CN103008886B - 一种自适性激光冲击焊接的方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及焊接领域，特指一种自适性激光冲击焊接的方法和装置，其适用于金属焊接及焊缝强化。本发明包括参数输入系统、激光与焊接参数匹配数据库系统、机器运动控制系统、焊接参数控制系统、激光参数控制系统、焊接装置、机械运动装置、激光跟踪焊接伺服系统、激光焊接综合控制系统和工作台十部分组成。本发明对焊件边焊边冲，通过激光与焊接参数匹配数据库选择匹配参数，由控制系统控制工艺参数，根据激光冲击的时差和焊接与激光冲击的相对位置同时完成对焊件的焊接和激光冲击强化。本发明能实现焊接与激光冲击强化同时进行，且能够调节激光冲击和焊接的时序以及位置，因此可以满足各种不同工艺参数条件下的激光跟踪焊接。

Description

一种自适性激光冲击焊接的方法和装置

技术领域

本发明涉及焊接领域，特指一种自适性激光冲击焊接的方法和装置，能够同时实现焊接和对焊缝的激光冲击强化，而且工艺参数可调控制，特别适合于高质量焊缝的自动化焊接和强化。

发明背景

对于厚板焊接结构，无论是热裂纹、残余应力引起的裂纹萌生和扩展、应力腐蚀开裂，还是疲劳损伤，究其原因还是因为拉应力(主要体现为焊接残余拉应力)的存在，因此减小或消除焊接接头残余拉应力的方法均可以提高焊接结构的抗裂性能。目前，提高焊接接头疲劳强度和抗裂性能的方法大致分为后续热处理和表面强化。大型分段焊后续热处理需要大型热处理设备，实施困难。表面强化方法多样，主要有TIG(Tungsten Inert Gas)熔修、砂轮打磨、局部机械加工法、锤击、喷丸、预过载、局部加热、局部压延、爆炸法。以上方法主要是通过改善焊缝的几何外形(如增加焊趾处过渡半径)来降低焊趾部位的应力集中程度；或者通过调节焊接接头表面应力场，降低焊趾部位的残余拉伸应力产生压缩应力。但是这些方法都具有各自的工艺适用范围和限制，TIG熔修、锤击、机加工等因劳动强度大、有副作用、效果不稳定，TIG熔修主要适合平焊位，对于立焊位的补焊及熔修都较困难，难以保证其焊缝质量和焊缝形状；相变应力法还存在焊缝金属韧性和经济性问题。另一方面，激光冲击及应用技术的发展，为焊接结构抗开裂提供了手段，激光强化技术是利用高功率短脉冲激光辐照材料表面的能量转换体，能量转换体表层爆炸性气化形成高温高压的等离子体，等离子体急剧膨胀爆炸产生冲击波作用与材料表层，实现材料改性，从而提高材料的硬度、抗疲劳和耐磨性能。

目前厚板焊接和强化都是分两个工艺实现，焊件焊接完成后，再对焊接件进行激光冲击强化，不仅工作量繁琐，效率低下，还会带来重新定位误差和焊缝质量的改变。

发明内容：

本发明在于克服现有技术的不足，针对厚板焊接精度和性能要求，结合激光冲击的优点，提出一种自适性激光冲击焊接的方法和装置，利用冲击焊接装置的焊接头完成对焊件焊接的同时，激光头能自动跟踪焊缝进行激光冲击强化，提高效率的同时也保证了焊缝的质量，能够同时满足自动化要求高、高质量焊接以及焊后强化的焊接需求。

本发明采用的技术方案：

本发明是通过以下技术方案来实现的，所涉及的系统包括其包括冲击焊接装置、机械运动系统和系统控制；冲击焊接装置主要包括焊接头、激光头、焊接头和激光头的固定装置、控制总线、智能位移传感器、丝杠、导轨；机械运动系统包括冲击焊接跟随装置、冲击焊接装置的带动装置、工作台、导轨、丝杠、位移传感器；系统控制包括总控制系统、参数选择和输入系统、激光与焊接参数匹配数据系统、激光参数控制系统、焊接参数控制系统、机械运动控制系统以及激光跟踪焊接伺服系统。在进行同步激光冲击焊接时，首先通过系统控制中的参数选择和输入系统，确定合适的焊接参数和激光参数，再由机械运动系统中的冲击焊接跟随装置和系统控制中的激光跟踪焊接伺服系统确定焊接头与激光头之间的位置及时序，系统控制在控制焊接的同时激光头也同时对焊缝进行冲击强化，在工作过程中，激光头通过冲击焊接跟随装置紧跟焊接头，同时智能位移传感器时刻检测位置的变化经比较放大器进行调节，由激光跟踪焊接伺服系统进行闭环控制，实现自适性激光冲击焊接装置对焊件边焊边强化的加工方法。

所述的一种自适性激光冲击焊接的方法，可以过激光与焊接参数匹配系统和参数选择和输入系统，来满足不同焊接材料、不同工艺和不同的焊缝质量要求。当焊接工艺发生变化，例如焊口发生变化，为了满足焊接要求，只需要先调节焊接参数，通过激光与焊接参数匹配系统选择合适的激光参数，也可以通过手动输入方式确定激光参数，参数确定以后由智能位移传感器将焊接头与激光头的之间的距离传给激光与焊接参数匹配系统，再由总控制系统结合激光与焊接工艺参数，选择合适的焊接与激光冲击的时差以及焊接与激光冲击的相对位置，在各参数匹配完成以后，由机械运动系统和激光跟踪焊接伺服系统完成整个加工过程。针对不同的焊接材料要求的焊接参数和激光强化参数也不一样，可以根据该焊接材料的实验数据，来调节焊接参数和激光强化参数，通过参数修改完成对不同材料的焊接及激光冲击强化。

所述的一种自适性激光冲击焊接的方法，其冲击焊接跟随装置能够保证激光头和焊接头的行进轨迹相同，且激光头和焊接头之间的距离保持一致，其中激光头和焊接头之间的距离由智能位移传感器和比较放大器来实现监控和保持。

所述的一种自适性激光冲击焊接的方法，针对特定的焊接材料和焊接工艺参数，焊接移动速度v是确定的，通过调节激光头和焊接头之间的距离d来实现激光冲击和焊接时间间隔Δt的可控性和时序的变化，具体表现为Δt＝d/v。

所述的一种自适性激光冲击焊接的方法，其冲击焊接参数匹配系统是可扩展和可变的，可以通过修改添加的方法对激光和焊接参数匹配系统进行丰富，从而满足新形势下的出现的不断出变化的焊接材料和焊接工艺使其适合新环境下的要求。

因为焊接和激光同时进行是建立在冲击焊接数据库的软件基础和自适性激光冲击焊接装置的硬件基础之上，而且冲击焊接数据库和自适性激光冲击焊接装置都是柔性系统，可以根据需要进行一个调节，所以本发明可以根据焊接材料的不同和焊接工艺要求不同选取合适的参数进行加工。

实施该方法的主要有冲击焊接装置、机械运动部分和系统控制部分。冲击焊接装置主要包括焊接头、激光头、焊接头和激光头的固定装置、控制总线、智能位移传感器、丝杠、导轨；机械运动部分依次包括冲击焊接跟随装置、冲击焊接装置的带动装置、工作台、导轨、丝杠、位移传感器。电机转动通过丝杠带动冲击焊接跟随装置运动实现激光头对激光头的跟踪，同时智能位移传感器将信息反馈到控制系统与原有的信号进行比较放大形成一个闭环回路。系统控制部分包括总控制系统、参数选择和输入系统、激光与焊接参数匹配数据系统、激光参数控制系统、焊接参数控制系统、机械运动控制系统以及激光跟踪焊接伺服系统。在进行了参数选择和输入以后，通过激光与焊接参数匹配数据系统与激光跟踪焊接伺服系统将最后的数据参数传送给总控制系统，再由总控制系统对激光参数控制系统、焊接参数控制系统和机械运动控制系统进行运动控制，同时激光跟踪焊接伺服系统对冲击焊接跟随装置完成一个实时监控。形成一个自动化带反馈回路的控制系统。

本发明提出的一种自适性激光冲击焊接的方法和装置，是以焊接和激光冲击焊缝同时进行为目地，由激光跟踪焊接系统与装置来实现激光头跟踪焊接头的实时控制。再有激光参数与焊接参数匹配系统进行一个参数选择，结合激光跟踪焊接伺服系统距离反馈信息来确定冲击焊接装置的焊接头与激光头之间的距离以及焊接和激光冲击强化的时序，通过总的控制系统去控制冲击焊接跟随装置的运动，以及激光参数控制器和焊接参数控制器的动作。由于冲击焊接跟随装置的调节是建立在伺服控制系统的基础上，故该装置具有定位精确、实时性好、自动化程度高的特点。另外在适用范围方面由于该装置是建立在激光与焊接综合控制系统基础之上，该系统含有激光与焊接参数匹配数据库系统、焊接参数控制系统、激光参数控制系统，能够实现不同焊接工艺参数的焊接及强化要求。具有适用范围广、活性好、高效率、高质量的特点。适合与大批量好质量焊接的需求。

本发明具有如下技术优势：

(1)由于采用激光冲击作为焊接强化的方式具有高压、冲击范围小和加载时间可控的特点，对焊缝的冲击效率高和精度高，加工环境安全、清洁。

2.由于激光与焊接数据库的建立，焊接材料和焊接的工艺参数具有较大的调节范围，适应性强，具有较大的加工柔性，对各种金属材料以及不同焊接工艺参数都可以进行激光冲击强化。

3.焊接和激光冲击的位置及时序不受限，只要不超过冲击焊接装置的范围，就能够满足各种焊接和激光冲击的位置及时序的要求。完成焊接与激光冲击配合使用，得到高质量强化焊缝。

4.利用自适性激光冲击焊接装置和方法综合性强，避免了焊接机和激光器的对焊接的分别加工和时间上的一个协调性，应用范围广。

5.自适性激光冲击焊接装置硬件上简单明了，冲击焊接跟随系统能够实现激光头对焊接头的自动跟踪，避免了焊接头与激光头运动轨迹的偏差，非常适合自动化焊接。

6.因为激光与焊接参数精确可控，所以焊接与强化的可持续性和可重复性都能够保证，易实现自动化生产。

7.焊接的焊缝质量和外观均有提高，可以直接在实际生产中使用，省去后续强化工作。

8.本发明在自适性激光冲击焊接装置中用了伺服控制系统，运用了比较放大器，且反馈系统与参数匹配系统相连完成了跟踪装置的调控，能在出现其它干扰因素的情况下调整过来，达到一个实时监控和处理故障的能力，实现真正的自动化控制。

附图说明：

图1是激光跟踪焊接设备的机械结构简图。

图2是激光跟踪焊接设备的控制系统简图。

图3是激光焊接跟随装置简图。

(1)总控制系统 (2)参数选择和输入系统 (3)位移传感器1 (4)滑块1 (5)位移传感器2 (6)电机1 (7)气缸 (8)冲击焊接装置的带动装置 (9)冲击焊接装置 (10)焊接式样固定装置 (11)工作台 (12)底座 (13)焊接头插孔 (14)焊接头固定装置 (15)智能位移传感器 (16)导轨1 (17)驱动器2 (18)电机2 (19)丝杠 (20)激光头插孔 (21)激光头固定装置 (22)导轨2 (23)机械运动控制系统 (24)激光参数控制系统 (25)焊接参数控制系统 (26)激光与焊接参数匹配系统 (27)激光跟踪焊接伺服系统 (28)焊接头 (29)激光头 (30)驱动器1 (31)控制总线 (32)冲击焊接跟随装置 (33)比较放大器

具体实施方式：

下面结合附图和具体实施例对本发明进一步详细说明。

根据图1和图2详细说明一种自适性激光冲击焊接装置的组成和运行情况。

一种自适性激光冲击焊接装置包括冲击焊接装置、机械运动系统和系统控制三大部分；其中冲击焊接装置由焊接头、激光头、焊接头和激光头的固定装置、控制总线、智能位移传感器、丝杠、导轨组成；机械运动系统由冲击焊接跟随装置、冲击焊接装置的带动装置、工作台、导轨、丝杠、位移传感器组成；系统控制由总控制系统、参数选择和输入系统、激光与焊接参数匹配数据系统、激光参数控制系统、焊接参数控制系统、机械运动控制系统以及激光跟踪焊接伺服系统组成。主要过程是通过激光与焊接参数输入及显示系统选择合适的参数，结合激光跟踪焊接伺服系统，在激光与焊接参数匹配数据库系统进行一个数据匹配，匹配完成后通过焊接参数控制系统和激光参数控制系统对焊接进行加工。

结合图2，总控制系统连接参数输入及显示系统、激光与焊接参数匹配系统、机械运动控制系统、焊接参数控制系统和激光参数控制系统，起到一个系统与系统之间的数据交换的作用。

结合图2，激光与焊接参数匹配系统将激光跟踪焊接伺服系统和激光与焊接参数输入及显示系统联系在一起，实现一个跟踪装置中的激光头与焊接头之间的距离以及时序的控制。

结合图2，焊接参数控制系统与焊接头相连，起到控制焊接头的作用，可以实时调节控制。

结合图2，激光参数控制系统与焊接头相连，起到控制激光头的作用，可以实时调节控制。

结合图2，机械运动控制系统与激光跟踪焊接伺服系统相连，起到不停对冲击焊接跟随装置的运动情况的跟踪，起到实时监测的作用。

结合图2，激光跟踪焊接伺服系统包括放大器、比较器、监测器、驱动器。构成闭环系统，能够在出现特殊情况下的一个矫正处理。

根据图1和2详细说明激光冲击跟踪装置机械部分的组成和运行情况。

结合图1和图2，控制系统都集成在控制柜内部，通过控制总线控制外部机械构件。具体的机械控制过程：先由参数选择和输入系统、激光与焊接参数匹配系统、激光跟踪焊接伺服系统确定激光参数、焊接参数以及焊接头与激光头之间的距离和跟踪时序。再有总控制系统将控制参数分别传送给机械运动控制系统、焊接参数控制系统、激光参数控制系统。机械运动控制系统控制滑块4带动激光跟踪装置左右移动，在左限位位置和右限位位置地方分别位移传感器3和传感器5，在滑块4到达左右极限位置时由传感器传递信号给工作系统控制滑块的停止，气缸7是通过冲击焊接装置的带动装置8带动冲击焊接装置9上下运动，冲击焊接装置9内部通过冲击焊接跟随装置32实现一个激光头对焊接头的自动跟踪。焊接试样固定装置10完成对焊接的固定，工作台11承载焊接和焊接试样固定装置10，底座12是是整个设备的与地面的稳定装置。

图3是对激光跟踪装置的构成的一个描述。

结合图3，图3是整个冲击焊接装置结构描述，它含有电机18，丝杠19、驱动器17、导轨16、激光头插孔21、焊接头插孔13、激光头固定装置21、焊接头固定装置13、焊接头28、激光头29、冲击焊接跟随装置32以及智能位移传感器15.在激光头29和焊接头28安装在激光头插孔21和焊接头插孔13后，通过激光头固定装置21和焊接头固定装置13将其固定，通过驱动器17和电机18根据参数的匹配选择的焊接头与激光头之间的距离进行转动，通过丝杠19带动激光头29的运动，到达合适的位置后，由智能传感器15对位置进行实时监控，在其它干扰情况的发生的同时，能够即使检测和处理。实现一个伺服闭环的精确控制。

结合图1、图2和图3，自适性激光冲击焊接的方法如下：

首先，将激光头29和焊接头28安装在激光头插孔21和焊接头插孔13后，通过激光头固定装置21和焊接头固定装置13将其固定。情况1：在激光和焊接参数确定的情况下，先在激光与焊接参数匹配系统26中进行参数选择，如果没有可选的参数，可以通过参数选择和输入系统2进行一个参数的手动输入，同时可以保存参数，方便下次使用。在参数选择完成以后，根据智能传感器15传送过来的位置距离，结合激光与焊接参数匹配系统26中所确定的参数由总控制系统1确定激光头29距离焊接头28的一个位置距离，位置确定后将位置信号传送给激光跟踪焊接伺服系统27通过激光跟踪焊接伺服系统27控制驱动器17，使电机18根据已经确定的激光头29距离焊接头28的位置距离进行调节转动，通过丝杠19带动激光头29的运动，到达合适的位置。位置到达以后，将焊件固定在工作台11上，通过焊接试样固定装置10完成对焊件的固定，再由机械运动控制系统23控制电机6带动滑块4在导轨22上运动到焊接起始位置。在这一些列的准备工作完成以后，我们通过控制界面按下启动按钮，整个设备开始工作，首先焊接参数控系统25打开焊接头28对焊件进行焊接，同时机械运动控制系统23通过电机控制滑块4在导轨上左右移动，再由激光参数控制系统24结合总控制系统1选择相关时序使激光头29进行激光冲击强化过程，在冲击过程中如果如果激光头29位置和焊接头28的位置发生偏差时，智能传感器15能够自动检测到距离的变法并通过比较放大后激光跟踪焊接伺服系统27对冲击焊接跟随装置32的电机18运转进行调节控制。情况2：在激光和焊接参数不确定的情况下，首先在可以通过该装置进行一个实验得到相关的激光和焊接参数以后在按照实验一的步骤去加工零件。该装置用做测试实验数据的时候，可以不停地对激光头29和焊接头28的位置进行调节，同时也可以对焊接和激光冲击的时序进行调整，在不同情况下得到一个关于焊缝质量的相关参数。

综上所述，本发明所涉及的一种自适性激光冲击焊接的方法和装置，将激光冲击强化和焊接技术相结合同时应用到对焊件的焊接和强化上，能够对焊件焊接的同时对焊缝进行一个激光冲击强化处理，实现了对焊缝进行一个强化处理的同时提高了对焊缝处理的效率和质量，解决了对焊件焊接完成以后需搬运到激光加工机上去激光冲击强化的繁琐步骤，同时通过实时跟踪装置保证了焊接和强化的同时进行，保证了焊接的质量。由于激光与焊接参数匹配系统的建立，能够针对不同情况下的焊接，包括不同焊件材料、不同的焊接工艺要求下的一个焊接和强化。故本发明的系统设计合理、灵活可靠、适应性强、效率高、质量高，而且适合批量生产。

Claims (5)

1.一种自适性激光冲击焊接的方法，其包括冲击焊接装置、机械运动系统和系统控制；冲击焊接装置主要包括焊接头、激光头、焊接头和激光头的固定装置、控制总线、智能位移传感器、丝杠、导轨；机械运动系统包括冲击焊接跟随装置、冲击焊接装置的带动装置、工作台、导轨、丝杠、位移传感器；系统控制包括总控制系统、参数选择和输入系统、激光与焊接参数匹配数据系统、激光参数控制系统、焊接参数控制系统、机械运动控制系统以及激光跟踪焊接伺服系统；其特征在于通过激光与焊接参数匹配数据系统确定合适的焊接参数和激光参数以后，再由冲击焊接跟随装置和激光跟踪焊接伺服系统确定焊接头与激光头之间的位置及时序，系统控制在控制焊接头焊接的同时激光头也同时冲击强化，在工作过程中，激光头通过冲击焊接跟随装置紧跟焊接头，同时激光跟踪焊接伺服系统时刻检测焊接头和激光头位置的变化经比较放大电路进行调节，实现闭环控制。

2.根据权利要求1所述的一种自适性激光冲击焊接的方法，其特征在于针对不同焊接材料、不同工艺和不同的焊缝质量要求，可以通过激光与焊接参数匹配系统和参数选择和输入系统来满足焊件焊缝要求。

3.根据权利要求1所述的一种自适性激光冲击焊接的方法，其特征在于冲击焊接跟随装置，该装置能够保证激光头和焊接头的行进轨迹相同，且激光头和焊接头之间的距离保持一致，其中激光头和焊接头之间的距离由智能位移传感器和比较放大电路来实现监控和保持。

4.根据权利要求1所述的一种自适性激光冲击焊接的方法，其特征在于针对特定的焊接材料和焊接工艺参数，焊接移动速度v是确定的，通过调节激光头和焊接头之间的距离d来实现激光冲击和焊接时间间隔Δt的可控性和时序的变化，具体表现为Δt＝d/v。

5.根据权利要求1所述的一种自适性激光冲击焊接的方法，其特征在于冲击焊接参数匹配系统是可扩展和可变的，焊接新材料的不断出现和焊接工艺变化，可以修改对应新焊接材料和新焊接工艺的冲击焊接参数匹配，使其适合新环境下的要求。