利用摆动激光诱导电弧偏转调控侧壁熔深的系统及方法

本发明涉及焊接，尤其是利用摆动激光诱导电弧偏转调控侧壁熔深的系统及方法。

背景技术：

1、本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。

2、窄间隙（≤8mm）焊接因其坡口宽度小、填充材料少、焊接效率高、变形小等优点，被广泛应用于厚板结构制造中，如船舶、核电、重型机械等领域。然而，窄间隙坡口空间狭小，传统电弧焊或激光焊过程中热源难以充分作用于侧壁，容易导致侧壁熔合不良、未熔合等缺陷，严重影响接头质量和结构安全性。

3、为改善侧壁熔合效果，现有技术中多采用摆动电弧或磁控电弧等方式，通过机械或电磁作用驱动电弧偏向侧壁。但这些方法存在调控精度有限、设备复杂、工艺稳定性不足等问题。近年来，激光-电弧复合焊接技术因其兼具激光高能量密度与电弧良好桥接能力的优势，成为窄间隙焊接的重要发展方向。

4、然而，在窄间隙条件下，复合热源对侧壁的加热仍依赖电弧的自然漂移或外部强制导向，其对侧壁的作用范围与稳定性仍难以实现精确控制；

5、此外，现有摆动激光诱导电弧技术主要关注侧壁可靠熔合或焊接过程稳定性，但对侧壁熔深作为独立质量指标缺乏明确的调控目标。

6、因此在高深宽比坡口中，侧壁熔深均匀性、一致性与可重复性仍面临挑战。

技术实现思路

1、针对现有技术存在的不足，本发明的目的是提供利用摆动激光诱导电弧偏转调控侧壁熔深的系统，通过振镜摆动激光头调制激光摆动，利用激光诱导电弧发生周期性偏转，使电弧与激光协同作用于侧壁区域，从而实现对窄间隙侧壁熔深的主动调控。

2、为了实现上述目的，本发明是通过如下的技术方案来实现：

3、利用摆动激光诱导电弧偏转调控侧壁熔深的系统，包括振镜摆动激光头和焊枪，振镜摆动激光头置于待焊工件的上方，焊枪置于待焊工件的窄间隙处，振镜摆动激光头产生的激光束与焊枪产生的电弧同时作用于待焊工件坡口底部，振镜摆动激光头驱动激光束沿着坡口横向摆动，摆动激光在其运动轨迹上产生光致等离子体，通过光致等离子体对电弧产生诱导作用，驱使电弧弧柱随激光光斑同步向坡口两侧壁方向周期性偏转，摆动激光与偏转电弧共同作用于对应侧壁区域，对侧壁母材进行协同加热，同时在电弧作用下的熔化焊丝熔滴向侧壁方向铺展并与侧壁熔合。

4、如上所述的利用摆动激光诱导电弧偏转调控侧壁熔深的系统，所述振镜摆动激光头中心轴线和焊枪中心轴线的连线平行于所述待焊工件的焊接方向，振镜摆动激光头的中心轴线相对于焊枪中心轴线位于焊接方向的前端。

5、如上所述的利用摆动激光诱导电弧偏转调控侧壁熔深的系统，所述振镜摆动激光头中心轴线和焊枪中心轴线之间的间距为2~4mm，激光离焦量设定为-3~+3mm。

6、如上所述的利用摆动激光诱导电弧偏转调控侧壁熔深的系统，所述振镜摆动激光头和所述焊枪均与控制单元连接，控制单元根据激光摆动参数与熔滴过渡频率的关系式，调整激光摆动和熔滴过渡的频率和相位，使得摆动激光与电弧实现良好的时空匹配：

7、(1)

8、式中，

fl为激光摆动频率，

fd为熔滴过渡频率，为激光摆动的瞬时相位；

td为熔滴过渡发生的时刻。

9、如上所述的利用摆动激光诱导电弧偏转调控侧壁熔深的系统，所述控制单元根据焊接参数、焊接参数—侧壁熔深的关系式计算侧壁熔深，对侧壁熔深是否达到目标值或目标区间进行判定，以便于调整振镜摆动激光头、焊枪的焊接参数，焊接参数包括激光功率、激光摆动幅度及激光摆动频率中的至少一项，激光摆动幅度—侧壁熔深的关系式为，激光摆动频率—侧壁熔深的关系式为，激光功率—侧壁熔深的关系式为；

10、其中，

a为激光摆动幅度，

p为激光功率，为侧壁熔深值；

11、当侧壁熔深的最大值大于等于0.8mm且侧壁平均熔深值大于等于0.6mm后即完成侧壁熔深调控，否则按激光功率、激光摆动幅度、激光摆动频率的顺序依次改变参数，重新判定侧壁熔深是否达到上述目标区间。

12、如上所述的利用摆动激光诱导电弧偏转调控侧壁熔深的系统，所述振镜摆动激光头包括激光发射器和激光振镜组件，激光发射器发射的激光束通过激光振镜组件进行周期性摆动，激光发射器输出的激光束的功率范围为2500~5000w。

13、如上所述的利用摆动激光诱导电弧偏转调控侧壁熔深的系统，所述振镜摆动激光头与摆动动力源连接，摆动动力源带动振镜摆动激光头发射的激光束沿着坡口横向摆动，激光束的摆动幅度为0~10mm，激光摆动频率为0~200hz。

14、第二方面，本发明还提供了利用摆动激光诱导电弧偏转调控侧壁熔深的方法，采用所述的利用摆动激光诱导电弧偏转调控侧壁熔深的系统，包括如下内容：

15、对待焊工件进行坡口加工，并设置焊枪、振镜摆动激光头；

16、启动焊接过程，使激光束与电弧同时作用于坡口底部；振镜摆动激光头规划的轨迹驱动激光光斑横向摆动，摆动激光在其运动轨迹上产生光致等离子体，通过光致等离子体对电弧产生诱导作用，驱使电弧弧柱随激光光斑同步向坡口两侧壁方向周期性偏转；

17、在电弧被诱导偏转至侧壁的周期内，摆动激光与偏转电弧共同作用于对应侧壁区域，对侧壁母材进行协同加热；同时电弧作用下的熔化焊丝熔滴向侧壁方向铺展并与侧壁熔合，控制电弧及激光束对左右侧壁的作用时间、作用位置及热输入分布，从而形成与目标值相对应的侧壁熔深。

18、如上所述的利用摆动激光诱导电弧偏转调控侧壁熔深的方法，还包括如下内容：

19、在完成当前焊接段或当前焊层后，根据焊接参数、焊接参数—侧壁熔深的关系式计算侧壁熔深调整，对侧壁熔深是否达到目标值或目标区间进行判定；当侧壁熔深不在目标区间时，调整振镜摆动激光头、焊枪的焊接参数后继续焊接；继续焊接直至侧壁熔深达到目标区间，并完成窄间隙坡口填充。

20、如上所述的利用摆动激光诱导电弧偏转调控侧壁熔深的方法，所述待焊工件的窄间隙坡口深度范围为20~90mm，底部宽度范围为6~10mm，坡口侧壁角度范围为1°~4°。

21、上述本发明的有益效果如下：

22、1）本发明提供的系统，包括振镜摆动激光头和焊枪，振镜摆动激光头产生的激光束与焊枪产生的电弧同时作用于待焊工件坡口底部，振镜摆动激光头驱动激光束沿着坡口横向摆动，摆动激光在其运动轨迹上产生光致等离子体，通过光致等离子体对电弧产生诱导作用，驱使电弧弧柱随激光光斑同步向坡口两侧壁方向周期性偏转，摆动激光与偏转电弧共同作用于对应侧壁区域，对侧壁母材进行协同加热，同时在电弧作用下的熔化焊丝熔滴向侧壁方向铺展并与侧壁熔合，保证侧壁熔深的均匀性和稳定性。

23、2）本发明中根据焊接参数、焊接参数—侧壁熔深的关系式计算侧壁熔深，对侧壁熔深是否达到目标值或目标区间进行判定，以便于调整振镜摆动激光头、焊枪的焊接参数，如此控制双热源对左右侧壁的作用位置、作用时长及热输入分布，从而形成与目标值相对应的侧壁熔深。

24、3）本发明方法的提供，通过激光与偏转电弧对侧壁区域进行协同加热，可增强侧壁母材受热与熔化的可控性，降低窄间隙焊接中侧壁未熔合或侧壁熔深波动过大的风险，使左右侧壁熔深更加均匀、稳定，进而提高接头成形质量与焊接可靠性；采用非接触式振镜调制方式，响应速度快、控制精度高，能够针对不同坡口宽度、坡口深度、侧壁角度及焊接层位灵活调整参数组合，具有较好的工艺适应性和稳定性。

25、4）本发明方法的提供，根据焊接参数、焊接参数—侧壁熔深的关系式计算侧壁熔深调整，对侧壁熔深是否达到目标值或目标区间进行判定，如此整体按照“目标—执行—判定—修正”的侧壁熔深控制逻辑，提升工艺可重复性，整体形成即先根据坡口几何尺寸和焊接层位设定目标侧壁熔深区间并生成初始参数组，再通过摆动激光诱导电弧偏转执行侧壁加热，并在焊接段或焊层完成后依据检测结果或“摆动激光参数—侧壁熔深”对应关系进行判定与参数修正，该控制逻辑使侧壁熔深调节不再依赖经验试焊，显著提高了工艺一致性和可重复性。