CN115446455B - 一种基于功率随动控制的拐角激光焊接方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于功率随动控制的拐角激光焊接方法，包括以下步骤：步骤1：准备焊接试板和焊接设备；步骤2：根据工艺需求，开展工艺试验，结合焊接工艺手册确定焊接工艺参数；步骤3：基于时间维度的焊接比能量分析，制定时间维度下的功率随动控制策略；步骤4：基于空间维度的能量密度分析，优化功率随动控制策略；步骤5：设置激光焊接工艺参数及功率随动控制策略参数，根据优化后功率随动控制策略完成试件拐角焊缝的焊接。本发明基于时间与空间维度同时考虑拐角处的焊接比能量与激光能量密度分布，优化激光功率和焊接速度之间的匹配关系，对功率随动控制策略进行优化以达到最优效果，从而实现拐角处的高质量激光焊接。

Description

一种基于功率随动控制的拐角激光焊接方法

技术领域

本发明涉及激光焊接技术领域，尤其涉及一种基于功率随动控制的拐角激光焊接方法。

背景技术

激光焊接具有焊缝深宽大，热影响区小、热变形小、热源形状易于控制、柔性好等独特优势，也可与机器人具有高度相适应性，能够实现自动数字化焊接生产，可减少人力资源的使用，为优质、高效及规范化的焊接生产开辟了广阔的前景。随着新型高性能、大功率激光器的研制和发展，以及对高质量焊接的需求，激光焊接成为当前最有发展前途的焊接方法之一，具有显著的优越性和强大的生命力。

在连续多段精密焊接过程中，要求各段连接拐角焊缝均匀、熔深一致。为了满足焊接工艺要求，焊接轨迹的拐角处一般不能做圆滑过渡，因此按常规速度规划，两段存在夹角的焊缝的连接处必然存在加减速区域，会造成激光能量的累积，导致折角处焊缝不均匀，熔深变化明显，严重影响焊接质量。

为了保证折角处焊缝的均匀性，传统方式是在折角处采用三角迂回的速度规划策略，即通过增加预加减速的空走路径，在折角处，增加圆弧或三角过渡，使得速度变化的过程在非焊接路径中完成，以保证焊接路径速度的恒定性，但该策略增加了运动路径，时间消耗更大，加工效率降低。因此，在激光焊接中，拐角焊缝的高质量焊接是亟需解决的问题。

发明内容

1.要解决的技术问题

本发明的目的是为了解决拐角处焊接质量差的难题，克服现有技术中拐角处焊接增加了运动路径，时间消耗更大，加工效率降低的问题，而提出的一种基于功率随动控制的拐角激光焊接方法，实现拐角处焊接质量优化。

2.技术方案

为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：

一种基于功率随动控制的拐角激光焊接方法，包括以下步骤：

步骤1：准备焊接试板和焊接设备；

步骤2：根据工艺需求，开展工艺试验，结合焊接工艺手册确定焊接工艺参数；

步骤3：基于时间维度的焊接比能量分析，制定时间维度下的功率随动控制策略，基于时间维度的焊接比能量定义为：

其中P为激光功率，V为焊接速度，单位为J/mm，由公式(1)可知，焊接热输入与激光功率呈正相关，与焊接速度呈负相关；

激光振镜控制系统采用直线加减速算法控制激光振镜，在激光振镜加减速过程中速度与时间成线性关系，其中v_p为焊接速度，p_work为焊接功率，a为加速度速度公式为：

步骤4：基于空间维度的能量密度分析，优化功率随动控制策略，用功率密度(激光功率除以光斑面积，单位为W/mm²)来描述空间维度内激光能量的强度；

步骤5：设置激光焊接工艺参数及功率随动控制策略参数，根据优化后功率随动控制策略完成试件拐角焊缝的焊接。

优选地，所述步骤2中焊接工艺参数包括：激光功率P，焊接速度V，离焦量Z，保护气流量Q等。

优选地，所述步骤3中常规方式下，整个焊接过程中功率p_work恒定不变，将公式(2)、p_work代入公式(1)，可以得到未调控焊接模式下的焊接比能量Q＝p_work/v(t)，匀速阶段，速度与功率均保持恒定不变，从而焊接比能量Q稳定输出；加减速阶段，由于速度的变化，焊接比能量Q不再稳定输出，在时间维度，拐角处焊接轨迹的比能量由于速度变小而发生累积。

优选地，所述步骤3中对功率进行线性调控，制定功率随动控制策略，在速度0～v_p的线性变化过程中，功率随之按照0～p_work线性变化，令功率线性变化系数为：

则功率输出为：

将式(2)、式(3)、式(4)代入式(1)可得Q＝p_work/v_p，在功率随动控制策略下，匀速阶段，速度与功率依旧保持恒定，不影响焊接比能量的稳定输出；加减速过程中速度与功率协同变化，保持焊接比能量Q为常数，即在时间维度内，整个焊接过程的焊接比能量保持恒定。

优选地，所述步骤4中为了表述整个焊接过程中的能量密度分布，假设激光光束为平面热源，且光强按照高斯能量分布，激光光束的光强分布式：

其中η为材料的激光吸收率，P为激光功率,r₀为激光光斑半径，x(t)和y(t)分别为光斑的实际位置；

式中，E(x,y)为激光照射到材料表面的能量密度，单位为J/mm²，I(x,y,t)为t时刻点(x,y)处的光束强度；计算式(6)，以此得到整个焊接过程的空间维度内激光能量的分布。

优选地，所述对时间维度下的功率随动控制策略进行优化，引入空间维度的能量密度分布分析，考虑空间维度内因光斑重叠引起的能量累积问题，增加拐角处熄光过程，以减小光斑重叠面积，通过设置节点功率p_c，控制熄光起始点，以找到最优光斑重叠面积，消除光斑重叠对空间维度的能量密度分布的影响，其中节点功率p_c为功率变化曲线中的一点，当功率随动变化至p_c以下时，激光器熄光，当功率随动变化再次达到p_c时，熄光过程结束，激光器重新出光；

通过遍历计算以确定最佳节点功率p_c，使得拐角处的激光能量密度分布均匀一致。

优选地，所述步骤5中主要参数有：激光功率P、焊接速度V、焊接加速度a，保护气流量Q,离焦量Z，节点功率Pc。

3.有益效果

相比于现有技术，本发明的优点在于：

(1)本发明中，针对拐角激光焊接存在的因加减速及光斑重叠引起的能量累积问题，基于时间与空间维度，同时考虑拐角处的焊接比能量与激光能量密度分布，优化激光功率和焊接速度之间的匹配关系，对功率随动控制策略进行优化以达到最优效果，从而实现拐角处的高质量激光焊接。

(2)本发明中，提出的功率随动控制策略在不降低焊接效率、保证熔深质量的同时，有效抑制拐角焊缝缺陷的生成，实现拐角处高质量的激光焊接。

(3)本发明中，通过控制系统执行功率随动控制策略，以实现拐角处的高质量激光焊接，不需要复杂的机械结构支持，没有额外的硬件成本投入。

附图说明

图1为恒功率焊接模式激光功率与焊接速度关系示意图；

图2为基于时间维度的功率随动控制模式激光功率与焊接速度关系示意图；

图3为功率随动控制策略调控前后拐角处焊接轨迹的光斑重叠示意图；

图4为基于时间与空间维度的功率随动控制模式激光功率与焊接速度关系示意图；

图5为功率随动控制策略调控前后拐角处焊缝宏观形貌图；

图6为功率随动控制策略调控前后拐角处焊缝横切面形貌图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。

实施例1：

一种基于功率随动控制的拐角激光焊接方法，包括以下步骤：

步骤1：准备焊接试板和焊接设备；

步骤2：根据工艺需求，开展工艺试验，结合焊接工艺手册确定焊接工艺参数，包括：激光功率P，焊接速度V，离焦量Z，保护气流量Q等；

步骤3：基于时间维度的焊接比能量分析，制定时间维度下的功率随动控制策略。

具体地，在该步骤中，基于时间维度的焊接比能量定义为：

其中P为激光功率，V为焊接速度，单位为J/mm。由公式(1)可知，焊接热输入与激光功率呈正相关，与焊接速度呈负相关。

激光振镜控制系统采用直线加减速算法控制激光振镜，在激光振镜加减速过程中速度与时间成线性关系，如图1所示。其中v_p为焊接速度，p_work为焊接功率。速度公式为：

常规方式下，整个焊接过程中功率p_work恒定不变，将公式(2)、p_work代入公式(1)，可以得到未调控焊接模式下的焊接比能量Q＝p_work/v(t)。匀速阶段，速度与功率均保持恒定不变，从而焊接比能量Q稳定输出；加减速阶段，由于速度的变化，焊接比能量Q不再稳定输出，在时间维度，拐角处焊接轨迹的比能量由于速度变小而发生累积。

为此，在本实施例中，对功率进行线性调控，制定功率随动控制策略。在速度0～v_p的线性变化过程中，功率随之按照0～p_work线性变化，如图2所示。令功率线性变化系数为：

则功率输出为：

将式(2)、式(3)、式(4)代入式(1)可得Q＝p_work/v_p。在功率随动控制策略下，匀速阶段，速度与功率依旧保持恒定，不影响焊接比能量的稳定输出；加减速过程中速度与功率协同变化，保持焊接比能量Q为常数，即在时间维度内，整个焊接过程的焊接比能量保持恒定；

步骤4：基于空间维度的能量密度分析，优化功率随动控制策略。

具体地，通常用功率密度(激光功率除以光斑面积，单位为W/mm²)来描述空间维度内激光能量的强度。为了表述整个焊接过程中的能量密度分布，假设激光光束为平面热源，且光强按照高斯能量分布，激光光束的光强分布式：

其中η为材料的激光吸收率，P为激光功率,r₀为激光光斑半径，x(t)和y(t)分别为光斑的实际位置。

式中，E(x,y)为激光照射到材料表面的能量密度，单位为J/mm²，I(x,y,t)为t时刻点(x,y)处的光束强度。

计算式(6)，以此得到整个焊接过程的空间维度内激光能量的分布，结果表明，虽然通过上一步骤的时间维度下的功率随动控制策略使得在时间维度，焊接比能量保持恒定，加减速过程引起的能量累积被消除，但拐角处还存在明显的能量累积，这是由拐角处光斑的重叠导致的，如图3所示。

为此，对时间维度下的功率随动控制策略进行优化，引入空间维度的能量密度分布分析，考虑空间维度内因光斑重叠引起的能量累积问题，增加拐角处熄光过程，以减小光斑重叠面积。通过设置节点功率p_c，控制熄光起始点，以找到最优光斑重叠面积，消除光斑重叠对空间维度的能量密度分布的影响。其中节点功率p_c为功率变化曲线中的一点，当功率随动变化至p_c以下时，激光器熄光，当功率随动变化再次达到p_c时，熄光过程结束，激光器重新出光。

通过遍历计算以确定最佳节点功率p_c，使得拐角处的激光能量密度分布均匀一致。

优化后的功率随动控制策略下的激光功率与焊接速度的变化关系如图4所示，其拐角处的能量密度分布均匀一致。在焊接过程中采用优化后的功率随动控制策略，即在时间维度下的功率随动控制策略的基础上，在空间维度进一步地优化能量密度分布，在不降低焊接速度的情况下，优化激光功率和焊接速度之间的匹配关系，可保证时间与空间维度内激光能量的分布均匀一致；

步骤5：设置激光焊接工艺参数及功率随动控制策略参数，根据优化后功率随动控制策略完成试件拐角焊缝的焊接。

具体地，在该步骤中，涉及地主要参数有：激光功率P、焊接速度V、焊接加速度a，保护气流量Q,离焦量Z，节点功率Pc。

本发明中，针对拐角激光焊接存在的因加减速及光斑重叠引起的能量累积问题，基于时间与空间维度同时考虑拐角处的焊接比能量与激光能量密度分布，优化激光功率和焊接速度之间的匹配关系，对功率随动控制策略进行优化以达到最优效果，从而实现拐角处的高质量激光焊接。

本发明中，提出的功率随动控制策略在不降低焊接效率、保证熔深质量的同时，有效抑制拐角焊缝缺陷的生成，实现拐角处高质量的激光焊接。

本发明中，通过控制系统执行功率随动控制策略，以实现拐角处的高质量激光焊接，不需要复杂的机械结构支持，没有额外的硬件成本投入。

实施例2：

其具有上述实施例的实施内容，其中，对于上述实施例的具体实施方式可参阅上述描述，此处的实施例不作重复详述；而在本申请实施例中，其与上述实施例的区别在于：

1、将3003铝合金板焊接表面用无水乙醇进行擦拭，以去除表面油污和灰尘等。

2、将3003铝合金板水平放置在焊接操作台，并用夹具加紧。

3、调整激光头偏角为7°，以避免激光反射损坏光纤，调整焊接焦点平面位置，使得激光焦点平面位于铝合金板的上表面。

具体地，3003铝合金为高反材料，为避免激光反射损坏光纤，使用六轴机器人调整激光头沿着激光束运动方向偏转7°。使用六轴机器人调整扫描振镜的高度，使得激光焦点位于铝合金板的焊接表面。

4、根据工艺要求，确定焊接工艺参数。

具体地，在本实施例中，激光功率为3000W，焊接速度20mm/s，焊接加速度300mm/s^2。为了验证本申请所提出的功率随动控制策略的有效性，分别进行了45°、90°、135°不同拐角条件下的焊接，同时为保证焊接结果不受材料表面质量的影响，在同一块3003铝合金板上进行了相同拐角条件下有无功率随动控制的焊接试验。

5、基于时间与空间维度同时考虑拐角处的焊接比能量与激光能量密度分布，优化激光功率和焊接速度之间的匹配关系，对功率随动控制策略进行优化，经过遍历计算，得到的最优节点功率p_c分别为1800W、900W、420W。

6、设置激光焊接工艺参数及功率随动控制策略参数，根据优化后功率随动控制策略完成试件拐角焊缝的焊接。

图5展示了本实施例调控前后拐角处焊缝的宏观形貌。采用本申请提出的基于时间与空间维度的功率随动控制策略后，拐角处焊缝尺寸的均匀性得到明显提高。常规方式下，焊缝尺寸不均匀，拐角轮廓存在突兀，并且随着拐角α的减小这一缺陷更加明显。而采用本申请提出的基于时间与空间维度的功率随动控制策略在不同的拐角条件下，均可有效改善拐角处的焊缝形貌，提升焊缝尺寸的均匀性，拐角处焊缝轮廓具有呈光滑圆弧过渡的趋势，说明了此方法的可行性。

图6为α＝45°,α＝90°,α＝135°时采用常规方式(图6(a-c))和本申请提出的基于时间与空间维度的功率随动控制策略(图6(d-f))得到的焊缝横截面形貌对比图。由图6(a-c)可知，未经调控的拐角处焊缝出现了明显的冶金型气孔，其中在90°与135°拐角条件下，气孔现象尤其明显。气孔缺陷的产生，大大降低了焊缝的整体焊接质量。由图6(d-f)可知，使用本文提出的基于时间与空间维度的功率随动控制策略，拐角处焊缝气孔现象得到明显改善，焊缝表面更加平整。由图6可知，本申请提出的基于时间与空间维度的功率随动控制策略并未对拐角处的焊缝熔深质量产生负面影响。能量调控后，α＝45°的拐角处焊缝熔深减小0.14mm，α＝90°的拐角处焊缝熔深减小0.09mm，α＝135°的拐角处焊缝熔深几乎没有变化，这说明抑制缺陷生成的同时，焊缝的熔深质量也得到有效保证。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种基于功率随动控制的拐角激光焊接方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：准备焊接试板和焊接设备；

步骤2：根据工艺需求，开展工艺试验，结合焊接工艺手册确定初始焊接工艺参数，其中初始焊接工艺参数包括：激光功率、焊接速度/>、离焦量/>、保护气流量；

步骤3：基于时间维度的焊接比能量分析，制定时间维度下的功率随动控制策略，使得在时间维度内，整个焊接过程的焊接比能量保持恒定，基于时间维度的焊接比能量定义为：

(1)

其中为激光功率，/>为焊接速度，焊接比能量/>的单位为/>；

采用直线加减速算法控制激光光斑运动速度，激光光斑运动速度公式为：

(2)

其中为匀速段焊接速度，/>为焊接加速度，/>为时间，/>为拐角前匀加速段结束时刻，为拐角前匀速段结束时刻，/>为拐角前匀减速段结束时刻即拐点的时刻，/>为拐角后匀加速段结束时刻，/>为拐角后匀速段结束时刻，/>为拐角后匀减速段结束时刻；

为了保持焊接比能量为常数，即在时间维度内，整个焊接过程的焊接比能量保持恒定，在速度/>的线性变化过程中，功率随之按照/>线性变化，令功率线性变化系数为：

(3)

其中为匀速段激光功率，则焊接功率随时间变化为：

(4)

步骤4：基于空间维度的能量密度分析，优化步骤3中制定的时间维度下的功率随动控制策略，计算节点功率，以消除拐角处光斑的重叠导致的能量累积；

为了表述整个焊接过程中的能量密度分布，用功率密度即激光功率除以光斑面积来描述激光的光束强度，功率密度的单位为，假设激光光束为平面热源，且光强按照高斯能量分布，则激光的光束强度分布为：

(5)

其中为材料的激光吸收率，/>为激光功率,/>为激光光斑半径，/>和/>分别为光斑的实际位置；

结合式(2)激光光斑运动速度方程、式(4)激光功率方程以及式(5)激光的光束强度分布方程，在运动时间内激光照射到材料表面的能量密度分布可表示为：

(6)

其中的单位为/>，/>为/>时刻点/>处的光束强度，以此可得到整个焊接过程的空间维度内激光能量密度分布；

在步骤3的焊接功率随时间变化的基础上，通过遍历计算确定节点功率，使得拐角处的激光能量密度分布/>均匀一致；

其中节点功率为功率变化曲线中的一点，在整个焊接过程中速度/>的线性变化过程中，功率随之按照/>线性变化，同时当功率随动变化至/>以下时，激光器熄光，当功率随动变化再次达到/>时，熄光过程结束，激光器重新出光；

步骤5：确定激光焊接工艺参数，完成试件拐角焊缝的焊接；

所述激光焊接工艺参数有：激光功率、焊接速度/>、离焦量/>、保护气流量、焊接加速度/>、节点功率/>。