基于随焊碾压的激光拼焊装置及其控制方法与流程

本发明涉及材料加工工程领域，尤其涉及一种基于随焊碾压的激光拼焊装置及其控制方法。

背景技术：

铝/钢异种金属的连接在工业领域有着广泛的应用，尤其在汽车行业，实现二者的可靠连接可以有效的减轻车体重量，节约能耗，降低尾气排放。影响铝/钢异种金属焊接接头性能的最关键之处在于对接面金属间化合物层的控制。过厚的脆性金属间化合物层将严重影响接头的性能，因此，抑制金属间化合物层的生成与生长是提高接头性能的有效途径。而过大的热输入会促进厚大的金属间化合物层生成。

此外，薄板材料的焊接应力较大，很容易出现焊接热裂纹、焊接变形等缺陷，而铝/钢两种材料的物理化学性能（热膨胀系数）有较大差别，焊后变形尤为明显。针对于此，具有较小热输入及热影响区的激光焊接方法被视为一种焊接铝/钢异种金属的理想方法，但上述变形问题仍有待进一步改善。

因此，在焊接过程中采取辅助随焊碾压方法，在焊缝上同步施加压力被视为解决上述问题的一种有效途径，但已有的随焊碾压设备或随焊冲击设备，均有它们的不足之处。

如公开号为CN 204771174 U的专利公开的随焊碾压装置庞大，碾压轮容易阻挡激光路径，或碾压位置与激光作用位置偏离太远，达不到随焊的目的。公开号为CN 201728471 U的专利公开的随焊锤击装置，采用机械力对试件表面进行直接接触式冲击，施加的压力并不连续，难以保证碾压效果的均匀性，同时冲击力的大小难以量化。中国专利ZL03132581.5公开的随焊冲击碾压装置是一种新的控制焊接应力与变形的技术，该方法尽管弥补了随焊碾压与随焊冲击装置的部分不足，但仍然是间断式施加压力，其冲击效果的保证建立在减小冲击面积的基础上，并且冲击力的大小难以量化。

技术实现要素：

为了解决现有技术中存在的不足，本发明提出了一种基于随焊碾压的激光拼焊装置及其控制方法，以便提高异种金属的焊接效果。

为了实现上述目的，本发明的一方面提出了一种基于随焊碾压的激光拼焊装置，包括分别固定在地面上的焊接工作平台，焊接移动平台和对中压力装置，其中所述对中压力装置和焊接工作平台沿待焊板的传送方向依次设置在地面上，所述焊接移动平台横跨所述焊接工作平台；在所述焊接移动平台上连接有激光头、焊前压力装置以及焊后压力装置，所述焊前压力装置以及焊后压力装置均可与传送至所述焊接工作平台上的待焊板相接触，所述激光头的激光束焦点处于焊前压力装置以及焊后压力装置之间的待焊板表面；控制系统通过数据线连接控制所述焊接工作平台、焊接移动平台、对中压力装置、激光头，焊前压力装置以及焊后压力装置。

优选的是，所述对中压力装置包括固定在地面上的支撑柱；在所述支撑柱上安装有横向导轨，在所述横向导轨上安装横向移动机构，所述横向移动机构上设有与所述横向导轨配合使用的横向移动轮，所述横向移动机构上还设有第二移动电机，推板通过横向压力传感器与所述横向移动机构相连接；所述推板上设有与所述待焊板形状相匹配的凹槽，所述第二移动电机和所述横向压力传感器通过数据线与所述控制系统连接。

优选的是，所述焊接工作平台包括固定在地面上的焊接工作基台，在所述焊接工作基台上设有焊接工作垫板，所述焊接工作垫板上开设有保护气槽，在所述焊接工作垫板两侧的焊接工作基台上分别设有两组第一压力电机，每组第一压力电机上均设有两个紧固压力装置，每个紧固压力装置上开设有紧固压力限位槽，每组紧固压力装置通过所述紧固压力限位槽连接一个紧固压板，所述两个紧固压板均设置在所述焊接工作垫板的上方，并且所述两个紧固压板之间的空隙与所述保护气槽相对应；所述第一压力电机通过数据线与所述控制系统连接。

优选的是，所述焊接移动平台包括固定在地面上的第一支撑架，在所述第一支撑架上设有纵向导轨，所述纵向导轨上开设有纵向导轨槽，在所述纵向导轨上安装有纵向移动机构，所述纵向移动机构上设有第一移动电机以及纵向移动轮，所述纵向移动轮设置在所述纵向导轨槽内，在所述纵向移动机构上设有激光头安装架以及两组位置可调的定位板，所述激光头安装架与所述激光头相连接；所述第一移动电机通过数据线与所述控制系统相连接。

优选的是，所述焊后压力装置包括第二支撑架，所述第二支撑架通过远离激光头安装架的定位板固定在所述焊接移动平台上；第二压力电机设置在所述第二支撑架上；所述第二压力电机、第一压力杆以及第一压力传动杆由上至下依次连接在一起，其中所述第二压力电机与第一压力杆同轴连接在一起，在所述第一压力杆上设有第一压力传感器，所述第一压力杆的下端部设有第一定位轴，两组第一压力传动杆均与所述第一定位轴相连接，每组第一压力传动杆的末端设有第一碾压轮，所述第一碾压轮的圆心位置设有第一轴承，所述第一轴承内设有用于连接第一压力传动杆的第一连接轴，所述第一连接轴的末端形成槽键，限位杆通过所述槽键与所述第一碾压轮相连接；在所述第二支撑架上对称的设有两个限位板，所述限位板上开设有用于调整所述限位板与所述第二支撑架的相对位置的键槽；在靠近激光头一侧的限位板上设有送丝支架，所述送丝支架上设有送丝头；所述第二压力电机与所述第一压力传感器通过数据线与所述控制系统连接。

优选的是，所述焊前压力装置包括第三支撑架，所述第三支撑架通过靠近激光头安装架的定位板固定在所述焊接移动平台上，第三压力电机设置在所述第三支撑架上；所述第三压力电机、第二压力杆以及第二压力传动杆由上至下依次连接在一起，其中所述第三压力电机与第二压力杆同轴连接在一起，在所述第二压力杆上设有第二压力传感器，所述第二压力杆的下端部设有第二定位轴，在所述第二定位轴上连接一组第二压力传动杆，所述第二压力传动杆的末端连接有第二碾压轮，所述第二碾压轮的圆心位置设有第二轴承，所述第二轴承内设有用于连接第二压力传动杆的第二连接轴，在所述第二压力杆的末端还设有使所述第二压力传动杆沿轴向运动的竖直定位板，所述第三压力电机与所述第二压力传感器通过数据线与所述控制系统相连接。

优选的是，所述第一移动电机、第二移动电机、第一压力电机、第二压力电机以及第三压力电机均采用伺服电机。

本发明的另一方面还提出了一种基于上述基于随焊碾压的激光拼焊装置的控制方法，所述方法包括以下步骤：步骤1、将待焊板置于所述对中压力装置的推板处，通过所述控制系统校准对中参数，使待焊板在所述焊接工作平台上对中并经紧固压板压紧；步骤2、通过调整所述焊后压力装置中的限位板与第二支撑架的相对位置，来调节当所述焊后压力装置对待焊板的表面施加预设的压力时，两个第一碾压轮在所述待焊板表面的位置；调整所述激光头的激光束焦点在所述待焊板表面的位置，使激光束焦点与靠近所述激光头的第一碾压轮之间的间距在3~5mm；通过调整所述焊前压力装置中的第三支撑架的位置来调节所述第二碾压轮在所述待焊板表面的位置，使激光束焦点与所述第二碾压轮之间的间距在100~120mm； 步骤3、调整焊接零点的位置； 步骤4、通过所述控制系统设定焊接路径以及焊接参数； 步骤5、通过所述控制系统使所述焊后压力装置和焊前压力装置对待焊板的表面施加预设的压力； 步骤6、调整所述送丝头与待焊板的相对位置； 步骤7、对待焊板实施焊接。

优选的是，所述步骤4中的焊接参数包括激光功率为1kW~6kW，离焦量为+10 mm ~+30 mm， Ar保护气流量为10 L/min ~ 30 L/min，焊接速度为0.5 m/min ~3 m/min。

本发明的该方案的有益效果在于上述基于随焊碾压的激光拼焊装置结构简单可靠，操作方便，可实现例如铝/钢等异种金属薄板对接的精准装夹，提高焊接效果；在焊接过程中碾压轮实时同步碾压焊缝金属，可抑制薄板焊后变形并细化异种金属界面的金属间化合物层，提高焊缝性能；第一碾压轮与激光束直接作用位置间距极小，在5 mm范围内，针对激光焊接加热冷却速度快的特点，可实现有效碾压；碾压压力可实时控制，保证碾压效果。

附图说明

图1示出了本发明所涉及的基于随焊碾压的激光拼焊装置的结构示意图。

图2示出了本发明所涉及的对中压力装置的结构示意图。

图3示出了本发明所涉及的焊接工作平台的结构示意图。

图4示出了本发明所涉及的焊接移动平台的结构示意图。

图5示出了本发明所涉及的焊后压力装置的结构示意图。

图6示出了本发明所涉及的焊前压力装置的结构示意图。

附图标记：1-控制系统，2-激光头，3-焊接移动平台，4-对中压力装置，5-焊接工作平台，6-焊后压力装置，7-焊前压力装置，8-纵向移动机构，9-纵向移动轮，10-纵向导轨槽，11-激光头安装架，12-定位板，13-第一支撑架，14-第一移动电机，15-纵向导轨，16-支撑柱，17-横向导轨，18-第二移动电机，19-横向移动轮，20-待焊板，21-推板，22-横向压力传感器，23-横向移动机构，24-紧固压力装置，25-紧固压力限位槽，26-第一压力电机，27-焊接工作基台，28-保护气槽，29-焊接工作垫板，30-紧固压板，32-第二压力电机，33-键槽，34-限位板，35-第一压力杆，36-第一压力传动杆， 37-送丝支架，38-送丝头，39-第一碾压轮，40-硬质合金轮，41-槽键，42-第一轴承，43-限位杆，44-第一压力传感器，45-第二支撑架，46-第三支撑架，47-第二压力杆，48-第二压力传动杆，49-第二碾压轮，50-第二压力传感器，51-竖直定位板，52-第三压力电机。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的说明。

如图1所示，本发明所涉及的基于随焊碾压的激光拼焊装置包括分别固定在地面上的焊接工作平台5，焊接移动平台3和对中压力装置4，其中所述对中压力装置4和焊接工作平台5沿待焊板20的传送方向依次设置在地面上，所述焊接移动平台3横跨所述焊接工作平台5；在所述焊接移动平台3上连接有激光头2、焊前压力装置7以及焊后压力装置6，所述焊前压力装置7以及焊后压力装置6均可与传送至所述焊接工作平台5上的待焊板20相接触，所述激光头2的激光束焦点处于焊前压力装置7以及焊后压力装置6之间的待焊板20表面；控制系统1通过数据线连接控制所述焊接工作平台5、焊接移动平台3、对中压力装置4、激光头2，焊前压力装置7以及焊后压力装置6。

如图2所示，所述对中压力装置4包括固定在地面上的支撑柱16；在所述支撑柱16上安装有横向导轨17，在所述横向导轨17上安装横向移动机构23，所述横向移动机构23上设有与所述横向导轨17配合使用的横向移动轮19，所述横向移动机构23上还设有第二移动电机18，推板21通过横向压力传感器22与所述横向移动机构23相连接；所述推板21上设有与所述待焊板20形状相匹配的凹槽，以便推动待焊板20到达焊接位置。所述第二移动电机18和所述横向压力传感器22通过数据线与所述控制系统1连接。

如图3所示，所述焊接工作平台5包括固定在地面上的焊接工作基台27，在所述焊接工作基台27上设有焊接工作垫板29，所述焊接工作垫板29上开设有保护气槽28，在所述焊接工作垫板29两侧的焊接工作基台27上分别设有两组第一压力电机26，每组第一压力电机26上均设有两个紧固压力装置24，每个紧固压力装置24上开设有紧固压力限位槽25，每组紧固压力装置24通过所述紧固压力限位槽25连接一个紧固压板30 ，所述两个紧固压板30均设置在所述焊接工作垫板29的上方，并且所述两个紧固压板30之间的空隙与所述保护气槽28相对应；所述第一压力电机26通过数据线与所述控制系统1连接。待焊板20通过所述对中压力装置4推送到焊接位置，该焊接位置是指所述焊接工作垫板29与紧固压板30之间的位置，并且使异种金属的焊接接头处在所述保护气槽28的位置。

如图4所示，所述焊接移动平台3包括固定在地面上的第一支撑架13，在所述第一支撑架13上设有纵向导轨15，所述纵向导轨15上开设有纵向导轨槽10，在所述纵向导轨15上安装有纵向移动机构8，所述纵向移动机构8上设有第一移动电机14以及纵向移动轮9，所述纵向移动轮9设置在所述纵向导轨槽10内，在所述纵向移动机构8上设有激光头安装架11以及两组位置可调的定位板12，所述激光头安装架11与所述激光头2相连接；所述第一移动电机14通过数据线与所述控制系统1相连接。

如图5所示，所述焊后压力装置6包括第二支撑架45，所述第二支撑架45通过远离激光头安装架11的定位板12固定在所述焊接移动平台3上；第二压力电机32设置在所述第二支撑架45上；所述第二压力电机32、第一压力杆35以及第一压力传动杆36由上至下依次连接在一起，其中所述第二压力电机32与第一压力杆35同轴连接在一起，在所述第一压力杆35上设有第一压力传感器44，所述第一压力杆35的下端部设有第一定位轴，两组第一压力传动杆36均与所述第一定位轴相连接，每组第一压力传动杆36的末端设有第一碾压轮39，在本实施例中，所述第一碾压轮39采用硬质合金轮40，所述第一碾压轮39的圆心位置设有第一轴承42，所述第一轴承42内设有用于连接第一压力传动杆36的第一连接轴，所述第一连接轴的末端形成槽键41，限位杆43通过所述槽键41与所述第一碾压轮39相连接，通过所述限位杆43对所述第一碾压轮39的水平方向位移进行限位；在所述第二支撑架45上对称的设有两个限位板34，所述限位板34上开设键槽33，以便调整所述限位板34与所述第二支撑架45的相对位置；在靠近激光头2一侧的限位板34上设有送丝支架37，所述送丝支架37上设有送丝头38；所述第二压力电机32与所述第一压力传感器44通过数据线与所述控制系统1连接。

如图6所示，所述焊前压力装置7包括第三支撑架46，所述第三支撑架46通过靠近激光头安装架11的定位板12固定在所述焊接移动平台3上，第三压力电机52设置在所述第三支撑架46上；所述第三压力电机52、第二压力杆47以及第二压力传动杆48由上至下依次连接在一起，其中所述第三压力电机52与第二压力杆47同轴连接在一起，在所述第二压力杆47上设有第二压力传感器50，所述第二压力杆47的下端部设有第二定位轴（图中未示出），在所述第二定位轴上连接一组第二压力传动杆48，所述第二压力传动杆48的末端连接有第二碾压轮49，所述第二碾压轮49的圆心位置设有第二轴承，所述第二轴承内设有用于连接第二压力传动杆48的第二连接轴，为了保证所述第二压力传动杆48沿轴向运动，在所述第二压力杆47的末端还设有竖直定位板51，所述第三压力电机52与所述第二压力传感器50通过数据线与所述控制系统1相连接。

为了实现高精度的控制，本发明所涉及的第一移动电机14、第二移动电机18、第一压力电机26、第二压力电机32以及第三压力电机52均可以采用伺服电机。

本发明所涉及的基于随焊碾压的激光拼焊装置的控制方法包括以下步骤：

步骤1、将待焊板20置于所述对中压力装置4的推板21处，通过所述控制系统1校准对中参数，使待焊板20在所述焊接工作平台5上对中并经紧固压板30压紧。

具体的对中过程如下，在所述控制系统1中设定第一压力阈值，驱动所述第二移动电机18动作，使得横向移动机构23带动推板21向焊接工作平台5推送待焊板20，所述横向压力传感器22将检测到的实时压力值传送至所述控制系统1，当实时压力值与第一压力阈值相等时，所述第二移动电机18停止动作，此时待焊板20到达指定位置，即待焊板20已经处于所述焊接工作垫板29与紧固压板30之间，并且所述待焊板20的拼焊对接面处于所述保护气槽28处，至此完成了对中操作。

通过所述控制系统1驱动所述第一压力电机26动作，进而使得紧固压力装置24带动紧固压板30向下移动，以实现对待焊板20的紧固压紧。

步骤2、通过调整所述焊后压力装置6中的限位板34与第二支撑架45的相对位置，来调节当所述焊后压力装置6对待焊板20的表面施加预设的压力时，两个第一碾压轮39在所述待焊板20表面的位置；调整所述激光头2的激光束焦点在所述待焊板20表面的位置，使激光束焦点与靠近所述激光头2的第一碾压轮39之间的间距在3~5mm；通过调整所述焊前压力装置7中的第三支撑架46的位置来调节所述第二碾压轮49在所述待焊板20表面的位置，使激光束焦点与所述第二碾压轮49之间的间距在100~120mm。

步骤3、调整焊接零点的位置。具体过程如下：驱动所述第一移动电机14动作，使得纵向移动机构8带动所述激光头2、焊后压力装置6以及焊前压力装置7移动到指定的位置。

步骤4、通过所述控制系统1设定焊接路径以及焊接参数。具体的焊接参数包括激光功率为1kW~6kW，离焦量为+10 mm ~+30 mm，保护气采用Ar气，保护气体流量为10 L/min ~ 30 L/min，焊接速度为0.5 m/min ~3 m/min。

步骤5、通过所述控制系统1使所述焊后压力装置6和焊前压力装置7对待焊板20的表面施加预设的压力。

具体过程如下：驱动所述焊前压力装置7中的第三压力电机52动作，使得第二压力杆47带动第二压力传动杆48向下移动，通过第二碾压轮49对待焊板20表面实施压力，直至所述第二压力传感器50反馈的实时压力值与所述控制系统1内设定的第二压力阈值相等，此时第二碾压轮49施加的压力保持在1kN~5kN的范围内。驱动所述焊后压力装置6中的第二压力电机32动作，使得第一压力杆35带动第一压力传动杆36向下移动，通过第一碾压轮39对待焊板20表面实施压力，直至所述第一压力传感器44反馈的实时压力值与所述控制系统1内设定的第三压力阈值相等，此时第一碾压轮39施加的压力保持在1kN~20kN的范围内。

步骤6、调整所述送丝头38与待焊板20的相对位置。

步骤7、对待焊板20实施焊接。

本发明所涉及的基于随焊碾压的激光拼焊装置结构简单可靠，操作方便，可实现例如铝/钢等异种金属薄板对接的精准装夹，提高焊接效果；在焊接过程中碾压轮实时同步碾压焊缝金属，可抑制薄板焊后变形并细化异种金属界面的金属间化合物层，提高焊缝性能；第一碾压轮与激光束直接作用位置间距极小，在5 mm范围内，针对激光焊接加热冷却速度快的特点，可实现有效碾压；碾压压力可实时控制，保证碾压效果。