CN119368928B 一种气液耦合喷射辅助激光透射焊接方法及焊接装置 （苏州大学）

(19)国家知识产权局(12)发明专利(72)发明人姜宁翟成凯钱润东刘亚运乔海玉王传洋理事务所(普通合伙)32257一种气液耦合喷射辅助激光透射焊接方法指一种气液耦合喷射辅助激光透射焊接方法及以及冷却液和气体的喷射角度均根据工件表面沿着工件的任意长度方向规划焊接路径，基于所述焊接路径，沿着工件的任意长度方向规划焊接路径，基于所述焊接路径，使用激光束对工件进行透射焊接，形成焊缝，将所述工件所在的平面定义为第一平面，所述激光束沿着所述焊接路径移动形成的平面定义为第二平面，所述第二平面垂直于所述第一平面在所述第二平面设置冷却组件，所述冷却组件喷射出的冷却液沿着所述焊接路径对所述焊缝进行低温冷却，所述冷却组件的移动速度小于所述激光束的焊接速度在所述第二平面的两侧对称设置第一气体喷头和第二气体喷头，所述第一气体喷头和所述第二气体喷头均与所述激光束的移动速度保持一致，在所述第一气体喷头和所述第二气体喷头均跟随所述激光束进行焊接的过程中，所述第一气体喷头和所述第二气体喷头喷射出的气体作用于焊接点附近2S2:在所述第二平面设置冷却组件，所述冷却组件喷射出的冷却液沿着所述焊接路径S3:在所述第二平面的两侧对称设置第一气体喷头和第二气体喷头，所述第一气体喷其中，将冷却液的喷射角度与所述第一平面之间的夹角记作第一角度，气体的喷射角实时获取所述焊缝的实际温度值，设置所述焊缝的理想温度值，以最小化所述实际温基于所述冷却液流量调节模型和所述气体流量调节模型，分别动态调整所述冷却液流实时获取所述焊缝的实际温度值，设置所述焊缝的理想温度值，以最小化所述实际温基于所述第一角度调整模型和所述第二角度调整模型，分别3其中，0(t)为t时刻的第一角度调节值，0₀为冷却液的初始喷射角度，e(t)=T(t)-Topt为t时刻的温度误差值，T(t)为t时刻的焊缝的实际温度值，Topt为焊缝的理想温度值，K₀为喷射角度的调节系数。6.根据权利要求5所述的气液耦合喷射辅助激光透射焊接方法，其特征在于，所述第二角度调整模型的表达式为：其中，0g(t)为t时刻的第二角度调节值，0g₀为气体的初始喷射角度，K′。为喷射角度的调节系数。7.根据权利要求1所述的气液耦合喷射辅助激光透射焊接方法，其特征在于，所述冷却液的选择与所述工件的材料和加工工艺相匹配。8.一种气液耦合喷射辅助激光透射焊接装置，其特征在于，用于实现如权利要求1至7任意一项所述的气液耦合喷射辅助激光透射焊接方法，包括：工件焊接组件，所述工件焊接组件用于沿着工件的任意长度方向规划焊接路径，基于所述焊接路径，使用激光束对工件进行透射焊接，形成焊缝，将所述工件所在的平面定义为第一平面，所述激光束沿着所述焊接路径移动形成的平面定义为第二平面，所述第二平面垂直于所述第一平面；在所述第二平面设置的焊缝冷却组件，所述焊缝冷却组件喷射出的冷却液沿着所述焊接路径对所述焊缝进行低温冷却，所述焊缝冷却组件的移动速度小于所述激光束的焊接速以及冷却辅助组件，所述冷却辅助组件包括在所述第二平面的两侧对称设置的第一气体喷头和第二气体喷头，所述第一气体喷头和所述第二气体喷头均与所述工件焊接组件的移动速度保持一致，在所述第一气体喷头和所述第二气体喷头均跟随所述工件焊接组件进行焊接的过程中，所述第一气体喷头和所述第二气体喷头喷射出的气体作用于焊接点附其中，将冷却液的喷射角度与所述第一平面之间的夹角记作第一角度，气体的喷射角度与所述第一平面之间的夹角记作第二角度，冷却液流量、气体流量和所述第一角度和所述第二角度的大小均根据所述工件的表面温度进行调整。9.根据权利要求8所述的气液耦合喷射辅助激光透射焊接装置，其特征在于，所述装置还包括第一调节模块和第一驱动模块，所述第一调节模块用于获取冷却液流量调节值和第一角度调整值，被配置为：实时获取所述焊缝的实际温度值，设置所述焊缝的理想温度值，以最小化所述实际温度值和所述理想温度值的误差值为目标，构建冷却液流量调节模型和第一角度调整模型；基于所述冷却液流量调节模型和所述第一角度调整模型，得到冷却液流量调节值和第一角度调整值；根据所述冷却液流量调节值和第一角度调整值，所述第一驱动模块分别动态调整所述焊缝冷却组件喷射出的冷却液流量和冷却液喷射角度，直到焊接结束或所述误差值稳定在预设范围内。10.根据权利要求9所述的气液耦合喷射辅助激光透射焊接装置，其特征在于，所述装置还包括第二调节模块和第二驱动模块，所述第二调节模块用于获取气体流量调节值和第4实时获取所述焊缝的实际温度值，设置所述焊缝的理想温度值，以最小化所述实际温度值和所述理想温度值的误差值为目标，构建气体流量调节模型和第二角度调整模型；基于所述气体流量调节模型和所述第二角度调整模型，得到气体流量调节值和第二角度调整值；根据所述气体流量调节值和第二角度调整值，所述第二驱动模块分别动态更新所述第一气体喷头和所述第二气体喷头的气体流量和气体喷射角度，直到焊接结束或所述误差值稳定在预设范围内。11.根据权利要求10所述的气液耦合喷射辅助激光透射焊接装置，其特征在于，所述装置还包括温度监测模块，所述温度监测模块安装在所述工件上，且与所述第一调节模块和所述第二调节模块均连接，用于实时获取焊缝实际温度值，将所述焊缝实际温度值反馈给所述第一调节模块和所述第二调节模块。5一种气液耦合喷射辅助激光透射焊接方法及焊接装置技术领域[0001]本发明涉及激光透射焊接技术领域，尤其是指一种气液耦合喷射辅助激光透射焊接方法及焊接装置。背景技术[0002]在激光透射焊接过程中直至焊接完成后，若依赖自然冷却，其缓慢的速度往往导致热影响区扩大，进而对焊接件的精度和机械性能造成不利影响。此外，材料在高温下持续暴露会加剧因热膨胀与收缩差异引起的焊件形变。[0003]在专利CN215615789U中公开了一种带有冷却装置的激光焊接机，该设计通过内置水冷箱及工作台，在焊接后将工件推入冷却液中进行冷却。尽管此方法能在不移除工件的情况下实现冷却，但它存在明显缺陷：冷却速度无法精细调控，可能导致焊缝因过快冷却而增加裂纹风险；同时，工件表面可能残留冷却液，需后续清理以避免影响加工或产品性能。[0004]另一专利CN214815713U公开了一种带有冷却装置的双面激光焊接机，利用鼓风机和分流管系统对焊接后的板材进行加速冷却。然而，风冷方式受限于空气的低热传导性，冷却效率有限，特别是在高能量输入的焊接过程中，难以有效控制冷却速度。此外，空气流动的不均匀可能导致焊缝局部冷却不一致，进而影响焊接质量。[0005]综上所述，上述的两种冷却方法均因各自的局限性导致在冷却效率和工件质量控制方面存在不足。发明内容[0006]为解决上述技术问题，本发明提供了一种气液耦合喷射辅助激光透射焊接方法及焊接装置，所述焊接方法包括以下步骤：[0007]S1:沿着工件的任意长度方向规划焊接路径，基于所述焊接路径，使用激光束对工件进行透射焊接，形成焊缝，将所述工件所在的平面定义为第一平面，所述激光束沿着所述焊接路径移动形成的平面定义为第二平面，所述第二平面垂直于所述第一平面；[0008]S2:在所述第二平面设置冷却组件，所述冷却组件喷射出的冷却液沿着所述焊接路径对所述焊缝进行低温冷却，所述冷却组件的移动速度小于所述激光束的焊接速度；[0009]S3:在所述第二平面的两侧对称设置第一气体喷头和第二气体喷头，所述第一气体喷头和所述第二气体喷头均与所述激光束的移动速度保持一致，在所述第一气体喷头和所述第二气体喷头均跟随所述激光束进行焊接的过程中，所述第一气体喷头和所述第二气体喷头喷射出的气体作用于焊接点附近；[0010]其中，将冷却液的喷射角度与所述第一平面之间的夹角记作第一角度，气体的喷射角度与所述第一平面之间的夹角记作第二角度，冷却液流量、气体流量和所述第一角度和所述第二角度的大小均根据所述工件的表面温度进行调整。[0011]在本发明的一个实施例中，所述冷却液流量和所述气体流量根据所述工件的表面温度进行调整的方法如下：6[0012]实时获取所述焊缝的实际温度值，设置所述焊缝的理想温度值，以最小化所述实际温度值和所述理想温度值的误差值为目标，构建冷却液流量调节模型和气体流量调整模[0013]基于所述冷却液流量调节模型和所述气体流量调整模型，分别动态调整所述冷却液流量和所述气体流量，直到焊接结束或所述误差值稳定在预设范围内。[0014]在本发明的一个实施例中，所述冷却液流量调节模型的表达式为：[0017]在本发明的一个实施例中，所述气体流量调节模型的表达式为：[0019]其中，Qg(t)为t时刻的气体流量调节值，Kp、K、Ka分别为比例、积分和微分控制增益。[0020]在本发明的一个实施例中，所述第一角度和所述第二角度根据所述工件的表面温度进行调整的方法如下：[0021]实时获取所述焊缝的实际温度值，设置所述焊缝的理想温度值，以最小化所述实际温度值和所述理想温度值的误差值为目标，构建第一角度调整模型和第二角度调整模[0022]基于所述第一角度调整模型和所述第二角度调整模型，分别动态调整所述第一角度和所述第二角度，直到焊接结束或所述误差值稳定在预设范围内。[0023]在本发明的一个实施例中，所述第一角度调整模型的表达式为：[0024]θw(t)=θwe(t)=Tw(t)-Topt为t时刻的温度误差值，Tw(t)为t时刻的焊缝的实际温度值，Topt为焊缝的理想温度值，Ke为喷射角度的调节系数。[0026]在本发明的一个实施例中，所述第二角度调整模型的表达式为：[0028]其中，θg(t)为t时刻的第二角度调节值，θgo为气体的初始喷射角度，K₀为喷射角度的调节系数。[0029]在本发明的一个实施例中，所述冷却液的选择与所述工件的材料和加工工艺相匹[0030]基于同一发明构思，本发明还提供了一种气液耦合喷射辅助激光透射焊接装置，7该装置用于实现上述技术方案中的所述气液耦合喷射辅助激光透射焊接方法，包括：[0031]工件焊接组件，所述工件焊接组件用于沿着工件的任意长度方向规划焊接路径，基于所述焊接路径，使用激光束对工件进行透射焊接，形成焊缝，将所述工件所在的平面定义为第一平面，所述激光束沿着所述焊接路径移动形成的平面定义为第二平面，所述第二平面垂直于所述第一平面；[0032]在所述第二平面设置的焊缝冷却组件，所述焊缝冷却组件喷射出的冷却液沿着所述焊接路径对所述焊缝进行低温冷却，所述焊缝冷却组件的移动速度小于所述激光束的焊接速度；[0033]以及冷却辅助组件，所述冷却辅助组件包括在所述第二平面的两侧对称设置的第一气体喷头和第二气体喷头，所述第一气体喷头和所述第二气体喷头均与所述工件焊接组件的移动速度保持一致，在所述第一气体喷头和所述第二气体喷头均跟随所述工件焊接组件进行焊接的过程中，所述第一气体喷头和所述第二气体喷头喷射出的气体作用于焊接点[0034]其中，将冷却液的喷射角度与所述第一平面之间的夹角记作第一角度，气体的喷射角度与所述第一平面之间的夹角记作第二角度，冷却液流量、气体流量和所述第一角度和所述第二角度的大小均根据所述工件的表面温度进行调整。[0035]在本发明的一个实施例中，所述装置还包括第一调节模块和第一驱动模块，所述第一调节模块用于获取冷却液流量调节值和第一角度调整值，被配置为：[0036]实时获取所述焊缝的实际温度值，设置所述焊缝的理想温度值，以最小化所述实际温度值和所述理想温度值的误差值为目标，构建冷却液流量调节模型和第一角度调整模[0037]基于所述冷却液流量调节模型和所述第一角度调整模型，得到冷却液流量调节值和第一角度调整值；[0038]根据所述冷却液流量调节值和第一角度调整值，所述第一驱动模块分别动态调整所述焊缝冷却组件喷射出的冷却液流量和冷却液喷射角度，直到焊接结束或所述误差值稳定在预设范围内。[0039]在本发明的一个实施例中，所述装置还包括第二调节模块和第二驱动模块，所述第二调节模块用于获取气体流量调节值和第二角度调整值，被配置为：[0040]实时获取所述焊缝的实际温度值，设置所述焊缝的理想温度值，以最小化所述实际温度值和所述理想温度值的误差值为目标，构建气体流量调节模型和第二角度调整模[0041]基于所述气体流量调节模型和所述第二角度调整模型，得到气体流量调节值和第二角度调整值；[0042]根据所述气体流量调节值和第二角度调整值，所述第二驱动模块分别动态更新所述第一气体喷头和所述第二气体喷头的气体流量和气体喷射角度，直到焊接结束或所述误差值稳定在预设范围内。[0043]在本发明的一个实施例中，所述装置还包括温度监测模块，所述温度监测模块安装在所述工件上，且与所述第一调节模块和所述第二调节模块均连接，用于实时获取焊缝实际温度值，将所述焊缝实际温度值反馈给所述第一调节模块和所述第二调节模块。8[0044]本发明的上述技术方案相比现有技术具有以下优点：[0045]本发明显著加速了焊缝区域的冷却进程，有效缩减了焊接过程中产生的热影响区及残余应力，进而有助于精确调控焊接件的热变形，确保焊件的尺寸稳定性和形状精度。除此以外，本发明解决了现有焊接液体冷却无法控制冷却速度的问题，可自由选择与材料和工艺相匹配的冷却液，并且焊缝表面没有残余的冷却剂，对后续加工或产品性能无影响。附图说明[0046]为了使本发明的内容更容易被清楚的理解，下面根据本发明的具体实施例并结合[0047]图1是本发明的实施例一中所提供的气液耦合喷射辅助激光透射焊接方法流程示[0048]图2是本发明的实施例二中所提供的气液耦合喷射辅助激光透射焊接装置结构示[0049]图3是本发明的实施例二中所提供的气液流量和喷射角度的调整装置结构示意具体实施方式[0051]下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好地理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。实施例一[0052]参见图1所示，本发明提供了一种气液耦合喷射辅助激光透射焊接方法，所述焊接方法包括以下步骤：[0053]S1:沿着工件的任意长度方向规划焊接路径，基于所述焊接路径，使用激光束对工件进行透射焊接，形成焊缝，将所述工件所在的平面定义为第一平面，所述激光束沿着所述焊接路径移动形成的平面定义为第二平面，所述第二平面垂直于所述第一平面；[0054]S2:在所述第二平面设置冷却组件，所述冷却组件喷射出的冷却液沿着所述焊接路径对所述焊缝进行低温冷却，所述冷却组件的移动速度小于所述激光束的焊接速度；[0055]S3:在所述第二平面的两侧对称设置第一气体喷头和第二气体喷头，所述第一气体喷头和所述第二气体喷头均与所述激光束的移动速度保持一致，在所述第一气体喷头和所述第二气体喷头均跟随所述激光束进行焊接的过程中，所述第一气体喷头和所述第二气体喷头喷射出的气体作用于焊接点附近；[0056]其中，将冷却液的喷射角度与所述第一平面之间的夹角记作第一角度，气体的喷射角度与所述第一平面之间的夹角记作第二角度，冷却液流量、气体流量和所述第一角度和所述第二角度的大小均根据所述工件的表面温度进行调整。[0057]由以上技术方案可知，本发明通过调节冷却液的流量、气体的流量以及其与工件平面的夹角(第一角度和第二角度),可以实现对焊缝冷却速度的精细控制，从而有效减少9焊接时的热影响区和残余应力，有助于保持焊件的尺寸稳定性和形状精度；由于冷却速度和冷却方式的精确调控，焊缝的冷却过程更加均匀，减少了因冷却不均导致的焊缝质量问温度实时调整冷却参数，因此适用于不同材料和不同厚度的工件，具有很强的适应性和灵活性。[0058]进一步地，在步骤S3中，在激光束进行焊接的同时，第一气体喷头和第二气体喷头均随之移动，它们喷射出的中高速气体在焊接点附近发挥着双重作用。一方面，效地吹散了因冷却液溅射而散布在空气中的水粒，避免了水粒与激光束接触后可能产生的折射现象，从而确保了激光轨迹的准确无误。另一方面，中高速气体还提供了对称的压紧力，对工件起到了夹紧的作用，增强了焊接过程[0059]具体地，采用比例-积分-微分控制(PID控制)算法，以实现焊接过程中冷却速度和温度场的精确调控。该算法能够自适应地调整冷却液喷头和气体喷头的流量以及喷射角度，从而改变冷却速度，确保焊接过程中的温度场得到有效控制。通过PID控制算够实时监测焊接件的温度变化，并根据预设的冷却目标值，动态调整冷却液和气体的输出参数。这种自适应调整机制不仅优化了焊接后的冷却效果，有效减少了焊接件因过热而产生的热影响区和残余应力，还避免了因冷却过快而导致的焊接件变形问题。[0060]首先，根据焊接件的材料特性和工艺要求，设置焊缝的理想温度值和冷却速度；然后，通过PID控制算法，实时监测焊接过程中的温度变化，并根据当前温度与目标温度的偏差，计算出所需的冷却液和气体输出参数调整量。详细的技术方案如下：[0061]实时获取所述焊缝的实际温度值，设置所述焊缝的理想温度值，以最小化所述实际温度值和所述理想温度值的误差值为目标，构建冷却液流量调节模型和气体流量调节模[0063]其中，Qw(t)为t时刻的冷却液流量调节值，e(t)=Tw(t)-Topt为t时刻的温度[0064]所述气体流量调节模型的表达式为：增益。[0067]基于所述冷却液流量调节模型和所述气体流量调节模型，分别动态调整所述冷却液流量和所述气体流量，直到焊接结束或所述误差值稳定在预设范围内。[0068]根据PID控制算法的计算结果，通过调节冷却液泵(即所述焊缝冷却组件)和气体压缩机(即第一气体喷头或第二气体喷头)的输出压力或流量，实现冷却液和气体流量的精确控制。这样，可以根据焊接过程中的温度变化，实时调整冷却速度，确保焊接件的温度场始终处于理想状态。[0069]除了流量调整外，PID控制算法还可以根据焊接件的结构和形状，调整冷却液喷头和气体喷头的喷射角度。通过优化喷射角度，可以进一步提高冷却效率，减少焊接过程中的热影响区和残余应力。[0070]实时获取所述焊缝的实际温度值，设置所述焊缝的理想温度值，以最小化所述实际温度值和所述理想温度值的误差值为目标，构建第一角度调整模型和第二角度调整模e(t)=Tw(t)-Topt为t时刻的温度误差值，Tw(t)为t时刻的焊缝的实际温度值，Topt为焊缝的理想温度值，Ke为喷射角度的调节系数。[0073]所述第二角度调整模型的表达式为：度的调节系数。[0076]基于所述第一角度调整模型和所述第二角度调整模型，分别动态调整所述第一角度和所述第二角度，直到焊接结束或所述误差值稳定在预设范围内。[0077]进一步地，所述冷却液的选择与所述工件的材料和加工工艺相匹配。不同材料的热传导性、热膨胀系数等物理性质各不相同，因此需要根据工件的材料特性