CN106216842B - 焊接金属板料激光喷丸校形尺寸精度在线控制的方法与装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种焊接金属板料激光喷丸校形尺寸精度在线控制的方法与装置，由激光器发出激光束通过光路系统传输到工件焊接区域，水约束层覆盖焊接区域，形成约束层。激光脉冲作用下，焊接表面形成冲击波，在焊接金属板料内部产生残余压应力，从而消除焊接残余应力。激光喷丸功率高，能产生较深的残余压应力层，校形效率高，校形使得焊件喷丸区域表面及一定深度范围发生了塑性变形，在达到校直目的的同时还可以提高焊接接头的疲劳强度。本发明涉及的方法及装置能对焊接件进行精密校形，工作效率高，可控性好，适用范围广。

Description

焊接金属板料激光喷丸校形尺寸精度在线控制的方法与装置
技术领域
本发明涉及机械制造领域，具体涉及一种焊接金属板料激光喷丸校形尺寸精度在线控制方法与装置，其特别适用于大型复杂焊接结构件的精确校形。
背景技术
工业生产中的大量重要产品，如航空、船舶、汽车、建筑施工等制造行业都离不开焊接技术，焊接残余应力和焊接变形会严重影响制造过程本身和焊接结构的使用性能，因此，应采取各种有效的措施将焊接残余应力和焊接变形减至最小，或者焊后将它们消除。
目前常采用退火消除焊接变形法、机械矫正法、刚性固定法、预应力法、反变形法等方法来对焊接变形进行校正。这些方法在某种程度上能够控制和减小焊接变形，但存在种种不足，精度更难以控制，因此一种效率高、操作简单、适用性强、精度高的焊接金属板料校形方法的提出具有很好的实际意义。
近年来，激光喷丸技术的深入研究为焊接校形中的部分问题提供了一种解决途径，2002年6月，美国加利福尼亚大学的Hackel等人在美国国家专利中提出了利用激光喷丸强化装置对金属板材进行三维弯曲成形的原理和精确成形的方法，但未对激光喷丸开展进一步研究。
发明内容
为了克服传统焊接校形的种种不足，本发明提供焊接金属板料激光喷丸校形尺寸精度在线控制的方法与装置，直接利用高功率的脉冲激光冲击具有吸收层的焊接件，使吸收层气化电离并形成冲击波，由于焊接件表面水约束层的作用，高压冲击波作用于材料表面，产生的冲击波峰值压力超过材料的动态屈服强度，产生残余压应力，然后通过多点冲击形成大面积的残余应力区域的分布，最终达到精确校形的目的。
为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
本发明一方面提供了一种焊接金属板料激光喷丸校形尺寸精度在线控制的装置，其包括计算机控制系统(1)，激光器电源(2)，高功率脉冲激光器(3)，导光与光路调节系统(4)，反射镜组(5)，透视镜组(6)，焊接件(7)，夹具(8)，机械手(9)，动态光学监测系统(10)，照明光源(11)，测量相机(12)，动态监测控制系统(13)，夹紧控制系统(14)，约束层喷水系统(15)，水层控制系统(16)，能量吸收层(17)，显影剂(18)；其特征在于，其中所述计算机控制系统(1)与所述激光器电源(2)、所述动态监测控制系统(13)、所述夹紧控制系统(14)和所述水层控制系统(16)电气连接；所述激光器电源(2)电气连接所述高功率脉冲激光器(3)；所述水层控制系统(16)电连接所述约束层喷水系统(15)；所述夹紧控制系统(14)电连接所述机械手(9)，所述机械手(9)连接固定所述夹具(8)；所述动态监测控制系统(13)电连接所述动态光学监测系统(10)。
本发明另一方面提供了一种焊接金属板料激光喷丸校形尺寸精度在线控制的方法，其基于所述的焊接金属板料激光喷丸校形尺寸精度在线控制的装置，其特征在于，所述方法的具体步骤为：
步骤1，在所述计算机控制系统(1)中将动态光学监测系统(10)测量得到的焊接件(7)的三维结果与标准产品的三维CAD模型进行坐标对齐，执行对比分析，得到整个零件变形的可视化结果，确定需校形部位的变形量及校形路径；
步骤2，建立激光喷丸校形强度与变形量之间的关系，得到激光喷丸校形强度与变形量之间对应关系的数据库，计算机控制系统(1)根据需校形部位的变形量，利用插值的方法以及所述数据库，确定需校形部位的激光喷丸校形强度；
步骤3，计算机控制系统(1)通过所述激光器电源控制所述高功率脉冲激光器(3)，按确定好的激光喷丸校形强度和校形路径对所述焊接件(7)需校形部位进行激光喷丸校形处理；
步骤4，通过动态光学监测系统(10)对激光喷丸校形检验，将实际测试结果与所述标准产品的三维CAD模型再次对比分析，如果分析结果超过预定误差，则依次重复步骤2、3，逐步逼近，直至小于等于预定误差。
更进一步的，所述的激光能量E在5-10J之间，激光光斑大小为3mm-8mm,激光脉冲宽度为8ns-16ns，脉冲重复率20Hz。
更进一步的，所述动态光学监测系统(10)包括两台高速测量相机(12)和两台照明光源(11)，进行测量和/或检验时，所述照明光源(11)发射的光照射在所述焊接件的(7)背面，焊接件(7)背面显影微点(18)受到光照射发生漫反射，其中一部分反射光被高速测量相机(12)捕捉，从而在激光喷丸过程中，获取三维型面坐标、位移和变形速度信息。
更进一步的，动态光学监测系统(10)将所述信息反馈到计算机控制系统(1)，所述计算机控制系统(1)通过所述激光器电源控制所述高功率脉冲激光器(3)调整激光喷丸强度，实现动态监测和焊接板料喷丸校形的动态控制。
更进一步的，所述高功率脉冲激光器(3)发射的激光依次通过所述反射镜组(5)和透视镜组(6)对所述焊接件(7)进行激光喷丸作业。
本发明带来的有益效果包括但不限于：
(1)本发明可以对焊接试样表面进行三维实时测量，测量数据实时传递给数据采集系统，将实际测试获得的三维结果与产品的三维CAD模型进行坐标对齐，执行对比分析，进而及时调整冲击参数及校形路径，可以非常精确的控制校形形状。
(2)本发明通过夹持运动系统机械手的灵活运动和水层控制系统的相对运动，可以适应于多种材料的校形，适用范围广，效率高。
(3)焊接金属板料喷丸校形后表面形成了一定深度的残余压应力，可显著提高疲劳强度，校形的同时对焊接件表面进行了强化。
附图说明
图1焊接金属板料激光喷丸校形尺寸精度在线控制的装置示意图
图2喷丸校形焊接板料构成示意图
图中包括计算机控制系统(1)，激光器电源(2)，高功率脉冲激光器(3)，导光与光路调节系统(4)，反射镜组(5)，透视镜组(6)，焊接件(7)，夹具(8)，机械手(9)，动态光学监测系统(10)，照明光源(11)，测量相机(12)，动态监测控制系统(13)，夹紧控制系统(14)，约束层喷水系统(15)，水层控制系统(16)，能量吸收层(17)，显影剂(18)，其中与计算机控制系统(1)相连的有激光器电源(2)、动态监测控制系统(13)、夹紧控制系统(14)、水层控制系统(16)；夹具(8)被固定在机械手(9)上。
具体实施方式
下面结合附图详细说明本发明提出的具体装置的细节和工作情况。
实施例一。
一种焊接金属板料激光喷丸校形尺寸精度在线控制的方法，其具体步骤为：
步骤1，借助三维轮廓扫描仪将实际测试获得的三维结果与产品的三维CAD模型进行坐标对齐，执行对比分析，得到整个零件变形的可视化结果，进一步确定需校形部位的变形量及校形路径；
步骤2，通过试验建立试验参数与变形量之间的关系，得到激光喷丸校形强度与变形量之间对应关系的数据库，计算机根据需校形部位的变形量，利用插值的方法，确定需校形部位的激光喷丸校形强度；
步骤3，利用激光喷丸设备，按计算机确定好的激光喷丸校形强度和校形路径对焊接金属板料需校形部位进行激光喷丸校形处理；
步骤4，利用动态光学监测系统10对激光喷丸校形检验，将实际测试结果与CAD模型对比分析，如果超过预定误差，则依次重复步骤2、3，逐步逼近，直至小于等于预定误差。
实施例二。
参见图1-2，焊接金属板料激光喷丸校形尺寸精度在线控制的装置，包括计算机控制系统(1)，激光器电源(2)，高功率脉冲激光器(3)，导光与光路调节系统(4)，反射镜组(5)，透视镜组(6)，焊接件(7)，夹具(8)，机械手(9)，动态光学监测系统(10)，照明光源(11)，测量相机(12)，动态监测控制系统(13)，夹紧控制系统(14)，约束层喷水系统(15)，水层控制系统(16)，能量吸收层(17)，显影剂(18)，其中与计算机控制系统(1)相连的有激光器电源(2)、动态监测控制系统(13)、夹紧控制系统(14)、水层控制系统(16)；夹具(8)被固定在机械手(9)上。
激光喷丸焊接件正面涂有厚度均匀的能量吸收层，背面喷涂一种用于实现动态光学监测系统监测的显影剂，显影剂形成密布的细小微点分布于在板料的背面表面。对焊接件进行喷丸校形时时，由于显影剂颗粒的位置变化，动态光学监测系统能够获得实际零件的几何形状信息。
动态光学监测系统是由两照明光源和两台高速测量相机构成。进行监测时，照明光源发射的光照射在焊接板料背面，焊接板料背面显影剂受到强光照射发生漫反射，其中一部分反射光被高速测量相机捕捉，进而可以对试样表面多个测量位置进行实时测量，测量数据实时传递给数据采集系统，通过调整相关参数，实现焊接金属板料激光喷丸校形尺寸精度在线控制。
根据动态光学检测系统的监测和反馈，通过改变激光校形强度和校形路径，进一步可实现板料的精确成形。
工装夹具运动系统由机械手、夹具组成，夹具可根据校形板料的不同尺寸、校形方式更换不同的夹具。夹具夹持方式可实现单侧夹持，双侧夹持，四周夹持等。工装夹具运动系统与约束层喷射系统相互配合，满足不同位置喷丸的需要。
实施例三。
本发明一方面提供了一种焊接金属板料激光喷丸校形尺寸精度在线控制的装置，其包括计算机控制系统(1)，激光器电源(2)，高功率脉冲激光器(3)，导光与光路调节系统(4)，反射镜组(5)，透视镜组(6)，焊接件(7)，夹具(8)，机械手(9)，动态光学监测系统(10)，照明光源(11)，测量相机(12)，动态监测控制系统(13)，夹紧控制系统(14)，约束层喷水系统(15)，水层控制系统(16)，能量吸收层(17)，显影剂(18)；其特征在于，其中所述计算机控制系统(1)与所述激光器电源(2)、所述动态监测控制系统(13)、所述夹紧控制系统(14)和所述水层控制系统(16)电气连接；所述激光器电源(2)电气连接所述高功率脉冲激光器(3)；所述水层控制系统(16)电连接所述约束层喷水系统(15)；所述夹紧控制系统(14)电连接所述机械手(9)，所述机械手(9)连接固定所述夹具(8)；所述动态监测控制系统(13)电连接所述动态光学监测系统(10)。
本发明另一方面提供了一种焊接金属板料激光喷丸校形尺寸精度在线控制的方法，其基于所述的焊接金属板料激光喷丸校形尺寸精度在线控制的装置，其特征在于，所述方法的具体步骤为：
步骤1，在所述计算机控制系统(1)中将动态光学监测系统(10)测量得到的焊接件(7)的三维结果与标准产品的三维CAD模型进行坐标对齐，执行对比分析，得到整个零件变形的可视化结果，确定需校形部位的变形量及校形路径；
步骤2，建立激光喷丸校形强度与变形量之间的关系，得到激光喷丸校形强度与变形量之间对应关系的数据库，计算机控制系统(1)根据需校形部位的变形量，利用插值的方法以及所述数据库，确定需校形部位的激光喷丸校形强度；
步骤3，计算机控制系统(1)通过所述激光器电源控制所述高功率脉冲激光器(3)，按确定好的激光喷丸校形强度和校形路径对所述焊接件(7)需校形部位进行激光喷丸校形处理；
步骤4，通过动态光学监测系统(10)对激光喷丸校形检验，将实际测试结果与所述标准产品的三维CAD模型再次对比分析，如果分析结果超过预定误差，则依次重复步骤2、3，逐步逼近，直至小于等于预定误差。
更进一步的，所述的激光能量E在5-10J之间，激光光斑大小为3mm-8mm,激光脉冲宽度为8ns-16ns，脉冲重复率20Hz。
更进一步的，所述动态光学监测系统(10)包括两台高速测量相机(12)和两台照明光源(11)，进行测量和/或检验时，所述照明光源(11)发射的光照射在所述焊接件的(7)背面，焊接件(7)背面显影微点(18)受到光照射发生漫反射，其中一部分反射光被高速测量相机(12)捕捉，从而在激光喷丸过程中，获取三维型面坐标、位移和变形速度信息。
更进一步的，动态光学监测系统(10)将所述信息反馈到计算机控制系统(1)，所述计算机控制系统(1)通过所述激光器电源控制所述高功率脉冲激光器(3)调整激光喷丸强度，实现动态监测和焊接板料喷丸校形的动态控制。
更进一步的，所述高功率脉冲激光器(3)发射的激光依次通过所述反射镜组(5)和透视镜组(6)对所述焊接件(7)进行激光喷丸作业。
实施例四。
一种焊接金属板料激光喷丸校形尺寸精度在线控制的方法包括如下步骤：
步骤1，借助三维轮廓扫描仪将实际测试获得的三维结果与产品的三维CAD模型进行坐标对齐，执行对比分析，得到整个零件变形的可视化结果，进一步确定需校形部位的变形量及校形路径；
步骤2，通过试验建立试验参数与变形量之间的关系，得到激光喷丸校形强度与变形量之间对应关系的数据库，计算机根据需校形部位的变形量，利用插值的方法，确定需校形部位的激光喷丸校形强度；
步骤3，利用激光喷丸设备，按计算机确定好的激光喷丸校形强度和校形路径对焊接金属板料需校形部位进行激光喷丸校形处理；
步骤4，利用动态光学监测系统(10)对激光喷丸校形检验，将实际测试结果与CAD模型对比分析，如果超过预定误差，则依次重复步骤2、3，逐步逼近，直至小于等于预定误差。
以及，一种焊接金属板料激光喷丸校形尺寸精度在线控制的装置，其包括计算机控制系统(1)，激光器电源(2)，高功率脉冲激光器(3)，导光与光路调节系统(4)，反射镜组(5)，透视镜组(6)，焊接件(7)，夹具(8)，机械手(9)，动态光学监测系统(10)，照明光源(11)，测量相机(12)，动态监测控制系统(13)，夹紧控制系统(14)，约束层喷水系统(15)，水层控制系统(16)，能量吸收层(17)，显影剂(18)，其中与计算机控制系统(1)相连的有激光器电源(2)、动态监测控制系统(13)、夹紧控制系统(14)、水层控制系统(16)；夹具(8)被固定在机械手(9)上。激光喷丸焊接件(7)正面涂有厚度均匀的能量吸收层(17)，背面喷涂一种用于实现动态光学监测系统监测的显影剂(18)，显影剂(18)形成密布的细小微点分布于在板料的背面表面。对焊接件(7)进行喷丸校形时，由于显影剂颗粒的位置变化，动态光学监测系统(10)能够获得实际零件的几何形状信息。而动态光学监测系统(10)是由两照明光源(11)和两台高速测量相机(12)构成。进行监测时，照明光源发射的光照射在焊接板料(7)背面，焊接板料背面显影剂(18)受到强光照射发生漫反射，其中一部分反射光被高速测量相机捕捉，进而可以对试样表面多个测量位置进行实时测量，测量数据实时传递给数据采集系统，通过调整相关参数，实现焊接金属板料激光喷丸校形动态控制。
由于根据动态光学检测系统(10)的监测和反馈，通过改变激光校形强度和校形路径，进一步可实现板料的精确校形。
另外，工装夹具运动系统由机械手(9)、夹具(8)组成，夹具可根据校形板料的不同尺寸、形状、校形方式更换不同的夹具。夹具夹持方式可实现单侧夹持，双侧夹持，四周夹持等。工装夹具运动系统与约束层喷水系统(15)相互配合，满足不同形式喷丸校形的需要。
如上所述，可较好的实现本发明。对于本领域的技术人员而言，根据本发明的教导，设计出不同形式的替代例并不需要创造性的劳动。在不脱离本发明的原理和精神的情况下对这些实施例进行变化、修改、替换、整合和变型仍落入本发明的保护范围内。

Claims (3)

1.一种焊接金属板料激光喷丸校形尺寸精度在线控制的方法，其包括使用计算机控制系统(1)，激光器电源(2)，高功率脉冲激光器(3)，导光与光路调节系统(4)，反射镜组(5)，透视镜组(6)，焊接金属板料(7)，夹具(8)，机械手(9)，动态光学监测系统(10)，照明光源(11)，测量相机(12)，动态监测控制系统(13)，夹紧控制系统(14)，约束层喷水系统(15)，水层控制系统(16)，能量吸收层(17)，显影剂(18)；其中所述计算机控制系统(1)与所述激光器电源(2)、所述动态监测控制系统(13)、所述夹紧控制系统(14)和所述水层控制系统(16)电气连接；所述激光器电源(2)电气连接所述高功率脉冲激光器(3)；所述水层控制系统(16)电连接所述约束层喷水系统(15)；所述夹紧控制系统(14)电连接所述机械手(9)，所述机械手(9)连接固定所述夹具(8)；所述动态监测控制系统(13)电连接所述动态光学监测系统(10)；
其特征在于，所述方法的具体步骤为：
步骤1，在所述计算机控制系统(1)中将动态光学监测系统(10)测量得到的焊接金属板料(7)的三维结果与标准产品的三维CAD模型进行坐标对齐，执行对比分析，得到整个零件变形的可视化结果，确定需校形部位的变形量及校形路径；
步骤2，建立激光喷丸校形强度与变形量之间的关系，得到激光喷丸校形强度与变形量之间对应关系的数据库，计算机控制系统(1)根据需校形部位的变形量，利用插值的方法以及所述数据库，确定需校形部位的激光喷丸校形强度；
步骤3，计算机控制系统(1)通过所述激光器电源控制所述高功率脉冲激光器(3)，按确定好的激光喷丸校形强度和校形路径对所述焊接金属板料(7)需校形部位进行激光喷丸校形处理；
步骤4，通过动态光学监测系统(10)对激光喷丸校形检验，将实际测试结果与所述标准产品的三维CAD模型再次对比分析，如果分析结果超过预定误差，则依次重复步骤2、3，逐步逼近，直至小于等于预定误差；
其中，激光能量E在5-10J之间，激光光斑大小为3mm-8mm,激光脉冲宽度为8ns-16ns，脉冲重复率20Hz；
并且，所述动态光学监测系统(10)包括两台高速测量相机(12)和两台照明光源(11)，进行测量和/或检验时，所述照明光源(11)发射的光照射在所述焊接金属板料的(7)背面，焊接金属板料(7)背面显影剂(18)受到光照射发生漫反射，其中一部分反射光被高速测量相机(12)捕捉，从而在激光喷丸过程中，获取三维型面坐标、 位移和变形速度信息。
2.一种如权利要求1所述的焊接金属板料激光喷丸校形尺寸精度在线控制的方法，其特征在于，动态光学监测系统(10)将所述信息反馈到计算机控制系统(1)，所述计算机控制系统(1)通过所述激光器电源控制所述高功率脉冲激光器(3)调整激光喷丸强度，实现动态监测和焊接金属板料喷丸校形的动态控制。
3.一种如权利要求2所述的焊接金属板料激光喷丸校形尺寸精度在线控制的方法，其特征在于，所述高功率脉冲激光器(3)发射的激光依次通过所述反射镜组(5)和透视镜组(6)对所述焊接金属板料(7)进行激光喷丸作业。
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