本發(fā)明屬于材料工程技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種激光-電弧復(fù)合焊接方法的實(shí)時(shí)控制技術(shù)，特別涉及復(fù)合焊接過(guò)程的智能化控制技術(shù)。

背景技術(shù)：

激光-電弧復(fù)合焊接是一種新型的復(fù)合焊接方法，隨著這種焊接方法的發(fā)展其應(yīng)用范圍逐漸擴(kuò)展。近年來(lái)在航空航天、軌道交通及能源裝備制造領(lǐng)域，零件制造形狀更加復(fù)雜，制造周期逐漸縮短，制造質(zhì)量要求不斷提升，對(duì)高端焊接制造技術(shù)提出迫切需求。在大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)件的激光-電弧復(fù)合焊接過(guò)程中，采用常規(guī)的焊接參數(shù)設(shè)置方法，雖然能夠?qū)崿F(xiàn)部分構(gòu)件的焊接制造，但是尚未能充分發(fā)揮激光與電弧的復(fù)合作用效果，無(wú)法滿足結(jié)構(gòu)件的高質(zhì)量高效焊接需求。特別是隨著焊接制造結(jié)構(gòu)件形狀、厚度、長(zhǎng)度等方面的變化，關(guān)鍵結(jié)構(gòu)的高性能焊接不僅需要設(shè)置合理的激光和電弧的復(fù)合焊接參數(shù)，同時(shí)在焊接過(guò)程中要依據(jù)焊接試件的特征對(duì)焊接參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)的快速判定、響應(yīng)、調(diào)節(jié)和控制。這種實(shí)時(shí)的快速響應(yīng)及控制在電弧自動(dòng)焊接過(guò)程中最早的應(yīng)用主要起源于通過(guò)電弧電壓的測(cè)量來(lái)調(diào)整氬弧焊接過(guò)程中的弧長(zhǎng)，從而減小由于焊接結(jié)構(gòu)表面波動(dòng)帶來(lái)的影響。然而隨著結(jié)構(gòu)件不斷向復(fù)雜化方向發(fā)展，簡(jiǎn)單的電弧電壓調(diào)控已經(jīng)難以滿足實(shí)際的生產(chǎn)制造需求。受到熱源本身特性的影響，單一電弧焊接能量密度及能量梯度在焊接過(guò)程中無(wú)法發(fā)生變化，因此其解決自動(dòng)化焊接制造過(guò)程中問(wèn)題的能量相對(duì)有限。激光-電弧復(fù)合熱源具有熱源能量和模式的精確可調(diào)特征，對(duì)于焊接過(guò)程中出現(xiàn)的問(wèn)題(間隙大小、不同厚度、焊接變形控制、焊接咬邊控制)能夠提供合理的解決方案，這為實(shí)現(xiàn)焊接過(guò)程的快速響應(yīng)及智能控制提供了前提和基礎(chǔ)。

在智能化焊接制造系統(tǒng)方面，德國(guó)、美國(guó)以及日本等國(guó)家先后開發(fā)出焊接制造的專家控制系統(tǒng)，其特征是根據(jù)材料的厚度以及材質(zhì)對(duì)焊接參數(shù)進(jìn)行相應(yīng)的自動(dòng)調(diào)節(jié)，從而達(dá)到提高焊接制造效率，改善焊接質(zhì)量的方法，這一專家系統(tǒng)的開發(fā)對(duì)于目前焊接設(shè)備的智能化起到了積極的促進(jìn)作用，但是其在實(shí)際焊接過(guò)程中仍然無(wú)法取代人工的焊接方法，這種焊接專家系統(tǒng)主要是通過(guò)給定的板材確定相應(yīng)的焊接參數(shù)范圍，并不能在焊接過(guò)程中再次進(jìn)行調(diào)控。在此基礎(chǔ)上德國(guó)焊接研究工作者率先提出了基于人工智能的焊接制造系統(tǒng)，即將人在焊接制造過(guò)程中的經(jīng)驗(yàn)和方法進(jìn)行數(shù)字化和工程化的轉(zhuǎn)化從而使焊接設(shè)備自身具有對(duì)焊接制造過(guò)程的智能化判斷和智能化的參數(shù)調(diào)節(jié)，從而在復(fù)雜的結(jié)構(gòu)中實(shí)現(xiàn)完全的自動(dòng)化焊接制造生產(chǎn)。目前國(guó)內(nèi)相關(guān)單位正在開展相關(guān)智能焊接技術(shù)的研究，并已經(jīng)開發(fā)出具有焊接專家系統(tǒng)的焊接設(shè)備，但仍未見相關(guān)焊接過(guò)程快速響應(yīng)及控制的智能系統(tǒng)及焊接制造設(shè)備的公開報(bào)道。國(guó)際上雖然已經(jīng)形成了部分基于人工智能的焊接制造系統(tǒng)，但是目前主要集中在單一電弧焊接制造過(guò)程中。

現(xiàn)代焊接自動(dòng)化焊接制造體系的快速發(fā)展，使得自動(dòng)化焊接制造已經(jīng)由傳統(tǒng)簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)的單一電弧低速焊接逐漸向復(fù)雜結(jié)構(gòu)高速多熱源焊接快速發(fā)展。激光-電弧復(fù)合焊接作為多熱源焊接中的一種高性能焊接方法，已經(jīng)成為復(fù)雜結(jié)構(gòu)高速焊接的主要方法之一。當(dāng)采用激光-電弧復(fù)合焊接進(jìn)行復(fù)雜結(jié)構(gòu)高速焊接時(shí)，受到焊縫復(fù)雜形狀、板材長(zhǎng)度增加、對(duì)接間隙變化及板材局部翹曲等多種因素的影響，極易產(chǎn)生燒穿、未熔合及未焊透等焊接缺陷，顯著影響了焊接質(zhì)量和焊接穩(wěn)定性，因此亟需圍繞激光-電弧復(fù)合高速焊接過(guò)程開發(fā)智能化控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)焊接過(guò)程的精準(zhǔn)控制，進(jìn)而滿足復(fù)雜結(jié)構(gòu)高速焊接的高可靠高穩(wěn)定制造需求。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為解決現(xiàn)有技術(shù)存在的上述問(wèn)題，本發(fā)明要設(shè)計(jì)一種激光-電弧復(fù)合焊接實(shí)時(shí)調(diào)控系統(tǒng)及其調(diào)控方法，以實(shí)現(xiàn)對(duì)復(fù)雜結(jié)構(gòu)高速焊接過(guò)程的精確調(diào)控，解決焊接過(guò)程中產(chǎn)生的燒穿、未熔合、未焊透等焊接缺陷，從而在高速?gòu)?fù)雜結(jié)構(gòu)焊接過(guò)程中，獲得具有高性能高質(zhì)量的焊接接頭。

為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案如下：一種激光-電弧復(fù)合焊接實(shí)時(shí)調(diào)控系統(tǒng)，包括激光-電弧復(fù)合焊接熱源系統(tǒng)、傳感系統(tǒng)、焊接數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、控制單元、控制信號(hào)輸出系統(tǒng)和焊接機(jī)械運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)；

所述的傳感系統(tǒng)包括焊接電弧電壓電流傳感器、焊接過(guò)程的視覺(jué)傳感器和激光信號(hào)傳感器，所述的傳感系統(tǒng)接收激光-電弧復(fù)合焊接熱源系統(tǒng)、焊接機(jī)械運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)、熔池形態(tài)、焊接結(jié)構(gòu)形狀的信息，并通過(guò)焊接數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)向控制單元輸出信息；

所述的控制單元包括人機(jī)交互模塊、智能模塊、數(shù)據(jù)采集模塊及控制信號(hào)輸出模塊；控制單元經(jīng)控制信號(hào)輸出系統(tǒng)分別向激光-電弧復(fù)合焊接熱源系統(tǒng)和焊接機(jī)械運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)輸出信息；

所述的激光-電弧復(fù)合焊接熱源系統(tǒng)，用于實(shí)現(xiàn)激光-電弧復(fù)合焊接；在焊接過(guò)程中實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)激光和電弧的能量狀態(tài)，在不同的條件下獲得具有規(guī)定能量密度和梯度的熱源；

所述的焊接電弧電壓電流傳感器，用于采集激光-電弧復(fù)合焊接過(guò)程的電弧電壓及電流；

所述的焊接過(guò)程的視覺(jué)傳感器，用于實(shí)現(xiàn)對(duì)焊接過(guò)程熔池狀態(tài)的視覺(jué)采集；

所述的激光信號(hào)傳感器，用于采集激光的實(shí)時(shí)狀態(tài)信號(hào)；

所述的控制單元通過(guò)人機(jī)交互模塊獲取用戶輸入的參數(shù)信息，形成基本的焊接參數(shù)，然后將實(shí)際焊接過(guò)程中數(shù)據(jù)采集模塊采集的數(shù)據(jù)信息輸入到智能模塊中；通過(guò)智能模塊的分析之后實(shí)時(shí)給出焊接所有過(guò)程中的焊接參數(shù)、控制策略和控制參數(shù)到控制信號(hào)輸出模塊，通過(guò)控制信號(hào)輸出模塊對(duì)復(fù)合焊接過(guò)程的激光能量、電流電壓進(jìn)行調(diào)控，對(duì)焊接機(jī)械運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)進(jìn)行控制。

一種激光-電弧復(fù)合焊接實(shí)時(shí)調(diào)控系統(tǒng)的調(diào)控方法，包括以下步驟：

A、設(shè)計(jì)焊接過(guò)程路徑

在焊接前，判定焊縫位置，依據(jù)焊縫中心及焊接結(jié)構(gòu)特征選擇最佳的焊接路徑；

B、調(diào)節(jié)激光能量及電弧電壓電流

在焊接過(guò)程中，依據(jù)智能模塊中數(shù)學(xué)模型的分析結(jié)果對(duì)激光輸出功率、電弧的電流或電壓參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)控，獲得全新的焊接熱源，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)焊接過(guò)程熔池狀態(tài)及溫度的控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)焊接接頭組織及性能的調(diào)控；

C、控制焊接速度

在焊接過(guò)程中，根據(jù)需要對(duì)焊接速度進(jìn)行微調(diào)，用于與熱源一起調(diào)控焊接熔池形狀、溫度以及通過(guò)焊接速度調(diào)控焊接成形；

D、控制焊接過(guò)程擺動(dòng)效果

由于焊接路徑的變化，在焊接過(guò)程中，使焊接熱源發(fā)生垂直于焊縫的往復(fù)擺動(dòng)運(yùn)動(dòng)調(diào)節(jié)，以便擺動(dòng)效果與焊縫保持相對(duì)位置的變化；

E、實(shí)施閉環(huán)智能化控制和調(diào)控

將步驟A-D的信息輸送到信號(hào)輸出模塊中，通過(guò)控制信號(hào)模塊分別將需要控制的信號(hào)輸送到達(dá)激光-電弧復(fù)合熱源焊接系統(tǒng)及機(jī)械運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)中，即依據(jù)實(shí)際的焊接狀態(tài)對(duì)焊接過(guò)程實(shí)現(xiàn)閉環(huán)智能化控制和調(diào)控。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益效果：

1、本發(fā)明將焊接工程師分析、焊接熔池和焊接電弧分析相結(jié)合，是一種具有人工智能的識(shí)別、分析、判斷及執(zhí)行特征的智能化焊接制造體系。即在激光-電弧復(fù)合高速焊接條件下，通過(guò)前期試驗(yàn)，對(duì)最佳焊接區(qū)間條件下的電弧、電壓、速度及熔池狀態(tài)等關(guān)鍵信號(hào)的進(jìn)行采集，以上述參數(shù)為核心建立數(shù)學(xué)模型，該數(shù)學(xué)模型是一種模糊控制方程，通過(guò)這一方程能夠相對(duì)準(zhǔn)確描述各個(gè)焊接參數(shù)對(duì)焊接質(zhì)量的影響效果。在實(shí)際焊接過(guò)程中，受到組織及形狀的影響時(shí)，實(shí)時(shí)采集到的實(shí)際焊接參數(shù)會(huì)隨之變化，將這些采集的實(shí)際焊接參數(shù)輸入到數(shù)學(xué)模型中，其計(jì)算得到的最終結(jié)果將與最佳參數(shù)區(qū)間的結(jié)果值產(chǎn)生偏差，通過(guò)對(duì)應(yīng)的調(diào)節(jié)激光、電弧或運(yùn)動(dòng)狀態(tài)參數(shù)，將使實(shí)時(shí)參數(shù)的數(shù)學(xué)方程計(jì)算結(jié)果重新回歸到最佳參數(shù)區(qū)間范圍內(nèi)，則此時(shí)認(rèn)為其焊接效果也回到最佳參數(shù)區(qū)間范圍內(nèi)的理想效果，因此本發(fā)明關(guān)鍵在于利用系統(tǒng)中的模糊控制數(shù)學(xué)分析軟件，實(shí)現(xiàn)對(duì)焊接參數(shù)的智能化分析和閉環(huán)調(diào)控，從而保證復(fù)雜結(jié)構(gòu)高速焊接的穩(wěn)定性和可靠性，提高焊接接頭的整體性能和獲得良好的焊縫成形。

2、本發(fā)明與現(xiàn)有的電弧焊接人工智能焊接制造系統(tǒng)在整體的理論體系上具有截然不同的特征。電弧焊接過(guò)程的智能焊接是以焊工焊接的參數(shù)和控制過(guò)程作為參考，將焊工操作特征轉(zhuǎn)換為電弧焊接的電流和電壓，實(shí)現(xiàn)對(duì)焊接過(guò)程的智能控制。而本發(fā)明提出的激光-電弧復(fù)合焊接智能控制方法，并不以焊工焊接為參考，而是通過(guò)對(duì)實(shí)時(shí)信號(hào)采集得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)學(xué)模型分析得到的。數(shù)學(xué)模型的建立關(guān)鍵是在于充分掌握激光和電弧復(fù)合過(guò)程中對(duì)于能量密度和能量梯度可控特征，通過(guò)對(duì)激光及電弧能量的調(diào)控可以構(gòu)建全新的焊接熱源體系，進(jìn)而突破單一激光或者電弧焊接能量密度單一，能量梯度一定的關(guān)鍵難題，建立基于模糊控制理論的激光-電弧復(fù)合焊接參數(shù)數(shù)學(xué)分析關(guān)系模型，利用該數(shù)學(xué)模型描述理想焊接參數(shù)區(qū)間的焊接效果，并矯正實(shí)時(shí)參數(shù)的計(jì)算結(jié)果，然后通過(guò)反饋控制實(shí)現(xiàn)焊接過(guò)程智能控制，達(dá)到提高焊接質(zhì)量的根本目的。

附圖說(shuō)明

圖1是整套激光-電弧復(fù)合焊接智能控制系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)和控制機(jī)制。

圖2是近似直線的不規(guī)則長(zhǎng)直焊縫示意圖。

圖3是簡(jiǎn)單非對(duì)稱曲面焊縫示意圖。

圖4是T型結(jié)構(gòu)件激光-電弧復(fù)合焊接簡(jiǎn)圖。

具體實(shí)施方式

現(xiàn)結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的具體描述。

本發(fā)明通過(guò)傳感系統(tǒng)對(duì)激光-電弧復(fù)合焊接過(guò)程的電弧電壓、電流、運(yùn)動(dòng)狀態(tài)、焊接結(jié)構(gòu)以及熔池狀態(tài)等信息進(jìn)行采集，然后輸入到焊接數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，將這些信息轉(zhuǎn)變?yōu)楦髯缘臄?shù)字信號(hào)輸入到控制單元的數(shù)據(jù)采集模塊中，通過(guò)數(shù)據(jù)采集模塊分類將其輸入到人機(jī)交互模塊中，將簡(jiǎn)單的數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榭蓞⒖嫉南鄬?duì)變量信號(hào)，然后輸入到智能模塊中，利用建立的數(shù)學(xué)模型對(duì)電弧參數(shù)、激光參數(shù)、相對(duì)結(jié)構(gòu)位置及空間運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行計(jì)算，當(dāng)計(jì)算出的結(jié)果數(shù)據(jù)偏離了智能模塊的設(shè)定范圍時(shí)，則對(duì)電弧電流、激光能量及運(yùn)動(dòng)速度等參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)控，進(jìn)而使焊接綜合評(píng)價(jià)值重新回到設(shè)定范圍之內(nèi)，從而達(dá)到穩(wěn)定焊接過(guò)程，提高焊接質(zhì)量的目的。

實(shí)例1：不規(guī)則直線結(jié)構(gòu)焊接

如圖2所示為近似直線的不規(guī)則長(zhǎng)直焊縫，在大量的實(shí)際工程結(jié)構(gòu)中，隨著實(shí)際結(jié)構(gòu)長(zhǎng)度的增加，焊接制造過(guò)程中直線焊縫體現(xiàn)出明顯的不規(guī)則性，而且由于試件較大在實(shí)際的工程制造中采用類似機(jī)器人試教的辦法顯著影響了焊接效率。針對(duì)上述問(wèn)題，運(yùn)用本發(fā)明的焊接過(guò)程的視覺(jué)傳感器首先初步獲得實(shí)際試件的宏觀結(jié)構(gòu)，在實(shí)時(shí)的焊接過(guò)程中采集待焊試件結(jié)構(gòu)形狀，根據(jù)實(shí)際的板材組對(duì)間隙確定合理的焊接路徑，由于板材存在間隙較大，單一的采用焊縫跟蹤不能有效解決間隙較大的問(wèn)題，本發(fā)明的控制單元根據(jù)得到的位置及焊接參數(shù)對(duì)不同的焊接結(jié)構(gòu)展開如下設(shè)定：

①曲線路徑，根據(jù)在焊接前采集到的間隙結(jié)構(gòu)特征設(shè)定最佳的曲線加工軌跡；

②焊接速度，在間隙較大區(qū)域進(jìn)行減速、在間隙較小的區(qū)域進(jìn)行加速等近似人工操作的技術(shù)方法消除上述問(wèn)題；

③激光及電弧參數(shù)，根據(jù)間隙特征，設(shè)定相應(yīng)的激光能量和電弧電流，保證焊接過(guò)程中板材全面熔合；

④擺動(dòng)效果，在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中不斷采集可靠的激光及電弧信號(hào)，在焊接過(guò)程中調(diào)節(jié)激光與電弧的配合位置，實(shí)現(xiàn)激光熱源或電弧熱源的小幅擺動(dòng)，達(dá)到最佳的焊接工藝狀態(tài)，有效的提高焊接質(zhì)量和焊接制造效率。

實(shí)例2：復(fù)雜空間結(jié)構(gòu)焊接

如圖3所示為復(fù)雜橢圓形空間曲面結(jié)構(gòu)，在傳統(tǒng)的焊接制造過(guò)程中基本采用分段焊接的方法進(jìn)行制造，不連續(xù)的焊縫在一定程度上影響了焊接制造效率和質(zhì)量。而要想實(shí)現(xiàn)該結(jié)構(gòu)的連續(xù)焊接需要試件本身也進(jìn)行配合運(yùn)動(dòng)，其焊接過(guò)程是試件的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)與焊槍的曲線運(yùn)動(dòng)相結(jié)合的，由于實(shí)際的構(gòu)件并不是完全的對(duì)稱，因此在曲線的制造過(guò)程中焊槍的線速度也會(huì)隨著試件的運(yùn)動(dòng)發(fā)生變化，在實(shí)際的焊接時(shí)要實(shí)現(xiàn)焊接曲線、速度之間的協(xié)調(diào)控制。不僅如此，在實(shí)際焊接中，激光-電弧復(fù)合焊槍與試件之間的角度也需要一定的調(diào)整，因此要使焊接速度、焊槍角度、焊接軌跡三者之間實(shí)現(xiàn)有機(jī)的協(xié)調(diào)控制。本發(fā)明針對(duì)上述需求重點(diǎn)進(jìn)行一下幾方面的調(diào)控：

①曲線路徑擬合，以實(shí)際工件結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)進(jìn)行焊接路徑與運(yùn)動(dòng)軌跡的擬合，確保焊接過(guò)程中電弧及激光作用位置的恒定；

②焊接速度，根據(jù)實(shí)際的焊接試件的曲面運(yùn)動(dòng)線速度，調(diào)節(jié)焊接速度，保證焊接過(guò)程中的速度恒定；

③焊接熱源參數(shù)，采集電弧電壓判斷焊槍與試件的結(jié)構(gòu)狀態(tài)，同時(shí)通過(guò)智能模塊中設(shè)定復(fù)合焊接參數(shù)，對(duì)三者進(jìn)行協(xié)同控制，從而保證試件的連續(xù)穩(wěn)定焊接，焊接制造效率較傳統(tǒng)焊接方法提高一倍以上。

實(shí)例3：T型結(jié)構(gòu)件穿透焊接

鈦合金T型結(jié)構(gòu)(如圖4所示)即壁板及加強(qiáng)筋結(jié)構(gòu)的穿透焊接最初主要采用電弧焊接，在焊接過(guò)程中單電弧焊接電流很大，大熱輸入條件下焊接結(jié)構(gòu)件產(chǎn)生明顯變形，焊縫組織粗大，對(duì)性能帶來(lái)顯著影響。本發(fā)明通過(guò)調(diào)節(jié)激光和電弧之間的角度，改變激光-電弧之間的角度α可以改變激光和電弧之間形成的熱源的能量狀態(tài)，進(jìn)而顯著提高熱源整體的穿透性。本發(fā)明針對(duì)電弧焊接過(guò)程焊接熔透能量差、速度慢、變形大的問(wèn)題，重點(diǎn)開展以下幾方面的調(diào)控：

①焊接熱源，根據(jù)壁板厚度，調(diào)控激光和熱源之間的角度，激光能量及電弧電流，獲得最佳的激光與電弧匹配效果，實(shí)現(xiàn)增加焊接熔深，提高焊接制造速度的目的。

②焊接速度，根據(jù)實(shí)際的焊接試件的壁板及，調(diào)節(jié)焊接速度，保證焊接過(guò)程中的速度恒定。

本發(fā)明不局限于本實(shí)施例，任何在本發(fā)明披露的技術(shù)范圍內(nèi)的等同構(gòu)思或者改變，均列為本發(fā)明的保護(hù)范圍。