基于相位匹配控制的激光—电弧复合热源焊接技术研究

摘要

激光-电弧复合焊接技术将激光与焊接电弧的能量耦合作用于同一个熔池，是一种集两种焊接工艺优点于一体的优质高效焊接成形工艺。大量研究表明，激光、电弧及材料三者相互作用是一个复杂的物理化学过程，尤其是普通复合热源焊接过程中脉冲激光与电弧不能形成稳定的相位匹配，这对实现激光与电弧间能量的柔性复合及研究两者间的相互作用机制带来困难。本文开发了一套复合热源焊接相位匹配控制系统，并使用该系统对AZ61镁合金进行了基于相位匹配的焊接工艺研究。主要研究内容包括：
　　⑴基于霍尔传感器、信号调理电路及NI-PCI6221数据采集卡构建了数据采集分析系统，对交流电弧波形进行采集和分析。基于NI Labview和NI-DAQ9.30函数库开发了一套应用于脉冲激光-交流TIG电弧的复合焊接相位匹配控制系统，提出了加锁触发算法，实现了激光脉冲对电弧波形的精确稳定跟随，并开发了电焊机与激光器的首次测试模块，实现了对电焊机及激光器硬件系统特征参数的精确测定。
　　⑵使用脉冲激光-交流TIG相位匹配控制系统对AZ61镁合金母材进行焊接研究，拍摄了焊接过程电弧等离子体形态。发现当激光脉冲作用于交流TIG电弧正半波波峰时焊缝的表面成形美观，而当激光脉冲作用于电弧负半波波谷时焊缝的表面成形较差。同时发现当激光脉冲作用于交流TIG电弧正半波波峰时焊缝熔深较小，而当激光脉冲作用于交流TIG电弧负半波波谷时焊缝熔深较大。
　　⑶对不同匹配模式导致的成形进行了研究，分析了不同匹配模式下成形差异的原因。通过电弧等离子体形态分析了熔深变化的原因，认为当激光作用于交流电弧正负半波期间都可以对Ar等离子体起到吸引压缩的作用，对Mg等离子体起到增强的作用，焊接接头成形与熔深的显著变化差异主要是由于激光对电弧正负半波压缩程度的不同以及交流电弧负半波有效热输入的降低导致的。
　　⑷基于C++语言与MFC开发了一套激光脉冲散点分布控制系统。该系统融合了原有控制系统的加锁触发等系列算法，提出一种新型控制方法，将原相位匹配控制系统的硬件触发固有延时从毫秒级降低到亚毫秒级，同时提供激光脉冲散点分布的特性。该系统可用于激光脉冲散点分布TIG焊、高频TIG焊、MIG焊等特殊相位匹配场合，并可用于对激光与电弧作用机理进行进一步分析。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 激光+电弧复合热源焊接技术

1．1．1 激光+电弧复合热源焊接技术简介

1．1．2 激光+电弧复合热源作用机理

1．2 NI Labview与DAQ系统简介

1．2．1 NI Labview简介

1．2．2 DAQ数据采集系统简介

1．3 C++语言及Visual Studio简介

1．3．1 C++语言简介

1．3．2 Visual Studio简介

1．4 本课题的主要研究内容

2 系统硬件组成及开发背景

2．1 实验设备、材料

2．2 数据采集系统的搭建

2．2．1 电弧电流电压采集系统

2．2．2 电弧等离子体拍摄方法

2．3 软件系统开发背景

2．3．1 相位匹配控制系统的开发要求

2．3．2 系统总体延时的分布

2．3．3 程序算法执行时间的估计

2．3．4 激光器响应时间的测量

2．3．5 Windows操作系统实时性与定时方法的分析

3 脉冲激光-电弧相位匹配控制系统开发

3．1 电弧波形相位的识别方法

3．1．1 电弧波形的特点

3．1．2 电弧波形相位的识别方法

3．1．3 加锁机制研究

3．1．4 首次分析模块的实现

3．2 脉冲激光-交流TIG电弧相位匹配控制系统

3．2．1 脉冲激光-交流TIG电弧相位匹配控制系统人机界面

3．2．2 脉冲激光-交流TIG电弧相位匹配控制系统程序架构

3．3 相位匹配控制系统验证实验

3．4 相位匹配控制系统实时性测试

3．5 本章小结

4 脉冲激光-交流TIG电弧相位匹配控制系统焊接工艺研究

4．1 基于相位匹配控制系统的工艺实验

4．2 相位匹配模式对成形的影响

4．3 焊接过程中的电弧等离子体拍摄

4．4 不同相位匹配模式对焊接成形影响不同的机理分析

4．4．1 焊缝表面成形

4．4．2 焊缝熔深

4．5 本章小结

5 激光脉冲散点分布控制系统的提出与开发

5．1 NI DAQmx库函数的封装

5．2 脉冲激光散点分布控制系统的开发

5．3 脉冲激光散点分布控制系统验证实验

5．4 本章小结

6 结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致谢