工藝參數(shù)對激光填絲焊接成形的影響

工藝參數(shù)對激光填絲焊接成形的影響

雙閉環(huán)控制系統(tǒng)激光填充焊接主要用于解決普通激光焊接方法中的一些困難和問題。采用填充焊絲具有降低激光焊接對工件預(yù)加工和裝配的精度要求、改善焊縫組織及成形質(zhì)量、擴(kuò)寬激光焊接應(yīng)用范圍等優(yōu)點。激光填絲焊接多用于較高精度焊接場合,因此對焊縫的成形質(zhì)量要求較高。焊絲填充量對焊縫成形有著很大的影響,填充量過大,焊縫凸起較大,反之則會出現(xiàn)填充不足焊縫凹陷的現(xiàn)象。因此,在高精度焊接過程中要求金屬填充量能夠根據(jù)焊縫坡口變化而進(jìn)行實時調(diào)整,保證穩(wěn)定精確的填充量,以獲得良好的焊縫成形。在激光焊接中,由于待焊工件的裝配精度,板材的裁邊狀況不同,對接坡口間隙會隨機(jī)變化。因此,需要設(shè)計一套能動態(tài)跟隨焊縫坡口間隙變化而實時調(diào)整金屬填充量的控制系統(tǒng),以保證焊縫成形質(zhì)量。金屬填充量可通過調(diào)節(jié)送絲速度和調(diào)節(jié)焊接速度兩種方法來控制。激光填絲焊接對送絲精度和穩(wěn)定性的要求非常高,現(xiàn)有的送絲系統(tǒng)多為半閉環(huán)控制,只能保證送絲電機(jī)轉(zhuǎn)速穩(wěn)定而不能保證送絲速度穩(wěn)定,很難滿足激光填絲焊接的要求。針對這種情況,作者開發(fā)了一套基于80c51單片機(jī)的雙閉環(huán)控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有很高的精度和穩(wěn)定性,可同時對送絲速度和焊接速度實行全閉環(huán)控制,在焊接過程中可根據(jù)坡口間隙變化情況實時選擇性地調(diào)整送絲速度或焊接速度,改變金屬填充量,同時對焊絲打滑、卡絲等現(xiàn)象進(jìn)行實時監(jiān)測,實現(xiàn)異常情況下對系統(tǒng)的保護(hù)。1系統(tǒng)設(shè)計1.1送絲速度的測量激光填絲焊接過程中,焊縫的成形質(zhì)量主要與激光功率、裝配間隙、焊接速度、送絲速度、送絲角度等參數(shù)相關(guān)。在一定的激光功率、裝配間隙、送絲角度范圍內(nèi),可以通過調(diào)節(jié)送絲速度和焊接速度獲得最佳的焊縫成形質(zhì)量。通過工藝實驗,實際的金屬填充量可根據(jù)填充相應(yīng)坡口間隙所需金屬體積上浮10%來計算。當(dāng)焊接速度固定時,送絲速度的計算公式如下:vf=4.4vsSd1πd22(1)vf=4.4vsSd1πd22(1)式中,vf為送絲速度(m/min),vs為焊接速度(m/min),S為坡口間隙(mm),d1為板厚(mm),d2為焊絲直徑(mm)。同理,當(dāng)送絲速度固定時,焊接速度的計算公式如下:vs=vfπd224.4Sd1(2)vs=vfπd224.4Sd1(2)根據(jù)(1)式和(2)式,在一定的板材厚度、一定的焊絲直徑,只要知道焊接過程中的坡口間隙寬度就可以確定所需的送絲速度和焊接速度,從而控制金屬填充量,保證焊縫成形質(zhì)量。送絲速度的穩(wěn)定和準(zhǔn)確是高精度焊接中獲得良好焊縫成形的前提條件。一般的送絲系統(tǒng)可使送絲電機(jī)穩(wěn)定運轉(zhuǎn),但由于焊絲與送絲驅(qū)動輪之間可能發(fā)生的相對滑動,對控制電機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)并不能完全實現(xiàn)送絲速度的精確控制,為了實現(xiàn)精確的送絲速度控制,送絲速度應(yīng)能實現(xiàn)全閉環(huán)控制,因此,對送絲機(jī)構(gòu)進(jìn)行了如圖1所示的改進(jìn)設(shè)計。圖1中在第2個從動輪上安裝一編碼盤,由于從動輪是通過摩擦力由焊絲帶動旋轉(zhuǎn)的,故編碼盤能直接檢測出實際的送絲速度并將速度信息反饋回單片機(jī),可完全補償送絲輪打滑、送絲阻力不均勻引起的送絲速度的波動,滿足激光填絲焊對送絲速度高穩(wěn)定性的要求。并可以監(jiān)測卡絲等焊絲送進(jìn)異常狀態(tài)。1.2充填量控制系統(tǒng)成形質(zhì)量控制系統(tǒng)主要有坡口檢測系統(tǒng)、送絲速度閉環(huán)系統(tǒng)和焊接速度控制系統(tǒng)組成。其中坡口間隙檢測系統(tǒng)由PSD光學(xué)傳感器和PC機(jī)組成,其工作原理及技術(shù)性能可參閱參考文獻(xiàn)。填充量控制系統(tǒng)由以80c51為核心的雙單片機(jī)系統(tǒng)組成,一個80c51(MCU1)系統(tǒng)用于實現(xiàn)送絲速度的閉環(huán)控制,另一個80c51(MCU2)系統(tǒng)用于實現(xiàn)焊接速度的控制。焊接過程進(jìn)行時,利用串口通訊,填充量控制系統(tǒng)能夠根據(jù)坡口檢測系統(tǒng)檢測到的坡口信息,按給定的數(shù)學(xué)模型調(diào)節(jié)送絲速度和焊接速度,并利用送絲反饋控制模塊保證送絲速度調(diào)節(jié)的實時和穩(wěn)定性能。系統(tǒng)原理框圖如圖2所示。送絲反饋系統(tǒng)以80c51單片機(jī)為控制核心,其外圍電路包括程序存貯器、D/A轉(zhuǎn)換電路、計數(shù)器/定時器電路、譯碼電路等。D/A芯片選用8位DAC0832,經(jīng)外圍電路放大處理后對應(yīng)0V～6V的電壓輸出,計數(shù)/定時器采用16位計數(shù)/定時芯片8253。I/O接口主要有電機(jī)驅(qū)動接口電路和傳感器與單片機(jī)間的接口電路。傳感器采用OMRON的E6A-CS200系列編碼盤,該編碼盤每旋轉(zhuǎn)1周可輸出200個脈沖,最高響應(yīng)轉(zhuǎn)速可達(dá)5000rpm。在激光填絲焊接常用送絲速度范圍內(nèi)該系統(tǒng)可保證送絲誤差小于0.08m/min(相對誤差小于5%),遠(yuǎn)高于開環(huán)送絲系統(tǒng)精度,可滿足填絲焊接焊縫成形的精度要求和穩(wěn)定性要求。速度控制系統(tǒng)利用80c51單片機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動脈沖頻率,實現(xiàn)對焊接速度的控制。2實驗研究及數(shù)值模擬實驗采用2mm厚的普通低碳鋼板,焊絲選用H08Mn2Si,直徑為>0.7mm,保護(hù)氣體為氬氣,激光器采用3kW的快軸流CO2激光器,激光輸出模式為TEM00+TEM01,聚焦透鏡為焦距f=127mm的ZnSe凸透鏡。低碳鋼板剪切后不對坡口進(jìn)行其它預(yù)處理直接焊接,送絲角度(焊絲與工件表面夾角)基本保持45°,采用后向送絲進(jìn)行焊接。為了驗證系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性以及研究坡口間隙變化時,調(diào)整焊接速度或送絲速度控制金屬填充量來保證激光填絲焊縫成形質(zhì)量的效果,進(jìn)行了兩組實驗研究:(1)固定焊接速度,坡口間隙發(fā)生變化時,通過改變送絲速度控制金屬填充量來保證焊縫成形;(2)固定送絲速度,坡口間隙發(fā)生變化時,通過改變焊接速度控制金屬填充量來保證焊縫成形。2.1坡口間隙的影響采用2kW的激光功率焊接厚度為2mm的低碳鋼板,保持焊接速度vs為0.8m/min,坡口間隙S從0mm變化到0.5mm。為了進(jìn)行對比,首先觀察坡口間隙變化,而送絲速度固定不變的焊縫成形情況。送絲速度vf為0.915m/min(對應(yīng)于S=0.2mm的理論計算值),焊接后分別截取間隙寬度為0.1mm,0.2mm,0.3mm,0.4mm,0.5mm處的焊縫截面,如圖3中各圖所示。由圖3可知,在起始階段(見圖3a)由于坡口間隙很小,焊絲熔化量大大高于間隙所需金屬填充量,故焊縫凸起較大,隨著間隙寬度S的增大,凸起逐漸變小且在后一階段(見圖3d,圖3e)由于金屬填充量不足而變?yōu)榘枷?。大約在坡口間隙S=0.2mm的截面上焊縫成形最理想,從而印證了作者在上述(1)式中提出的送絲速度vf與坡口間隙S之間數(shù)學(xué)關(guān)系的合理性。由此可見,在一定激光功率、坡口間隙、焊接速度條件下,有一個最佳的送絲速度范圍。圖4所示為根據(jù)傳感器檢測到的坡口間隙寬度值對送絲速度vf進(jìn)行實時調(diào)整的焊縫成形情況。從圖4可以看出,除了間隙過大處(S=0.5mm)之外,在整個焊接過程中,焊縫的成形質(zhì)量保持良好,沒有較大的凸起和凹陷,且在焊接過程的后期(見圖4e,圖4d),即使工件對接坡口發(fā)生了錯位變形,焊接過程仍能順利進(jìn)行,并且能保證良好的焊縫成形質(zhì)量;在間隙寬度為0.5mm時,焊縫有一定凹陷,成形不夠理想,其原因及解決辦法下面再做分析。通過調(diào)節(jié)送絲速度控制金屬填充量焊接變坡口間隙的焊縫全長外觀如圖5所示。2.2坡口間隙寬度值對焊縫成形的影響采用1.8kW的激光功率焊接厚度為2mm的低碳鋼板,焊接速度vs=0.5m/min～1.5m/min,保持送絲速度vf=1.5m/min不變。為了進(jìn)行對比,首先觀察坡口間隙保持S=0.2mm不變,焊接速度由0.5m/min增至1.5m/min焊縫成形變化情況。焊接后截取5段不同焊接速度的焊縫截面,如圖6中各圖所示。從圖6可以看出,隨著焊接速度的增大,焊縫表面由突起(圖6a)逐漸過渡到與母材表面平齊(圖6c)再到凹陷(圖6e),在vs=1.1m/min和1.3m/min時成形較理想,與由(2)式得到的理論計算值基本相符(vf=1.5m/min,S=0.2mm時,vs=1.31m/min)。圖7所示為根據(jù)傳感器檢測到的坡口間隙寬度值對焊接速度進(jìn)行實時調(diào)整的焊縫成形情況。工藝參數(shù)為:1.8kW的激光功率焊接厚度為2mm的低碳鋼板,坡口間隙S從0.1mm均勻變化到0.5mm,保持送絲速度vf=1.5m/min不變,焊接后分別截取間隙寬度為0.1mm,0.2mm,0.3mm,0.4mm,0.5mm處的焊縫截面,如圖7中各圖所示。從圖7可看出,除了間隙寬度很小(S=0.1mm,0.2mm)的情況外,通過控制焊接速度可以獲得良好的焊縫成形。通過調(diào)節(jié)焊接速度控制金屬填充量焊接變坡口間隙的焊縫全長外觀如圖8所示。2.3以調(diào)節(jié)焊接速度控制金屬填充量不理想比較圖4和圖7可以發(fā)現(xiàn),當(dāng)坡口間隙發(fā)生變化時,通過調(diào)節(jié)送絲速度和焊接速度兩種方法均可控制實際的金屬填充量,并在大多數(shù)情況下可獲得優(yōu)良的焊縫成形。但坡口間隙過大時(S>0.5mm),調(diào)節(jié)送絲速度的方法不理想(見圖4e),以調(diào)節(jié)焊接速度控制金屬填充量方法相對較好(見圖7e);當(dāng)坡口間隙過小時(S<0.2mm),調(diào)節(jié)焊接速度不理想(見圖7a、圖7b),以調(diào)節(jié)送絲速度控制金屬填充量方法相對較好(見圖4a、圖4b)。產(chǎn)生上述現(xiàn)象的原因,可以做如下分析。(1)當(dāng)坡口間隙較大時,在焊接速度不變的條件下,由于填充坡口需要的金屬量較大,因此對應(yīng)送絲速度較大。國外許多研究都已證明:填充焊絲對激光束有反射作用,而且送絲速度越大反射率越高。送絲速度太大時焊絲對激光反射過大,會使焊接過程穩(wěn)定性下降,惡化焊縫成形。所以,此時不宜用提高送絲速度的方法來控制金屬填充量,而應(yīng)在合適的送絲速度下,通過調(diào)整焊接速度來控制金屬填充量。(2)當(dāng)坡口間隙較小時,在送絲速度不變的條件下,對應(yīng)的焊接速度較大,造成焊接線能量過分減小,不利于熔池的穩(wěn)定建立,影響了焊縫成形。所以,此時不宜用提高焊接速度的方法來控制金屬填充量,而應(yīng)在合適的焊接速度下,通過調(diào)整送絲速度來控制金屬填充量。由上可見,根據(jù)檢測到的坡口間隙寬度,選擇性地控制送絲速度或焊接速度,就可保證在變坡口間隙激光填絲焊接中獲得全過程良好的焊縫成形。3變坡口間隙激光填絲焊接工藝特點b(1)設(shè)計的以雙80c51單片機(jī)系統(tǒng)為核心的激光填絲焊控制系統(tǒng)具有高精度