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CN116275525A - 一种双环状激光中心送丝增材系统及控制方法 - Google Patents

一种双环状激光中心送丝增材系统及控制方法 Download PDF

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CN116275525A
CN116275525A CN202310067164.5A CN202310067164A CN116275525A CN 116275525 A CN116275525 A CN 116275525A CN 202310067164 A CN202310067164 A CN 202310067164A CN 116275525 A CN116275525 A CN 116275525A
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CN
China
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laser
wire feeding
wire
material adding
ring laser
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Application number
CN202310067164.5A
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马照伟
雷小伟
王伟超
杜志博
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Luoyang Shipbuilding Materials Research Institute 725th Research Institute Of China Shipbuilding Corp
Original Assignee
Luoyang Shipbuilding Materials Research Institute 725th Research Institute Of China Shipbuilding Corp
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Publication date
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Abstract

本发明提供了一种双环状激光中心送丝增材系统及控制方法，所述双环状激光中心送丝增材系统，包括：激光焊接系统，通过激光发生器发出两束激光，形成同轴的外环激光和内环激光；熔化极焊接系统，通过MIG电源用于向所述送丝装置以及金属丝供电，所述金属丝从外环激光和内环激光的中心穿过进入熔池；控制器，用于调整并控制工艺参数。本发明所述的双环状激光中心送丝增材系统及控制方法，基于熔滴协同控制的双环状激光中心送丝增材系统，对激光中心送丝增材制造的熔滴过渡进行精确控制，从而改善焊道成型，提升熔敷效率，实现稳定高效的增材，在增材过程中，各系统紧密协同作业，自动化程度较高，最终获得预期的增材焊道成型。

Description

一种双环状激光中心送丝增材系统及控制方法
技术领域
本发明涉及金属增材制造技术领域，特别涉及一种双环状激光中心送丝增材系统及控制方法。
背景技术
激光增材成型技术是近年发展起来的一门高新技术，利用激光技术，CAX技术，自动控制技术，新材料技术，直接造型，快速制造产品模型的一门多学科综合技术。采用"堆积"成型加工工艺，替代传统的"去除"成型加工工艺，在加工领域具有划时代的意义。
在进行钛合金的激光中心送丝增材制造时，由于激光的能量密度较高、金属丝受热不均匀，容易出现熔滴过渡不稳定、焊道成型差等问题，导致增材制备的构件精度较差，性能不达标。
为了对熔滴过渡形式进行有效控制，中国专利CN109940252A提出了一种焊枪保护嘴，即在金属丝管体旁设置光束管体，激光作用于熔滴根部进行过渡控制，但是这种熔滴过渡方式采用单束点状激光，金属丝受热不均匀，易出现熔滴偏移。
中国专利CN110238528A)出了一种法向送丝的激光-热丝TIG复合焊接方法，采用激光束、非熔化电极与持续加热的金属丝复合的方式来提高金属丝熔敷效率，但是焊接该装置具有方向，无法实现多方向焊接。
发明内容
有鉴于此，本发明旨在提出一种双环状激光中心送丝增材系统及控制方法，以解决激光中心送丝增材制造过程中熔滴过渡不稳定、焊道成型差的问题。
为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：
一种双环状激光中心送丝增材系统，包括：
激光焊接系统，包括激光发生器、激光工作头、外环激光镜组、内环激光镜组，所述激光发生器能够发出两束激光，两束激光在激光工作头内的外环激光镜组和内环激光镜组的作用下，发射出同轴的外环激光和内环激光，所述外环激光与所述内环激光同心设置；
熔化极焊接系统，包括MIG电源、送丝装置、导电嘴、金属丝，所述MIG电源用于向所述送丝装置以及金属丝供电，所述送丝装置能够调整金属丝的给进速度和运行轨迹，所述金属丝从外环激光和内环激光的中心穿过进入熔池；
控制器，用于调整并控制内环激光能量、外环激光能量、电弧能量、金属丝给进速度、激光工作头移动速度、金属丝轨迹路径的参数。
进一步的，外环激光进行熔化基材和金属丝，内环激光进行预热金属丝和控制熔滴过渡。
进一步的，内环激光为高频脉冲激光，聚焦在金属丝上形成内环激光斑点，内环激光斑点距离待焊区域平面为h，h为预设间距。
进一步的，h的取值为5～20mm。
进一步的，所述双环状激光中心送丝增材系统还包括图像采集处理系统，所述图像采集处理系统包括：
熔滴形态采集器：通过高速摄像装置，对熔滴的过渡形式进行实时采集；
焊道形貌采集器，通过数字成像装置，对待增材焊道的形貌进行实时采集；
图像处理器：对熔滴形态采集器和焊道形貌采集器采集的图像进行分析和处理，生成数字信号并上传到控制器，调整内环激光的能量以及送丝装置的送丝速度。
进一步的，所述图像处理器将接收到的熔滴形态采集器实时采集的图像进行分析和处理，将熔滴的大小和过渡频率信息生成数字信号并上传到控制器，控制器将接受的信号与工艺数据库进行比对计算，然后向激光发生器传输调节信号，激光发生器调整内环激光的能量。
进一步的，所述图像处理器将接收到的焊道形貌采集器实时采集待增材焊道的形貌图像进行分析和处理，转换为待增材焊道形貌的数字信号，并上传至控制器，控制器计算出该增材截面的金属熔敷量，然后向MIG电源传输调节信号，MIG电源调整送丝装置的送丝速度，调整控制该增材区域增材金属的熔敷量。
本发明的另一个目的在于提供一种双环状激光中心送丝增材系统控制方法，应用于如上述所述的双环状激光中心送丝增材系统，包括如下控制步骤：
S1：对基材预处理；
S2：将金属丝设置于外环激光、内环激光的中心处，将增材系统置于氩气氛围中，并按照增材形状和工艺要求设置工艺参数，工艺参数有内环激光能量、外环激光能量、金属丝给进速度、电弧能量、移动速度、轨迹路径；
S3：在焊接过程中，熔滴形态采集器实时采集熔滴的过渡形式，根据采集信息，系统自动调整激光内环激光的能量；同时，焊道形貌采集器实时采集待增材焊道的形貌，系统自动计算出该增材截面所需的填充金属，调整送丝装置的送丝速度。
进一步的，在步骤S2中，所述金属丝的给进方向与基材垂直布置。
进一步的，在步骤S1中，将基材酸洗去油，然后采用硬质磨头去除基材的表面氧化层，直至出现亮金属色，最后采用酒精或丙酮擦拭。
相对于现有技术，本发明所述的双环状激光中心送丝增材系统及控制方法具有以下优势：
(1)本发明所述的双环状激光中心送丝增材系统及控制方法，采用双束环状激光增材技术，通过设置连续输出的外环激光主要进行熔化母材和金属丝，高频脉冲的内环激光进行预热金属丝和控制熔滴过渡，金属丝从双束环形激光中心穿过，消除了增材的方向性，提高作业灵活性，在焊接增材时，将系统放置于氩气氛围中，防止钛合金氧化，从而改善焊道成型，实现稳定高效的增材。
(2)本发明所述的双环状激光中心送丝增材系统及控制方法，金属丝竖直送入熔池，形成的熔滴落点一致，有利于改善增材焊道成型，提高增材制造精度。
(3)本发明所述的双环状激光中心送丝增材系统及控制方法，采用高频脉冲的内环激光可以带动熔滴的高频振动，克服表面张力，从而使熔滴更有利于摆脱金属丝，降低熔滴的尺寸，促进金属丝熔滴过渡。
(4)本发明所述的双环状激光中心送丝增材系统及控制方法，内环激光为金属丝和熔滴进行提前预热，有利于提升熔滴能量，加速熔滴过渡频率。
(5)本发明所述的双环状激光中心送丝增材系统及控制方法，MIG电源产生的MIG电弧与内环激光、外环激光进行相互作用形成耦合电弧，进一步增加了金属丝的熔滴过渡稳定性，提高了金属丝熔敷效率。
(6)本发明所述的双环状激光中心送丝增材系统及控制方法，图像采集处理系统对熔滴的过渡形式进行采集分析，便于调整内环激光的能量，稳定熔滴过渡。
(7)本发明所述的双环状激光中心送丝增材系统及控制方法，图像采集处理系统对焊道形貌进行实时采集分析，以此调节送丝速度，有利于形成稳定一致的增材形貌及尺寸。
(8)本发明所述的双环状激光中心送丝增材系统及控制方法，基于熔滴协同控制的双环状激光中心送丝增材系统，通过设置的图像采集处理系统、激光焊接系统和熔化极焊接系统，对激光中心送丝增材制造的熔滴过渡进行精确控制，从而改善焊道成型，提升熔敷效率，实现稳定高效的增材，在增材过程中，各系统紧密协同作业，自动化程度较高，最终获得预期的增材焊道成型。
附图说明
构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1为本发明实施例所述双环状激光中心送丝增材系统的原理示意图；
图2为本发明实施例所述双环状激光中心送丝增材系统在工作过程中形成熔滴的结构示意图；
附图标记说明：
1-MIG电源；2-激光发生器；3-控制器；4-图像处理器；5-送丝装置；6-激光工作头；7-外环激光镜组；8-内环激光镜组；9-外环激光；10-导丝嘴；11-内环激光；12-内环激光斑点；13-外环激光斑点；14-金属丝；15-基材；16-增材焊道；17-待增材焊道；18-熔滴形态采集器；19-焊道形貌采集器；20-电弧；21-熔滴。
具体实施方式
为了使本发明的技术手段及达到目的与功效易于理解，下面结合具体图示对本发明的实施例进行详细说明。
需要说明，本发明中所有进行方向性和位置性指示的术语，诸如：“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”、“顶”、“低”、“横向”、“纵向”、“中心”等，仅用于解释在某一特定状态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、连接情况等，仅为了便于描述本发明，而不是要求本发明必须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。另外，在本发明中涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。
在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接；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。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“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一定指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何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
如图1～2所示，本发明提供了一种双环状激光中心送丝增材系统，包括：
激光焊接系统，包括激光发生器2、激光工作头6、外环激光镜组7、内环激光镜组8，所述激光发生器2能够发出两束激光，两束激光在激光工作头6内的外环激光镜组7和内环激光镜组8的作用下，发射出同轴的外环激光9和内环激光11，所述外环激光9与所述内环激光11同心设置；
熔化极焊接系统，包括MIG电源1、送丝装置5、导丝嘴10、金属丝14，所述MIG电源1用于向所述送丝装置5以及金属丝14供电，所述送丝装置5能够调整金属丝14的给进速度和运行轨迹，所述金属丝14从外环激光9和内环激光11的中心穿过进入熔池；
控制器3，用于调整并控制内环激光11能量、外环激光9能量、电弧20能量、金属丝14给进速度、激光工作头6移动速度、金属丝14轨迹路径的参数。
本发明所述的双环状激光中心送丝增材系统，通过采用同轴设置的双环状激光，在使用时，根据熔敷量的要求，提供和送进增材制造所需的金属丝14，在金属丝14与基材15之间形成电弧20，电弧20与激光进行相互作用形成耦合电弧，耦合电弧在待增材焊道17上形成熔池和等离子体，为金属丝熔化提供主要能量，共同进行金属丝14的熔化，形成增材焊道16，其中，外环激光9进行熔化基材15和金属丝14，内环激光11进行预热金属丝14和控制熔滴过渡，在控制器3的控制下，MIG电源1控制送丝装置5进行相应的金属丝14给进，并在金属丝14上施加相应电流值，金属丝14从外环激光9和内环激光11的中心穿过进入熔池，实现激光中心送丝增材制造的熔滴过渡进行精确控制。
本发明所述的双环状激光中心送丝增材系统，一方面消除激光送丝增材制造的方向性，实现多角度任意焊接，提高作业灵活性；另一方面，金属丝竖直送入熔池，形成的熔滴落点一致，有利于改善增材焊道16成型，提高增材制造精度。
作为本发明的较佳示例，内环激光11为高频脉冲激光，聚焦在金属丝14上形成内环激光斑点12，内环激光斑点12距离待焊区域平面为h，h为预设间距。作为优选，h的取值为5～20mm。该设置使得内环激光斑点12，在设定的工艺窗口内，能够稳定的作用于熔滴21的缩颈处。通过采用高频脉冲的内环激光11，一方面可以带动熔滴21的高频振动，克服表面张力，从而使熔滴21更有利于摆脱金属丝14，降低熔滴21的尺寸，从而促进和控制金属丝14的熔滴过渡；同时，高频脉冲的内环激光11可以为金属丝14进行预热，有利于提升熔滴21的能量，加速和控制熔滴过渡频率；此外，内环激光11采用可供金属丝14穿过的环状激光，内环激光斑点12可以均匀的作用在金属丝14的周围，避免单侧热源导致的熔滴21的偏移。
作为本发明的较佳示例，所述双环状激光中心送丝增材系统还包括图像采集处理系统，所述图像采集处理系统包括：
熔滴形态采集器18：通过高速摄像装置，对熔滴21的过渡形式进行实时采集；
焊道形貌采集器19，通过数字成像装置，对待增材焊道17的形貌进行实时采集；
图像处理器4：对熔滴形态采集器18和焊道形貌采集器19采集的图像进行分析和处理，生成数字信号并上传到控制器3，调整内环激光11的能量以及送丝装置5的送丝速度。
本发明所述的双环状激光中心送丝增材系统，通过图像采集处理系统对熔滴的过渡形式进行采集分析，便于调整内环激光的能量，稳定熔滴过渡；并且，图像采集处理系统对焊道形貌进行实时采集分析，以此调节送丝速度，有利于形成稳定一致的增材形貌及尺寸。
作为优选，所述图像处理器4将接收到的熔滴形态采集器18实时采集的图像进行分析和处理，将熔滴21的大小和过渡频率等信息生成数字信号并上传到控制器3，控制器3将接受的信号与工艺数据库进行比对计算，然后向激光发生器2传输调节信号，激光发生器2调整内环激光11的能量。
由于不同内环激光11的功率对熔滴过渡的促进作用不同，该设置通过熔滴形态采集器18实时采集熔滴21的过渡形式，根据采集信息，系统自动调整激光内环激光11的能量，使高频脉冲的内环激光11形成的内环激光斑点12稳定的作用于熔滴21的缩颈处，从而改变熔滴过渡形式、提高熔敷效率，从而改变熔滴21的大小和过渡频率，提高熔滴过渡的稳定性，并获得预期的熔滴过渡形式。
作为优选，所述图像处理器4将接收到的焊道形貌采集器19实时采集待增材焊道17的形貌图像进行分析和处理，转换为待增材焊道17形貌的数字信号，并上传至控制器3，控制器3计算出该增材截面的金属熔敷量，然后向MIG电源1传输调节信号，MIG电源1调整送丝装置5的送丝速度，调整控制该增材区域增材金属的熔敷量。
该设置通过焊道形貌采集器19实时采集待增材焊道17的形貌，系统自动计算出该增材截面所需的填充金属，调整送丝装置5的送丝速度，从而控制该增材区域增材金属的熔敷量。
本发明所述的双环状激光中心送丝增材系统，基于熔滴协同控制的双环状激光中心送丝增材系统，通过设置的图像采集处理系统、激光焊接系统和熔化极焊接系统，对激光中心送丝增材制造的熔滴过渡进行精确控制，从而改善焊道成型，提升熔敷效率，实现稳定高效的增材，在增材过程中，各系统紧密协同作业，自动化程度较高，最终获得预期的增材焊道16成型。
本发明还公开了一种双环状激光中心送丝增材系统控制方法，应用于如上述所述的双环状激光中心送丝增材系统，包括如下步骤：
S1：对基材15预处理；
S2：将金属丝14设置于外环激光9、内环激光11的中心处，将增材系统置于氩气氛围中，并按照增材形状和工艺要求设置工艺参数，工艺参数有内环激光11能量、外环激光9能量、金属丝14给进速度、电弧20能量、移动速度、轨迹路径；
S3：在焊接过程中，熔滴形态采集器18实时采集熔滴21的过渡形式，根据采集信息，系统自动调整激光内环激光11的能量；同时，焊道形貌采集器19实时采集待增材焊道17的形貌，系统自动计算出该增材截面所需的填充金属，调整送丝装置5的送丝速度。
本发明所述的双环状激光中心送丝增材系统及控制方法，采用双束环状激光增材技术，通过设置连续输出的外环激光主要进行熔化母材和金属丝，高频脉冲的内环激光进行预热金属丝和控制熔滴过渡，金属丝从双束环形激光中心穿过，消除了增材的方向性，提高作业灵活性，在焊接增材时，将系统放置于氩气氛围中，防止钛合金氧化，从而改善焊道成型，实现稳定高效的增材。
作为本发明的较佳示例，在步骤S2中，金属丝14的给进方向与基材15垂直布置。该设置使得金属丝竖直送入熔池，且金属丝14在内环激光11作用下形成的内环激光斑点12，均匀的作用在金属丝14的周围，避免单侧热源导致的熔滴21的偏移，形成的熔滴落点一致，有利于改善增材焊道成型，提高增材制造精度。
作为本发明的较佳示例，在步骤S1中，将基材15酸洗去油，然后采用硬质磨头去除基材15的表面氧化层，直至出现亮金属色，最后采用酒精或丙酮擦拭。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，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。

Claims (10)

1.一种双环状激光中心送丝增材系统，其特征在于，包括：
激光焊接系统，包括激光发生器(2)、激光工作头(6)、外环激光镜组(7)、内环激光镜组(8)，所述激光发生器(2)能够发出两束激光，两束激光在激光工作头(6)内的外环激光镜组(7)和内环激光镜组(8)的作用下，发射出同轴的外环激光(9)和内环激光(11)，所述外环激光(9)与所述内环激光(11)同心设置；
熔化极焊接系统，包括MIG电源(1)、送丝装置(5)、导电嘴(10)、金属丝(14)，所述MIG电源(1)用于向所述送丝装置(5)以及金属丝(14)供电，所述送丝装置(5)能够调整金属丝(14)的给进速度和运行轨迹，所述金属丝(14)从外环激光(9)和内环激光(11)的中心穿过进入熔池；
控制器(3)，用于调整并控制内环激光(11)能量、外环激光(9)能量、电弧(20)能量、金属丝(14)给进速度、激光工作头(6)移动速度、金属丝(14)轨迹路径的参数。
2.根据权利要求1所述的双环状激光中心送丝增材系统，其特征在于，外环激光(9)进行熔化基材(15)和金属丝(14)，内环激光(11)进行预热金属丝(14)和控制熔滴过渡。
3.根据权利要求2所述的双环状激光中心送丝增材系统，其特征在于，内环激光(11)为高频脉冲激光，聚焦在金属丝(14)上形成内环激光斑点(12)，内环激光斑点(12)距离待焊区域平面为h，h为预设间距。
4.根据权利要求3所述的双环状激光中心送丝增材系统，其特征在于，h的取值为5～20mm。
5.根据权利要求1～4任意一项所述的双环状激光中心送丝增材系统，其特征在于，所述双环状激光中心送丝增材系统还包括图像采集处理系统，所述图像采集处理系统包括：
熔滴形态采集器(18)：通过高速摄像装置，对熔滴(21)的过渡形式进行实时采集；
焊道形貌采集器(19)，通过数字成像装置，对待增材焊道(17)的形貌进行实时采集；
图像处理器(4)：对熔滴形态采集器(18)和焊道形貌采集器(19)采集的图像进行分析和处理，生成数字信号并上传到控制器(3)，调整内环激光(11)的能量以及送丝装置(5)的送丝速度。
6.根据权利要求5所述的双环状激光中心送丝增材系统，其特征在于，所述图像处理器(4)将接收到的熔滴形态采集器(18)实时采集的图像进行分析和处理，将熔滴(21)的大小和过渡频率信息生成数字信号并上传到控制器(3)，控制器(3)将接受的信号与工艺数据库进行比对计算，然后向激光发生器(2)传输调节信号，激光发生器(2)调整内环激光(11)的能量。
7.根据权利要求6所述的双环状激光中心送丝增材系统，其特征在于，所述图像处理器(4)将接收到的焊道形貌采集器(19)实时采集待增材焊道(17)的形貌图像进行分析和处理，转换为待增材焊道(17)形貌的数字信号，并上传至控制器(3)，控制器(3)计算出增材截面的金属熔敷量，然后向MIG电源(1)传输调节信号，MIG电源(1)调整送丝装置(5)的送丝速度，调整控制增材区域增材金属的熔敷量。
8.一种双环状激光中心送丝增材系统控制方法，应用于如权利要求1～7任意一项所述的双环状激光中心送丝增材系统，其特征在于，包括如下控制步骤：
S1：对基材预处理；
S2：将金属丝设置于外环激光、内环激光的中心处，将增材系统置于氩气氛围中，并按照增材形状和工艺要求设置工艺参数，工艺参数有内环激光能量、外环激光能量、金属丝给进速度、电弧能量、移动速度、轨迹路径；
S3：在焊接过程中，熔滴形态采集器实时采集熔滴的过渡形式，根据采集信息，系统自动调整激光内环激光的能量；同时，焊道形貌采集器实时采集待增材焊道的形貌，系统自动计算出增材截面所需的填充金属，调整送丝装置的送丝速度。
9.根据权利要求8所述的双环状激光中心送丝增材系统控制方法，其特征在于，在步骤S2中，所述金属丝的给进方向与基材垂直布置。
10.根据权利要求8所述的双环状激光中心送丝增材系统控制方法，其特征在于，在步骤S1中，将基材酸洗去油，然后采用硬质磨头去除基材的表面氧化层，直至出现亮金属色，最后采用酒精或丙酮擦拭。
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