（物理电子学专业论文）激光焊接机控制系统的研究.pdf

中文摘要 激光焊接技术是近年来发展迅速的一种激光加工技术。由于激光焊接加工质 量好、操作方便和自动化程度高，许多方面都优于传统焊接技术，激光焊接已经 广泛的应用于机械制造、医疗仪器、汽车、电子电器、电机、国防、航天和航空 等多个领域，具有良好的发展前景和市场。同时也有许多技术问题需要深入研究 和解决。 本论文在介绍激光焊接基本原理的基础上，描述了激光焊接机的基本组成部 分和激光焊接时各参数的选择原则。结合y a g 激光焊接机，作者设计出一套数 字化的控制系统，对电压、出光开关、重复频率和脉宽等参数进行了控制并可根 据加工要求进行精密调节。同时，在激光焊接方形电池的应用中，提出了一种新 的焊接方法和装置，使得方形电池侧焊外壳密封过程可以自动进行。 数字电路智能度高、可靠性好、实时性强，与模拟电路相比，还具有精度高， 抗干扰强等优点，在激光焊接机里采用了以微控制器( m c u ) 为核心的控制系统， 不仅对加工参数和输出功率进行了精密控制，还简化了电路结构，提供了友好的 人机交互界面，节省了体积和成本，而且提高了整机性能和技术水平。此外，在 对控制系统进行编程时没有使用汇编语言，而是转而运用先进的嵌入式c 语言： k e i l f r a n k l i nc 5 l ，程序开发周期短，效率高，软件系统具有良好的可读性、可 移植性，为将来扩展提供了方便。 经过实验，本论文设计实现的激光焊接机控制系统能够实现电压充、放到预 定值自停，电压调节精度在1 v 以内，频率脉宽调节时占空比按1 3 自动变化， 出现故障时自停保护，可以对加工功率进行控制，满足各种加工要求。可靠地达 到了控制目的。 激光焊接方形电池是近年来激光焊接应用的一个新方向，然而在国内外现有 的焊接方法中，都存在有加工过程繁琐、加工设备复杂、成品率较低的缺陷。有 鉴于此，本论文提出了一种新的方法，设计出独特的旋转焊接加工装置，它可以 实现对方形电池自动化连续侧焊密封，将使生产率得到很大提高。该项发明已经 申请实用新型专利，专利号0 2 2 4 6 5 7 6 6 。 关键词：激光焊接技术控制系统微控制器( m c u )k e i l f r a n k l i nc 51侧 焊方形电池 a b s t r a c t n e t e c h n i q u eo fl a s e rw e l d i n gi sd e v e l o p i n gr a p i d l yi nr e c e n ty e a r s w h i c hi s o n eo ft h et e c h n i q u e so fl a s e rm a c h i n i n g l a s e rw e l d i n gi sb e r e rt h a nt r a d i t i o n a l m e t h o d sf o ri t sg r e a tm a c h i n i n g q u a l i t y , e a s yh a n d l i n ga n da u t o m a t i s m ，s oi th a sb e e n a p p l i e dt om a n y f i e l d ss u c ha sm e c h a n i s mi n d u s t r y , m e d i c a li n s t r u m e n t ，a u t o m o b i l e ， e l e c t r o n i ci n d u s t r y , a v i a t i o n ，a n ds oo n i nt h ef u t u r et h e r es t i l lh a sl o to f q u e s t i o n so f t h et e c h n i q u et ob es t u d i e df u r t h e ra n ds o l v e d ， i nt h i sd i s s e r t a t i o n ，f i r s t l yw ed e s c r i b es o m er u l e so fh o wt os e l e c tp a r a m e t e r so f aw e l d i n gm a c h i n eo nt h eb a s i so f w e l d i n gp r i n c i p l e t h e nt h ea u t h o rd e s i g n e da d i g i t a lc o n t r o l l i n gs y s t e mf o ry a g l a s e rw e l d i n gm a c h i n e t h es y s t e mc a r la d j u s tt h e v o l t a g e ，l a s e rs w i t c h ，f r e q u e n c ya n dp u l s ew i d t ha c c o r d i n g t oo u ra c q u i r e m e n t a n da t l a s tt h ea u t h o rd e s c r i b e san e wm e t h o do fl a s e rw e l d i n gt oc u b i cb a r e r y , w h i c hm a k e s t h eb a t t e r yb ew e l d e d p r e s s u r i z e da n da u t o m a t i c a l l y b e t t e r c o m p a r e d t oa n a l o g c i r c u i t ，d i g i t a lc i r c u i ti sm o r ei n t e l l i g e n t ，r e l i a b l ea n dp r e c i s e t h u sw et a k et h em i c r o c o n t r o l l e rf m c u ) t ob et h ec o r eo f t h e s y s t e m t h es y s t e mn o t o n l ym a k e s t h ec i r c u i ts i m p l i f i e d ，b u ta l s oi m p r o v e dt h ep e r f o r m a n c eo fy a g l w ma s w e l l b e s i d e s ，w eu s e dt h ee m b e d d e dcl a n g u a g e - k e i l f r a n k l i n c 5 1 一i n s t e a do f c o m p i l el a n g u a g e ，w h i c hs h o r t e n t h e p e r i o da n di m p r o v e t h ee f f i c i e n c y a c c o r d i n g t oe x p e r i m e n t s ，w ep r o v e dt h a tt h es y s t e mc o u l dr e a l i z ec h a r g i n ga n d d i s c h a r g i n ga u t o m a t i c a l l y , a n dt h ep r e c i s i o no fv o l t a g ei s w i t h i n 1 v t h ep u l s e w i d t hi s s e l f - a d j u s t e da c c o r d i n gt of r e q u e n c y t h es y s t e mw o u l ds h u td o w ns a f e l y w h e nt h e r ea p p e a rf a u l t s l a s e rw e l d i n gf o rc u b i cb a t t e r yi san e w a p p l i c a t i o ni nt h ei n d u s t r y b u tc u r r e n t m e t h o d sr e s u l ti nm a n ys h o r t c o m i n g ss u c ha sc o m p l e xp r o c e s s ，l o we f f i c i e n c y , a n d e t c s ow et h i n ko u tan e wm e t h o dt oi m p r o v ei ta n di n v e n ta s p e c i a ld e v i c et op r o c e s s 1 1 1 ed e v i c ec o u l dw e l dc u b i cb a t t e r yc o n t i n u o u s l ya n da u t o m a t i c a l l y , w h i c hb o o s t s e f f i c i e n c yg r e a t l y w eh a v ea p p l i e df o rap a t e n to f t h ed e v i c e ，a n dt h ep a t e n tn u m b e r i s0 2 2 4 6 5 7 6 6 k e y w o r d s ：l a s e r w e l d i n gc o n t r o l l i n gs y s t e mm i c r o c o n t r o l l e r ( m c u ) k e i l f r a n k l i nc 51c u b i cb a t t e r y 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成采，狳了文中特剐翔潋标注和致落之簸羚，论文中不筑含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得鑫燮盘生成其他教育机构的学位或证 书稀使霜过瓣辛李粗。与我一鬻工作靛弼志露奉研究掰徽豹任储贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学谴毒套文终者签名：| 司荡昆签字霾鬻：印。5 年f 月g 蠢 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解基囊盘壁有关保鲤、使用学位论文的规定。 特授权基建盘茎可以将学位论文的全部戏部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关酃f j 或机构送交论文躬复印件帮磁盘。 ( 保密的学位论文在解糍后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 阎锟 导师签名： 彳一 闺豫 签字日期：加o ；年月拶日签字目期泐7 年月彦伯 第一章绪论 第一章绪论 1 1 激光焊接技术综述 激光焊接技术是激光加工技术的一种，近年来得到迅猛发展，已经广泛地应 用于机械制造、医疗仪器、汽车、电子电器、电站电机和航天航空等多个领域。 具有广阔的市场前景。 激光焊接是把高强度激光束直接辐射到材料表面，通过激光与材料的相互作 用，伴随光的反射、光的吸收和热传导等过程，使材料局部熔化实现焊接。经激 光焊接后的材料在机械性能、抗蚀性能和电磁学性能上，都优于常规焊接方法。 与传统焊接方法相比，激光焊接的优点主要有： 1 激光参数容易控制，能够产生很高的功率密度，适用于多种材料的焊 接。 2 激光焊接是无接触加工，加工速度快，不会对工件造成变形影响。加 工过程中不会对环境造成污染。 3 激光束易于导向，方向容易控制，很适合与数控机床、机器人等连接 起来，构成各种加工系统。 4 激光焊接能很方便地与计算机控制相结合，进行精密加工，自动化程 度高。 激光焊接机使用的激光器主要是c o 。和n d ：y a g 。c o 。激光器主要用于高功率， 对非金属材料进行加工的场合，y a g 激光器则用在功率较低，对金属材料进行加 工的地方。 随着激光加工工艺的提高，激光加工机正朝着更大功率，精密程度更高的方 向发展。 1 2 激光焊接机系统组成 激光焊接机主要由以下几部分组成。 1 激光器 激光器的选用首先决定于所要求的波长、功率和模式，以及加工对象。同时 还要考虑在工作环境下运行的可靠性，维修调整的方便性，尺寸的大小以及占用 面积等因素。 2 导光系统 导光系统将激光由激光器引导至由聚焦光或匀光光具组成的加工头。加工头 若是固定的，则导光系统固定不动，若加工头可以运动，那么导光系统也必须是 可动的。 第一章绪论 3 。工作螽 工作台用于固定工件，并强狂加工过程中确保工件与激光束的相对位置。根 据加工要求，工作台能带动工件作所需的相对运动。 4 控制系统 激光爆接执的控割系统，用以控制激光柬与工件阗的相对运动，以及调节整 辊懿工季挈参数，僳证整壤安全可靠运行。霞魏，控翻系统是激光缮接瓠歪鬻王佟 的核心。 5 冷却系统 激光焊接机工作时，泵浦源对激光器的输入能嫩大部分都转换为灯、工作物 质积象光黢的热能。工作物质溅发过高薅，会严重损絮激光器的正常工作，因此， 盛须采取冷帮接藏。一觳采爝闰舍鼙臻冷帮系统，黩溪滚泵、热交按爨秘容器等。 当前的激光器件已经形成系列化，使用比较成熟，因此，控制系统的性能就 对整机功能越着重要影响。这就溪求控制系统的硬件软件必须智能化，自动化， 安全可靠，抗干扰强，以满足释种需要。图1 1 为激光焊接机系统组成阑。 图1 1 激光焊接机系统组成 1 激光器2 冷却系统3 导光系统4 工件 5 工作台6 控制显示7 控制电路及电源 1 3 本论文内容及完成的薯作 本论文主鬻包括以下内容及工作： 第一章绪论 l 。霰诗宠袋了隧萃片瓿为核，蛰瓣激光浮接瓠控裁系绫，霞大部分控鞠魄鼹实现了 数字化，替代了原有的模拟控制电路，简化了电路结构，提高了自动化水平，使 操作更加方便。通过数控系统实现了对充电电压、出光重复频率、脉冲宽度和开 关激光等参数的控制。在软件设计上使用了先进的嵌入式c 语言k e i l f r a n k l i n c 5 1 对单片搬绩程，保证了程序的健壮性、稳定性翱可移植性，提高了稷序豹可 读毪，为錾螽系统豹扩震稻维护捉摸了方便。 2 研究了国内外对方形电池进行激光焊接的方法和装置，针对普遍存程的加工繁 琐，效率低下等缺点，在导师指导下，提出了一种激光焊接方形电池的新方法， 设计了一种新的装置，简化了加工过程，提高了加工效率。并且申请了实用新型 专剥，专利号是0 2 2 4 6 5 7 6 。8 。 第二章激光焊接机参数选择与控制 第二耄激浅焊接橇参数选撵与控麓 激光焊接机的参数主要是樵据加工工艺要求进行选择的。本章将先介缮激光 焊接的机理，然焉贫绍激光器秘工俸方式的选择，接下来是功率、脉冲秘燕复频 率戆礴定嚣i 粼，最茬赍缨了激汽毽溱工孬骧瑾霸王传方式。 2 1 激凫焊接机理 激光焊按时，把高强度的激光束直接辐射到材料袋筒，通过激光和材料的相 互作用，德材料局部熔化实现爆接。在激光与材料的相互作用中，会发生光的反 翁，光麴吸收，热簧导等一些避稷。激蠢对耪辩豹穷透深凄为 缸：一三l n 三 a i o ( 2 。1 ) 式中，舭表示光通过的厚度 a 表示材料对激光的吸收系数，对大多数金属而言，a 为( 1 0 5 1o b ) 瓦表示搴| 餐袭溪吸收静巍强 ? 表示光入_ 翥= 楚触处的光强 由式( 2 1 ) 可以看出，当光穿透微米数量级艏，入射光强已经趟土缝子零。 因此，对材料内部的加热是通j 赳= 热传导的方式进行的。当材料表面温度选到熔点 殛对，孛尊料表嚣熔纯， 基是只黉表嚣豹涅瘦虿超过沸点，熔化波就会囱率芎辩内 豢稳定转播。传疆爨逮凄与激瓷臻率密度黎嚣辩斡液态及鋈态蒸宓学参数鸯关。 当材辩表露这瑙沸点对，等游鞭t = t m 的逾方帮为滚稿波蘸传播静最大雾透深 度，这个穿避深度对焊接效果村擞接影响。 下面附材料的最大熔深遵彳亍分析，为了方便起脯，假定被激光束照射的材料 为半无限大，激光束为垣定强魔的热量均匀地作用予材料表面，渡摆也均匀地出 瑗在瓣辩襄菰，弱蚕2 。1 嚣示。可爨援逮黧熬过程斡逸器象佟察方纛懿下： 液态：固态 ：妁” t = t m 图2 + 1 半光限体存在液相时的加热 第二耄激光浮接撬参数选择与控裁 置：詈呐罢= 印警 8 r 一鼍i 2 f a z0 2 r 言川紊 五= 疋= 咒 ! i m t a z ， ) 2 o 瓦( = ，o ) = i ( z ) 在式( 2 2 ) 一( 2 7 ) 中 激光的反射率为r 。时，有 z = z ( t 1 ( 2 2 ) z = 0( 2 3 ) f = 1 2 z = = ( ) f 0 ( 2 4 ) ( 2 5 ) ( 2 国 z ( o ) = 0 ( 2 + 7 ) ，表示入射材料表面的功率密度。当材料表面对 f = l r o ) + 最 ( 2 。8 ) 只表示激光泵 誊瘸于孝才辩静功率密袋( w e 矿) 表示熔化潜热( 目) 表示热导率( w c m ) 搿表示热扩散率( c m 2 s ) p 表示穆精密度( g c m 3 ) 农式( 2 2 ) 一( 2 7 ) 中碧与瑾戆下稼1 表示滚稠，2 表示懑稳，t ( ：) 表 示材料袭面达到熔点时，材料内部的温度分布。 只有当材料表面的温度达到熔点的时候，。b 面的方程及边界条件才能成立。 因此，它们描述的是存在液相状态的激光加温状况。如果假定材料液相和固相的 热导率、热扩散系数均租等，雕k ，= k ：、强= 嘞，那么对于大多数金羼露言， 溶纯 l 蓍麴穿透深度受 ( 2 9 ) r 。是从激光束开始作用到材料表厦至表面熔化的时闻，在一维模型中，可以求得 如= 豢 眩蚴 当材料表面达到沸点时，即r _ ，。，达到最大熔深，即： 第二章激光焊接祝参数选择与控制 = 窜。) = z 。一1 f 2 k 、 t ，一焉) ( 2 ，1 1 ) 瓦表示材料的沸点温度。由( 2 1 1 ) 可以分析得知：最大熔深z 。与功率密 度f 成反比，与热传导率成正比，并且随着材料沸点和熔点的温差增大而增大。 并且可以麓出，z 一f 对于每釉金属都是一常数，它仅仅与热传导率髟和材 凝滤点、熔患滠凄差有关汹。 2 2 激光焊接杌加工参数的选择 2 2 1 激光器和工作方式的选择 目前用予激光焊接的激光器主要是c o 。激光器和掺钕钇铝石榴石( n d ：y a g ) 激光器。翦蠢翅予毫功率，对# 众震材粒的魏工，嚣嚣粼主要援于对金聪糖料进 行趣工。 激光器的输出光束应该在备方面满足具体加二情况的需要。此外，激光器还 应该满足对一般工业设备提出的要求。如较高的稳定可靠性，结构紧凑占地少， 易于维护，远行费用低等。表2 1 列出了c o 。激光器和y a g 激光器的主爱性能对 比情况。 性能c 0 ：激光器y a g 激光器 波长( u m ) 1 0 61 0 6 光子能激( e v ) 0 1 21 1 6 最高( 平均功率) 5 0 k w4 0 0 0 w 臻臻方式连续或骧释连续羲踩 孛 1 ( 闪光灯) 绒 脉冲频率( k h z ) 5 5 0 ( 声光调q ) 横式基模或多模多模 发敖兔全角( m r a d )l 35 2 0 慈效率篱 1 23 表2 1c 国激光器与y a g 激光嚣主要幢能对照表 下面对c o ：激光器和n d ：y a g 激光器的优缺点进行比较： 1 c o 。激光撩 ：激光撩其蠢衰功率、褰效率、寒巍柬覆量纛妖波长懿特点。杰嚣王辩馊蔼 的c 0 ：激光嚣都是采雳电激融，箕簸大连续输出功率w 以达到百千瓦羹级。由于 c o 。激光器的蹙子效率高达4 0 ，工业器件总效率为1 0 左右，所以比超撼他加工 用的激光器来说，c o ：激光器的效率要高得多。c o 。激光器以c o ：、n ：、h e 等混合 第二章激光焊接机参数选择与控制 气体为工作物质，其均匀性比固体工作物质好，故c o ：激光的模式较好而且较稳 定。这些都是c 0 。激光器用于加工的主要优点。 虽然具有许多优点，但是c o ：激光器在使用上还是有不少的局限性。由于c o 。 激光器输出1 0 6 u m 波长红外光，比其他加工用激光的波长要长的多。对于如此 波长的红外光，非金属材料一般能很好的吸收，但金属材料则强烈反射，所以 c o ：激光器在金属材料加工上有很大的限制。 c o ：激光器的技术关键在于气体的流动换热、工作气体激励、谐振腔和输出 窗1 3 等。c 0 ：激光器的电一光效率一般在1 5 左右。气体放电的大部分能量用来 加热工作气体，而工作气体温度的升高将导致输出功率和光束质量的下降。因此， 如何排出热量、冷却工作气体是保证激光器在一定功率水平下稳定运行的一个重 要问题。c o ：激光器根据换热方式的不同分为封离型激光器、慢速轴流激光器、 快速轴流激光器和横流激光器。其工作气体的激励方式有：直流自持放电、预电 离与直流放电、高频激励。 2 n d ：y a g 激光器 在众多激活离子与基质晶体的组合中，目前应用地最广泛的就是n d ：y a g 。 它有很多优点：钕离子激光跃迁的上能级寿命比较长，钇铝石榴石晶体具有良好 的热物理性能。n d ：y a g 激光器可在连续或脉冲状态下工作，和其他固体激光器 相比，它有较高的平均输出功率和效率。 n d ：y a g 激光器输出激光的波长为1 0 6 u m ，刚好是c o ：激光器波长的十分之 一。波长较短对聚焦、光纤传输和金属表面的吸收有利，这是n d ：y a g 激光器应 用于激光加工的一大优势。此外，y a g 晶棒工作粒子密度高，脉冲峰值功率大， 结构紧凑。 n d ：y a g 激光器采用光泵浦，能量转换环节多，器件总效率在3 左右，比c o 。 激光器的低。泵浦灯的使用寿命较短，需经常更换，不很方便。但是经过不断的 改进，灯管的寿命已经延长。 n d ：y a g 激光器的光束质量较差，一般输出多模，模式不规则、不稳定，发 散角大。输出功率越大，光束质量越差。高功率器件的发散角为l o m r a d 数量级。 这是工作物质光学质量不均匀、特别是工作温度分布不均匀的结果”。 综上所述，应用于激光加工的n d ：y a g 激光器和c o ：激光器的优缺点比较如 表2 2 。 可见n d ：y a g 激光器具有脉冲峰值功率较大、波长较短、体积较小节省空间 的优点。考虑到本课题所使用的激光焊接机主要用来加工金属材料，并且经常用 于气密性焊接，所以采用n d ：y a g 激光器作为激光焊接机的光源，以脉冲方式工 作“。 第二章激光焊接机参数选择与控制 性熊n d ：y a g 激光器c o 。激光嚣 连续( 平均) 功率 + 脉冲峰值功率 + 光窳震量 + 波长 光纤传输 + 效率 + 体积和重量 + 馒趱淹会 + 表2 2n d ：y a g 激先器与c 0 2 激光器馕缺点魄较 2 2 2 激光输出功率的选择与控制 激光功率密度是激光加工中墩重要的参数之一，游采用较高功率密度，在微 秒时闽范围肉，枣季料表层就可以加热到沸点，产生汽化现象。因此，高功率密度 对予材瓣去豫毪葫工，蟊蠢孔、熬麴、韬裁等骞穰。麓采瘸较凭功率密度，耪辩 表层达到沸点需要经历数毫秒，并在表层汽化前，底朦可以达到熔点，对焊接有 利，易形成良好的熔融焊接，。所以，在焊接时需骤选择合适的功率密鹰，通常 为1 0 4 1 0 6 w c m 2 。 在脉宽一定的条件下，可以求出在材料给定范潮内达到绘定温度所鬻娶的功 率密褒。 设材料滚筒达到熔点t m 所滞的功率密度为硒，根据半无限物体模型，在 具有恒定强度的表面热源作用下，如，可以用下式表示 ，：o 8 8 5 l k 1 。 ( a f ，) 1 7 2 霹觅，露，夔秘秘瓣薅琵温度( t i n ) 、爨导率( 鼢矮熬蠢增燕，整夔蓑熬扩散率 ( d ) 、脓宽( f ，) 的增加丽减小。 类似的，可以求出材料表嘲达到沸点n 时的功率密度奶： ，：! ：堕互丝 以 ( g f ，) 7 2 当毒季精袭嚣出现强蒸汽纯豹辩候，材瓣翻热遥纛中褥密嚣两释波囱枣孝籽内部 传播，一种怒热波，一种是汽化波。在功率密度较低的时候，热波速度高于汽化 波速度，刹达某一定功率密度肠时，热波与汽化波的速度相等。对大多数材料， 第二肇激光焊接枫参数选择与控制 鬟l 波速度m ( a r ；) “2 ；露汽化波速度秀矿。= 毛t l b p ，l b 表示睾孝籽汽傀热，p 是材料密度。当v h = v 。时，有 屯= 厶p ( 旦) m 可见，硒豹毽涟耪疑兹汽豫热耪热导率豹增热恧壤麴，疆稼宽静增麴褥羰小。 对于大多数豺辩，l c f t c 2 i c j 。 实际成用过程中，功率密度的选取要依据材料本身的特性和焊接臻求而定。 对于薄层和厚材料的焊接，功率密度有所不同，但是对于大多数材料i 耐言，功率 密度都可以取为血2 。 本文讨论鬟豹激光焊接瓿，由子涉及激光功率密度豹大多数困索魄较貔定， 蠡泵溘源鹣转换效率，一定静王侮躲宽等，瑟敬楚邋避诱节激光电源稳充电电压， 以达到提高电源的输出功率的方法来提高功率密度的。 40 0s 0 06 0 e70 08 00 v s ( v 0 t a ge 图2 2 电源平均输出功率随充电电聪变化的曲线 a 不连续电流型，b 一连续电流型 强2 2 显示了采更l 彩枣联谴叛国黪充电，魄澈学甥输出功率夔兖魄邀基变 诧斡趋线，电源参数为谐搽毫容0 5 6 、 誊振恕憋3 3 j 艘、谐振溺鹚2 8 6 , u s ； 变压器变换比1 5 。电源的谐振电流分为不连续电流型和连续电流型，关于这两 种类型，将在后面的章节讨论。从图中可以看出，无论采取哪种工作方式，激光 电源在充到一定电压前，输出功率都有一个上升的趋势，所以，可以采取这种方 法，提离功率密度。 2 。2 。3 歉宠的选舞与控裁 脉宽也是脉冲激光焊接的瀵要参数。它的选择主要由以下两个原则确定： 1 根据熔深要求，确定脉宽。根据式2 1 1 可知，最大熔深是功率密度的函 6 4 2 0 8 6 4 2 一#潞o=)1一吐 第二整激光焊接机参数选择与控制 鼗，氇楚材料热力学蒋薤靛涵数，霹 z m a xf = 1 2 k + ( 瓦一t ) 若不考虑k 、t v 、t m 随温庶引起的变化，则z 。- f 对每一种金属为常数。 为保持激光捍接过程中树料表面不出现强烈的汽化，设定脉冲终止融材料表 垂这至沸点。是激光开始稼餍至耪瓣表委达到沸点戆霹蓠。攫器 一至竺登 。 4f 2 d 设 f 。= f ， 弼可求褥掰嚣豹功率密疫 嚣= 孚秽铲1 t 取不同的值，则可获得最大熔深与f ，的关系为 鳖：圆m z j ；j 由诧可蔸，落需要获褥较大靛熔深，繇宽应越长，建熔深静堰热随躲爨靛i 2 次方增加。对于熔深要求低予o 1m s 左右的薄片，大部分金属材料采用l 打甜左 右的脉宽就可以达到。不过，此时表面热源的功率密度较高，若光斑糊积上能量 分布不均匀，极易造戒局鄂汽化。而且，对于激光嚣的辕出稳定性嚣求也较高， 鑫建帮馥对予薄冀簿螯，餐恕赫突增长妥3 m s 淡上。援莱揉持嚣辩裘囊溢寝不 超过沸点，帮使脉竟增长至7m s ，对于大多数金属矮施也难戳趣遵l m m 。对霹 一种金属黼言，焊好同样厚艨的材料，脉宽短，胼需热功率密度高，激光参数可 焊范围帘，热效率高。增加脉浇，所需热功率密廉低，激光参数可焊范围宽，热 效率低。 2 对予热影薅莲有严辏要求鹃浑接琶蠛，濂爨 ；垂热影旗区决定。热影龋篷瓣 大枣与躲宽有关，骤宽越长，热影畹区越大。因越，在薄片或薄貘溥接中，除了 应该适辫拙长脉宽增加焊接的参数范围以及提商焊接质量的稳定性外，还需要考 虑热影响隧的大小。脉宽的选取，应保证在热影响区所允许的情况下避当增大 。 激巍融宽与蓑清溪熬泵漓躲宽誊关。泵渍躲瓷要求丈子滋毙工 髻翰鹱澎琏激 光上憝级的粒子数反转瑟纛黉黪对藏。困燕，在象浦灞稳激光嚣已缀选定的情嚣 下，可以通过控制灯两端电聪替通的时间来控制慕灯的放电时间，从丽_ 达到调节 激光脉宽的目的。1 。 第二章激光焊接机参数选择与控制 2 2 4 重复频率的选择与控制 在我们设计的激光焊接机上，采用的是y a g 激光器，激光输出的重复频率与 泵浦源的泵浦重复频率一致。而加在泵浦源的两端的电压是通过i g b t 的导通与 截止来实现的，所以，可以通过i g b t 的开关频率来控制泵浦源的重复频率。 激光机焊接工作中，有时是利用材料上形成的熔点重叠而形成焊缝，特别是 气密性的焊接。熔点的重叠程度很大程度上决定了焊接质量，如气密性是否良好， 当y a 6 脉冲激光器加工的重叠度达到8 0 9 0 时，可使漏气率低于1 0 一c c s 。重 复频率对这个重叠程度有很大影响，我们所设计的激光焊接机重复频率可高达 2 0 0 h z ，很好的满足了绝大部分焊接要求。 2 3 激光器的冷却 y a g 激光棒吸收泵浦辐射而产生的热，和由冷却过程造成的热流结合起来构 成了棒的各种热效应。在y a g 激光器中，通常采用圆柱形激光棒，输入泵浦灯的 电能有1 0 左右转换为晶棒的热能。棒的外表面通过流水对流冷却，而在棒的内 部则只能通过沿径向方向的热传导向表面散热。在棒的横截面内，中心温度高， 表面温度低，存在很大的温度梯度。较热的心部材料的膨胀受到较冷的外圈材料 的牵制，在棒的内部产生热应力，心部为压应力，外层主要为拉应力。表面拉应 力过大，将导致晶棒碎裂。由y a g 晶棒热破坏所限制的晶棒单位长度的最大热负 荷约为l o o w c m ，相应的最大激光输出功率约为2 5 w c m 。 晶棒的热应力( 应变) 导致棒内折射率的变化。这种变化量不仅与观察点在 横截面内的径向位置有关，而且与方向有关。沿径向与沿切向的折射率的变化量 不等，表现为热应力双折射。 y a g 晶棒具有正的折射率温度系数，心部温度高，折射率大；周边温度低， 折射率小。加上热应变引起的折射率不均匀变化，使晶棒的折射率沿径向呈抛物 线分布。激光束通过这种热不均匀介质的情况与通过透镜的情况相似，故称为热 透镜效应。 热透镜效应降低了光束质量并限制了谐振腔稳定运行的功率范围。由于热透 镜效应，激光束的发散角随泵浦功率和激光功率的增大而加大，光束质量变差。 所以，必须对激光器加以冷却措施，使激光棒正常工作，保证激光束的质量。 在本课题中，采用了腔内闭合回路冷却系统，包括水泵，水箱，温度指示计，离 子过滤器等部分。 2 4 激光焊接机电源 使用电阻、电感限流充电的电源，其运转重复频率受到很大的限制，而且电 阻限流使其能量利用率低于5 0 。在较高重复频率的情况下，一般使用谐振充电 第二章激光焊接概参数选耩与控制 奄鼯。港叛充电不莰霹激王 謦予意重复颥察，瑟量蒸效率裹逸9 0 淤上。激光簿 接机要求充电速度很快，效率高，因此我们使用了谐振电路进行充电。由于所使 用的电容和电感是串联关系，所以是串联谐振充电的激光电源。电源电路图如 2 ，3 掰示。 在图中，逆变器姻个桥磷上采用了i g b t 乍为开关元件，用b 1 、b 2 、b 3 和 b 4 表示，d 1 、d 2 、d 3 黎d 4 是寒颤二投篱，慧绫流传强，毛霸e r 秘残诸擐充 电回路，谐振频率等于1 2 筇五c ，d 5 、d 6 、d 7 和d 8 是整流桥，将变压器副 边输出的交流电压转化为直流电压，c s 是储能电容”1 。 2 , 3 串联谐振充电及整流输出电路 c 8 串联谐振充电鹜潞有谐蔽筑期( 秘) 秘工作髑期( t ) 两个参数，根据般 和t 的的关系，可以把谐振回路的工作情况分为两种：连续电流型( t r t 2 t r ) 和不连续魄滚型( t 鏊2 t r ) 。邀两耪情况下谐振电溅兹波形见阁2 4 。 k i 入门。 。w 黼2 。4 a 连续蠢瀵l 爨谮鞭激流渡形 第二章激光焊接机参数选择与控制 l i 八八。 。丫ui 7 _ 一t r 叫卜t r 叫 一个l 图2 4 b 不连续电流型谐振电流波形 由于在同样的等效阻抗下，连续电流型的谐振峰值电流比不连续电流型的 大，而且在连续电流型下的电源的工作周期比不连续型的工作周期小，所以连续 电流型工作的电源输出功率较大，因此使电源工作在连续电流方式下。图2 5 的a 和b 分别为实验测得的当电压分别充到4 0 0 v 和6 0 0 v 时，谐振回路的电流波 形。 已j ：a i 一 ：j 。r j 浆 1 t承热& 、 r1 y 阻! 弧i 。翟 睡j 矿 。鹾燧 匪i 雌 v v 11 i j 图2 5 a 电压充到4 0 0 v 时的谐振电流波形 图2 5 b 电压充到6 0 0 v 时的谐振电流波形 第三章激光焊接机控制系统硬件设计 第三章激光焊接机控制系统硬件设计 控制系统是激光焊接机的重要组成部分，是焊接机安全可靠工作的核心和保 障。在前一章激光焊接机相关参数选择与控制的基础上，本章将重点讨论控制系 统的硬件设计，主要包括对激光电源，绝缘栅双极管( i g b t ) 模块，反馈网络， y a g 激光器泵浦源的控制等。相关硬件系统的结构见图3 1 。三相交流电源经逆 变整流以后，输出直流电压，通过i g b t 的开关控制，实现对泵浦源的出光参数 控制。在电源进行充电、放电的过程中，需要对输出电压采样反馈，与预定值比 较以后决定下一个动作。 相 交 流 源 图3 1 控制系统作用框图 激 光 输 出 传统的激光焊接机控制系统是模拟电路，存在精度低，干扰强的缺点，数字 电路具有高智能化、高可靠性、实时控制、体积小和高性价比等优点，已经广泛 应用于工业控制领域，所以，本课题采用了以单片机为核心的控制系统，并且通 过单片机控制电路实现了提高自动化程度，简化电路结构，增强电路抗干扰能力 和降低成本的目的。根据控制系统的功能，相应的控制系统应该包括：单片机， 人机交互界面，采样反馈，驱动信号控制，电路运行可靠性保证，与p c 机通信 等几部分。据此设计的电路功能框图如3 2 a 所示，各实体间的数据流见图3 2 b “。 在本系统中用到的芯片有单片机a t 8 9 s 8 2 5 2 ，并行i o 扩展用的8 2 5 5 ，作 为人机交互界面的液晶显示模块控制芯片t 6 9 6 3 c ，采样反馈用的a d 转换器 m a x l 9 7 ，看门狗电路x 5 0 4 5 ，以r s 2 3 2 标准与计算机进行接口的m a x 2 3 2 等 等。在下面的小节中，将对各个部分的设计思想和具体接口电路及原理分别进行 说明。 第三章激光焊接机控制系统硬件设计 1 、+ 一l l 键盘卜 输入输出 7 “”“”i 扩展 l 萁他控制信号 - _ 一 o 一采样 t 3 | 黼壤曰i 睾1 2 3 r s - 2 3 2 唾 一 保护电路 l 7 一驱动信号 1 1 图3 2 a 革片枕系统控剖电路原璎圈 图3 2 b 各实体间的数据流 3 1c p u 3 。1 。1 摹麓凝耱选舞 单片机肖8 位，1 6 位和3 2 彼的。在选择使用何种单片机进行开发的时候考 虑的因素主器有运算速度、功能、片内资源、开发成本、开发周期、配鼷开发系 繁兰章激巍簿接辊较涮系统磺谗设诗 楚弱支祷和市殇供应等等。纂诧对各耱擎冀瓠熬进行了魄较，参羹表3 ，i 。 辩发系统及 单片机运算速度功能片内资源开发成本 开发周期 露场支拷 8 位快较强丰富低 短最多 】6 夔缀抉强 爨睾富鞍裹妖 多 3 2 经缀抉最强饕豢丰富最褰长 一般 表3 18 怒、1 s 毽积3 2 位攀饽规的眈较 从表3 。l 可以看出，缀然1 8 位期3 2 位的单片机在运算速度、功能期片内资 源上都比8 位酶强，但是麓开发成本窝周期戳及市场浆支撩远远不及8 谯荦片祝。 鬓竣，l s 经髑3 2 佼蕈片辍主簧弱在动麓篾杂，搽终速凄要式菲鬻褰憝场合，囊 8 谴的单片撬羹| j 用在大多教的工照环境，使用较酱遍。绪合本系统考虑，我 疆妻 撵使用了8 位单片机，不仅可熊的满足了控制功熊褥要，还充分优化利用了现有 资源。 目前锚场上驹8 位单片机羊申类繁多，餐大公司郝肖成型豹系列产撼。这里我 霉l 遥震了荚馥a t m e l 公委鹣零冀爨，嚣荛a t m e l 系弼戆产鑫兵舂戆徐院舞、兼容 稳好葙帮场供应充是静稳点，楚最常觅的荦片橇赫艨之一。表3 2 剐瘵了矗t m e l 公司生产酶m c s - 5 1 系确肇片梳梭能对照”。 主要特键袅t 8 # g 专l 稻尊c 5 2a 8 9 巧s a t 8 9 s 8 2 5 2h t 8 窜c 2 0 5 la t 8 9 c i 篱l 与强c s 秘产 垒羡窑垒装霉全蓑窑 垒兼罄全兼容垒蔑窖 电可擦写瓿 i 0 0 0 次1 0 0 0 淡1 0 0 0 次 1 0 0 0 次i 0 0 0 次 1 0 0 0 次 数 工作电压范 z 7 6 v2 + 7 6 v2 7 6 v2 7 8 v 2 7 6 v2 7 6 v 露 编程龟廷1 2 v s v1 2 v 5 v1 2 ￥5 ￥ 1 2 7 5 v1 2 ￥7 5 v 1 2 v s v 砖位定时器 2 个3 个 3 个3 个2 争l 十 数 中断源5 个8 小8 个9 十 5 个 3 个 工作时钟o h z 一2 鞋z锵z - 2 4 h zo h z 一2 嚣z o h z - 2 4 # zo z - 2 4 h z瓣l 一2 4 h z 可缡程i 内 3 2 豢3 2 基3 2 蠢 3 2 蕊1 5 条1 5 袭 线 休眠与调6 5 m a 6 5 m a 6 5 m a5 m a 5 瞄 5 m a 4 0 u a l电模式4 0 u h4 0 u a 4 0 u a2 0 u a 2 0 u a 第三章激光焊接机控制系统硬件设计 2 0 k8 kf 1 a s h 4 kf l a s h8 kf 1 a s h2 kf l a s hl kf l a s h 存储器配置 p e r o m2 ke p r o m 1 2 8r a m2 5 6r a m1 2 8r a m6 4r a m 2 5 6r a i l2 5 6 r a m 封装形式4 0 脚：d i p 4 4 脚：p l c c 4 4 脚：p q f p t o f p2 0 脚：d i p s o i c 表3 2a t m e l 公司生产的m c s 一5 1 系列单片机性能对照表 从程序代码空间和日后功能扩展考虑，我们需要一款r o m 较大约为8 k 字节 的单片机，从表可见具有8 k 字节r o m 的型号有a t 8 9 c 5 2 和a t 8 9 s 8 2 5 2 。比较这 两个型号的单片机，可见a t 8 9 s 8 2 5 2 具有这样几个特点：配有2 k 字节的e e p r o m ， 这在本系统应用中具有很大优势，因为它可以作为程序扩展代码存储区，或者将 工作中的相关参数保存起来，很好的起到保护数据的作用。a t 8 9 s 8 2 5 2 内置一个 看门狗定时器，为程序可靠运行提供了保障。另外，a t 8 9 s 8 2 5 2 最大的一个优点 就是具有可下载编程的f l a s h 存储器，它具有s p i 串行接口特性，因而可以实现 系统内重新编程，为不同的控制系统提供了灵活性高且廉价的方案。所以，本系 统选用了a t 8 9 s 8 2 5 2 。图3 3 是a t 8 9 s 8 2 5 2 的内部功能方框图。 第三章激光焊接机控制系统硬件设计 图3 3a t 8 9 s 8 2 5 2 内部结构图 3 1 2 外围i o 扩展 在本系统中，由于要使用键盘，有众多的i o 接口，而单片机i o 资源有限， 所以扩展了一块8 2 5 5 芯片。8 2 5 5 芯片是可编程外围并行接口芯片，它有三个8 位的并行口a 、b 、c ，这三个端口既可以编程为普通i o 口，也可以编程为选通 i o 口和双向传输口，其中口c 还可以进行位操作。大部分功率驱动信号就是通 过口c 给出的，通过光耦隔离和放大以后与外围电路接口。4 x 4 键盘是通过口a 的低4 位和口b 的低4 位搭建而成的。8 2 5 5 各口的方式选择命令字见图3 4 ，对 于口a 有3 种工作方式，口b 只有2 种工作方式，口c 可以单独使用，也可以与 口a 和口b 配合使用“。a t 8 9 s 8 2 5 2 与8 2 5 5 的接口见图3 5 。 d 6 1d 5i d 4 ld 3l d 2d 1d o t l 工作方 式字特 征位 r l 口a 方式选择0 0 = i 磊裂了引 川n a = 嚣ll 黧篙茎 图3 48 2 5 5 的方式选择命令字 口c 下半部 ( p c 3 p c o ) 1 = 输入，o = 输出 口b 1 = 输入，0 = 输出 口b 方式选择 1 _ 方式1 ，0 = 方 式0 第三鬻激巍浮接辘控割系统硬件设诗 麓3 。5a t 8 9 s 8 2 5 2 与8 2 5 5 豹搂叠 a t 8 9 $ 8 2 5 2 的p o 口与8 2 5 5 的数据总线相连，阍时递道地址锁存芯片7 4 l s 3 7 3 控制8 2 5 5 的地珧线a 0 、a l ，从而选择对口a 、b 、c 之一进行操作。p 2 圈的低三 位作为地瓤 = 线与7 4 l s l 3 9 连接，输出q o 乍为8 2 5 5 的片逸信号。此外，a t 8 9 8 8 2 5 2 瓣箨r ，r d ，r e s e t 与8 2 5 5 的囊攘锺连。 3 。2 入羝交重赛蟊接瑟惑曦 3 2