CN109202283B - 一种t型接头双光束填丝焊接工艺调控装置及焊接方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉一种T型接头双光束填丝焊接工艺调控装置及焊接方法，其利用机械手安装的同轴CCD相机与激光线结构光来检测T型接头的装配间隙，并且通过对T型接头装配间隙的检测，调控激光线能量的大小，使得焊接参量，送丝量，激光线能量相匹配，最终使得双光束焊接过程能够在装配域度较大、间隙不均匀状态下能够持续稳定的进行，保证焊接过程的稳定性与焊接质量的一致性，从而可以降低装配工作量，提高装配效率，降低成本而不影响焊接质量。本发明对于双光束焊接技术在工程应用中的拓展、提效具有重要意义。

Description

一种T型接头双光束填丝焊接工艺调控装置及焊接方法

技术领域

本发明涉及一种T型接头双光束填丝焊接工艺调控装置及焊接方法，属于激光加工技术领域。

背景技术

壁板类结构件常见于航空、航天工程应用中，钛合金材料由于其优良的比强度、比刚度、耐腐蚀性和高冲击韧性等优点在薄壁类型的壁板结构中得到广泛应用，常见的如飞机、火箭等飞行器的气动蒙皮。近年来采用双光束焊接方法制造整体壁板已经在国内、外有所报道。目前设计的蒙皮类壁板结构一般为双向加筋结构，采用两束激光分别从T型接头的两侧进行施焊。由于激光焊接本身工艺的特点，一般要求T型接头的对缝间隙≤0.1mm。当间隙过大或间隙不均匀时经常出现击穿、焊漏，焊接过程无法持续下去。

采用填丝焊接方式可以增大装配域度，弥补由于缺料导致的焊接咬边、塌陷等缺陷。但是，目前现有的激光填丝焊接设备及工艺均为预置焊接参量，焊接时采用固定的焊接参量，无法根据零件实际装配情况进行调控。例如，一般激光焊接的薄壁零件，在进行修配零件时经常出现坡口、局部间隙过大或者间隙不均匀等等情况。激光焊接工艺参量无法根据零件实际装配情况进行调整，只能按照既定参数如功率、速度、送丝量来进行焊接。实际焊接过程中经常出现，由于零件配合坡口或者间隙过大出现局部焊缝塌陷、焊漏等质量缺陷，极易造成零件报废。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提供了一种T型接头双光束填丝焊接工艺调控装置及焊接方法，其利用机械手安装的CCD相机与辅助激光线结构光来检测T型接头的装配间隙，并且通过对T型接头装配间隙的检测，调控激光线能量的大小，使得焊接参量，送丝量，激光线能量相匹配，最终使得双光束焊接过程能够在装配域度较大、间隙不均匀状态下能够持续稳定的进行，保证焊接过程的稳定性与焊接质量的一致性，从而可以降低装配工作量，提高装配效率，降低成本而不影响焊接质量。该技术对于双光束焊接技术在工程应用中的拓展、提效具有重要意义。

为了实现本发明，其采用、如下技术方案：

一种T型接头双光束填丝焊接工艺调控装置，其特征在于，包括左侧激光焊接头1、左侧同轴CCD相机2、左侧送丝装置3、左侧激光线结构光源发生器4、右侧激光焊接头5、右侧同轴CCD相机6、右侧送丝装置7和右侧激光线结构光源发生器8，所述左侧激光焊接头1和右侧激光焊接头5作为T型接头双光束填丝焊接的运动载体，左侧同轴CCD相机2 和右侧同轴CCD相机6分别对应安装在左侧激光焊接头1和右侧激光焊接头5上部，左、右侧送丝装置以及左、右侧激光线结构光源发生器分别对应安装在左侧激光焊接头1和右侧激光焊接头5下部，左、右侧激光线结构光源发生器发出的激光线打在两侧的T型接头结合面处，通过左、右侧同轴CCD相机分别观察左、右侧配合间隙与左、右侧激光线结构光重合部分图像, 左、右侧激光焊接头的数据处理系统分别通过图像处理、特征数据提取和焊接参量计算得到焊接参量，然后将信号转化成左、右侧送丝装置，左、右侧激光线结构光源发生器和左、右侧激光焊接头可识别指令，然后分别按照指令进行对应焊接参量的焊接。

进一步地，所述焊接参量包括每个点位的送丝量ΔS、每个点位的送丝速度Δp和每个点位的线能量变化ΔW。

进一步地，所左、右侧送丝装置，左、右侧激光线结构光源发生器和左、右侧激光焊接头可识别指令分别为每个点位的送丝速度信号X，每个点位的激光功率E和每个点位的运行速度信号T。

进一步地，所述每个点位的送丝量由配合间隙和激光线结构光重合部分面积确定，ΔS=D×H，其中D为激光线结构光的宽度，H为配合间隙和激光线结构光重合部分的高度。

进一步地，所述每个点位的送丝速度

，其中P为送丝速度常量，d为选取的丝材直径，ΔS为每个点位的送丝量。

进一步地，所述每个点位的线能量变化ΔW=W+ΔS ×K，其中W为焊接线能量常量，K为能量系数，ΔS为每个点位的送丝量。

采用上述T型接头双光束填丝焊接工艺调控装置进行焊接的方法，其特征在于：包括如下步骤：

（1）在左、右侧激光焊接头的上部分别安装左、右侧同轴工业CCD相机，在左、右侧激光焊接头下部的焊接行进一侧分别安装左、右侧送丝装置，在左、右侧激光焊接头下部的焊接行进另一侧分别安装左、右安装激光线结构光源发生器，左、右侧激光焊接头作为两台机械手；

（2）T型接头待焊零件装配完成以后，左、右侧激光焊接头分别沿T型接头运动，激光线结构光源发生器发出的激光线打在T型接头待焊零件的结合面处，通过同轴CCD相机观察每个点位上的待焊零件间的配合间隙与激光线结构光重合部分的图像，得到整条焊缝上若干个重合部分面积ΔS数据点，每个点位的送丝量由配合间隙和激光线结构光重合部分面积确定，每个点位的送丝量ΔS=D×H，其中D为激光线结构光的宽度，H为配合间隙和激光线结构光重合部分的高度；

（3）选取的丝材直径为d，每个点位送丝速度

，得到每个点位的送丝速度Δp，其中P为送丝速度常量；

（4）根据每个点位所需的送丝量ΔS，计算出每个点位所需要的线能量ΔW，ΔW=W+ΔS ×K，其中W为焊接线能量常量，K为能量系数；

（5）通过工控机将计算得到的送丝量ΔS，送丝速度Δp，线能量变化ΔW，转化为送丝装置可识别的送丝速度信号X，激光线结构光源发生器可识别的激光功率E，激光焊接头可识别的运行速度信号T；

（6）左、右侧激光焊接头分别按照得到指令进行对应焊接参量的焊接。

进一步地，所述T型接头待焊零件为T型接头立筋与蒙皮。

本发明的技术效果如下：

本技术以双机械手作为双光束T型接头焊接的运动载体，在机械手上安装有同轴CCD相机以及辅助激光线结构光来检测T型接头的装配间隙，并且通过对T型接头装配间隙的检测，调控激光线能量的大小，使得焊接参量，送丝量，激光线能量相匹配，最终获得质量稳定一致的优质焊缝。该技术的应用可使得焊前修配工作量降低约70%，焊缝过程稳定性提高50%，对于T型接头双光束焊接应用推广具有重要意义。

附图说明

图1一侧激光焊接头装置位置图；

图2 T型接头双光束填丝焊接工艺调控装置焊接实施示意图；

图3 一侧同轴CCD相机同轴视场示意图；

图4 T型接头双光束填丝焊接调控装置控制逻辑图；

图5 焊接效果图。

图中，1-左侧激光焊接头；2-左侧同轴CCD相机；3-左侧送丝装置；4-左侧激光线结构光源发生器； 5-右侧激光焊接头；6-右侧同轴CCD相机；7-右侧送丝装置；8-右侧激光线结构光源发生器；9-T型接头立筋； 10-蒙皮； 11-T型待焊零件配合间隙；12-激光线结构光。

具体实施方式

下面结合具体实施例和说明书附图对本发明的一种T型接头双光束填丝焊接工艺调控装置及焊接方法作进一步阐述，但本发明的保护内容并不限于以下实施例。

实施例1

一种T型接头双光束填丝焊接工艺调控装置及进行焊接的方法利用机械手安装的CCD相机与辅助激光线结构光来检测T型接头的装配间隙，并且通过对T型接头装配间隙的检测，调控激光线能量的大小，使得焊接参量，送丝量，激光线能量相匹配。

该T型接头双光束填丝焊接工艺调控装置的结构如图1和图2所示，包括左侧激光焊接头1、左侧同轴CCD相机2、左侧送丝装置3、左侧激光线结构光源发生器4、右侧激光焊接头5、右侧同轴CCD相机6、右侧送丝装置7和右侧激光线结构光源发生器8，所述左侧激光焊接头1和右侧激光焊接头5作为T型接头双光束填丝焊接的运动载体，左侧同轴CCD相机2 和右侧同轴CCD相机6分别对应安装在左侧激光焊接头1和右侧激光焊接头5上部，左、右侧送丝装置以及左、右侧激光线结构光源发生器分别对应安装在左侧激光焊接头1和右侧激光焊接头5下部，左、右侧激光线结构光源发生器发出的激光线打在两侧的T型接头结合面处，通过左、右侧同轴CCD相机分别观察左、右侧配合间隙与左、右侧激光线结构光重合部分图像, 左、右激光焊接头的数据处理系统分别通过图像处理、特征数据提取和焊接参量计算得到焊接参量，然后将信号转化成左、右侧送丝装置，左、右侧激光线结构光源发生器和左、右侧激光焊接头可识别指令，然后分别按照指令进行对应焊接参量的焊接。

T型接头双光束填丝焊接工艺调控装置可进行立筋9与蒙皮10的焊接，包括如下步骤：

（1）在左侧激光焊接头1的上部安装左侧同轴CCD相机2，在左侧激光焊接头1下部焊接行进一侧安装左侧送丝装置3，在左侧激光焊接头1焊接下部行进的相反一侧安装左侧激光线结构光源发生器4，如图3所示。同理，右侧激光焊接头5也进行相同的改造。左侧激光焊接头1和右侧激光焊接头5作为机械手；

（2）T型接头待焊零件，立筋与蒙皮装配完成以后，两台机械手分别沿T型接头运动，左、激光线结构光源发生器发出一束激光线打在T型接头立筋9与蒙皮10结合面处，通过同轴CCD相机视场可观察到如图4所示影像。图4中通过CCD同轴视场可以观察到T型待焊零件配合间隙11以及激光线结构光12。11与12重合部分面积ΔS，可近似用公式表达为ΔS=D×H（其中D为线结构光的宽度尺寸，H为近似的11与12重叠部分的高度），ΔS即为局部位置点位下所需的送丝量。两台机械手分别沿T型接头两侧运动，得到若干个整条焊缝上与之对应的数据点ΔS 。该数据存储于机械手的数据库中，如表1所示。

表1

（3）选取的丝材直径为d，每个点位送丝速度Δp的大小可用公式2表达：

——公式2，可以得到每个点位的送丝速度Δp，其中P为送丝速度常量，如表2所示。

表2

（4）根据计算出的焊接过程中每个点位所需的填丝量ΔS，则可以计算出每个点位所需要的线能量ΔW，ΔW=W+ΔS ×K，

其中W为焊接线能量常量，K为能量系数。对应的每个点位填丝量ΔS的变化，线能量ΔW也随之变化。见表3。

表3

（5）通过工控机将计算得到的焊接参量送丝量ΔS，送丝速度Δp，线能量变化ΔW，转化为，送丝机可识别的送丝速度信号X，激光器可识别的激光功率E，机械手可识别的运行速度信号T，如表4所示。

表4

（6）两侧机械手分别按照得到指令进行对应焊接参量的焊接，送丝速度与线能量均与T型结构待焊零件装配状态相匹配，焊接过程与焊接质量能保持持续稳定。T型接头双光束填丝焊接调控装置控制逻辑图如图4所示。

对于采用2.0mm厚TC4钛合金板材作为蒙皮底板材料，采用1.5mm厚TC4钛合金板材作为立筋的母材，将立筋装配到蒙皮上形成待焊的T型接头的焊接，两台机械手分别沿T型接头运动，激光线结构光源发生器发出激光线打在T型接头立筋9与蒙皮10结合面处，通过同轴CCD相机可观察到如图4所示影像。两侧机械手数据处理系统分别通过图像处理，特征数据提取，焊接参量计算得到表5、表6数据。

表5

表6

然后，两台机械手分别按照各自生成的，表5，表6中数据信息去执行，完成T型接头两侧双光束焊接。焊后经过X光探伤，金相解剖试验，发现焊缝内部质量，外观质量均匀一致，焊缝成形良好，如图5所示。

Claims (2)

1.采用T型接头双光束填丝焊接工艺调控装置的焊接方法，所述的T型接头双光束填丝焊接工艺调控装置包括左侧激光焊接头（1）、左侧同轴CCD相机（2）、左侧送丝装置（3）、左侧激光线结构光源发生器（4）、右侧激光焊接头（5）、右侧同轴CCD相机（6）、右侧送丝装置（7）和右侧激光线结构光源发生器（8），所述左侧激光焊接头（1）和右侧激光焊接头（5）作为T型接头双光束填丝焊接的运动载体，左侧同轴CCD相机（2）和右侧同轴CCD相机（6）分别对应安装在左侧激光焊接头（1）和右侧激光焊接头（5）上部，左、右侧送丝装置以及左、右侧激光线结构光源发生器分别对应安装在左侧激光焊接头（1）和右侧激光焊接头（5）下部，左、右侧激光线结构光源发生器发出的激光线打在两侧的T型接头结合面处，通过左、右侧同轴CCD相机分别观察左、右侧配合间隙与左、右侧激光线结构光重合部分图像，左、右侧激光焊接头的数据处理系统分别通过图像处理、特征数据提取和焊接参量计算得到焊接参量，然后将信号转化成左、右侧送丝装置，左、右侧激光线结构光源发生器和左、右侧激光焊接头可识别指令，然后分别按照指令进行对应焊接参量的焊接，所述焊接参量包括每个点位的送丝量ΔS，所述每个点位的送丝量ΔS由配合间隙和激光线结构光重合部分面积确定，ΔS=D×H，其中D为激光线结构光的宽度，H为配合间隙和激光线结构光重合部分的高度，其特征在于：所述的焊接包括如下步骤：

（1）在左、右侧激光焊接头的上部分别安装左、右侧同轴CCD相机，在左、右侧激光焊接头下部的焊接行进一侧分别安装左、右侧送丝装置，在左、右侧激光焊接头下部的焊接行进同一侧分别安装左、右安装激光线结构光源发生器，左、右侧激光焊接头作为两台机械手；

（2）T型接头待焊零件装配完成以后，左、右侧激光焊接头分别沿T型接头运动，激光线结构光源发生器发出的激光线打在T型接头待焊零件的结合面处，通过同轴CCD相机观察每个点位上的待焊零件间的配合间隙与激光线结构光重合部分的图像，得到整条焊缝上若干个重合部分面积ΔS数据点，每个点位的送丝量由配合间隙和激光线结构光重合部分面积确定，每个点位的送丝量ΔS=D×H，其中D为激光线结构光的宽度，H为配合间隙和激光线结构光重合部分的高度；

（3）选取的丝材直径为d，每个点位送丝速度

，得到每个点位的送丝速度Δp，其中P为送丝速度常量；

（4）根据每个点位所需的送丝量ΔS，计算出每个点位所需要的线能量ΔW，ΔW=W+ΔS×K，其中W为焊接线能量常量，K为能量系数；

（5）通过工控机将计算得到的送丝量ΔS，送丝速度Δp，线能量变化ΔW，转化为送丝装置可识别的送丝速度信号X，激光线结构光源发生器可识别的激光功率E，激光焊接头可识别的运行速度信号T；

（6）左、右侧激光焊接头分别按照得到指令进行对应焊接参量的焊接。

2.根据权利要求1所述的焊接方法，其特征在于：所述T型接头待焊零件为T型接头立筋与蒙皮。

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