專利名稱：激光－雙絲脈沖電弧復(fù)合焊接系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種焊接系統(tǒng)，更具體地說，涉及一種激光-雙絲脈沖電弧復(fù)合焊接 系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
激光作為一種特殊的熱源，同傳統(tǒng)的焊接熱源相比，具有自身獨到的特點。經(jīng)過聚 焦，激光束可達到極高的功率密度，可以熔化甚至汽化高熔點的金屬，因此可用于特殊材料 的精密焊接。由于激光束能量集中，焊接過程中輸入的線能量小，因此熱變形和焊接熱影響 區(qū)就很小，從而可以適當提高焊接速度，生產(chǎn)效率得到大大提高。20世紀70年代英國帝國 大學(xué)的W. M. Steen首次采用電弧焊輔助激光進行焊接，提出了激光_電弧復(fù)合焊接技術(shù)的 概念。其主要思想是將激光和電弧這兩種性質(zhì)完全不同的熱源疊加在一起，形成了一種全 新的熱源，同時作用在焊接部位進行焊接。目前，激光復(fù)合焊接工藝的大多是關(guān)于激光與單 電源復(fù)合，研究基本集中在激光與不同性質(zhì)熱源的配合研究，如激光-TIG、激光-等離子熱 源、激光-MIG等。雙絲(雙弧)焊是多絲多弧焊接工藝的基礎(chǔ)。在國內(nèi)外已經(jīng)開展了廣泛的研究。 早在1948年，為了提高生產(chǎn)效率，就有人開始研究雙絲埋弧焊技術(shù)，并且該項技術(shù)很快為 人們所接受，并出現(xiàn)了多種雙絲埋弧焊方法，如縱列式、橫列雙絲串聯(lián)式、橫列雙絲并聯(lián)式 等，近十年，雙絲(多絲)氣保焊技術(shù)更是得到了迅速的發(fā)展。由于激光復(fù)合焊接本身具有熔深深、成形好、同時焊縫組織性能優(yōu)異等優(yōu)點，雙絲 焊接在高效、高速焊接方面亦具有相當優(yōu)勢，但是，它們也都具有自身的局限性雙絲焊最 常用的是串列雙絲焊的形式，但是這種方法雖然提高了焊接的熔敷率和焊接速度，但是并 沒能起到加大熔深的作用；激光電弧復(fù)合焊接時，兩者的焊接速度存在不匹配的情況，同時 如何控制兩電弧之間作用力的大小，這都將嚴重影響激光電弧復(fù)合熱源焊接的質(zhì)量。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服上述的現(xiàn)有技術(shù)中的不足，提供一種激光-雙絲脈沖電弧 復(fù)合焊接系統(tǒng)，既能集中雙絲脈沖焊接和激光電弧焊接各自的優(yōu)點，有效充分利用系統(tǒng)的 能量，提高焊接熔敷效率和焊接速度，又能夠獲得良好的焊接質(zhì)量。本發(fā)明的目的通過下述技術(shù)方案予以實現(xiàn)—種激光-雙絲脈沖電弧復(fù)合焊接系統(tǒng)，包括第一焊槍、第二焊槍、激光源、第一 焊機、第二焊機、脈沖協(xié)調(diào)控制器，其中第一焊機，用于向第一焊槍輸出電信號；第二焊機，用于向第二焊槍輸出電信號；激光器，用于產(chǎn)生激光；脈沖協(xié)調(diào)控制器，用于協(xié)調(diào)控制第一焊機和第二焊機輸出的電信號，使兩者的相 位差為70° -120° ；
第一焊槍、第二焊槍和激光束在ZOX平面、ZOY平面和YOX平面的投影位置關(guān)系如 下(1)在YOX平面內(nèi)，沿焊接方向，第一焊槍、第二焊槍和激光束在被焊工件上的作 用點呈一條直線分布(2)在ZOX平面內(nèi)，第一焊槍(即焊槍1)與Z方向的夾角α范圍為15° 30°， 第二焊槍(即焊槍2)與Z方向的夾角β范圍為15° 45° ；第一焊槍在被焊工件上的作 用點與激光束中心線的距離Rl為0 2mm，第二焊槍在被焊工件上的作用點與激光束中心 線的距離R2為1 4mm。上述參數(shù)優(yōu)選如下1.所述脈沖協(xié)調(diào)控制器，用于協(xié)調(diào)控制第一焊機和第二焊機輸出的電信號，使兩 者的相位差優(yōu)選為70° -100°，更加優(yōu)選80° -90°。2.在ZOX平面內(nèi)，第一焊槍(即焊槍1)與Z方向的夾角α范圍為20° 30°， 第二焊槍(即焊槍2)與Z方向的夾角β范圍為20° 35° ；第一焊槍在被焊工件上的作 用點與激光束中心線的距離Rl為1 2mm，第二焊槍在被焊工件上的作用點與激光束中心 線的距離R2為2 4mm。本發(fā)明的焊接系統(tǒng)中使用的脈沖控制器，可以配合一臺脈沖焊機與一臺普通焊機 組成的雙絲焊系統(tǒng)，該控制器通過檢測脈沖焊接所輸出的脈沖電流的相關(guān)參數(shù)，對普通焊 接輸出相應(yīng)的脈沖控制信號，是普通的直流焊接輸出與脈沖焊機匹配的脈沖電流信號，雙 絲焊系統(tǒng)的脈沖信號相互匹配，兩電弧之間的作用力也可以被控制，這樣就可以實現(xiàn)穩(wěn)定 的雙電弧焊接過程；也可用于兩臺普通直流焊接組成的雙絲焊接系統(tǒng)，該控制器可以通過 鍵盤與數(shù)碼管等人機交互設(shè)備實現(xiàn)參數(shù)設(shè)定，根據(jù)所設(shè)參數(shù)輸出脈沖電流，好的設(shè)定參數(shù) 也可以實現(xiàn)兩電弧的作用力最小。本發(fā)明的復(fù)合焊接系統(tǒng)的一個技術(shù)核心在于兩電弧與激光熱源的復(fù)合形式，即兩 把焊槍和激光三者之間的相對位置關(guān)系，通過控制三者之間的距離和角度，來調(diào)整焊接過 程，通過最優(yōu)的距離和角度控制，實現(xiàn)穩(wěn)定的焊接過程，由于使用3個熱源的復(fù)合大大提高 了焊接效率，加大了焊接熔深和熔寬，改善焊縫成形。本發(fā)明的復(fù)合焊接系統(tǒng)的另一個技術(shù)核心在于激光與兩個電弧進行復(fù)合，激光位 于兩電弧的中間，并通過脈沖控制雙絲電弧之間的相互作用，以達到很好的復(fù)合效果。與雙 絲脈沖MIG焊相比，電弧挺度增強、亮度增強，電弧熔化焊絲的能力增強，熔滴的過渡形式 出現(xiàn)的一脈多滴的情況。這主要是因為激光和電弧的相互作用使電弧吸收部分激光能量后 自身能量提高，雙電弧的作用對激光能量的吸收作用比單電弧更加增強，避免較多的能量 因等離子體的吸收而得不到利用。根據(jù)試驗結(jié)果可知，平板堆焊的結(jié)果，可以使熔深增加 20 % 80 %，熔寬增加8 % 15 %，余高增加10 % 20 %，同時激光的加入使雙絲焊的適應(yīng) 性增強了，即激光的加入使雙絲焊的焊接參數(shù)范圍變寬了。


圖1是本發(fā)明的激光-雙絲脈沖電弧復(fù)合焊接系統(tǒng)的立體示意圖，其中電焊機1 是第一焊機、電焊機2是第二焊機、焊絲1是電焊機1送出的焊絲、焊絲2是電焊機2送出 的焊絲。
圖2是本發(fā)明的激光-雙絲脈沖電弧復(fù)合焊接系統(tǒng)的三視圖，即激光-雙絲脈沖 電弧復(fù)合焊接系統(tǒng)沿圖1中所示的Y軸方向在ZOX平面的投影視圖、沿圖1中所示的X軸 方向在ZOY平面的投影視圖、沿圖1中所示的Z軸方向在XOY平面的投影視圖。圖3是相位差為90°的兩臺焊機的電信號輸出波形圖。圖4是脈沖控制器原理圖。圖5是CD4066的結(jié)構(gòu)框圖。圖6是鍵盤及其接口框圖。圖7是數(shù)碼管及其連接方式的框圖。圖8是89S52型單片機及其外圍接口電路圖。圖9是AD轉(zhuǎn)換器及其連接圖。圖10是信號濾波電路圖。
具體實施例方式
下面結(jié)合具體實施例進一步說明本發(fā)明的技術(shù)方案。選擇使用一臺英國GSI公司生產(chǎn)的最大額定功率為2KW型號為JK2003SM的 Nd :YAG激光器提供激光光源、一臺林肯INVERTEC V300-I焊機、一臺林肯INVERTEC V350-PR0焊機、兩臺S-86A型半自動送絲機、加持和調(diào)整焊槍角度和位置的夾具、一個用于 擺放工件的直線工作臺，此外還包括氣瓶、氣閥、遙控盒等焊接輔助設(shè)備。林肯INVERTEC V300-I焊機可以采用單相或者是三相電源輸入，能夠提供恒壓和 恒流輸出，可用于熔化極氣體保護焊，手工電弧焊，非熔化極氣體保護焊，藥芯焊絲等焊接 過程。其電流輸出范圍在50A 300A之間，電壓輸出在13V 42V之間。用于遠程控制和 送絲裝置的14芯插座，能滿足對試驗靈活控制的要求。此外林肯V300焊機可以接入外接 控制裝置，在本系統(tǒng)中可以接入脈沖協(xié)調(diào)控制器。林肯NVERTEC V350-PR0焊機提供恒壓 恒流直流等多種輸出方式，其額定輸出為電流350A，電壓34V，60%的負載持續(xù)率，能進行 手工焊接、直流TIG焊接、MIG焊接、脈沖MIG焊接、藥芯焊絲焊接和碳弧氣刨。輸出電流范 圍為5A 425A之間，輸入電壓范圍為208V 575V之間。由于V300焊機本身不能輸出脈 沖，所以采用脈沖協(xié)調(diào)控制器來將V300改造成脈沖電源并實現(xiàn)與V350的協(xié)調(diào)輸出。V350 電源本身可以輸出基值、峰值、頻率、脈寬比均可調(diào)的脈沖信號，脈沖協(xié)調(diào)控制器的作用是 能夠?qū)⒉杉降腣350的電流信號作為輸入，然后輸出控制信號，使V300的輸出信號能夠跟 隨V350的信號，實現(xiàn)兩者的相位差在70° 120°之間的任意可調(diào)值。當兩者相位差為 90°時，兩個焊機的輸出波形如圖3所示。本實施例使用的脈沖控制器具有如下的具體功能(1)恒定峰值焊接電壓的控制輸出該控制器可以向始終電焊機送出峰值電壓控 制信號。這樣便于生產(chǎn)、試驗中對峰值電壓的調(diào)節(jié)、給定進行校準，以及在其它焊接參數(shù)不 變的情況下方便地單獨比較峰值電壓的焊接效果(MODEl)。(2)恒定基值焊接電流的控制輸出該控制器可以始終向電焊機送出基值電壓控 制信號。與MODEl的作用類似，這便于生產(chǎn)、試驗中對基值電壓的調(diào)節(jié)、給定進行校準，以及 在其它焊接參數(shù)不變的情況下方便地單獨比較基值電壓的焊接效果。將這種電壓控制輸出 方式命名為控制模式2 (M0DE2)。
(3)峰值-基值脈沖焊接電壓的控制輸出由電壓過零檢測電路采集到交流電弧 的電壓過零信號控制直流電源的電壓輸出，即在直流電源的焊接電壓與交流電源的焊接電 壓同向時給定基值，反向時給定峰值，使直流電源的焊接電壓與交流電源的焊接電壓同相 位的變化。將這種電壓控制輸出方式命名為控制模式3(M0DE 3)。(4)脈沖參數(shù)采集顯示在使用一臺脈沖焊機與一臺普通焊機組成的雙電弧焊接 系統(tǒng)時，該控制器可以通過自身的AD設(shè)備采集分析脈沖焊機輸出的脈沖信號的參數(shù)并通 過數(shù)碼管顯示出來。(5)直流脈沖參數(shù)耦合調(diào)節(jié)當調(diào)節(jié)某個脈沖參數(shù)的時候，調(diào)節(jié)行為不會對其它 參數(shù)產(chǎn)生影響。這樣，使參數(shù)的調(diào)節(jié)簡潔方便，同時，避免了在以模擬器件為主時為實現(xiàn)脈 沖參數(shù)耦合所造成的電路設(shè)計復(fù)雜的情況。本發(fā)明使用的脈沖控制器具體結(jié)構(gòu)如附圖4-10所示，其中控制器具體元件與連 接如下1.控制器中的高速電子開關(guān)采用的是⑶4066芯片。⑶4066的結(jié)構(gòu)框圖如附圖5 所示。⑶4066為由邏輯輸入信號可控的CMOS型四雙向開關(guān)。因為其構(gòu)造為CMOS，所以對 控制輸入信號線路影響較小。另外，由信號輸入而引起的開通(ON)阻抗變化較小，應(yīng)用范 圍廣，可作為斷路器、調(diào)制器、解調(diào)器等使用。CD4066的主要特點如下(1)工作電源電壓范圍:VDD-VSS = 3 18V(2)導(dǎo)通阻抗:80Ω (Vdd-Vss = 15V)(3)高關(guān)阻抗，小漏電流:0. InA (Vdd-Vss = 10V, T = 25°C )(4)各開關(guān)間交調(diào)失真小50dB(f = 8MHz)(5)線性好失真率為0. 1 %(6)各開關(guān)間的開阻抗差小5 Ω (Vdd-Vss = 15V，Vis = 15V)CD4066接收來自AT89C2051上Ρ3. 7、Ρ3. 5的脈沖控制信號，并據(jù)此分別選通高、 低焊接電流的給定控制信號，將信號送到直流自動埋弧焊機的遙控電流控制信號端子。2.鍵盤，采用陣列式鍵盤如附圖6所示。3.數(shù)碼管，采用靜態(tài)鎖存顯示技術(shù)，具體的連接方式如附圖7所示。4.單片機采用STC公司的89S52型單片機，其外圍的接口電路，如附圖8所示。5. AD轉(zhuǎn)換器采用AD0804芯片，具體連接如附圖9所示。6.信號濾波采用LM3M運放組成的運算放大電路，如附圖10所示。在利用本發(fā)明的復(fù)合焊接系統(tǒng)進行焊接時，按照附圖1和2所示位置連接設(shè)備，接 入頻率為工頻50Hz的電源；調(diào)節(jié)V350電焊機參數(shù)，交流電壓有效值取值范圍35 90V ；調(diào) 節(jié)脈沖控制器的工作模式，以及基值給定OOV 30V)和峰值給定(30V 40V)；調(diào)節(jié)兩送 絲機的送絲速度，范圍1 15m/min ；調(diào)整激光的焦點，使離焦量達到_3mm 3mm ；按照下表 所示基本參數(shù)，施焊，此過程中電弧在兩側(cè)相互協(xié)調(diào)，激光在中間打在前槍熔池邊緣。表一試驗基本參數(shù)
權(quán)利要求
1.激光-雙絲脈沖電弧復(fù)合焊接系統(tǒng)，包括第一焊槍、第二焊槍、激光源、第一焊機、第 二焊機、脈沖協(xié)調(diào)控制器，其中第一焊機，用于向第一焊槍輸出電信號；第二焊機，用于向 第二焊槍輸出電信號；激光器，用于產(chǎn)生激光；其特征在于，所述脈沖協(xié)調(diào)控制器，用于協(xié)調(diào)控制第一焊機和第二焊機輸出的電信號，使兩者的相 位差為70° -120° ；第一焊槍、第二焊槍和激光束在ZOX平面、ZOY平面和YOX平面的投影位置關(guān)系如下(1)在YOX平面內(nèi)，沿焊接方向，第一焊槍、第二焊槍和激光束在被焊工件上的作用點 呈一條直線分布(2)在ZOX平面內(nèi)，第一焊槍與Z方向的夾角α范圍為15° 30°，第二焊槍與Z方 向的夾角β范圍為15° 45° ；第一焊槍在被焊工件上的作用點與激光束中心線的距離 Rl為0 2mm，第二焊槍在被焊工件上的作用點與激光束中心線的距離R2為1 4mm。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的激光-雙絲脈沖電弧復(fù)合焊接系統(tǒng)，其特征在于，所述 脈沖協(xié)調(diào)控制器，用于協(xié)調(diào)控制第一焊機和第二焊機輸出的電信號，使兩者的相位差為 70° -100° 。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的激光-雙絲脈沖電弧復(fù)合焊接系統(tǒng)，其特征在于，所述 脈沖協(xié)調(diào)控制器，用于協(xié)調(diào)控制第一焊機和第二焊機輸出的電信號，使兩者的相位差為 80° -90°。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的激光-雙絲脈沖電弧復(fù)合焊接系統(tǒng)，其特征在于，在ZOX平面 內(nèi)，第一焊槍與Z方向的夾角α范圍為20° 30°，第二焊槍與Z方向的夾角β范圍為 20° 35° ；第一焊槍在被焊工件上的作用點與激光束中心線的距離Rl為1 2mm，第二 焊槍在被焊工件上的作用點與激光束中心線的距離R2為2 4mm。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種激光-雙絲脈沖電弧復(fù)合焊接系統(tǒng)，包括第一焊槍、第二焊槍、激光源、第一焊機、第二焊機、脈沖協(xié)調(diào)控制器，其中脈沖協(xié)調(diào)控制器，用于協(xié)調(diào)控制第一焊機和第二焊機輸出的電信號，使兩者的相位差為70°-120°；同時調(diào)整第一焊槍、第二焊槍和激光源的相對位置，便可以克服現(xiàn)有技術(shù)中的不足，提供一種激光-雙絲脈沖電弧復(fù)合焊接系統(tǒng)，既能集中雙絲脈沖焊接和激光電弧焊接各自的優(yōu)點，有效充分利用系統(tǒng)的能量，提高焊接熔敷效率和焊接速度，又能夠獲得良好的焊接質(zhì)量。
文檔編號B23K28/02GK102069306SQ201110036380
公開日2011年5月25日 申請日期2011年2月11日 優(yōu)先權(quán)日2011年2月11日
發(fā)明者丁雪萍, 劉德深, 李桓, 王綠原, 顧小燕 申請人:天津大學(xué)