CN109807417B - 一种激光主动切割焊丝控制熔滴温度的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种激光主动切割焊丝控制熔滴温度的方法，包括：调节焊枪和激光器的空间位置，电弧加热焊丝和基板，形成熔滴和熔池；通过弧压检测与反馈***检测焊接过程中的电压并驱动伺服电机调节送丝速度改变干伸长；采用机器视觉实时检测熔滴位置，测量熔滴底部到激光入射点之间的距离；计算机根据弧压反馈信号与熔滴位置检测，当熔滴到预定位置，触发脉冲激光照射焊丝；固定激光入射点，改变干伸长，在同样热输入的情况下能够通过调节焊丝熔化量，改变熔滴温度。利用激光切割焊丝能够提高焊丝的熔敷效率，对熔滴温度的调控可以减小电弧增材制造过程对基板的热输入，能够有效控制热积累严重以及熔池过热现象。
Description
技术领域
本发明涉一种激光主动切割焊丝控制熔滴温度的方法，属于焊接质量控制领域。
背景技术
在增材制造领域，以电弧为热源的金属零件增材制造技术具有设备简单、材料利用率高、生产效率高等优点。电弧增材制造技术采用电弧作为热源将金属丝材熔化，按设定成形路径在基板上堆积层片，层层堆敷直至金属零件成形。但电弧增材制造过程是以高温液态金属熔滴过渡的方式进行，随堆积层数的增加，堆积零件热积累严重、散热条件差、熔池过热、难于凝固、堆积层形状难于控制。因此，在可控熔滴温度和质量输入的情况下形成稳定的熔滴过渡可以有效控制热量积累，改变熔敷质量。
随着工业4.0的到来，现代焊接技术向高效、优质、低耗方向发展，对焊接过程中热、质、力的控制提出了越来越高的要求。附加外力是实现传热传质解耦的必要手段，而目前CMT，旁路GMAW，超声GMAW和磁控GMAW等方法都还只能实现焊接熔滴过渡与电弧的部分解耦。要实现理想的完全电流解耦的熔滴过渡，关键在于找到一种方式能够引入足够大的外力而不对焊接电弧本身造成明显干扰。
发明内容
针对电弧增材制造中热量累积严重和熔池过热问题，提出一种激光主动切割焊丝控制熔滴温度的方法。
激光主动切割焊丝控制熔滴温度的方法，包括下述步骤：
一、调节焊枪和激光器的空间位置，电弧加热焊丝和基板，形成熔滴和熔池
二、通过弧压检测与反馈***检测焊接过程中的电压并驱动伺服电机调节送丝速度改变干伸长。
三、采用机器视觉实时检测熔滴位置，测量熔滴底部到激光入射点之间的距离。
四、计算机根据弧压反馈信号与熔滴位置检测，当熔滴到预定位置，触发脉冲激光照射焊丝。
五、固定激光入射点，改变干伸长(照射焊丝的高度不同)，在同样热输入的情况下能够通过调节焊丝熔化量，改变熔滴温度。
所述电弧增材热源为熔化极气体保护焊接电源或非熔化极气体保护焊电源配合送丝机构。
所述激光为单束脉冲激光。所述激光频率为10-300Hz，激光功率范围在500-6000W，焊接电流范围在10-300A。
所述丝材直径≤1.6mm。
附图说明
图1是激光主动切割焊丝控制熔滴温度***示意图；
图2是激光主动切割焊丝示意图；
图3激光主动切割焊丝熔滴过渡行为高速摄像。
图中：1-计算机控制***2-电弧增材热源，3-伺服电机送丝***，4-弧压检测与反馈***，5-机器视觉实时采集***，6-脉冲激光发生器，7-焊枪，8-基板，9-固态焊丝-熔滴结合体。
具体实施方式
如图1所示，本实施例采用的设备包括：计算机控制***1、伺服电机送丝***3、弧压检测与反馈***4、机器视觉实时采集***5。基板为5mm的Q235，金属丝材为直径0.8mm的ER50-6碳钢焊丝，保护气体为99.99％的氩气。
具体激光主动切割焊丝的熔滴温度控制包括以下步骤：
电弧增材热源2熔化焊丝和基板，形成熔滴和熔池，计算机控制***1根据弧压检测与反馈***4采集到的电压信号驱动伺服电机送丝***3来调节送丝速度，稳定弧长。同时，计算机控制***1根据机器视觉实时采集***5检测到熔滴的预定位置，触发脉冲激光发生器6发出脉冲激光切割焊丝，切断的固态焊丝&熔滴结合体9在电弧热的作用下熔化形成熔滴，进入熔池。
激光主动切割焊丝熔滴温度控制原理：
用于加热和熔化焊丝的总热量Pm主要有两部分组成：电弧的近电极区产热和电阻热(熔化极气体保护焊才有电阻热)，可用下式表示：
Pm＝Ia(Um+IaRS)
其中，Ia为焊接电流，Um为电弧热熔化焊丝的等效电压，RS为焊丝伸出长度的电阻值。
如图2和3所示，当激光切割焊丝时，用于加热和熔化焊丝的总热量Pm基本不变，但是不同的切割位置会得到不同质量的“固态焊丝&熔滴结合体”，而“结合体”脱离焊丝后在电弧热的加热作用下形成新的熔滴，即对熔滴的热输入不变，但熔滴进入熔池时的整体质量增加，使得熔滴整体温度减小。通过调节切割位置得到不同质量的“结合体”，来调控熔滴温度，并且提高了丝材的熔化效率。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。
Claims (4)
1.一种激光主动切割焊丝控制熔滴温度的方法，其特征在于，包括下述步骤：
步骤1、调节焊枪和激光器的空间位置，电弧加热焊丝和基板，形成熔滴和熔池；
步骤2、通过弧压检测与反馈***检测焊接过程中的电压并驱动伺服电机调节送丝速度改变干伸长；
步骤3、采用机器视觉实时检测熔滴位置，测量熔滴底部到激光入射点之间的距离；
步骤4、计算机控制***根据机器视觉实时采集***检测熔滴位置，当熔滴到预定位置，触发脉冲激光照射焊丝；
步骤5、固定激光入射点，改变干伸长，在同样热输入的情况下能够通过调节焊丝熔化量，改变熔滴温度；
其中，用于加热和熔化焊丝的总热量Pm由两部分组成：电弧的近电极区产热和电阻热；采用下式表示：
Pm＝Ia(Um+IaRS)
其中，Ia为焊接电流，Um为电弧热熔化焊丝的等效电压，RS为焊丝伸出长度的电阻值，
电弧增材热源熔化焊丝和基板，形成熔滴和熔池，计算机控制***根据弧压检测与反馈***采集到的电压信号驱动伺服电机送丝***来调节送丝速度，稳定弧长；同时，计算机控制***根据机器视觉实时采集***检测熔滴位置，当熔滴到预定位置，触发脉冲激光发生器发出脉冲激光切割焊丝，当激光切割焊丝时，用于加热和熔化焊丝的总热量基本不变，即对熔滴的热输入不变，不同的切割位置得到不同质量的“固态焊丝-熔滴结合体”，切断的“固态焊丝-熔滴结合体”在电弧热的作用下形成新的熔滴，熔滴进入熔池时的整体质量增加，使得熔滴整体温度减小；即通过调节切割位置得到不同质量的“固态焊丝-熔滴结合体”，来调控熔滴温度。
2.根据权利要求1所述激光主动切割焊丝控制熔滴温度的方法，其特征在于，电弧增材热源为熔化极气体保护焊接电源或非熔化极气体保护焊电源。
3.根据权利要求1所述激光主动切割焊丝控制熔滴温度的方法，其特征在于，激光为单束脉冲激光，所述激光的频率为10-300Hz，激光功率范围在500-6000W，焊接电流范围在10-300A。
4.根据权利要求1所述激光主动切割焊丝控制熔滴温度的方法，其特征在于，焊丝直径≤1.6mm。
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