一种激光‑电弧复合焊接实时调控系统及其调控方法与流程

本发明属于材料工程技术领域，具体涉及一种激光-电弧复合焊接方法的实时控制技术，特别涉及复合焊接过程的智能化控制技术。

背景技术：

激光-电弧复合焊接是一种新型的复合焊接方法，随着这种焊接方法的发展其应用范围逐渐扩展。近年来在航空航天、轨道交通及能源装备制造领域，零件制造形状更加复杂，制造周期逐渐缩短，制造质量要求不断提升，对高端焊接制造技术提出迫切需求。在大型复杂结构件的激光-电弧复合焊接过程中，采用常规的焊接参数设置方法，虽然能够实现部分构件的焊接制造，但是尚未能充分发挥激光与电弧的复合作用效果，无法满足结构件的高质量高效焊接需求。特别是随着焊接制造结构件形状、厚度、长度等方面的变化，关键结构的高性能焊接不仅需要设置合理的激光和电弧的复合焊接参数，同时在焊接过程中要依据焊接试件的特征对焊接参数进行实时的快速判定、响应、调节和控制。这种实时的快速响应及控制在电弧自动焊接过程中最早的应用主要起源于通过电弧电压的测量来调整氩弧焊接过程中的弧长，从而减小由于焊接结构表面波动带来的影响。然而随着结构件不断向复杂化方向发展，简单的电弧电压调控已经难以满足实际的生产制造需求。受到热源本身特性的影响，单一电弧焊接能量密度及能量梯度在焊接过程中无法发生变化，因此其解决自动化焊接制造过程中问题的能量相对有限。激光-电弧复合热源具有热源能量和模式的精确可调特征，对于焊接过程中出现的问题(间隙大小、不同厚度、焊接变形控制、焊接咬边控制)能够提供合理的解决方案，这为实现焊接过程的快速响应及智能控制提供了前提和基础。

在智能化焊接制造系统方面，德国、美国以及日本等国家先后开发出焊接制造的专家控制系统，其特征是根据材料的厚度以及材质对焊接参数进行相应的自动调节，从而达到提高焊接制造效率，改善焊接质量的方法，这一专家系统的开发对于目前焊接设备的智能化起到了积极的促进作用，但是其在实际焊接过程中仍然无法取代人工的焊接方法，这种焊接专家系统主要是通过给定的板材确定相应的焊接参数范围，并不能在焊接过程中再次进行调控。在此基础上德国焊接研究工作者率先提出了基于人工智能的焊接制造系统，即将人在焊接制造过程中的经验和方法进行数字化和工程化的转化从而使焊接设备自身具有对焊接制造过程的智能化判断和智能化的参数调节，从而在复杂的结构中实现完全的自动化焊接制造生产。目前国内相关单位正在开展相关智能焊接技术的研究，并已经开发出具有焊接专家系统的焊接设备，但仍未见相关焊接过程快速响应及控制的智能系统及焊接制造设备的公开报道。国际上虽然已经形成了部分基于人工智能的焊接制造系统，但是目前主要集中在单一电弧焊接制造过程中。

现代焊接自动化焊接制造体系的快速发展，使得自动化焊接制造已经由传统简单结构的单一电弧低速焊接逐渐向复杂结构高速多热源焊接快速发展。激光-电弧复合焊接作为多热源焊接中的一种高性能焊接方法，已经成为复杂结构高速焊接的主要方法之一。当采用激光-电弧复合焊接进行复杂结构高速焊接时，受到焊缝复杂形状、板材长度增加、对接间隙变化及板材局部翘曲等多种因素的影响，极易产生烧穿、未熔合及未焊透等焊接缺陷，显著影响了焊接质量和焊接稳定性，因此亟需围绕激光-电弧复合高速焊接过程开发智能化控制技术，实现对焊接过程的精准控制，进而满足复杂结构高速焊接的高可靠高稳定制造需求。

技术实现要素：

为解决现有技术存在的上述问题，本发明要设计一种激光-电弧复合焊接实时调控系统及其调控方法，以实现对复杂结构高速焊接过程的精确调控，解决焊接过程中产生的烧穿、未熔合、未焊透等焊接缺陷，从而在高速复杂结构焊接过程中，获得具有高性能高质量的焊接接头。

为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：一种激光-电弧复合焊接实时调控系统，包括激光-电弧复合焊接热源系统、传感系统、焊接数据采集系统、控制单元、控制信号输出系统和焊接机械运动控制系统；

所述的传感系统包括焊接电弧电压电流传感器、焊接过程的视觉传感器和激光信号传感器，所述的传感系统接收激光-电弧复合焊接热源系统、焊接机械运动控制系统、熔池形态、焊接结构形状的信息，并通过焊接数据采集系统向控制单元输出信息；

所述的控制单元包括人机交互模块、智能模块、数据采集模块及控制信号输出模块；控制单元经控制信号输出系统分别向激光-电弧复合焊接热源系统和焊接机械运动控制系统输出信息；

所述的激光-电弧复合焊接热源系统，用于实现激光-电弧复合焊接；在焊接过程中实时调节激光和电弧的能量状态，在不同的条件下获得具有规定能量密度和梯度的热源；

所述的焊接电弧电压电流传感器，用于采集激光-电弧复合焊接过程的电弧电压及电流；

所述的焊接过程的视觉传感器，用于实现对焊接过程熔池状态的视觉采集；

所述的激光信号传感器，用于采集激光的实时状态信号；

所述的控制单元通过人机交互模块获取用户输入的参数信息，形成基本的焊接参数，然后将实际焊接过程中数据采集模块采集的数据信息输入到智能模块中；通过智能模块的分析之后实时给出焊接所有过程中的焊接参数、控制策略和控制参数到控制信号输出模块，通过控制信号输出模块对复合焊接过程的激光能量、电流电压进行调控，对焊接机械运动控制系统进行控制。

一种激光-电弧复合焊接实时调控系统的调控方法，包括以下步骤：

A、设计焊接过程路径

在焊接前，判定焊缝位置，依据焊缝中心及焊接结构特征选择最佳的焊接路径；

B、调节激光能量及电弧电压电流

在焊接过程中，依据智能模块中数学模型的分析结果对激光输出功率、电弧的电流或电压参数进行实时调控，获得全新的焊接热源，进而实现焊接过程熔池状态及温度的控制，实现对焊接接头组织及性能的调控；

C、控制焊接速度

在焊接过程中，根据需要对焊接速度进行微调，用于与热源一起调控焊接熔池形状、温度以及通过焊接速度调控焊接成形；

D、控制焊接过程摆动效果

由于焊接路径的变化，在焊接过程中，使焊接热源发生垂直于焊缝的往复摆动运动调节，以便摆动效果与焊缝保持相对位置的变化；

E、实施闭环智能化控制和调控

将步骤A-D的信息输送到信号输出模块中，通过控制信号模块分别将需要控制的信号输送到达激光-电弧复合热源焊接系统及机械运动控制系统中，即依据实际的焊接状态对焊接过程实现闭环智能化控制和调控。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1、本发明将焊接工程师分析、焊接熔池和焊接电弧分析相结合，是一种具有人工智能的识别、分析、判断及执行特征的智能化焊接制造体系。即在激光-电弧复合高速焊接条件下，通过前期试验，对最佳焊接区间条件下的电弧、电压、速度及熔池状态等关键信号的进行采集，以上述参数为核心建立数学模型，该数学模型是一种模糊控制方程，通过这一方程能够相对准确描述各个焊接参数对焊接质量的影响效果。在实际焊接过程中，受到组织及形状的影响时，实时采集到的实际焊接参数会随之变化，将这些采集的实际焊接参数输入到数学模型中，其计算得到的最终结果将与最佳参数区间的结果值产生偏差，通过对应的调节激光、电弧或运动状态参数，将使实时参数的数学方程计算结果重新回归到最佳参数区间范围内，则此时认为其焊接效果也回到最佳参数区间范围内的理想效果，因此本发明关键在于利用系统中的模糊控制数学分析软件，实现对焊接参数的智能化分析和闭环调控，从而保证复杂结构高速焊接的稳定性和可靠性，提高焊接接头的整体性能和获得良好的焊缝成形。

2、本发明与现有的电弧焊接人工智能焊接制造系统在整体的理论体系上具有截然不同的特征。电弧焊接过程的智能焊接是以焊工焊接的参数和控制过程作为参考，将焊工操作特征转换为电弧焊接的电流和电压，实现对焊接过程的智能控制。而本发明提出的激光-电弧复合焊接智能控制方法，并不以焊工焊接为参考，而是通过对实时信号采集得到的数据进行数学模型分析得到的。数学模型的建立关键是在于充分掌握激光和电弧复合过程中对于能量密度和能量梯度可控特征，通过对激光及电弧能量的调控可以构建全新的焊接热源体系，进而突破单一激光或者电弧焊接能量密度单一，能量梯度一定的关键难题，建立基于模糊控制理论的激光-电弧复合焊接参数数学分析关系模型，利用该数学模型描述理想焊接参数区间的焊接效果，并矫正实时参数的计算结果，然后通过反馈控制实现焊接过程智能控制，达到提高焊接质量的根本目的。

附图说明

图1是整套激光-电弧复合焊接智能控制系统的组成结构和控制机制。

图2是近似直线的不规则长直焊缝示意图。

图3是简单非对称曲面焊缝示意图。

图4是T型结构件激光-电弧复合焊接简图。

具体实施方式

现结合附图对本发明作进一步的具体描述。

本发明通过传感系统对激光-电弧复合焊接过程的电弧电压、电流、运动状态、焊接结构以及熔池状态等信息进行采集，然后输入到焊接数据采集系统，将这些信息转变为各自的数字信号输入到控制单元的数据采集模块中，通过数据采集模块分类将其输入到人机交互模块中，将简单的数字信号转变为可参考的相对变量信号，然后输入到智能模块中，利用建立的数学模型对电弧参数、激光参数、相对结构位置及空间运行状态进行计算，当计算出的结果数据偏离了智能模块的设定范围时，则对电弧电流、激光能量及运动速度等参数进行实时调控，进而使焊接综合评价值重新回到设定范围之内，从而达到稳定焊接过程，提高焊接质量的目的。

实例1：不规则直线结构焊接

如图2所示为近似直线的不规则长直焊缝，在大量的实际工程结构中，随着实际结构长度的增加，焊接制造过程中直线焊缝体现出明显的不规则性，而且由于试件较大在实际的工程制造中采用类似机器人试教的办法显著影响了焊接效率。针对上述问题，运用本发明的焊接过程的视觉传感器首先初步获得实际试件的宏观结构，在实时的焊接过程中采集待焊试件结构形状，根据实际的板材组对间隙确定合理的焊接路径，由于板材存在间隙较大，单一的采用焊缝跟踪不能有效解决间隙较大的问题，本发明的控制单元根据得到的位置及焊接参数对不同的焊接结构展开如下设定：

①曲线路径，根据在焊接前采集到的间隙结构特征设定最佳的曲线加工轨迹；

②焊接速度，在间隙较大区域进行减速、在间隙较小的区域进行加速等近似人工操作的技术方法消除上述问题；

③激光及电弧参数，根据间隙特征，设定相应的激光能量和电弧电流，保证焊接过程中板材全面熔合；

④摆动效果，在运动过程中不断采集可靠的激光及电弧信号，在焊接过程中调节激光与电弧的配合位置，实现激光热源或电弧热源的小幅摆动，达到最佳的焊接工艺状态，有效的提高焊接质量和焊接制造效率。

实例2：复杂空间结构焊接

如图3所示为复杂椭圆形空间曲面结构，在传统的焊接制造过程中基本采用分段焊接的方法进行制造，不连续的焊缝在一定程度上影响了焊接制造效率和质量。而要想实现该结构的连续焊接需要试件本身也进行配合运动，其焊接过程是试件的旋转运动与焊枪的曲线运动相结合的，由于实际的构件并不是完全的对称，因此在曲线的制造过程中焊枪的线速度也会随着试件的运动发生变化，在实际的焊接时要实现焊接曲线、速度之间的协调控制。不仅如此，在实际焊接中，激光-电弧复合焊枪与试件之间的角度也需要一定的调整，因此要使焊接速度、焊枪角度、焊接轨迹三者之间实现有机的协调控制。本发明针对上述需求重点进行一下几方面的调控：

①曲线路径拟合，以实际工件结构为基础进行焊接路径与运动轨迹的拟合，确保焊接过程中电弧及激光作用位置的恒定；

②焊接速度，根据实际的焊接试件的曲面运动线速度，调节焊接速度，保证焊接过程中的速度恒定；

③焊接热源参数，采集电弧电压判断焊枪与试件的结构状态，同时通过智能模块中设定复合焊接参数，对三者进行协同控制，从而保证试件的连续稳定焊接，焊接制造效率较传统焊接方法提高一倍以上。

实例3：T型结构件穿透焊接

钛合金T型结构(如图4所示)即壁板及加强筋结构的穿透焊接最初主要采用电弧焊接，在焊接过程中单电弧焊接电流很大，大热输入条件下焊接结构件产生明显变形，焊缝组织粗大，对性能带来显著影响。本发明通过调节激光和电弧之间的角度，改变激光-电弧之间的角度α可以改变激光和电弧之间形成的热源的能量状态，进而显著提高热源整体的穿透性。本发明针对电弧焊接过程焊接熔透能量差、速度慢、变形大的问题，重点开展以下几方面的调控：

①焊接热源，根据壁板厚度，调控激光和热源之间的角度，激光能量及电弧电流，获得最佳的激光与电弧匹配效果，实现增加焊接熔深，提高焊接制造速度的目的。

②焊接速度，根据实际的焊接试件的壁板及，调节焊接速度，保证焊接过程中的速度恒定。

本发明不局限于本实施例，任何在本发明披露的技术范围内的等同构思或者改变，均列为本发明的保护范围。