CN115533316A - 一种大幅面薄板特种激光焊接装备及工艺 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种大幅面薄板特种激光焊接装备及工艺，激光摆动焊接机构在焊接过程中能够射出激光束，且激光摆动焊接机构能够控制激光束的运动轨迹；焊缝跟踪机构用于在激光摆动焊接机构到达焊缝前提前识别焊缝位置与宽度，且焊缝跟踪机构将采集信息发送至控制***处理以调整激光摆动焊接机构的激光束出射位置；焊接质量检测机构用于检测激光摆动焊接机构焊接后的焊缝形貌，焊接质量检测调整机构将检测信息发送至控制***，控制***调控副激光头进行二次熔化来调整焊缝；焊接质量检测调整机构、激光摆动焊接机构和焊缝跟踪机构形成的组装方向与焊缝焊接方向相同。本发明满足对接、搭焊两种形式的焊接，应对大尺度间隙变化的焊缝并保证焊接质量。

Description

一种大幅面薄板特种激光焊接装备及工艺

技术领域

本发明涉及激光焊接技术领域，具体涉及一种大幅面薄板特种激光焊接装备及工艺。

背景技术

随着金属材料制备水平的提高和加工工艺的提升，以及装备制造业转型升级对原材料性能要求的提高，新一代大幅面板材被广泛应用于装备制造与建筑工程等领域，其中焊接方法是最为关键的制造工艺，焊接过程与质量关乎其整体性能与服役水平。

但由于大幅面板材空间尺度大，几何形状复杂，焊缝长等特点，传统的弧焊焊接设备无法满足其高速、高效、高质的焊接要求；当板材较薄(小于1mm)，焊接时采用极易烧穿，采用冷焊或者氩弧焊时虽然烧穿现象改善但焊接效率低，热变形大；而且板材由于加工、运输等问题，无法保证边缘平整，导致两板材拼接后的缝隙较大且不均匀，难以进行焊接。

发明内容

本发明的目的在于提供一种大幅面薄板特种激光焊接装备及工艺，以解决现有技术中薄板难焊，而长薄板更难焊的技术问题。

为解决上述技术问题，本发明具体提供下述技术方案：

一种大幅面薄板特种激光焊接装备，其特征在于，包括：

激光摆动焊接机构，在焊接过程中能够射出激光束，且所述激光摆动焊接机构能够控制激光束的运动轨迹；

焊缝跟踪机构，设置在所述激光摆动焊接机构的侧边，所述焊缝跟踪机构用于在所述激光摆动焊接机构到达焊缝前提前识别焊缝位置与宽度，且所述焊缝跟踪机构将采集信息发送至控制***处理以调整所述激光摆动焊接机构的激光束出射位置；

焊接质量检测调整机构，设置在所述激光摆动焊接机构的另一侧边，所述焊接质量检测调整机构用于检测所述激光摆动焊接机构焊接后的焊缝形貌，所述焊接质量检测调整机构将检测信息发送至所述控制***，所述控制***调控所述焊接质量检测调整机构工作以二次调整焊缝；

其中，薄板在运动平台的驱动作用下沿着所述激光摆动焊接机构的下方线性移动，且所述焊接质量检测调整机构、激光摆动焊接机构和焊缝跟踪机构形成的组装方向与焊缝焊接方向相同。

作为本发明的一种优选方案，所述激光摆动焊接机构包括激光摆动焊接头，以及与所述激光摆动焊接头连接的驱动组件，所述驱动组件用于驱动所述激光摆动焊接头沿着竖直方向上下移动，所述激光摆动焊接头能够控制激光束按照板材焊缝宽度方向往复式摆动；

其中，所述激光摆动焊接头的摆动幅度能够覆盖焊接的大幅面板材的焊缝宽度。

作为本发明的一种优选方案，所述激光摆动焊接头沿着垂直焊缝所在平面的方向出射激光束，且所述激光摆动焊接头沿着焊缝宽度往复直线摆动，所述激光摆动焊接头的摆动幅度与焊缝宽度有关，所述激光摆动焊接头的摆动幅度至少为最大焊缝宽度的倍。

作为本发明的一种优选方案，所述激光摆动焊接头的侧表面上安装有送丝头，所述激光摆动焊接头的上端设有缠绕成卷的焊丝，所述送丝头通过变速驱动调整单位时间内的焊丝输送量，且焊丝的端部始终处于所述激光摆动焊接头的下方，所述焊丝在激光束的作用下熔化以对焊缝进行填充。

作为本发明的一种优选方案，所述激光摆动焊接头的上端设有与激光束同轴分布的工业相机，所述工业相机通过观测焊接位置图像来精确焊缝位置。

作为本发明的一种优选方案，所述焊接质量检测调整机构包括设置在所述激光摆动焊接头上游的质量检测相机，以及与所述质量检测相机处于同一水平线上的副激光头，且所述质量检测相机处于所述激光摆动焊接头与所述副激光头之间；

所述质量检测相机拍摄焊接后的焊缝形貌并发送至所述控制***，所述控制***经过图像处理后调控所述副激光头工作，以对所述焊缝进行二次熔化。

作为本发明的一种优选方案，所述激光摆动焊接头与副激光头同步同向摆动，所述激光摆动焊接头沿着焊缝宽度的摆动轨迹与所述副激光头沿着焊缝宽度的摆动轨迹相同。

为了解决上述问题，本发明还提供了一种大幅面薄板特种激光焊接装备的焊接工艺，包括以下步骤：

将大幅面板材设置在激光摆动焊接头的下方，激光束的实际运动轨迹为激光头摆动与板材直线运动的耦合运动；

将两块薄板对齐压紧，使用焊缝跟踪机构识别焊缝的宽度，并根据板材厚度选择焊接工艺参数；

激光摆动焊接头熔化焊丝与待焊板材，焊接过程中，焊丝的填充量及激光参数与焊缝宽度关联，为保证板材不被熔穿，此时激光热输入不足以将焊丝完全熔化，只是与待焊板材发生熔合；

根据质量检测相机对激光摆动焊接头焊接出的焊缝进行检测，调用副激光头采用适当的工艺参数对焊缝进行二次熔化，使得焊丝与待焊板材完全熔合形成良好的焊接头，同时提高焊缝表面质量，减少焊缝热应力，减少大幅面板材的变形。

作为本发明的一种优选方案，所述激光摆动焊接头的摆动频率和焊接速度与所射出的激光束光斑直径有关，以保证光斑搭接率至少为50％，所述激光摆动焊接头的摆动频率具体为：

其中，f为摆动频率，r为光斑半径，v为机床沿焊缝方向运行速度。

作为本发明的一种优选方案，所述焊接方式分为搭接和对接两种连接形式；

其中，搭接时，焊缝相对均匀一致，采用不填丝方式将两块薄板搭接；

对接时，两块薄板之间的焊缝大，根据焊缝宽度信息实施调整送丝速度，以将熔化的焊丝补入焊缝内。

本发明与现有技术相比较具有如下有益效果：

本发明采用激光为热源，结合焊缝跟踪***和图像采集与质量检测***，使用双检测加双光源的形式进行焊接。可以满足对接、搭焊两种形式的焊缝，尤其可以应对间隙变化的焊缝并保证焊接质量，能够满足不同材料、类型与焊接工艺要求的大型(超大型)板材的焊接要求，尤其适用于大幅面薄板焊接。

附图说明

为了更清楚地说明本发明的实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对实施方式或现有技术描述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示例性的，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，还可以根据提供的附图引伸获得其它的实施附图。

图1为本发明实施例提供的焊接设备的控制***结构示意图；

图2为本发明实施例提供的焊接设备的侧视结构示意图。

图中的标号分别表示如下：

1-1激光摆动焊接机构；1-2焊缝跟踪机构；1-3焊接质量检测调整机构；1-4控制***；

2工业相机；3激光摆动焊接头；5水冷；6保护气嘴；7驱动组件；8副激光头；9质量检测相机；10-送丝头。

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。

如图1和图2所示，本发明提供了一种大幅面薄板特种激光焊接装备，本实施方式通过焊缝跟踪***、图像采集与质量检测***，实现了与自动控制***的闭环耦合，极大提升了焊接效率与焊接质量。

具体包括激光摆动焊接机构1-1、焊缝跟踪机构1-2、焊接质量检测调整机构和控制***1-4。

激光摆动焊接机构1-1在焊接过程中能够射出激光束，且激光摆动焊接机构1-1能够控制激光束的运动轨迹。

焊缝跟踪机构1-2设置在激光摆动焊接机构1-1的侧边，焊缝跟踪机构1-2用于在激光摆动焊接机构1-1到达焊缝前提前识别焊缝位置与宽度，且焊缝跟踪机构1-2将采集信息发送至控制***1-4处理以调整激光摆动焊接机构1-1的激光束出射位置。

焊接质量检测调整机构1-3设置在激光摆动焊接机构1-1的另一侧边，焊接质量检测调整机构1-3用于检测激光摆动焊接机构1-1焊接后的焊缝形貌，焊接质量检测调整机构1-3将检测信息发送至控制***1-4，控制***1-4调控焊接质量检测调整机构1-3工作以二次调整焊缝。

其中，薄板在运动平台的驱动作用下沿着激光摆动焊接机构1-1的下方线性移动，且焊接质量检测调整机构1-3、激光摆动焊接机构1-1和焊缝跟踪机构1-2形成的组装方向与焊缝焊接方向相同。

薄板在激光摆动焊接机构1-1的下方进行线性移动，具体可以将薄板设置在机床上，机床行程可覆盖所焊接大幅面板材焊缝即可。

焊缝跟踪机构1-2先采集薄板的图像，控制***1-4基于采集的图像确定焊接方式，如果焊缝比较宽，则控制***1-4需要向激光摆动焊接机构1-1传达指令，以使得激光头发出的激光束转移到焊缝的边缘的位置进行焊接操作。

当激光头沿着焊缝移动焊接后，利用焊接质量检测调整机构1-3对焊接后的图像进行采集，分析焊缝形貌，调用副激光头中对应的工艺参数对焊缝进行二次熔化，可以提高焊缝的连接强度，减小表面粗糙度，修复焊接中产生的咬边，欠熔合等缺陷，同时可以减小焊缝热应力，减少大幅面板材的变形，具体的，激光摆动焊接机构1-1包括激光摆动焊接头3，以及与激光摆动焊接头3连接的驱动组件7，驱动组件7用于驱动激光摆动焊接头3沿着竖直方向上下移动，激光摆动焊接头3能够控制激光束按照板材焊缝宽度方向往复式摆动。

其中，激光摆动焊接头3的摆动幅度能够覆盖焊接的大幅面板材的焊缝宽度。

本实施方式的激光摆动轨迹，可有效保证大幅面板材的焊接质量，使用波长为1064nm连续激光束作为热源；使用摆动激光焊接头3，可以实现激光束以一定频率和形状进行摆动，提高激光作用范围，增大对焊缝间隙的容忍度并提高焊接质量。

也就是说，激光摆动焊接头3在焊接过程中可以出射激光束，并且可控制激光束按照特定轨迹运动，激光摆动焊接头3沿着垂直焊缝的方向出射激光束，且激光摆动焊接头3沿着焊缝宽度往复直线摆动，激光摆动焊接头3的摆动幅度与焊缝宽度有关，激光摆动焊接头3的摆动幅度至少为最大焊缝宽度的2倍。

当薄板沿着激光头的下方线性运动后，激光束实际运动轨迹为直线摆动与机床运动速度的耦合运动，其摆动频率和焊接速度与光斑直径有关，保证光斑搭接率在50％以上，该摆动轨迹可扩大焊接对焊缝间隙的容忍度，提高焊丝熔化效率，提高焊丝熔化后液态金属与待焊板材的熔合。

还需要补充说明的是，激光摆动焊接头3的下方安装有水冷5以及保护气嘴6，在焊接过程中喷出惰性气体保护高温焊缝不被氧化，在焊接过程会使得激光焊接头温度升高，水冷对其进行降温。

激光摆动焊接头3的上端设有与激光束同轴分布的工业相机2，工业相机2通过观测焊接位置图像来精确焊缝位置。

激光摆动焊接头3的侧表面上安装有送丝头10，激光摆动焊接头3的上端设有缠绕成卷的焊丝，送丝头10通过变速驱动调整单位时间内的焊丝输送量，且焊丝的端部始终处于激光摆动焊接头3的下方，焊丝在激光束的作用下熔化以对焊缝进行填充。

具体的，送丝头10安装在保护气嘴6上，送丝头10可以变频式输送焊丝，即根据焊缝的宽度与焊丝的需求，来改变送丝速度。

本实施方式对薄板的焊接方式分为搭接和对接两种连接形式，在搭接方式时，使用焊接夹具将两块薄板压紧后，焊缝相对均匀一致，采用不填丝方式进行搭接。

由于板材的边缘加工质量以及板材运输变形问题，对接后的板材间隙较大，最大可达到2倍板厚，此时需采用送丝焊接的方式焊接，但由于间隙不均匀，此时根据获取的焊缝宽度信息，实时调整送丝速度，保证焊接质量。

焊接质量检测调整机构1-3包括设置在激光摆动焊接头3上游的质量检测相机9，以及与质量检测相机9处于同一水平线上的副激光头8，且质量检测相机9处于激光摆动焊接头3与副激光头8之间。

质量检测相机9拍摄焊接后的焊缝形貌并发送至控制***1-4，控制***1-4经过图像处理后调控副激光头8工作，以对焊缝进行二次熔化。

在激光摆动焊接头3焊接之后，后方的副激光头8同时对焊缝进行二次熔化，可以提高焊缝结合强度，减小焊缝的表面粗糙度，修复焊接中产生的咬边，欠熔合等缺陷，最重要的是可以减小焊缝热应力，减少大幅面板材的变形。

还需要补充说明的是，副激光头8可以对焊缝进行重熔，减少焊接缺陷，减少板材的热变形。另外副激光头8具有清洗功能，可对带有锈迹、涂层、漆层的金属板材先进行清洗，再进行焊接工作，避免板材表面物质对焊接的影响，保证焊接质量；对于高反材料焊缝表面进行毛化处理，提高材料对激光的吸收率，进而提高其焊接效率。

在正式的焊接工作之前，当板材表面有涂层、漆层或者锈层时会影响焊接效果，此种工况下，开启副激光头8，打出线光斑，机床带动薄板移动，将焊缝周边板材表面物质去除使得底层金属露出。针对如铜、铝等高反材料，在焊接前可以使用该激光头对焊缝位置进行预处理，增加焊缝处表面粗糙度，增加材料对激光的吸收率，该预处理工艺可以提高高反材料的焊接效率及焊接质量。

为了进一步的解释上述大幅面薄板特种激光焊接装备的使用方式，本实施方式还提出上述大幅面薄板特种激光焊接装备的焊接工艺，包括以下步骤：

第一步、将大幅面板材设置在激光摆动焊接头的下方，激光束的实际运动轨迹为激光头摆动与板材直线运动的耦合运动、激光摆动焊接头的摆动频率和焊接速度与所射出的激光束光斑直径有关，以保证光斑搭接率至少为50％，激光摆动焊接头的摆动频率具体为：

其中，f为摆动频率，r为光斑半径，v为机床沿焊缝方向运行速度。

第二步、将两块薄板对齐压紧，使用焊缝跟踪机构识别焊缝宽度并根据板厚选择适当的焊接参数并根据焊缝形状选择焊接参数；

第三步、激光摆动焊接头出射激光将焊丝熔化与两侧薄板粘连，此时并不能将焊丝与薄板完全熔凝形成良好的焊接接头，因为板材较薄，大的热输入会使得板材熔穿；

第四步、质量检测相机对第三步获得的焊缝进行检测、分析，不同的焊缝位置绑定副激光头中的不同的工艺参数。

第五步、副激光头根据第四步检测结果对焊缝进行二次熔化，使得丝与薄板在步骤三中形成的接头二次熔化，增加结合强度，同时可提高焊缝的表面质量，减少焊缝热应力，减少大幅面板材的变形。

本实施方式采用激光为热源，结合焊缝跟踪***和图像采集与质量检测***，可以满足对接、搭焊两种形式的焊接，尤其可以应对间隙变化的焊缝并保证焊接质量，能够满足不同材料、类型与焊接工艺要求的大型(超大型)板材的焊接要求，尤其适用于大幅面薄板焊接。

以上实施例仅为本申请的示例性实施例，不用于限制本申请，本申请的保护范围由权利要求书限定。本领域技术人员可以在本申请的实质和保护范围内，对本申请做出各种修改或等同替换，这种修改或等同替换也应视为落在本申请的保护范围内。

Claims (10)

1.一种大幅面薄板特种激光焊接装备，其特征在于，包括：

激光摆动焊接机构(1-1)，在焊接过程中能够射出激光束，且所述激光摆动焊接机构(1-1)能够控制激光束的运动轨迹；

焊缝跟踪机构(1-2)，设置在所述激光摆动焊接机构(1-1)的侧边，所述焊缝跟踪机构(1-2)用于在所述激光摆动焊接机构(1-1)到达焊缝前提前识别焊缝位置与宽度，且所述焊缝跟踪机构(1-2)将采集信息发送至控制***(1-4)处理以调整所述激光摆动焊接机构(1-1)的激光束出射位置；

焊接质量检测调整机构(1-3)，设置在所述激光摆动焊接机构(1-1)的另一侧边，所述焊接质量检测调整机构(1-3)用于检测所述激光摆动焊接机构(1-1)焊接后的焊缝形貌，所述焊接质量检测调整机构(1-3)将检测信息发送至所述控制***(1-4)，所述控制***(1-4)调控所述焊接质量检测调整机构(1-3)工作以二次调整焊缝；

其中，薄板在运动平台的驱动作用下沿着所述激光摆动焊接机构(1-1)的下方线性移动，且所述焊接质量检测调整机构(1-3)、激光摆动焊接机构(1-1)和焊缝跟踪机构(1-2)形成的组装方向与焊缝焊接方向相同。

2.根据权利要求1所述的一种大幅面薄板特种激光焊接装备，其特征在于，

所述激光摆动焊接机构(1-1)包括激光摆动焊接头(3)，以及与所述激光摆动焊接头(3)连接的驱动组件(7)，所述驱动组件(7)用于驱动所述激光摆动焊接头(3)沿着竖直方向上下移动，所述激光摆动焊接头(3)能够控制激光束按照板材焊缝宽度方向往复式摆动；

其中，所述激光摆动焊接头(3)的摆动幅度能够覆盖焊接的大幅面板材的焊缝宽度。

3.根据权利要求2所述的一种大幅面薄板特种激光焊接装备，其特征在于，

所述激光摆动焊接头(3)沿着垂直焊缝所在平面的方向出射激光束，且所述激光摆动焊接头(3)沿着焊缝宽度往复直线摆动，所述激光摆动焊接头(3)的摆动幅度与焊缝宽度有关，所述激光摆动焊接头(3)的摆动幅度至少为最大焊缝宽度的2倍。

4.根据权利要求2所述的一种大幅面薄板特种激光焊接装备，其特征在于，

所述激光摆动焊接头(3)的侧表面上安装有送丝头(10)，所述激光摆动焊接头(3)的上端设有缠绕成卷的焊丝，所述送丝头(10)通过变速驱动调整单位时间内的焊丝输送量，且焊丝的端部始终处于所述激光摆动焊接头(3)的下方，所述焊丝在激光束的作用下熔化以对焊缝进行填充。

5.根据权利要求2所述的一种大幅面薄板特种激光焊接装备，其特征在于，

所述激光摆动焊接头(3)的上端设有与激光束同轴分布的工业相机(2)，所述工业相机(2)通过观测焊接位置图像来精确焊缝位置。

6.根据权利要求2所述的一种大幅面薄板特种激光焊接装备，其特征在于，

所述焊接质量检测调整机构(1-3)包括设置在所述激光摆动焊接头(3)上游的质量检测相机(9)，以及与所述质量检测相机(9)处于同一水平线上的副激光头(8)，且所述质量检测相机(9)处于所述激光摆动焊接头(3)与所述副激光头(8)之间；

所述质量检测相机(9)拍摄焊接后的焊缝形貌并发送至所述控制***(1-4)，所述控制***(1-4)经过图像处理后调控所述副激光头(8)工作，以对所述焊缝进行二次熔化。

7.根据权利要求6所述的一种大幅面薄板特种激光焊接装备，其特征在于，

所述激光摆动焊接头(3)与副激光头(8)同步同向摆动，所述激光摆动焊接头(3)沿着焊缝宽度的摆动轨迹与所述副激光头(8)沿着焊缝宽度的摆动轨迹相同。

8.一种基于权利要求2-7任一项所述的大幅面薄板特种激光焊接装备的焊接工艺，其特征在于，包括以下步骤：

将大幅面板材设置在激光摆动焊接头的下方，激光束的实际运动轨迹为激光头摆动与板材直线运动的耦合运动；

将两块薄板对齐压紧，使用焊缝跟踪机构识别焊缝的宽度，并根据板材厚度选择焊接工艺参数；

激光摆动焊接头熔化焊丝与待焊板材，焊接过程中，焊丝的填充量及激光参数与焊缝宽度关联，为保证板材不被熔穿，此时激光热输入不足以将焊丝完全熔化，只是与待焊板材发生熔合；

根据质量检测相机对激光摆动焊接头焊接出的焊缝进行检测，调用副激光头采用适当的工艺参数对焊缝进行二次熔化，使得焊丝与待焊板材完全熔合形成良好的焊接头。

9.根据权利要求8所述的一种大幅面薄板特种激光焊接装备的焊接工艺，其特征在于，

所述激光摆动焊接头的摆动频率和焊接速度与所射出的激光束光斑直径有关，以保证光斑搭接率至少为50％，所述激光摆动焊接头的摆动频率具体为：

其中，f为摆动频率，r为光斑半径，v为机床沿焊缝方向运行速度。

10.根据权利要求8所述的一种大幅面薄板特种激光焊接装备的焊接工艺，其特征在于，

所述焊接方式分为搭接和对接两种连接形式；

其中，搭接时，焊缝相对均匀一致，采用不填丝方式将两块薄板搭接；

对接时，两块薄板之间的焊缝大，根据焊缝宽度信息实施调整送丝速度，以将熔化的焊丝补入焊缝内。

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