤如下：工控机控制第一、第二函数发生器输出第一、第二正弦波形到环形光斑激光发生器，实现中心与环形光束激光功率正弦调制；采用环形光斑激光束完成激光深熔焊接；提供激光焊接系统、激光深熔焊接过程状态监测系统；其中，激光焊接头，第一CCD检测器、第二CCD检测器、反射镜同步移动，实时调控焊接过程。本发明通过对环形光斑激光束实现激光束能量时间和空间协同调制，改善焊接过程稳定性，提高焊缝表面成形质量；同时，对中心光束和环光束激光功率进行实时调控，获得高稳定性智能激光深熔焊接过程。
Description
技术领域
本发明涉及激光焊接领域，尤其涉及一种激光能量时空协同调制的激光深熔焊接方法与系统。
技术背景
激光深熔焊接是一种以高能量密度的激光束为热源的一种新型焊接方法，相比于传统的焊接方法，激光深溶焊接具有热输入小，能量集中，焊接效率高等突出优势，这些优势使得板材融化速率快，热影响区域小，从而实现高速焊接与高质量焊接。目前，激光深熔焊接技术积极应用在汽车、船舶、航空航天等制造领域中。
然而，尽管目前激光深熔焊接技术具有一定的优势，但也出现了一些技术问题。例如：不同金属材料在不同熔融阶段对于激光能量的吸收率各不相同，当表面温度过高，金属材料对激光反射率较高时，就不利于热量吸收；熔池在剧烈波动下也容易产生多种缺陷，如飞溅、气孔、表面成形粗糙等一系列问题，影响接头性能。上述问题出现的根本原因在于激光能量在焊接过程中的耦合效应不稳定。激光能量的输入决定了材料的熔化和蒸发效应，进而对激光深熔焊接熔池和小孔产生影响，与此同时，小孔的形状又对激光能量耦合吸收具有决定性作用。由此可知，激光深熔焊接时激光与材料的相互作用具有高度动态性，焊接过程极度复杂，控制难度较大，仅靠工艺参数的优化难以获得工艺窗口宽的焊接过程。
在2020年2月8日公开的，公开号为“CN 108581197 B”，发明名称为“一种激光能量调制焊接方法”的发明专利公开了一种激光能量调制焊接方法。焊接时，根据激光焊接特征时间，激光能量按一定的调制频率进行功率调制输出焊接，通过减少激光能量输入，使熔池剧烈蒸发过程减弱。但是该技术方案仍旧存在以下问题：不同阶段熔池功率恒定，升温速度与加热范围难以控制。
在2019年6月11日公开的，公开号为“CN 107378248 B”，发明名称为“基于波形调制的钼及钼合金对接接头的脉冲激光焊接方法”。在氩气的保护下，通过电阻加热板对待焊板材的待焊区域进行预热，采用梯形脉冲波形对激光器进行功率调制，完成基于波形调制的钼及钼合金对接接头的脉冲激光焊接。该焊接方法能够改善钼和钼合金脉冲激光焊接过程中的小孔稳定性，抑制气孔缺陷，提高钼及钼合金对接接头的脉冲激光焊焊缝质量。但是该技术方案仍旧存在以下问题：该方法中通过预先设置脉冲激光参数完成焊接，在实际操作中，不同材料难以保持一致的数值，如此增加了激光焊接工艺参数的匹配选择难度。
发明内容
本发明针对激光深熔焊过程稳定性差，易产生飞溅、气孔、表面成形粗糙等问题，提出一种激光能量时空协同调制的激光深熔焊接方法与系统。
本发明提供一种激光能量时空协同调制的激光深熔焊接方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1：提供待焊板材，对待焊板材进行预处理，除去板材上下表面的杂质。
步骤2：采用夹具将待焊板材进行装夹。
步骤3：提供激光焊接系统，激光焊接系统包括环形光斑激光发生器、传输光纤、第一函数发生器、第二函数发生器、激光焊接头、机械手、保护气体喷嘴。
步骤4：提供激光深熔焊接过程状态监测系统，激光深熔焊接过程状态监测系统包括第一CCD检测器、第二CCD检测器、第一移动滑台、第二移动滑台、反射镜。
步骤5：开启激光焊接系统，保护气体喷嘴向焊接区吹送保护气体，激光焊接头输出的环形光斑激光束垂直辐照待焊板材表面，激光焊接头在机械手的带动下，沿焊接路径移动实施焊接作业。
步骤6：开启激光深熔焊接过程状态监测系统，采用第一CCD实时监测上表面熔池轮廓大小和小孔开口大小，采用第二CCD实时监测下表面熔池轮廓大小。
步骤7：根据实时测量的小孔开口大小值x，参照小孔开口大小值x的临界条件，调整中心光束激光功率调制频率或振幅，其中小孔开口大小值x的临界条件为：当x<0.5mm时，减小中心光束功率调制频率或增大中心光束功率调制振幅；当x>2.5mm时，增大中心光束功率调制频率或减小中心光束功率调制振幅；根据实时测量的上表面熔池轮廓面积和下表面熔池轮廓面积，计算上表面熔池面积与下表面熔池面积比值y，参照上表面熔池面积与下表面熔池面积比值y的临界条件，调整环光束激光功率调制频率或振幅，其中焊接上表面熔池面积与下表面熔池面积比值y的临界条件为：当y<1.5mm时，减小环光束功率调制频率或增大环光束功率调制振幅；当y>5mm时，增大环光束功率调制频率或减小环光束功率调制振幅；
步骤8：当激光焊接头移动到焊接路径终点，关闭激光焊接系统，关闭激光深熔焊接过程状态监测系统，关闭保护气体，完成焊接过程。
优选地，步骤1中，待焊板材可以是不锈钢、铝合金、钛合金或镁合金。
优选地，待焊板材厚度为1-10mm。
优选地，步骤3中，第一函数发生器输出第一正弦波形到环形光斑激光发生器，实现中心光束激光功率正弦调制；第二函数发生器输出第二正弦波形到环形光斑激光发生器，实现环光束激光功率正弦调制。
优选地，第一正弦波形和第二正弦波形的频率和振幅均可以实时调整。
优选地，步骤4中，第一CCD检测器固定安装在激光焊接头上，反射镜安装在第一移动滑台，第二CCD检测器安装在第二移动滑台。
优选地，步骤4中，第一移动滑台和第二移动滑台在工控机的控制下，与激光焊接头同步移动。
优选地，步骤5中，激光焊接头输出的环形光斑激光束包含中心光束和环光束，中心光束激光能量密度大于106W/cm2，环光束激光能量密度小于104W/cm2。
本发明还提供一种激光能量时空协同调制的激光深熔焊接系统，包括激光焊接系统，激光深熔焊接过程状态监测系统，焊接夹具和工控机。所述激光焊接系统包括环形光斑激光发生器、传输光纤、第一函数发生器、第二函数发生器、激光焊接头、机械手、保护气体喷嘴。所述激光深熔焊接过程状态监测系统包括第一CCD检测器、第二CCD检测器、第一移动滑台、第二移动滑台、反射镜。待焊板材通过焊接夹具进行固定。工控机控制第一函数发生器输出第一正弦波形到环形光斑激光发生器，实现中心光束激光功率正弦调制，当实时测量的小孔开口大小值x<0.5mm时，减小中心光束功率调制频率或增大中心光束功率调制振幅；当x>2.5mm时，增大中心光束功率调制频率或减小中心光束功率调制振幅；工控机控制第二函数发生器输出第二正弦波形到环形光斑激光发生器，实现环光束激光功率正弦调制，当实时监测的焊接上表面熔池面积与下表面熔池面积比值y<1.5mm时，减小环光束功率调制频率或增大环光束功率调制振幅；当y>5mm时，增大环光束功率调制频率或减小环光束功率调制振幅。第一CCD检测器固定安装在激光焊接头上，反射镜安装在第一移动滑台，第二CCD检测器安装在第二移动滑台。第一移动滑台和第二移动滑台在工控机的控制下，与激光焊接头同步移动。保护气体喷嘴向焊接区域吹送保护气体。
本发明的有益效果在于：
1.本发明通过对环形光斑激光束的中心光束和环光束进行同步功率正弦调制实现激光束能量时间和空间协同调制，精确控制焊接能量密度和热输入，获得大开口高稳定性小孔和大涡流熔池流动，改善焊接过程稳定性，进而减少飞溅、气孔，提高焊缝表面成形质量。
2.本发明通过大量试验研究和在线监测技术，根据小孔开口大小值x的临界条件和焊接上表面熔池面积与下表面熔池面积比值y的临界条件，分别对中心光束和环光束激光功率进行实时调控，获得高稳定性智能激光深熔焊接过程。
附图说明
图1是一种激光能量时空协同调制的激光深熔焊接方法与系统所涉及的设备与板材布置示意图。
图2是中心光束功率调制激光功率波形图。
图3是环光束功率调制激光功率波形图。
图中，
1、板材，2、夹具，3、工控机，4、第一函数发生器，5、第二函数发生器，6、环形光斑激光发生器，7、传输光纤，8、激光焊接头，9、环形光斑激光束，10、机械手，11、保护气体喷嘴，12、第一CCD检测器，13、第二CCD检测器，14、第一移动滑台，15、第二移动滑台，16、反射镜。
具体实施方式
以下将结合附图1-3以及具体实施例来对本发明的技术方案进行详细说明。
如图1所示，本发明实施例提供一种激光能量时空协同调制的激光深熔焊接方法，包括如下步骤：
步骤1：提供5mm厚待焊镁合金板1，对待焊镁合金板1进行预处理，除去镁合金板1上下表面的杂质和氧化膜。
步骤2：采用夹具2将待焊镁合金板1进行对接并装夹。
步骤3：提供激光焊接系统，激光焊接系统包括环形光斑激光发生器6、传输光纤7、第一函数发生器4、第二函数发生器5、激光焊接头8、机械手10、保护气体喷嘴11。第一函数发生4器输出第一正弦波形(图2)到环形光斑激光发生器6，实现中心光束激光功率正弦调制，其中调制频率为200Hz，调制振幅为500W；第二函数发生器5输出第二正弦波形(图3)到环形光斑激光发生器6，实现环光束激光功率正弦调制，其中调制频率为100Hz，调制振幅为300W。
步骤4：提供激光深熔焊接过程状态监测系统，激光深熔焊接过程状态监测系统包括第一CCD检测器12、第二CCD检测器13、第一移动滑台14、第二移动滑台15、反射镜16。第一CCD检测器12固定安装在激光焊接头8上，反射镜16安装在第一移动滑台14，第二CCD检测器13安装在第二移动滑台15。在工控机3的控制下，第一移动滑台14和第二移动滑台15与激光焊接头8实现同步移动。
步骤5：开启激光焊接系统，保护气体喷嘴11向焊接区吹送保护气体，激光焊接头8输出的环形光斑激光束9垂直辐照待焊板材1表面，激光焊接头8在机械手10的带动下，沿焊接路径移动实施焊接作业。本实施例中，中心光束激光功率为1-2kW，中心光束激光能量密度大于106W/cm2，环光束激光功率为1.5-3kW，环光束激光能量密度小于104W/cm2。
步骤6：开启激光深熔焊接过程状态监测系统，采用第一CCD检测器12实时监测上表面熔池轮廓大小和小孔开口大小，采用第二CCD检测器13实时监测下表面熔池轮廓大小。
步骤7：根据实时测量的小孔开口大小值x，当x<0.5mm时，减小中心光束功率调制频率为50-150Hz；当x>2.5mm时，增大中心光束功率调制频率为225-350Hz。根据实时测量的上表面熔池轮廓面积和下表面熔池轮廓面积，计算上表面熔池面积与下表面熔池面积比值y，当y<1.5mm时，增大环光束功率调制振幅为350-550W；当y>5mm时，增减小环光束功率调制振幅为150-275W。
步骤8：当激光焊接头8移动到焊接路径终点，关闭激光焊接系统，关闭激光深熔焊接过程状态监测系统，关闭保护气体，完成焊接过程。
本方案通过对环形光斑激光束9的中心光束和环光束进行同步功率正弦调制实现激光束能量时间和空间协同调制，精确控制焊接能量密度和热输入，获得大开口高稳定性小孔和大涡流熔池流动，改善焊接过程稳定性，进而减少飞溅、气孔，提高焊缝表面成形质量。
本方案通过大量试验研究和在线监测技术，根据小孔开口大小值x的临界条件和焊接上表面熔池面积与下表面熔池面积比值y的临界条件，分别对中心光束和环光束激光功率进行实时调控，获得高稳定性智能激光深熔焊接过程。
如图1所示，本发明实施例还提供一种激光能量时空协同调制的激光深熔焊接系统，包括激光焊接系统，激光深熔焊接过程状态监测系统，焊接夹具2和工控机3。所述激光焊接系统包括形光斑激光发生器6、传输光纤7、第一函数发生器4、第二函数发生器5、激光焊接头8、机械手10、保护气体喷嘴11。所述激光深熔焊接过程状态监测系统包括第一CCD检测器12、第二CCD检测器13、第一移动滑台14、第二移动滑台15、反射镜16。待焊板材1通过焊接夹具2进行固定。工控机3控制第一函数发生器4输出第一正弦波形到环形光斑激光发生器6，实现中心光束激光功率正弦调制，当实时测量的小孔开口大小值x<0.5mm时，减小中心光束功率调制频率或增大中心光束功率调制振幅；当x>2.5mm时，增大中心光束功率调制频率或减小中心光束功率调制振幅；工控机3控制第二函数发生器5输出第二正弦波形到环形光斑激光发生器6，实现环光束激光功率正弦调制，当实时监测的焊接上表面熔池面积与下表面熔池面积比值y<1.5mm时，减小环光束功率调制频率或增大环光束功率调制振幅；当y>5mm时，增大环光束功率调制频率或减小环光束功率调制振幅。第一CCD检测器12固定安装在激光焊接头8上，反射镜16安装在第一移动滑台14，第二CCD检测器13安装在第二移动滑台15。第一移动滑台14和第二移动滑台15在工控机3的控制下，与激光焊接头8同步移动。保护气体喷嘴11向焊接区域吹送保护气体。
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 (8)
1.一种激光能量时空协同调制的激光深熔焊接方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1：提供待焊板材，对待焊板材进行预处理，除去板材上下表面的杂质；
步骤2：采用夹具将待焊板材进行装夹；
步骤3：提供激光焊接系统，激光焊接系统包括环形光斑激光发生器、传输光纤、第一函数发生器、第二函数发生器、激光焊接头、机械手、保护气体喷嘴；
步骤4：提供激光深熔焊接过程状态监测系统，激光深熔焊接过程状态监测系统包括第一CCD检测器、第二CCD检测器、第一移动滑台、第二移动滑台、反射镜；
步骤5：开启激光焊接系统，保护气体喷嘴向焊接区吹送保护气体，激光焊接头输出的环形光斑激光束垂直辐照待焊板材表面，激光焊接头在机械手的带动下，沿焊接路径移动实施焊接作业；
步骤6：开启激光深熔焊接过程状态监测系统，采用第一CCD实时监测上表面熔池轮廓大小和小孔开口大小，采用第二CCD实时监测下表面熔池轮廓大小；
步骤7：根据实时测量的小孔开口大小值x，参照小孔开口大小值x的临界条件，调整中心光束激光功率调制频率或振幅，其中小孔开口大小值x的临界条件为：当x<0.5mm时，减小中心光束功率调制频率或增大中心光束功率调制振幅；当x>2.5mm时，增大中心光束功率调制频率或减小中心光束功率调制振幅；根据实时测量的上表面熔池轮廓面积和下表面熔池轮廓面积，计算上表面熔池面积与下表面熔池面积比值y，参照上表面熔池面积与下表面熔池面积比值y的临界条件，调整环光束激光功率调制频率或振幅，其中焊接上表面熔池面积与下表面熔池面积比值y的临界条件为：当y<1.5mm时，减小环光束功率调制频率或增大环光束功率调制振幅；当y>5mm时，增大环光束功率调制频率或减小环光束功率调制振幅；
步骤8：当激光焊接头移动到焊接路径终点，关闭激光焊接系统，关闭激光深熔焊接过程状态监测系统，关闭保护气体，完成焊接过程。
2.根据权利要求1所述的一种激光能量时空协同调制的激光深熔焊接方法，在步骤1中待焊板材可以是不锈钢、铝合金、钛合金或镁合金。
3.根据权利要求1所述的一种激光能量时空协同调制的激光深熔焊接方法，在步骤1中待焊板材厚度为1-10mm。
4.根据权利要求1所述的一种激光能量时空协同调制的激光深熔焊接方法，在步骤3中第一函数发生器输出的波形为正弦波形，实现中心光束激光功率正弦调制；第二函数发生器输出的波形为正弦波形，实现环光束激光功率正弦调制；第一正弦波形和第二正弦波形的频率和振幅均实时调整。
5.根据权利要求1所述的一种激光能量时空协同调制的激光深熔焊接方法，在步骤4中第一CCD检测器固定位置为激光焊接头侧，反射镜安装位置为在第一移动滑台，第二CCD检测器安装位置为第二移动滑台。
6.根据权利要求1所述的一种激光能量时空协同调制的激光深熔焊接方法，在步骤4中第一移动滑台和第二移动滑台在工控机的控制下，可以与激光焊接头实现同步移动。
7.根据权利要求1所述的一种激光能量时空协同调制的激光深熔焊接方法，在步骤5中激光焊接头输出中心光束激光能量密度大于106W/cm2，环光束激光能量密度小于104W/cm2。
8.一种激光能量时空协同调制的激光深熔焊接系统，其特征在于，包括激光焊接系统，激光深熔焊接过程状态监测系统，焊接夹具和工控机；所述激光焊接系统包括形光斑激光发生器、传输光纤、第一函数发生器、第二函数发生器、激光焊接头、机械手、保护气体喷嘴；所述激光深熔焊接过程状态监测系统包括第一CCD检测器、第二CCD检测器、第一移动滑台、第二移动滑台、反射镜；待焊板材通过焊接夹具进行固定，工控机控制第一函数发生器输出第一正弦波形到环形光斑激光发生器，实现中心光束激光功率正弦调制，当实时测量的小孔开口大小值x<0.5mm时，减小中心光束功率调制频率或增大中心光束功率调制振幅；当x>2.5mm时，增大中心光束功率调制频率或减小中心光束功率调制振幅；工控机控制第二函数发生器输出第二正弦波形到环形光斑激光发生器，实现环光束激光功率正弦调制，当实时监测的焊接上表面熔池面积与下表面熔池面积比值y<1.5mm时，减小环光束功率调制频率或增大环光束功率调制振幅；当y>5mm时，增大环光束功率调制频率或减小环光束功率调制振幅；第一CCD检测器固定安装在激光焊接头上，反射镜安装在第一移动滑台，第二CCD检测器安装在第二移动滑台；第一移动滑台和第二移动滑台在工控机的控制下，与激光焊接头同步移动，保护气体喷嘴向焊接区域吹送保护气体。
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