激光热丝焊焊丝温度的测量方法
【专利摘要】本发明公开了一种激光热丝焊焊丝温度的测量方法，包括步骤：将焊丝以预定的送丝速度送至母材的预焊接处，对焊丝通过预定的加热电流而使焊丝产生电阻热升温，以预定的激光功率的脉冲激光对准目标焊接区域加热，焊丝的末端距离激光光斑中心固定距离并且受热，在脉冲激光的停光间隙对焊丝温度进行测量。本发明的激光热丝焊焊丝温度的测量方法具有准确可靠的优点。
【专利说明】激光热丝焊焊丝温度的测量方法
【技术领域】
[0001]本发明属于焊接【技术领域】，具体涉及一种激光热丝焊焊丝温度的测量方法。
【背景技术】
[0002]激光热丝焊接通过电阻热将焊丝预热到一定温度后再送入熔池，提高了焊接过程稳定性和熔覆效率，有效扩展了激光焊接应用。焊丝温度测量是控制激光热丝焊接焊丝过渡稳定性和提高填充效率的核心技术。
[0003]现有技术采用了温度测量探头对焊丝加热终端处温度检测实现焊丝温度调节，所用温度探头为热电偶或红外测温传感器。然而，由于焊丝处于运动状态，最高温度可达熔点，不适合采用热电偶类的接触式测温；焊丝前端接近熔池，激光强烈反射和熔池上方金属蒸汽对红外测温有强烈干扰，不仅使红外测温后的辐射系数标定困难，更重要的是若激光波长位于红外测温传感器检测波长内，激光强烈反射将直接导致测温失败。
【发明内容】
[0004]本发明旨在至少解决现有技术中存在的热电偶或红外测温传感器测温失败的技术问题。
[0005]为此，本发明的目的在于提出一种准确可靠的激光热丝焊焊丝温度的测量方法。
[0006]为了实现上述目的，根据本发明实施例的激光热丝焊焊丝温度的测量方法，包括步骤:将所述焊丝以预定的送丝速度送至母材的预焊接处，对所述焊丝通过预定的加热电流而使所述焊丝产生电阻热升温，以预定的激光功率的脉冲激光对准目标焊接区域加热，所述焊丝的末端距离激光光斑中心固定距离并且受热，在所述脉冲激光的停光间隙对所述焊丝温度进行测量。
[0007]根据本发明实施例的激光热丝焊焊丝温度的测量方法，有效消除了激光反射和金属蒸汽对测温过程的强烈干扰，无需进行后续的温度标定，可以精确测量各种送丝参数下熔池外的焊丝温度，操作安全简便，具有准确可靠的优点。
[0008]另外，根据本发明实施例的激光热丝焊焊丝温度的测量方法还可以具有如下附加技术特征:
[0009]根据本发明一个实施例，采用双色红外测温仪对所述焊丝温度进行测量。
[0010]根据本发明一个实施例，所述脉冲激光的占空比大于90%。
[0011]根据本发明的一个实施例，所述脉冲激光的停光间隙的时间长度大于所述双色红外测温仪的测温采样的时间长度。
[0012]根据本发明一个实施例，所述脉冲激光的频率等于所述双色红外测温仪的采样频率的整数倍。
[0013]根据本发明一个实施例，所述送丝速度、加热电流和激光功率的大小被配置为适于使所述焊丝进行连续过渡焊接。
[0014]本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
【专利附图】
【附图说明】
[0015]本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中:
[0016]图1为根据本发明实施例的激光热丝焊焊丝温度测量方法测量距离导电嘴30mm处焊丝温度测量结果T3tl的示意图；
[0017]图2为激光功率与占空比对T3tl影响的示意图；
[0018]图3为距离导电嘴不同位置的焊丝温度的示意图；
[0019]图4为不同加热电流下T3tl测量值的示意图。
【具体实施方式】
[0020]下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
[0021] 申请人:经过研究发现:焊丝进入熔池时的温度由所获得电阻热决定，其主要控制参数是加热电流和送丝速度。如果预热焊丝温度过高会引起焊丝在熔池外熔断，而预热焊丝温度过低则失去了激光热丝焊接的优势，合适的焊丝预热温度是激光热丝焊过程稳定和高效高质的必要保证。然而，目前尚无发现公开的激光热丝焊接过程中焊丝直接测温方法和结果。采用红外双色测温具有可测量温度广、测温精度高、响应速度快和无需辐射系数标定等优点，适合于激光热丝焊熔池外焊丝温度测量，但红外双色测温仪的响应光谱可能涵盖了激光波长，导致无法获得测量结果。
[0022] 申请人:为解决上述技术问题，本发明公开了一种激光热丝焊焊丝温度的测量方法，包括步骤:将焊丝以预定的送丝速度送至母材的预焊接处，对焊丝通过预定的加热电流而使焊丝产生电阻热升温，以预定的激光功率的脉冲激光对准目标焊接区域加热，焊丝的末端距离激光光斑中心固定距离并且受热，在脉冲激光的停光间隙对焊丝温度进行测量。其中，对焊丝通加热电流时，是将热丝电源的一个电极与母材相连，热丝电源的另一个电极通过焊丝导电嘴与焊丝相连。如图1所示，脉冲激光的峰值功率为2kW，在脉冲停光间隙测得焊丝离导电嘴30mm处的温度为T3Q=1395°C。
[0023]根据本发明实施例的激光热丝焊焊丝温度的测量方法，有效消除了激光反射和金属蒸汽对测温过程的强烈干扰，无需进行后续的温度标定，可以精确测量各种送丝参数下熔池外的焊丝温度，操作安全简便，具有准确可靠的优点。
[0024]根据本发明一个实施例，采用双色红外测温仪对焊丝温度进行测量。 申请人:根据激光热丝焊焊丝过渡特征，对比了热电偶测温和红外测温的应用局限，选用测温范围高于焊丝熔点的双色红外测温仪对焊丝温度进行测量。由于激光器通常采用固体激光(如光纤激光和半导体激光)，该固体激光的波长往往处于双色红外测温仪响应光谱之内，在正常情况下(即采用持续激光进行激光热丝焊时)强烈的激光反射导致测量结果溢出，无法测量焊丝温度。在大量实验和数值计算的基础上，基于激光能量对于熔池外焊丝温度影响很小的机理，通过采用脉冲激光，在停光间隙采集熔池外焊丝温度，避免了处于双色红外响应光谱内的激光对测量结果产生干扰。
[0025]根据本发明一个实施例，脉冲激光的占空比大于90%。脉冲激光的占空比较小时，激光无法充分熔化母材，焊丝将在停光间隙内迅速冷却固化，不能顺利进行焊接。如图2所示，当脉冲激光的占空比大于90%时，能够维持焊丝温度在停光间隙内不出现迅速下降，测温结果较为准确。
[0026]根据本发明一个实施例，脉冲激光的停光间隙时间长度大于所述双色红外测温仪的测温采样的时间长度。仅当脉冲停光时间与双色红外测温仪的响应时间匹配时，才能保证一个停光间隙内能够来得及进行至少一次温度测量。
[0027]根据本发明一个实施例，脉冲激光的频率等于双色红外测温仪的采样频率的整数倍。例如，当脉冲激光的频率与双色红外测温仪的采样频率相等(即为I倍)时，脉冲激光每次停光时，双色红外测温仪的进行一次测温。又例如，脉冲激光的频率等于双色红外测温仪的采样频率的3倍时，保证在所述脉冲激光的停光间隙对所述焊丝温度进行测量，则每进行3次激光脉冲，就有2次不进行测温的停光间隙和I次进行测温的停光间隙。由此可知，仅当脉冲激光频率与双色红外测温仪的采样频率相匹配时，才能保证双色红外测温仪能在停光间隙内采样。
[0028]根据本发明一个实施例，送丝速度、加热电流和激光功率的大小被配置为适于使焊丝进行连续过渡焊接。当焊接工艺参数配置不合理使得焊丝发生顶丝过渡或者熔断过渡时，均无法得到准确的焊丝温度。
[0029]为使本领域技术人员更好地理解本发明的激光热丝焊焊丝温度的测量方法，下面结合详细实施例做进一步介绍。
[0030]实施例中激光热丝焊接的条件包括下列条件。光纤激光器:最大输出功率2kW，波长1.07 μ m,光斑直径3臟。双色红外测温仪:响应光谱0.75-1.1 μ m,量程700-3000°C，采样频率20Hz，响应时间10ms。母材为低碳钢板，焊丝为奥氏体不锈钢焊丝。恒流电源，正极接焊丝，负极接母材。焊接条件:焊丝初始伸长量35mm(导电嘴到焊丝前端距离)，焊丝倾角70° (焊丝与母材表面夹角)，光丝距Imm (激光光斑中心到焊丝前端距离)，焊接速度0.5m/min,送丝速度2m/min，激光功率I?2kW，焊丝电流O?120A。通过双色红外测温仪的观察窗口，可以确定焊丝测温点位置。
[0031]测量结果1:越靠近激光熔池，焊丝温度越高，同时测量结果受激光反射和金属蒸汽的影响越显著，所以越难以测量。选择距离导电嘴30mm处、靠近熔池的焊丝一点作为测量位置，该处温度记做T3(l。测试条件为激光功率2kW，送丝速度2m/min，电流95A。测试结果如图1所示。在激光发射阶段，强烈的激光反射致使测温结果溢出量程，无法获得测量数据；在停光间隙，稳定地获得了焊丝特征点温度T3tl，避免了激光反射对温度测量的干扰，实验测得T3(I=1395°C，接近焊丝的固相线温度，说明此处以下的焊丝(到导电嘴距离大于30mm的焊丝)开始发生部分熔化。一旦焊丝发生相变或熔断，测量结果将不稳定。
[0032]测量结果2:维持送丝速度2m/min，电流95A的测试条件不变，改变激光占空比和峰值功率，对T3tl进行了测量，每个温度数据测量三次取平均值，测量结果如图2所示。各组条件测量的平均误差为13°C，各组条件T3tl平均值最大相差14°C，可以认为激光占空比和峰值功率对T3tl影响很小，采用脉冲激光代替连续激光来测量焊丝温度的方法是可行的。这说明熔池外焊丝温度由电阻热决定，受由激光能量决定的熔池热传导影响很小。然而，在测量中应尽量减小脉冲激光造成的熔池能量降低，所用占空比不小于90%。
[0033]测量结果3:采用脉冲激光模式，对距离导电嘴不同位置的焊丝温度(激光功率2kW，送丝速度2m/min，加热电流为95A)和不同加热电流下T3tl的测量值(激光功率2kW，送丝速度2m/min)进行测量，如图3和图4所示。可以看出，当焊丝温度低于固相线温度时，在焊丝长度方向上焊丝温度呈线性分布。随着加热电流的提高，T3tl处温度不断提高。当电流为95A时，T3(I=1395°C，接近焊丝固相线温度(1398°C)。当电流超过95A时，焊丝在熔池外发生熔断，无法实现稳定的焊丝过渡，T30处温度波动强烈，无法准确测量。
[0034]在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底” “内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
[0035]此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
[0036]在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
[0037]在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
[0038]在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例进行结合和组合。
[0039]尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
【权利要求】
1.一种激光热丝焊焊丝温度的测量方法，其特征在于，包括步骤:将所述焊丝以预定的送丝速度送至母材的预焊接处，对所述焊丝通过预定的加热电流而使所述焊丝产生电阻热升温，以预定的激光功率的脉冲激光对准目标焊接区域加热，所述焊丝的末端距离激光光斑中心固定距离并且受热，在所述脉冲激光的停光间隙对所述焊丝温度进行测量。
2.如权利要求1所述的激光热丝焊焊丝温度的测量方法，其特征在于，采用双色红外测温仪对所述焊丝温度进行测量。
3.如权利要求1或2所述的激光热丝焊焊丝温度的测量方法，其特征在于，所述脉冲激光的占空比大于90%。
4.如权利要求1-3任一项所述的激光热丝焊焊丝温度的测量方法，其特征在于，所述脉冲激光的停光间隙的时间长度大于所述双色红外测温仪的测温采样的时间长度。
5.如权利要求1-4任一项所述的激光热丝焊焊丝温度的测量方法，其特征在于，所述脉冲激光的频率等于所述双色红外测温仪的采样频率的整数倍。
6.如权利要求1-5中任一项所述的激光热丝焊焊丝温度的测量方法，其特征在于，所述送丝速度、加热电流和激光功率的大小被配置为适于使所述焊丝进行连续过渡焊接。
【文档编号】B23K37/00GK103567676SQ201310507934
【公开日】2014年2月12日 申请日期:2013年10月24日 优先权日:2013年10月24日
【发明者】温鹏, 郑世卿, 单际国 申请人:清华大学