CN116393815B - 一种考虑焊接倾斜角的激光扫描焊接方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种考虑焊接倾斜角的激光扫描焊接方法，包括：基于焊接头位姿受限的待焊接的腔体类结构件，确定焊接参数；根据所述焊接参数，通过激光扫描焊接方法，利用激光头内部反射镜的高频偏转实现激光束的振荡扫描，保证焊接头与焊件位置和姿态始终不变且焊接头与待焊接的腔体类结构件不接触的情况下，对所述腔体类结构件进行焊接。本发明提出的激光扫描焊接方法引入了变扫描宽度的振镜扫描运动以及速度矫正方法和功率调控策略，克服光斑直径变化、离焦量变化以及焊接速度变化对焊缝成形宽度、深度的影响，保证焊接质量。

Description

一种考虑焊接倾斜角的激光扫描焊接方法

技术领域

本发明属于激光扫描焊接领域，特别是涉及一种考虑焊接倾斜角的激光扫描焊接方法。

背景技术

在实际生产应用中，腔体类结构件有着尺寸大、结构复杂、壁薄等结构特点，因此制造难度大，为完成制造和控制成本会将复杂结构分解为十几或几十个较为简单的结构件进行制造，再采用焊接或铆接等方式连接成整体结构。

而在腔体类结构件实际焊接中，一方面焊接头与焊件或夹具极易产生干涉，导致焊接头与焊件的相对位置及姿态受到极大约束，严重影响焊接质量和效率。另一方面为了保护激光设备，防止焊接高反光性材料时激光束垂直入射造成垂直反射而对镜片和光纤造成伤害，通常也需要把焊接头偏转一定角度，这也加剧了焊接头的姿态限制。

针对这种应用场景，现有的解决方法包括（1）通过定制焊接头来进行狭小空间焊接作业，但这种方法存在成本高、加工柔性差、焊接性能受限等缺陷；（2）还有通过设计延长臂加装焊接设备以及图像回传设备进行狭小空间焊接工作，但这种方法存在结构复杂、刚性差、控制精度低等缺陷；（3）利用机械式微动结构，使加工束有小范围内的移动能力，对难接近及空间受限的区域进行焊接，但这种机械式微动结构受限于机械结构，存在响应速度慢、定位精度低、行程有限等缺陷。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供了如下方案：一种考虑焊接倾斜角的激光扫描焊接方法，包括：

基于焊接头位姿受限的待焊接的腔体类结构件，确定焊接参数；

根据所述焊接参数，通过激光扫描焊接方法，利用激光头内部反射镜的高频偏转实现激光束的振荡扫描，保证焊接头与焊件位置和姿态始终不变且焊接头与待焊接的腔体类结构件不接触的情况下，对所述腔体类结构件进行焊接。

优选地，所述焊接参数包括期望熔宽、期望熔深、焊接功率、焊接速度、保护气流量、离焦量、焊接倾斜角、焊接倾斜角预设阈值。

优选地，根据所述焊接参数，通过激光扫描焊接方法，利用激光头内部反射镜的高频偏转实现激光束的振荡扫描，对所述腔体类结构件进行焊接的过程还包括，

当扫描焊接过程中激光光束与待焊接工件之间存在焊接倾斜角时，根据速度矫正方法对扫描焊接速度进行修正；

当扫描焊接过程中激光光束与待焊接工件之间存在焊接倾斜角且所述焊接倾斜角大于焊接倾斜角预设阈值时，引入变扫描宽度的振镜扫描运动，基于预设的焊缝宽度以及实时计算的光斑直径，动态调整扫描振镜的扫描幅值；根据所述扫描幅值对焊接路径上沿焊缝方向各点的焊接功率进行线性调控。

优选地，根据速度矫正方法对扫描焊接速度进行修正的计算表达式为：

式中，为焊接倾斜角，V为焊接速度，i为第i个通信周期，m为第i个通信周期（dt）下发位置点的坐标值。

优选地，所述引入变扫描宽度的振镜扫描运动，基于预设的焊缝宽度以及实时计算的光斑直径，动态调整扫描振镜的扫描幅值的过程包括，

通过刀口法确定一组不同离焦量的位置点的光斑直径，基于直线插值的原则对这组位置点的光斑半径进行插值拟合，确定任意位置点的光斑半径；

基于预设的焊缝宽度以及所述光斑半径实时计算焊接路径各处在焊缝宽度方向上的扫描轨迹幅值，根据所述任意位置点的光斑半径在线动态调整扫描轨迹幅值。

优选地，所述任意位置点的光斑半径的表达式为：

式中，、/>分别为点Q_k-1、Q_k的位置点光斑半径，/>、/>分别为点Q_k-1、Q_k的离焦量。

优选地，所述扫描轨迹幅值的表达式为：

式中，H₀为预设的焊缝宽度；r（Z_i）为任意位置点的光斑半径。

优选地，根据所述扫描幅值对焊接路径上沿焊缝方向各点的焊接功率进行线性调控的过程包括，

确定焊接熔深满足工艺要求时的最小离焦量Z_min及对应的功率P_min以及最大离焦量Z_max及对应的功率取P_max，根据离焦量及对应的功率对焊缝上不同离焦量的各点进行功率线性调控；

所述功率线性调控表达式为：

。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

1.针对以腔体类结构件为代表的工件焊接时焊接头位姿受限的难题，本发明引入激光扫描焊接方法，利用激光头内部反射镜的高频偏转实现激光束的振荡扫描，在焊接过程振镜焊接头不需要与工件直接接触，且与焊件的相对位置和姿态始终保持不变，可以对难接近及空间受限的区域进行焊接。

2.针对激光扫描焊接时较大焊接倾斜角引起的焊接成形宽度变化问题，本发明引入变扫描宽度的振镜扫描运动，基于预设的焊缝宽度，实时计算的光斑直径，动态调整扫描振镜的扫描幅值，保证焊缝熔宽的一致性。

3.针对激光扫描焊接时因焊接倾斜角的存在，间接导致焊接平面内焊接速度发生变化的问题，提出一种速度矫正方法对扫描焊接速度进行修正，解决了在焊接平面内的扫描焊接速度不均匀的问题，保证焊接质量。

4.针对激光扫描焊接时焊接平面内焊接路径上各点离焦量和扫描幅值不同，以焊接熔深满足工艺要求为目标，对焊接路径上沿焊缝方向各点的焊接功率进行线性调控，以满足焊接工艺要求。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例的存在倾斜角的焊接示意图；

图2为本发明实施例的引入变幅值扫描运动后轨迹示意图；

图3为本发明实施例的点Qk'处扫描轨迹示意图；

图4为本发明实施例的激光扫描焊接速度矫正方法示意图。

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。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

本发明提供的一种考虑焊接倾斜角的激光扫描焊接方法，包括：

当腔体类结构件实际焊接要求期望熔宽为B₀，期望熔深要求大于H₀时，查询焊接手册和焊接试验经验，获取焊接参数如下，在平面内（一般焊接倾角小于5度）焊接时，需要功率为P₀，焊接速度为V₀，保护气流量为Q₀，离焦量为Z₀，焊接倾角为θ₀。

首先，当焊接头与焊件的相对位置及姿态受到约束，使得焊接倾斜角远大于5度，那么在焊接过程中，焊接倾斜角对工艺参数的影响不可忽略，最终影响到焊接质量，无法满足焊接要求，故需要进行工艺参数的修正，具体修正过程如下。

在存在焊接倾斜角θ情况下，焊接路径上激光到达各点的光程不同，导致各点离焦量存在差异，进一步地，光斑直径也会发生变化，最终会直接影响焊缝宽度，如图1所示，图1中1为光斑运动时的轮廓包络线，受倾斜角影响整个包络线宽度不一致，2为不同位置处光斑大小示意，3为焊接轨迹中心线，4为焊接平面的法向量示意，5为激光束示意，6为扫描振镜头，α为焊接平面倾斜角，θ为焊接轨迹的焊接倾斜角。需要说明的是，平面内的一条焊段上的焊接倾斜角处处不同，但通常情况下同一条焊段上焊接倾斜角变化可忽略不计，常常以焊段中点处的焊接倾斜角为整段的焊接参数。本发明中同样以焊段中点位置处的焊接倾斜角作为整条焊段的焊接倾斜角θ进行近似计算。激光光束通常为高斯光束，在不同加工条件下焊接效果会有显著不同，焊件材料、焊接表面质量、激光功率密度都会对焊缝宽度造成影响，并且会存在一些影响临界区，使得焊缝宽度发生突变。

考虑到离焦量是影响光斑直径的直接因素，因此通过刀口法确定一组不同离焦量的位置点的光斑直径。即离焦量分别为Z₁、Z₂、Z₃.....Z_k-1、Z_k.....Z_i-1、Z_n的位置点Q₁、Q₂、Q₃.....Q_k-1、Q_k.....Q_i-1、Q_n处，光斑半径分别为r₁、r₂、r₃.....r_k-1、r_k.....r_n-1、r_n。基于直线插值的原则对这组位置点的光斑半径进行插值拟合，确定任意位置点的光斑半径。以离焦量为z的位置点为例，该位置点的离焦量处于位置点Q_k-1和Q_k的离焦量之间，即离焦量z介于z_k-1和z_k之间，则该位置点光斑半径表达式为：

式中，、/>分别为点Q_k-1、Q_k的位置点光斑半径，/>、/>分别为点Q_k-1、Q_k的离焦量。

同理可求得焊接路径中心线上，任意两个相邻位置点之间各位置激光光斑半径表达式，如下：

为修正因光斑直径变化引起的焊缝宽度的差异，引入焊缝宽度方向上的变扫描幅值的振镜扫描运动，引入的扫描轨迹不做限制，如直线、圆、“8”字形等等，本发明以引入变扫描宽度的圆扫描为例进行说明，如图2所示，图2中以焊接路径Q₁Q_n上点Q₁、Q_k、Q_n三处振幅调整为例进行说明，调整后分别如焊接路径Q_1'Q_n'上点Q_1'、Q_k'、Q_n'所示，焊接路径中心线上位置点Q_1'、Q_k'、Q_n'处的扫描运动分别采用不同的扫描幅值A₁、A_k、A_n。

以焊接轨迹上点Q_k'的扫描幅值A_k为例。需要说明的是振镜沿焊缝宽度方向扫描的最大扫描幅值需小于光斑半径，因此焊缝宽度方向上的小范围扫描运动引起的离焦量变化可以忽略，即光斑直径变化可以忽略不计，故可近似认为点Q_k'引入的焊缝宽度方向的扫描轨迹上相邻处光斑半径一致，近似等于点Q_k'的光斑半径，如图3所示。

图3中，7为振镜扫描光斑中心点运动轨迹示意，8为扫描轨迹上运动中的光斑示意。点Q_k'处的焊缝宽度H_n可近似为在焊缝宽度方向上扫描光斑所覆盖的最大长度H_k，即H_n≈H_k=A_k+2r(z_k)。

又因为焊接工艺需求中焊接宽度为H₀，故有：

同理可以求得焊段上其余各处在焊缝宽度方向上的振镜扫描幅值表达式如下：

根据式(1)实时计算焊接路径各处在焊缝宽度方向上的扫描轨迹幅值，结合式(1)在线调整扫描轨迹幅值，达到改善焊接熔宽一致性问题的目的。

其次，考虑到焊接头与焊件的相对位置及姿态受到约束，存在不可忽略的较大的焊接倾斜角，导致振镜扫描光束在工件上的运动从匀速运动变化为变速运动，间接导致焊接速度发生变化，焊接质量无法得到保证，因此需要对速度进行修正。速度修正式推导如下。

如图4所示，图中点O为简化的振镜出光点，以焊接面内焊段起点点为原点，沿焊段中心线建立坐标轴x，点/>、/>、.../>为焊接平面内振镜扫描在不同时刻实际到达的位置点。点D为焊段中点位置，/>为点D处焊接倾斜角。因整个焊段的焊接倾斜角变化较小，故采用中点处焊接倾斜角/>作为整个焊段各处的焊接倾斜角进行计算。为后续计算，做如下坐标轴和辅助线：过点/>作垂直于线段OD的坐标轴，分别延长线段OD、线段/>、线段/>交于点/>、、/>。根据简单几何关系易得/>与点D处焊接倾斜角相等。

即，

原振镜运动控制方法均是在焊接倾斜角约等于0°的条件下进行振镜运动控制，而线段上点/>处的焊接倾斜角为0，将点/>处的焊接倾斜角近似为线段/>上各处的焊接倾斜角，那么点/>、/>...../>可视为原振镜运动控制方法在不同时刻所下发的目标位置坐标点。线段/>、/>分别为在原振镜运动控制方法下，振镜扫描运动任意时间后，所下发的理论扫描长度和焊接平面内振镜的实际扫描长度，H为振镜头到焊段中点位置的距离，/>为焊段中点位置的焊接倾斜角，在原速度控制方法下，同一时刻焊接平面上振镜扫描的实际路径长度较下发的路径长度会发生变化，即焊接速度会发生变化。

本发明提出一种矫正计算方法进行修正，具体计算方法如下。

为表示方便，对内线段和角进行重新命名，线段/>为n，线段/>为m，∠为∠N，∠/>为∠M。

又有，

则，

内根据正弦定理有，

又因，

故有，

将式（4）带入式（5）整理后可得，

焊接平面内焊接速度（V）已经确定，故焊接平面上第i个通信周期（dt）所下发位置点的坐标值n为，

据此结合式（6），矫正计算后，第i个通信周期（dt）下发位置点的坐标值m为，

这样即可对焊接平面内焊接速度进行矫正，使其保持不变。

考虑到焊接头与焊件的相对位置及姿态受到约束，导致较大的焊接倾斜角，在焊接平面内焊接过程中存在离焦量差异以及在焊缝宽度方向上的扫描轨迹幅值变化，引起焊接能量差异，本发明以焊接熔深满足工艺要求为调控目标，对焊接路径各处功率进行适当的线性调控，具体调控方法如下：

查询焊接手册和焊接试验经验，确定了在最小离焦量（Z_min）时功率取P_min时，最大离焦量（Z_max）时功率取P_max时，可以满足熔深的工艺要求。据此对焊缝上不同离焦量的各点进行功率线性调控，具体调控公式如下，

本发明提出的激光扫描焊接方法，针对焊接头与焊件或夹具极易产生干涉的问题，利用激光头内部反射镜的高频偏转实现激光束的振荡扫描，使具有一定功率密度的光斑能够聚焦到狭小空间内待焊接的不同位置，进而完成加工过程。在焊接过程中焊接头不需要与工件直接接触，且与焊件的相对位置和姿态始终保持不变，可以对难接近及空间受限的区域进行焊接。

同时考虑到在扫描焊接过程中激光光束与待焊接工件之间存在较大的焊接倾斜角，由此造成加工路径上各个位置激光束光程不同，使得扫描路径上光斑直径、离焦量以及焊接速度较无倾斜角时均发生变化，本发明提出的激光扫描焊接方法引入了变扫描宽度的振镜扫描运动以及速度矫正方法和功率调控策略，克服光斑直径变化、离焦量变化以及焊接速度变化对焊缝成形宽度、深度的影响，保证焊接质量。

以上所述的实施例仅是对本发明的优选方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (6)

1.一种考虑焊接倾斜角的激光扫描焊接方法，其特征在于，包括：

基于焊接头位姿受限的待焊接的腔体类结构件，确定焊接参数；

根据所述焊接参数，通过激光扫描焊接方法，利用激光头内部反射镜的高频偏转实现激光束的振荡扫描，保证焊接头与焊件位置和姿态始终不变且焊接头与待焊接的腔体类结构件不接触的情况下，对所述腔体类结构件进行焊接；

根据所述焊接参数，通过激光扫描焊接方法，利用激光头内部反射镜的高频偏转实现激光束的振荡扫描，对所述腔体类结构件进行焊接的过程包括，

当扫描焊接过程中激光光束与待焊接工件之间存在焊接倾斜角时，根据速度矫正方法对扫描焊接速度进行修正：

，

式中，为焊接倾斜角，V为焊接速度，i为第i个通信周期，m为第i个通信周期（dt）下发位置点的坐标值，/>表示原点，/>表示第n个点，H为振镜头到焊段中点位置的距离；

当扫描焊接过程中激光光束与待焊接工件之间存在焊接倾斜角且所述焊接倾斜角大于焊接倾斜角预设阈值时，引入变扫描宽度的振镜扫描运动，基于预设的焊缝宽度以及实时计算的光斑直径，动态调整扫描振镜的扫描轨迹幅值；根据所述扫描轨迹幅值对焊接路径上沿焊缝方向各点的焊接功率进行线性调控。

2.根据权利要求1所述的考虑焊接倾斜角的激光扫描焊接方法，其特征在于，所述焊接参数包括期望熔宽、期望熔深、焊接功率、焊接速度、保护气流量、离焦量、焊接倾斜角、焊接倾斜角预设阈值。

3.根据权利要求1所述的考虑焊接倾斜角的激光扫描焊接方法，其特征在于，所述引入变扫描宽度的振镜扫描运动，基于预设的焊缝宽度以及实时计算的光斑直径，动态调整扫描振镜的扫描轨迹幅值的过程包括，

通过刀口法确定一组不同离焦量的位置点的光斑直径，基于直线插值的原则对这组位置点的光斑半径进行插值拟合，确定任意位置点的光斑半径；

基于预设的焊缝宽度以及所述光斑半径实时计算焊接路径各处在焊缝宽度方向上的扫描轨迹幅值，根据所述任意位置点的光斑半径在线动态调整扫描轨迹幅值。

4.根据权利要求3所述的考虑焊接倾斜角的激光扫描焊接方法，其特征在于，所述任意位置点的光斑半径的表达式为：

，

式中，、/>分别为点Q_k-1、Q_k的位置点光斑半径，/>、/>分别为点Q_k-1、Q_k的离焦量，z表示离焦量；Q_k-1为第k-1处的位置点，Q_k为第k处的位置点。

5.根据权利要求1所述的考虑焊接倾斜角的激光扫描焊接方法，其特征在于，所述扫描轨迹幅值的表达式为：

，

式中，H₀为预设的焊缝宽度；r（Z_i）为任意位置点的光斑半径。

6.根据权利要求1所述的考虑焊接倾斜角的激光扫描焊接方法，其特征在于，根据所述扫描轨迹幅值对焊接路径上沿焊缝方向各点的焊接功率进行线性调控的过程包括，

确定焊接熔深满足工艺要求时的最小离焦量Z_min及对应的功率P_min以及最大离焦量Z_max及对应的功率取P_max，根据离焦量及对应的功率对焊缝上不同离焦量的各点进行功率线性调控；所述功率线性调控P(z)表达式为：

，其中，z表示离焦量。