连续变截面工件激光焊接方法和系统与流程

本发明涉及焊接技术领域，具体而言，涉及连续变截面工件激光焊接方法和系统。

背景技术：

焊接技术是工程制造过程中关键技术之一，激光焊接技术因其具有能量密度高，焊接速度快，连接缝深宽比大，接头性能好，焊接结构变形小等突出优点广泛应用于航空航天、高速列车、汽车等工业生产中。根据结构设计要求，单一截面结构有时满足不了性能需求，根据功能不同，比如汽车纵梁前部要求易变性具有较高的碰撞吸收性能，后部要求具有高的刚性强度，或悬臂梁中根据弯矩大小采用不同大小的截面等情况，满足类似这种功能需求需要采用复杂的变截面结构或连续变截面结构。由于这类结构件加工难度大且加工程序复杂，一般根据板材厚度不同，通过改变焊接速度或改变焊接功率调节焊接热输入量从而实现焊接过程，但是焊接参数的急剧改变易导致过渡区焊接缺陷的产生。现有技术中，“变厚度变截面薄壁工件的激光焊接方法”提出通过优化激光焊接路径和激光入射角的偏摆来实现变截面处熔池的稳定过渡，防止产生气孔、未焊合、击穿孔等缺陷，但该发明主要针对变厚度变截面的结构件，即针对截面有一定突变的情况，该发明需要对截面进行划分，当到达过渡区采用倾斜激光入射角度5-30°实现热输入减少，但该发明无法针对连续变截面实现稳定焊接，另一方面改变激光入射角，相当于降低了焊接热效率。同时激光束与工件材料之间的吸收、反射等方式改变从而造成焊接接头性能不一致。

发明专利“一种连续变截面汽车前纵梁及其制备方法”提出连续变截面的具体应用情景，发明提出汽车前纵梁的设计和制备方法，但仅提到吸能区和过渡区采用激光焊接连接，并无详细阐述如何实现，制备过程难以实现。另一实用新型专利“一种激光焊接用变截面板定位与夹紧装置”提出了用于这类激光焊接用夹具，该夹具结构复杂且没有涉及如何实现连续变截面结构的焊接方法。

因此，现有技术中缺乏有效焊接连续变截面工件的方法。

鉴于此，特提出本发明。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种可稳定焊接连续变截面工件的连续变截面工件激光焊接方法和系统。

本发明是这样实现的：

第一方面，本发明实施例提供一种连续变截面工件激光焊接方法，包括：

根据待焊接的连续变截面工件对接后形成的连接缝预设激光束或连续变截面工件的运行轨迹，根据连续变截面工件的尺寸预设激光束焦点的位置参数和位置变化参数；

焊接时通过激光焊接头内的聚焦透镜振动实现激光束焦点的位置调整。

在可选的实施方式中，按照公式：y＝-k(t-l)来预设激光束焦点的位置；公式中y为离焦量，t为对应焊接位置处的连续变截面工件的厚度，l为激光焦长，k为焊接材质影响系数，当连续变截面工件的材质为高反材料有色金属时，k的取值在(0.4～0.6)的范围内，当连续变截面工件的材质为黑色金属时，k的取值在(0.2～0.4)的范围内；

在可选的实施方式中，聚焦透镜的振动频率为10-500hz，振幅0.5-10mm。

在可选的实施方式中，在焊接过程中，调整激光功率以使熔深尺寸与该位置处的厚度匹配；

在可选的实施方式中，通过传感器检测激光焊接头到连续变截面工件之间的距离变化来调整激光功率。

在可选的实施方式中，在焊接过程中，通过监控器监控熔深尺寸以对激光功率进行修正。

在可选的实施方式中，焊接过程中，激光焊接头发射出的激光束平行于竖直面，激光束与连接缝垂直；

在可选的实施方式中，焊接过程中，使激光焊接头保持水平运动，或使连续变截面工件保持水平运动；

在可选的实施方式中，在焊接前，还需要根据连续变截面工件的厚边和薄边的厚度预设激光参数的变化范围。

在可选的实施方式中，将待焊接的连续变截面工件对接时，连续变截面工件水平面在下，变截面向上，采用卡固机构将待焊接的连续变截面工件卡紧。

在可选的实施方式中，连续变截面工件的厚度为1.0-10.0mm，变截面厚度均匀过渡。

第二方面，本发明实施例提供了一种连续变截面工件激光焊接系统，包括激光焊接机构、控制系统以及移动控制机构，激光焊接机构包括激光焊接头，控制系统被配制成可预设激光束焦点的位置参数和位置变化参数，控制系统与移动控制机构以及激光焊接机构通信连接用于向移动控制机构以及激光焊接机构下发指令，移动控制机构用于控制激光焊接头对应连接缝运动或用于控制待焊接的连续变截面工件对应连接缝运动，激光焊接头为内部聚焦透镜可振动调节的激光焊接头。

在可选的实施方式中，激光焊接系统还包括用于检测激光焊接头到连续变截面工件之间的距离的传感器，传感器设置于激光焊接头上，传感器与控制系统通信连接；

在可选的实施方式中，激光焊接系统还包括用于监控熔深尺寸的监控器，监控器与控制系统通信连接。

在可选的实施方式中，激光焊接机构还包括电气控制机构，电气控制机构与控制系统通信连接，控制系统向电气控制机构下发指令使电气控制机构控制聚焦透镜振动以调节激光焦点位置。

在可选的实施方式中，激光焊接系统还包括卡固机构，卡固机构用于将待焊接的连续变截面工件卡紧；

在可选的实施方式中，卡固机构包括用于抵紧连续变截面工件的薄边或变截面的第一抵紧件以及用于抵紧连续变截面厚边的第二抵紧件；

在可选的实施方式中，激光焊接系统还包括工作载台，第一抵紧件和第二抵紧件设置于工作载台上；

在可选的实施方式中，第一抵紧件包括固定部和活动抵紧部，活动抵紧部的一端用于抵接于连续变截面工件的变截面，活动抵紧部的另一端与固定部阻尼转动连接。

本发明具有以下有益效果：

本发明提供的连续变截面工件激光焊接方法，针对连续变截面结构件激光焊接中常出现因焊接参数的急剧改变易导致过渡区焊接缺陷，提出一种用于连续变截面结构件的激光焊接方法，首先根据连续变截面工件的连接缝预设激光束运行轨迹，根据连续变截面工件的尺寸预设焊接参数，以保证后续焊接过程在预设范围内进行焊接，进而保证焊接过程相对稳定，然后在焊接过程中选择聚焦透镜可振动以调节激光束焦点位置的激光焊接头进行焊接，通过振动聚焦透镜实现激光束焦点的上下连续振动可保证激光束焦点的位移不会呈现过大的梯度变化，保证激光束焦点位移的稳定性进而保证连续变截面工件稳定且连续地完成焊接。

本发明提供的连续变截面工件激光焊接系统，能够实施本发明提供的方法，该系统可使得连续变截面工件稳定且连续地完成焊接。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，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相关的附图。

图1为本发明实施例提供的连续变截面工件激光焊接系统的工作流程示意图；

图2为激光焊接头焊接连续变截面工件的示意图；

图3为连续变截面工件在连接缝处处剖面示意图；

图4为将图3圆圈区域放大后激光束焦点变化示意图；

图5为连续变截面工件被卡固机构卡紧时的示意图。

图标：100-连续变截面工件激光焊接系统；110-激光焊接头；120-控制系统；130-移动控制机构；101-传感器；102-监控器；105-电气控制机构；141-第一抵紧件；142-第二抵紧件；143-固定部；144-活动抵紧部；10-连续变截面工件；11-薄边；12-厚边；13-变截面；20-连接缝；30-激光束；31-激光束焦点；40-工作载台。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。

在本申请文件中所说的连接缝指的是两个或多个连续变截面工件对接后，对接处的缝隙。

下面对本发明提供的连续变截面工件激光焊接方法及系统进行详细阐述。

如图1所示，本发明实施例提供的一种连续变截面工件连续变截面工件激光焊接系统100，包括激光焊接机构、控制系统120以及移动控制机构130，激光焊接机构包括激光焊接头110，控制系统120被配制成可预设激光束焦点的位置参数和位置变化参数，控制系统120与移动控制机构130以及激光焊接机构通信连接用于向移动控制机构130以及激光焊接机构下发指令。移动控制机构130与激光焊接头110连接，用于控制激光焊接头110对应连接缝在水平面运动，激光焊接头110为内部聚焦透镜可振动调节的激光焊接头。

本实施例提供的一种连续变截面工件激光焊接方法，具体为：

如图2至图4所示，焊接前将两个或多个待焊接的连续变截面工件10对接，水平面向下，变截面13向上，放置于平台上，测量连续变截面工件10的薄边11和厚边12的高度以及连续变截面工件10的宽度，根据高度差在控制系统120内预设好激光参数的变化范围，以使得在后续焊接过程中激光各参数在此范围内变化。根据连接缝的位置和形状在控制系统120内预设好激光焊接头110的运行轨迹，根据连续变截面工件10薄边11和厚边12的高度以及连续变截面工件10的宽度预设激光束焦点31的位置以及激光束焦点31的位置变化参数。

需要说明的是，在本发明的其他实施例中，还可以是激光焊接头110固定不动，移动控制机构130控制连续变截面工件10根据连接缝的位置和形状运动。具体地，移动控制机构130控制激光焊接头110或连续变截面工件10的运动方式均为水平运动。

根据本申请发明人付出大量创造性劳动发现，在本发明优选实施方式中，为使得焊接效果更好，按照公式：y＝-k(t-l)来预设激光束焦点的位置；公式中y为离焦量，t为对应焊接位置处的所述连续变截面工件的厚度，l为激光焦长，l与激光焊接头的特性相关，不同的激光焊接头所发出的激光的焦长不同。k为焊接材质影响系数，当所述连续变截面工件的材质为高反材料有色金属时，k的取值在(0.4～0.6)的范围内，当所述连续变截面工件的材质为黑色金属时，k的取值在(0.2～0.4)的范围内。

由于在焊接前测量了待焊接的连续变截面工件的薄、厚两边的厚度以及宽度大小，因此在焊接时可根据激光束的位置计算得到对应位置处的连续变截面工件的厚度，该厚度值即为t，根据所使用的激光焊接头确定l值，根据k、t及l值即可计算得到离焦量y，进而得到激光束焦点31的位置参数，根据此参数控制激光束焦点31的位置。

在具体焊接时，技术人员根据工件的具体材质，可多次实验后确定k的最佳取值。

优选地，聚焦透镜的振动变化具体参数为：振动频率10-500hz，振幅0.5-10mm。当聚焦透镜的振动变化参数在上述范围内时可进一步保证焊接过程的稳定性。

优选地，激光焊接机构还包括电气控制机构105，电气控制机构105与控制系统120通信连接，控制系统120根据预设的激光焦点变化参数，向电气控制机构105下发指令使电气控制机构105控制聚焦透镜振动以调节激光焦点上升或下降，并且保证焊接过程激光束始终垂直于连接缝。

在本发明提供的实施例中根据预设好的各项参数，调整好激光焊接头110的位置使得激光焊接头110竖直设置，以保证激光束30平行于竖直面且与连接缝20垂直，启动设备，使得激光焊接头110在移动控制机构130的作用下按照预设的运行轨迹对连接缝进行焊接，在焊接过程中根据预设的激光束焦点31的位置变化参数不断自动控制激光束的位置变化，并通过电气控制机构105不断控制激光束焦点31上下的位置变化。同时，在焊接过程中通过不断监控激光焊接头110到连续变截面工件的距离变化进而计算出与激光焊接头110所处位置对应处的工件的厚度变化来不断调整激光功率以使熔深与该位置处的厚度匹配。熔深与厚度正好相同时可保证正好焊透又不至于热输入量过大造成热影响区过大影响接头的力学性能。通常功率越大熔深尺寸越大，速度越小熔深尺寸越大，在焊接时，通常是焊接速度设定好后通过调控激光功率以使得熔深尺寸与厚度匹配。

需要说明的是，在本发明的其他实施例中，也可以是确定激光功率后通过调节焊接速度控制熔深尺寸，但这种方式操作难度较高且具有一定的局限性。

进一步地，连续变截面工件激光焊接系统100还包括用于检测激光焊接头110到连续变截面工件10之间的距离的传感器101，传感器101设置于激光焊接头110上，传感器101与控制系统120通信连接。传感器101通过不断检测激光焊接头110到连续变截面工件的距离变化经控制系统120计算出与激光焊接头110所处位置对应处的工件的厚度变化，传感器101将此厚度变化信号发送至控制系统120，控制系统120接收信号后对激光焊接头110下发指令监控并调整激光焊接头110发出的激光功率。

优选地，连续变截面工件激光焊接系统100还包括用于监控熔深尺寸的监控器102。在焊接过程中，实际工作时存在误差，各项操作条件的最佳参数与实际预设参数可能有微小差异，监控器102随时监控熔深尺寸，将监控到的熔深尺寸信号发送至控制系统120，控制系统120对激光焊接头110下发指令，使得其对发出的激光功率进行修正，例如熔深尺寸过大则减小激光功率，若熔深尺寸过小则增大激光功率。

优选地，在本发明中用于焊接的连续变截面工件10的厚度为1.0-10.0mm，变截面厚度均匀过渡。即连续变截面工件10的剖面为梯形。根据在本实施例中工件的尺寸。

如图5所示，进一步地，连续变截面工件激光焊接系统100还包括卡固机构，卡固机构用于将待焊接的连续变截面工件10卡紧。连续变截面工件10卡紧后能够有效避免焊接时工件受外力影响发生位置偏移影响焊接效果。

具体地，卡固机构包括用于抵紧连续变截面工件10变截面13的第一抵紧件141以及用于抵紧连续变截面工件10的厚边12的第二抵紧件142。

当第一抵紧件141抵紧变截面13，第二抵紧件142抵紧厚边时可实现卡固机构对连续变截面工件10的卡紧。

需要说明的是，在本发明的其他实施例中，第一抵紧件141还可以是抵紧薄边11以实现卡紧。

优选地，激光焊接系统还包括工作载台40，第一抵紧件141和第二抵紧件142设置于工作载台40上。焊接时，将连续变截面工件10放置于工作载台40上，通过第一抵紧件141和第二抵紧件142将连续变截面工件10抵紧。而当在本发的其他实施例中焊接方式为激光焊接头110不懂，移动控制机构130控制连续变截面工件10移动时，则可以是移动控制机构130控制工作载台40移动。

优选地，第一抵紧件141包括固定部143和活动抵紧部144，活动抵紧部144的一端用于抵接于连续变截面工件10的变截面13，活动抵紧部144的另一端与固定部143阻尼转动连接。

第一抵紧件141上述设置时，能使得第一抵紧件141能适合多种倾斜度的变截面13的连续变截面工件10的抵紧。当上一焊接工序结束后需要焊接不同倾斜度变截面13的连续变截面工件10时，转动活动抵紧部144以使得活动抵紧部144内适应新的连续变截面工件10。

以下结合实施例对本发明的特征和性能作进一步的详细描述。

实施例1

本实施例提供的连续变截面工件激光焊接方法，具体为：

采用薄边1mm厚边2mm厚度的304不锈钢结构件作为焊接试验件，结构件长度100mm，通过测量获得工件参数，将工件平面向下，变截面正面向上置于工作载台40上，通过第一抵紧件141和第二抵紧件142将连续变截面工件10固定，按照公式y＝-k(t-l)来预设激光束焦点的位置，t值为1mm和2mm，l值为0.5mm，k取0.2。焊接过程从1mm厚的一边开始，激光焦距232mm，激光焦点-0.1，激光功率1000w，焊接速度2m/min，焊接过程激光头始终保持水平运动，通过传感器101反馈与激光焊接头110对应位置处的连续变截面工件10的板厚信息，根据此厚度信息，逐渐将激光功率增加到2000w，激光焦点位置调节至-0.3mm同时，激光头及聚焦透镜振动调整激光焦点位置，振动频率为100hz，振幅为0.5mm，实现一次性焊接。

实施例2

采用薄边1mm厚边1.2mm厚度的304不锈钢结构件作为焊接试验件，结构件长度100mm，通过测量获得工件参数，将工件平面向下，变截面正面向上置于工作载台40上，通过第一抵紧件141和第二抵紧件142将连续变截面工件10固定，按照公式y＝-k(t-l)来预设激光束焦点的位置，t值为1mm和1.2mm，l值为0.5mm，k取0.2。焊接过程从1mm厚的一边开始，激光焦距232mm，激光焦点-0.1，激光功率1000w，焊接速度2m/min，焊接过程激光头始终保持水平运动，通过传感器101反馈与激光焊接头110对应位置处的连续变截面工件10的板厚信息，根据此厚度信息逐渐将激光功率增加到1200w，激光焦点位置调节至-0.2mm，同时，激光头及聚焦透镜振动调整激光焦点位置，振动频率为100hz，振幅为0.5mm，实现一次性焊接。

实施例3

采用薄边3mm厚边10mm厚度的308不锈钢结构件作为焊接试验件，结构件长度100mm，通过测量获得工件参数，将工件平面向下，变截面正面向上置于工作载台40上，通过第一抵紧件141和第二抵紧件142将连续变截面工件10固定，按照公式y＝-k(t-l)来预设激光束焦点的位置，t值为3mm和10mm，l值为0.5mm，k取0.3。焊接过程从3mm厚的一边开始，激光焦距232mm，激光焦点-0.8mm，激光功率3000w，焊接速度2m/min，焊接过程激光头始终保持水平运动，通过传感器101反馈与激光焊接头110对应位置处的连续变截面工件10的板厚信息，根据此厚度信息逐渐将激光功率增加到10000w，激光焦点位置调节至-2.9mm，同时，激光头及聚焦透镜振动调整激光焦点位置，振动频率为200hz，振幅为2mm，实现一次性焊接。

实施例4

本实施例与实施例1基本相同，不同之处仅在于：与实施例1不同的ah32高强钢作为焊接试验件。k值取0.3，聚焦透镜振动频率为500hz，振幅为0.5mm。

实施例5

本实施例与实施例3基本相同，不同之处仅在于：选用5083铝合金作为焊接试验件，k值取0.6，聚焦透镜振动频率为200hz，振幅从2mm过渡为5mm。

综上所述，本发明提供的连续变截面工件激光焊接方法，针对连续变截面结构件激光焊接中常出现因焊接参数的急剧改变易导致过渡区焊接缺陷，提出一种用于连续变截面结构件的激光焊接方法，首先根据连续变截面工件的连接缝预设激光束运行轨迹，根据连续变截面工件的尺寸预设焊接参数，以保证后续焊接过程在预设范围内进行焊接，进而保证焊接过程相对稳定，然后在焊接过程中选择聚焦透镜可上下振动以调节激光束焦点位置的激光焊接头进行焊接，通过振动聚焦透镜实现激光束焦点的上下移动可保证激光束焦点的位移不会呈现过大的梯度变化，保证激光束焦点位移的稳定性进而保证连续变截面工件稳定且连续地完成焊接。

进一步地，在实际焊接中，采用水平面朝下，变截面朝上的装配方式与传感器配合获得变截面厚度变化，通过电气控制聚焦透镜振动实现连续调整激光焦点，使焊接过程中激光焦点始终垂直焊缝，并且激光头始终保持水平运动或是工件保持水平运动，在焊接过程中随时调整激光功率以使得该功率对应的熔池深度能够与对应焊接位置处厚度匹配。

本发明提供的连续变截面工件激光焊接系统，可实现连续变截面工件稳定高效焊接。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。