CN102554408A - 一种针对大型复杂空间结构的多丝焊接系统及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种针对大型复杂空间结构的多丝焊接系统及其控制方法，焊接过程多信号采集装置、空间位置传感器、焊接参数检测装置、焊缝跟踪传感器设置在至少两个焊枪上，分别传递各种物理信号到多电弧电磁解耦装置，多电弧电磁解耦装置分析并解耦电弧信号，实时根据焊接过程中焊接结构空间位置的变化，计算出需要保持熔池一致性所需的焊接速度、焊枪姿态、焊接电压和焊接电流，并通过焊枪控制装置和焊接参数控制装置调整相应参数。本发明能够实现在焊接空间位置变化时的连续焊接，保证在空间任何位置和形状变化情况下，焊缝几何尺寸和焊接质量保持一致性，提高了焊接质量。

Description

一种针对大型复杂空间结构的多丝焊接系统及其控制方法

技术领域

本发明涉及焊接技术，具体的说，是涉及多丝焊接技术领域。

背景技术

近年来，国民经济的发展和国防建设的需要促进了我国先进焊接成形技术的快速发展，在大型结构的整体焊接工艺、焊接变形控制、接头性能调控以及焊接结构完整性评价研究等方面取得不少进展，但在大型复杂结构件空间焊接成形制造方面还与国家重大需求和国际水平有很大差距。

航空航天、舰船及海洋工程、核能等涉及很多大型复杂结构，如：超大厚度、超大焊接截面、复杂及空间焊缝等超常结构及超常环境焊接，迫切需要研究与发展大型复杂构件的高效焊接方法，空间位置焊接是其关键支撑技术。

目前，多丝共熔池的熔化极气体保护焊接技术由于其高的焊接速度、高的熔敷速度得到了广泛应用。试验研究表明双丝焊的速度和熔敷率是单丝焊的3～4倍，三丝焊又是单丝焊的4～5倍以上，而且不仅可以用于中厚板焊接，也可用于薄板焊接，特别是一次成型的快速焊接。生产实践中发现，多丝共熔池的焊接技术不但具有高效特点，同时还具有对熔池空间尺寸、组织成分可控性的功能，如类似于手工焊时，焊工通过各种手法，改变熔池空间尺寸，实现各种位置焊接；多丝共熔池焊接技术也可以通过设置各丝的工艺参数改变熔池的空间尺寸，同时通过高温熔体金属在多热源间的流动，调节焊缝组织的均匀性，提高焊缝质量。

然而大型复杂空间位置焊接过程中，由于在不同焊接位置焊接电弧、熔滴及焊接熔池受力情况的不同，影响了电弧的熔滴过渡以及熔池形成，造成实际中常常出现熔合不良，未焊透等焊接缺陷。因此在单丝或双丝焊接时，为了提高焊接质量，经常采用分区设置焊接工艺或者采用示教，这样在一定程度上降低了工作效率。同时，目前采用双丝或三丝焊接时，多电弧之间的电磁干扰、多热源与力源的交互作用，使得人们对焊接参数、焊接空间位置、焊丝姿态对熔滴过渡与熔池形态的影响机理尚未完全了解，因此即使是双丝或三丝焊接，其对熔池可控性的功能并未得到应有的发挥，尤其是在大型复杂空间结构的焊接上，目前的技术尚不能通过工艺来保证焊缝的几何尺寸和组织性能的完全一致。

发明内容

本发明要解决的是针对大型复杂空间结构时，焊接效率低，焊接质量不一致的技术问题，提供了一种多丝焊接系统及其控制方法，以实现高效率、高质量地完成大型复杂空间结构的焊接。

为了解决上述技术问题，本发明通过以下的技术方案予以实现：

一种针对大型复杂空间结构的多丝焊接系统，包括至少两个设置有焊丝的焊枪，该系统还包括焊接过程多信号采集装置、空间位置传感器、焊接参数检测装置、焊缝跟踪传感器、焊枪控制装置、焊接参数控制装置和多电弧电磁解耦装置；

所述焊接过程多信号采集装置、所述空间位置传感器、所述焊接参数检测装置和所述焊缝跟踪传感器安装在所述焊枪上；

所述焊接过程多信号采集装置包括磁场信号传感器、温度传感器和光信号传感器，分别用于实时测量焊接过程中的磁信号、温度信号和光信号，并将所述磁信号、所述温度信号和所述光信号传输到所述多电弧电磁解耦装置；

所述空间位置传感器为至少三个，用于实时测量焊接空间位置信号，并将所述焊接空间位置信号传输到所述多电弧电磁解耦装置；

所述焊接参数检测装置包括电压传感器和电流传感器，用于实时测量焊接电压信号和焊接电流信号，并将所述焊接电压信号和所述焊接电流信号传输到所述多电弧电磁解耦装置；

所述焊缝跟踪传感器用于实时测量焊缝位置信号，并将所述焊缝位置信号传输到所述焊枪控制装置；

所述焊枪控制装置用于调节焊接速度和每个所述焊枪的焊接姿态，并实时将焊接速度信号和焊接姿态信号传输到所述多电弧电磁解耦装置；

所述焊接参数控制装置用于调节每个所述焊枪的焊接电压和焊接电流；

所述多电弧电磁解耦装置对所述磁信号、所述温度信号、所述光信号、所述焊接空间位置信号、所述焊接电压信号、所述焊接电流信号、所述焊接速度信号和所述焊接姿态信号进行分析，实时计算维持熔滴几何尺寸和熔体金属流变特性不变所需要的焊接速度信号、焊接姿态信号、焊接电压信号和焊接电流信号，以控制所述焊枪控制装置和所述焊接参数控制装置。

一种针对大型复杂空间结构的多丝焊接系统的控制方法，包括如下步骤：

(1)在所述焊枪控制装置中确定焊接过程原点坐标，并给定第一焊接速度；

(2)所述焊接过程多信号采集装置将测量的所述磁信号、所述温度信号和所述光信号传输到所述多电弧电磁解耦装置，所述空间位置传感器将测量的所述焊接空间位置信号传输到所述多电弧电磁解耦装置，所述焊接参数检测装置将所测量当前时刻的焊接电压信号和焊接电流信号传输到所述多电弧电磁解耦装置，所述焊枪控制装置将当前时刻的焊接速度信号和焊接姿态信号传输到所述多电弧电磁解耦装置，所述焊缝跟踪传感器将实时测量的所述焊缝位置信号传输到所述焊枪控制装置；

(3)所述多电弧电磁解耦装置利用采集到的所述磁信号、所述温度信号和所述光信号解耦计算出每个电弧产生的电弧形态和电弧能量分布；

(4)所述多电弧电磁解耦装置利用计算得到的所述电弧形态和所述电弧能量分布，结合采集到的所述焊接空间位置信号、所述焊接电压信号、所述焊接电流信号、所述焊接速度信号和所述焊接姿态信号，计算熔滴受力、熔滴几何尺寸和熔滴过渡形式；

(5)所述多电弧电磁解耦装置利用计算得到的所述熔滴受力、所述熔滴几何尺寸、所述熔滴过渡形式、所述电弧形态和所述电弧能量分布，计算出熔池几何尺寸和熔体金属流变特性；

(6)所述多电弧电磁解耦装置将计算得到的所述熔池几何尺寸和所述熔体金属流变特性数值与上一时刻的数值相比较，判断其是否改变，如果是，则执行步骤(7)；如果否，则执行步骤(8)；

(7)所述多电弧电磁解耦装置调整所述焊枪控制系统和所述焊接参数控制系统；

(8)所述多电弧电磁解耦装置维持所述焊枪控制装置和所述焊接参数控制装置不变，流程结束。

其中，所述步骤(7)具体包括如下步骤：

a.所述多电弧电磁解耦装置根据维持上一时刻不变的所述熔滴几何尺寸和所述熔体金属流变特性数值，计算出新的焊接速度信号、焊接姿态信号、焊接电压信号和焊接电流信号，并分别传递给所述焊枪控制装置和所述焊接参数控制装置，

b.所述焊枪控制装置根据新的焊接速度信号和焊接姿态信号，调节焊接速度和每个所述焊枪的焊接姿态；所述焊接参数控制装置根据新的焊接电压信号和焊接电流信号，调节每个所述焊枪的焊接电压和焊接电流。

c.重新执行步骤(2)至步骤(6)。

本发明的有益效果是：

本发明实时检测焊接过程的各种物理信号，分析并解耦电弧信号，实时根据焊接过程中焊接结构空间位置的变化，计算出需要保持熔池一致性所需的焊接速度、焊枪姿态、焊接电压和焊接电流，并加以调整相应参数，从而实现在焊接空间位置变化时的连续焊接，保证了在空间任何位置和形状变化情况下，焊缝几何尺寸和焊接质量保持一致性，提高了焊接质量。

附图说明

图1是本发明提供的多丝焊接系统的结构示意图；

图2是本发明提供的多丝焊接控制方法的流程图。

图中：1、焊接电源、2、多电弧电磁解耦装置、3、焊枪控制装置，4、焊接参数控制装置，5、焊缝跟踪传感器，6、焊接过程多信号采集装置，7、空间位置传感器，8、焊接参数检测装置、9、焊枪，10、焊丝，11、待焊工件。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细描述：

如图1所示，本实施例披露了一种针对大型复杂空间结构的多丝焊接系统，也可以称为针对大型复杂空间结构的焊接机器人，由焊枪9、焊丝10、焊接过程多信号采集装置6、空间位置传感器7、焊接参数检测装置8、焊缝跟踪传感器5、焊枪控制装置3、焊接参数控制装置4和多电弧电磁解耦装置2构成。其中焊枪9的数目至少是两个，每个焊枪6内设有一根焊丝10。焊接过程多信号采集装置6、空间位置传感器7、焊接参数检测装置8和焊缝跟踪传感器5安装在焊枪9上。

焊接过程多信号采集装置6用于实时测量焊接过程中的磁场、温度和光等物理信号，包括用于采集磁信号的磁场信号传感器、用于采集温度信号的温度传感器和用于采集光信号的光信号传感器。例如，磁场信号传感器可以选用霍尔式传感器，温度传感器可以选用热电偶，光信号传感器可以选用光谱仪。焊接过程多信号采集装置6还用于实时将采集到的磁信号、温度信号和光信号传输到多电弧电磁解耦装置2。

空间位置传感器7为至少三个，用于确定焊缝的空间“绝对位置”，其可以选用现有自动化焊接设备上普遍采用的空间位置传感器。空间位置传感器7用于实时测量焊接空间位置信号，并将焊接空间位置信号传输到多电弧电磁解耦装置2。

焊接参数检测装置8用于测量焊接过程中的焊接参数，即焊接电压和焊接电流。焊接参数检测装置8包括电压传感器和电流传感器，分别用于实时测量焊接电压信号和焊接电流信号，并将焊接电压信号和焊接电流信号传输到多电弧电磁解耦装置2。其中，电压传感器和电流传感器可以选用现有焊机上通用的传感器。

焊缝跟踪传感器5能够保证焊接路径不发生偏移，焊缝跟踪传感器5可以是CCD传感器或机器视觉传感器，用于实时测量焊缝位置信号，并将焊缝位置信号传输到焊枪控制装置3。

焊枪控制装置3根据空间位置不同、焊接方向不同(如上坡焊、下坡焊等)实时调节焊接速度和每个焊枪9的焊接姿态，并实时将焊接速度信号和焊接姿态信号传输到多电弧电磁解耦装置2。

焊接参数控制装置4根据焊接位置的改变，用于实时调节每个焊枪9的焊接电压和焊接电流。

多电弧电磁解耦装置2对采集到的磁信号、温度信号、光信号、焊接空间位置信号、焊接电压信号、焊接电流信号、焊接速度信号和焊接姿态信号进行分析，将多电弧的共同作用解耦成单电弧的叠加作用，进而计算该时刻下的熔滴几何尺寸和熔体金属流变特性。当焊接空间位置发生变化时，根据新采集到的上述各信号计算出新的熔滴几何尺寸和熔体金属流变特性，并与上一时刻的熔滴几何尺寸和熔体金属流变特性进行比较，判断其是否改变。如果改变，多电弧电磁解耦装置2实时计算维持熔滴几何尺寸和熔体金属流变特性不变所需要的新的焊接速度信号、焊接姿态信号、焊接电压信号和焊接电流信号，新的焊接速度信号和焊接姿态信号传递到焊枪控制装置3，控制焊枪速度和每个焊枪的焊枪姿态，新的焊接电压信号和焊接电流信号传递到焊接参数控制装置4，控制焊接电压和焊接电流。

如图2所示，本实施例还公开了该针对大型复杂空间结构的多丝焊接系统的控制方法，该方法包括如下步骤：

101：启动焊接电源1，在焊枪控制装置3中确定焊接过程原点坐标，并给定焊接速度。其中，在执行本步骤之前，待焊工件11应根据相应的焊接要求进行预处理等准备工作；

102：焊接过程多信号采集装置6将测量的磁信号、温度信号和光信号传输到多电弧电磁解耦装置2；空间位置传感器7将测量的焊接空间位置信号传输到多电弧电磁解耦装置2；焊接参数检测装置8将所测量当前时刻的焊接电压信号和焊接电流信号传输到多电弧电磁解耦装置2；焊枪控制装置5将当前时刻的焊接速度信号和焊接姿态信号传输到多电弧电磁解耦装置2，焊缝跟踪传感器5将实时测量的焊缝位置信号传输到焊枪控制装置3；

103：多电弧电磁解耦装置2利用采集到的磁信号、温度信号和光信号解耦计算出每个电弧产生的电弧形态和电弧能量分布；

所用到的计算方法是玻尔兹曼图解法、Abel逆变换法和反问题算法；

104：多电弧电磁解耦装置2利用上部计算得到的电弧形态和电弧能量分布，结合采集到的焊接空间位置信号、焊接电压信号、焊接电流信号、焊接速度信号和焊接姿态信号，计算熔滴受力、熔滴几何尺寸和熔滴过渡形式；

所用到的计算方法是传热传质公式、计算流体力学和牛顿力学；

105：多电弧电磁解耦装置2利用计算得到的熔滴受力、熔滴几何尺寸、熔滴过渡形式、电弧形态和电弧能量分布，计算出熔池几何尺寸和熔体金属流变特性；

其中，该步骤具体为：多电弧电磁解耦装置2利用计算得到的熔滴受力、熔滴几何尺寸和熔滴过渡形式、电弧形态和电弧能量分布，计算出焊接熔池的温度场、三维几何尺寸和表面变形；多电弧电磁解耦装置2利用计算得到的焊接熔池的温度场、三维几何尺寸和表面变形，计算出熔池几何尺寸和熔体金属流变特性。

其中，计算出焊接熔池的温度场、三维几何尺寸和表面变形所用到的计算方法是传热传质公式、Stefan理论、VOF数值仿真方法、水波理论。

其中，计算出熔池几何尺寸和熔体金属流变特性所用到的计算方法是斯托克斯-爱因斯坦方程。

106：多电弧电磁解耦装置2将该时刻下计算得到的熔池几何尺寸和熔体金属流变特性数值与上一时刻的数值相比较，判断其是否改变，如果是，则执行步骤107；如果否，则执行步骤108。

107：多电弧电磁解耦装置2调整焊枪控制系统3和焊接参数控制系统4；

其中，该步骤具体为：

多电弧电磁解耦装置2根据维持上一时刻不变的熔滴几何尺寸和熔体金属流变特性数值，计算出新的焊接速度信号、焊接姿态信号、焊接电压信号和焊接电流信号，并将新的焊接速度信号和焊接姿态信号传递给焊枪控制装置3，将新的焊接电压信号和焊接电流信号传递给焊接参数控制装置4。焊枪控制装置3根据新的焊接速度信号和焊接姿态信号，调节焊接速度和每个焊枪的焊接姿态；焊接参数控制装置4根据新的焊接电压信号和焊接电流信号，调节每个焊枪9的焊接电压和焊接电流；

之后重新执行步骤102至步骤106。

108：多电弧电磁解耦装置2维持焊枪控制装置3和焊接参数控制装置4不变，流程结束。

综上所述，本发明的实施例实时检测焊接过程的各种物理信号，分析并解耦电弧信号，实时根据焊接过程中焊接结构空间位置的变化，计算出需要保持熔池一致性所需的焊接速度、焊枪姿态、焊接电压和焊接电流，并加以调整相应参数，从而实现在焊接空间位置变化时的连续焊接，保证了在空间任何位置和形状变化情况下，焊缝几何尺寸和焊接质量保持一致性，提高了焊接质量。

尽管上面结合附图对本发明的优选实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可以作出很多形式的具体变换，这些均属于本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种针对大型复杂空间结构的多丝焊接系统，包括至少两个设置有焊丝的焊枪，其特征在于，该系统还包括焊接过程多信号采集装置、空间位置传感器、焊接参数检测装置、焊缝跟踪传感器、焊枪控制装置、焊接参数控制装置和多电弧电磁解耦装置；

所述焊接过程多信号采集装置、所述空间位置传感器、所述焊接参数检测装置和所述焊缝跟踪传感器安装在所述焊枪上；

所述焊接过程多信号采集装置包括磁场信号传感器、温度传感器和光信号传感器，分别用于实时测量焊接过程中的磁信号、温度信号和光信号，并将所述磁信号、所述温度信号和所述光信号传输到所述多电弧电磁解耦装置；

所述空间位置传感器为至少三个，用于实时测量焊接空间位置信号，并将所述焊接空间位置信号传输到所述多电弧电磁解耦装置；

所述焊接参数检测装置包括电压传感器和电流传感器，用于实时测量焊接电压信号和焊接电流信号，并将所述焊接电压信号和所述焊接电流信号传输到所述多电弧电磁解耦装置；

所述焊缝跟踪传感器用于实时测量焊缝位置信号，并将所述焊缝位置信号传输到所述焊枪控制装置；

所述焊枪控制装置用于调节焊接速度和每个所述焊枪的焊接姿态，并实时将焊接速度信号和焊接姿态信号传输到所述多电弧电磁解耦装置；

所述焊接参数控制装置用于调节每个所述焊枪的焊接电压和焊接电流；

所述多电弧电磁解耦装置对所述磁信号、所述温度信号、所述光信号、所述焊接空间位置信号、所述焊接电压信号、所述焊接电流信号、所述焊接速度信号和所述焊接姿态信号进行分析，实时计算维持熔滴几何尺寸和熔体金属流变特性不变所需要的焊接速度信号、焊接姿态信号、焊接电压信号和焊接电流信号，以控制所述焊枪控制装置和所述焊接参数控制装置。

2.一种如权利要求1所述针对大型复杂空间结构的多丝焊接系统的控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)在所述焊枪控制装置中确定焊接过程原点坐标，并给定第一焊接速度；

(2)所述焊接过程多信号采集装置将测量的所述磁信号、所述温度信号和所述光信号传输到所述多电弧电磁解耦装置，所述空间位置传感器将测量的所述焊接空间位置信号传输到所述多电弧电磁解耦装置，所述焊接参数检测装置将所测量当前时刻的焊接电压信号和焊接电流信号传输到所述多电弧电磁解耦装置，所述焊枪控制装置将当前时刻的焊接速度信号和焊接姿态信号传输到所述多电弧电磁解耦装置，所述焊缝跟踪传感器将实时测量的所述焊缝位置信号传输到所述焊枪控制装置；

(3)所述多电弧电磁解耦装置利用采集到的所述磁信号、所述温度信号和所述光信号解耦计算出每个电弧产生的电弧形态和电弧能量分布；

(4)所述多电弧电磁解耦装置利用计算得到的所述电弧形态和所述电弧能量分布，结合采集到的所述焊接空间位置信号、所述焊接电压信号、所述焊接电流信号、所述焊接速度信号和所述焊接姿态信号，计算熔滴受力、熔滴几何尺寸和熔滴过渡形式；

(5)所述多电弧电磁解耦装置利用计算得到的所述熔滴受力、所述熔滴几何尺寸、所述熔滴过渡形式、所述电弧形态和所述电弧能量分布，计算出熔池几何尺寸和熔体金属流变特性；

(6)所述多电弧电磁解耦装置将计算得到的所述熔池几何尺寸和所述熔体金属流变特性数值与上一时刻的数值相比较，判断其是否改变，如果是，则执行步骤(7)；如果否，则执行步骤(8)；

(7)所述多电弧电磁解耦装置调整所述焊枪控制系统和所述焊接参数控制系统；

(8)所述多电弧电磁解耦装置维持所述焊枪控制装置和所述焊接参数控制装置不变，流程结束。

3.根据权利要求2所述的针对大型复杂空间结构的多丝焊接系统的控制方法，其特征在于，所述步骤(7)具体包括如下步骤：

a.所述多电弧电磁解耦装置根据维持上一时刻不变的所述熔滴几何尺寸和所述熔体金属流变特性数值，计算出新的焊接速度信号、焊接姿态信号、焊接电压信号和焊接电流信号，并分别传递给所述焊枪控制装置和所述焊接参数控制装置，

b.所述焊枪控制装置根据新的焊接速度信号和焊接姿态信号，调节焊接速度和每个所述焊枪的焊接姿态；所述焊接参数控制装置根据新的焊接电压信号和焊接电流信号，调节每个所述焊枪的焊接电压和焊接电流。

c.重新执行步骤(2)至步骤(6)。

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