CN111644744A - 一种用于双激光束双侧同步焊接的多功能集成化焊接设备及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于双激光束双侧同步焊接的多功能集成化焊接设备及方法，属于激光焊接技术领域。其特点在于，对T型结构焊件进行精准装夹并根据几何位置实行网格蒙皮、划分节点，实现几何位置的模型化和数字化，利用PCL总线控制搭建双激光束双侧同步焊接多功能集成化试验平台，将焊缝追踪系统，高速摄像系统，结构光测量系统，红外测温系统进行多功能集成化，通过各系统反馈数据的数字化处理，对焊缝进行实时监测，达到焊缝成型精准控制的目的。

Description

一种用于双激光束双侧同步焊接的多功能集成化焊接设备及 方法

技术领域：

本发明涉及一种用于双激光束双侧同步焊接的多功能集成化焊接设备及方法，属于激光 焊接技术领域。

背景技术：

当代航空航天制造技术的飞速发展对其所用材料与结构提出巨大需求与挑战，结构件减 重成为该领域的重要发展方向之一。对于飞机机身筒段中的最为常见的蒙皮-桁条结构，基于 连接可靠性考虑，一直以来是采用铆接技术进行连接。但是大量铆钉及密封材料导致了机身 重量增加，不利于机身轻量化的发展方向；结构件装配效率低，不利于装配自动化；且所需 准备时间过长，连接部位的机械性能不稳定等。这些因素的存在致使人们急于寻求一种更为 快捷可靠的蒙皮-桁条连接技术。激光焊接技术的飞速发展使得以上问题能得到有效解决，目 前欧洲空中客车公司已成功地将激光焊接技术应用于飞机机身铝合金壁板的制造。用激光焊 接技术部分代替了传统的铆接技术，大大降低了机身整体结构的重量，制造成本也大大降低。

双激光束双侧同步焊接由两束激光同时作用在桁条两侧，能够大大提高生产效率，同时 焊接过程中形成的贯通熔池能够减小焊缝缺陷，因此双激光束双侧同步焊接技术的优化与发 展将具有重要意义。然而目前尚且缺少对此焊接过程进行实时精准控制的设备与方法，因此 通过多功能集成化可以对双激光束双侧同步焊接过程进行全方面控制与监测。针对目前激光 焊接轨迹与实际焊缝有所偏差，无法对焊接过程中的热变形进行实时测量，无法对焊接过程 中的温度分布进行实时测量等不足，并对焊接偏差，热变形，以及温度分布建立实际联系。 对于其多功能集成化的焊接控制技术仍然有待发展和完善。鉴于此，本发明专利将对双激光 束双侧同步焊接多功能集成化进行设备和方法的阐述。

发明内容：

1.一种用于双激光束双侧同步焊接的多功能集成化焊接设备及方法，其特征在于：包括 焊缝追踪系统，高速摄像系统，结构光测量系统，红外测温系统，通过多功能集成化，将不 同系统传输的数据输入到同一电脑处理器，实现对蒙皮-桁条T型结构双激光束双侧同步焊接 过程中的实时监测与反馈。

2.进一步的，双激光束双侧同步焊接所用蒙皮-桁条材料选用铝合金或钛合金，在焊前选 用碱洗液去除待焊件表面的油脂等杂质，采用酸洗焊件表面以除去氧化膜，并使用丙酮擦拭、 清洗试样表面，去除残余污染物以确保试样表面清洁。

3.进一步的，所述的焊缝追踪系统，融合多种焊缝探测信息构建焊缝特征识别模型，构 建焊缝识别跟踪、构件寻位和焊缝位置起点识别以及焊接避碰轨迹之间的关系模型。

4.进一步的，所述的高速摄像系统，能够对熔池的形态进行实时拍摄并反馈到图像处理 器，通过数字化几何测量，可以实时反馈熔池大小。

5.进一步的，所述的结构光测量系统，可以通过对T型焊件进行网格化与几何化，对焊 接过程的热变形进行测量和反馈，实时反应由于焊接热输入造成的焊后变形大小。

6.进一步的，所述的红外测温系统，可以对焊接过程中某一位置的温度进行实时测量， 并即时传输到电脑处理器。

7.进一步的，所述的多功能集成化，将多系统反馈的信息集中到同一电脑处理器中，并 形成关联数据库，实现多方面的数据的关联。

8.进一步的，所述的蒙皮-桁条T型结构双激光束双侧同步焊接平台基于激光器均匀分 光技术、双机器人同步运行以及离线编程技术，采用双激光束双侧同步焊接工艺，设计合适 的激光功率、焊接速度、保护气参数等工艺参数，从而实现单桁条T型结构的焊接。

本发明的有益效果为：

1.本发明提供一种用于双激光束双侧同步焊接的多功能集成化激光焊接设备，基于该装 置，可以按照既定方案实现双激光束双侧同步焊接过程中的多功能集成化。

2.本发明提供一种用于双激光束双侧同步焊接的多功能集成化激光焊接方法，根据多功 能集成反馈到同一电脑设备的各项数据，对焊接过程中的焊接路径、熔池形态、焊接温度及 焊接热变形进行实时分析，并对其存在的内在联系进行进一步探索。本发明体现的设备及方 法克服了双激光束双侧同步焊接蒙皮-桁条T型结构存在的焊缝偏差、热变形无法精准控制等 缺点，为提高T型结构焊接接头力学性能、改善激光焊接热变形奠定了基础。

附图说明

图1是T型结构双激光束双侧同步焊接示意图；

图2是多功能集成化激光焊接接头设备示意图；

图3是T型结构双激光束双侧同步焊接过程的多功能集成化流程图；

图中，1-桁条，2-蒙皮，3-送丝嘴，4-保护气喷嘴，5-激光束，6-焊缝追踪系统，7-高速 摄像系统，8-结构光测量系统，9-红外测温系统，10-激光头，11-光纤，12-电脑处理器终端。

具体实施方式：

本发明提供一种用于双激光束双侧同步焊接的多功能集成化焊接设备及方法，为使本发 明的目的、效果及技术方案更加鲜明，参照附图并对照实例对本发明进行详细说明。应当理 解，此处所描述的具体实施仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

下面通过具体的实例并结合附图对本发明进行详细描述。

双激光束双侧同步焊接T型接头的蒙皮和桁条材料选用的是铝合金或者钛合金，其中蒙 皮尺寸为宽50～150mm×长200～600mm×厚2～4mm；桁条尺寸为宽10～50mm×长200～600mm× 厚2～4mm×高10～40mm；所用填充材料为铝合金或者钛合金焊丝，焊丝直径1.2～1.6mm，。 在温度为45～55℃环境下，将待焊件安放于不锈钢篮筐内，零件叠放时使用隔离物避免零件 平面之间重叠或贴合，选用碱洗液(其中氢氧化钠20～35g/L，碳酸钠20～30g/L)处理待焊件 0.5～2min，以去除材料表面的氧化膜；焊前使用丙酮擦拭、清洗试样表面，去除残余污染物 以确保试样表面清洁，具体的处理方法如下：丙酮除油、去除氧化膜处理、清水冲洗、中和 光化(浸入30％硝酸溶液3min)、清水冲洗、烘干(100～120℃)。

进行双激光束双侧同步焊接实验，实验所用激光设备为德国TRUMPF公司生产的TruDisk-12003碟片激光器，其最大输出功率可达12000W；焊接过程的控制由KUKA KR30HA六轴焊接机器人来完成，其最大工作范围为2033mm，重复精度为±0.05mm。双激光束双侧同步焊接示意图如图1所示，两侧激光束5聚焦在桁条1两侧的蒙皮2表面对称位置上并保证同步移动。一侧的激光束5、保护气喷嘴4与送丝嘴3在与水平面呈一定角度的同一平面上互成角度装配并保证运动过程中相对静止。焊接实验选用参数为激光功率2000～4000W，焊接速度2～4m/min，激光入射角度23～41°。

在双激光束双侧同步焊接过程中采用的多功能集成化传感器由焊缝追踪系统6，高速摄 像系统7，结构光测量系统8和红外测温系统9组成，能够对焊接过程的焊缝轨迹、熔池形 貌、变形、温度进行实时反映，如图2所示。由于双激光束双侧同步焊接具有对称性，因此 每一类传感器分居两侧，对称分布。其中桁条两侧的焊缝追踪系统6针对长直焊缝及复杂焊 缝能够对焊接位置进行实时反馈，将焊缝特征信息通过光纤11传输到电脑处理器终端12， 通过对焊缝特征信息进行数字化处理，将输出信号传入焊接机器人，实时纠正激光路径的偏 差。桁条两侧的高速摄像系统7能够将高速摄像机拍摄到的熔池形貌转换为图像信号通过光 纤11传到电脑处理器终端12，电脑处理器会对两个传感器传递的图像信号并行处理，对两 侧的熔池形貌进行同步呈现，便于观察不同时刻桁条两侧熔池的形貌差别。桁条两侧的结构 光测量系统8能够基于焊前的蒙皮位置作为标准量，对焊缝在焊接过程中的热变形进行测量 与反馈，将信号通过光纤11传到电脑处理器终端12，实时记录焊缝不同位置的变形量大小。 桁条两侧的红外测温系统9随着激光头移动，能够对熔池的温度进行实时测量，通过光纤11 传到电脑处理器终端12，电脑处理器将两侧的温度进行并行处理，反馈出每一侧随着激光头 的移动熔池发生的温度变化。

在双激光束双侧同步焊接过程中，焊缝追踪系统6，高速摄像系统7，结构光测量系统8 和红外测温系统9将采集到的信号通过光纤11共同反馈到电脑处理器终端12中，2219铝合 金T型结构双激光束双侧同步焊接过程的多功能集成化流程图如图3所示。电脑处理器终端 通过对焊缝追踪系统6传输的信号进行路径是否发生偏差的判定，如果与预设路径有差别， 则通过自动纠偏装置对路径进行纠正，达到焊接路线沿着预设路径进行的目的。高速摄像系 统7拍摄到的熔池形貌、结构光测量系统8对焊接变形的实时测量数据以及红外测温系统9 对熔池温度的实时测量数据将建立起关联数据库，对某个焊接参数下不同时刻的、熔池形貌 与变形大小建立一一对应的关系。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为了清楚说明本发明所作的举例，而并非是对本发明 的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其 它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神 和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之 内。

Claims (8)

1.一种用于双激光束双侧同步焊接的多功能集成化焊接设备及方法，其特征在于：将双激光束双侧同步焊接中的焊缝追踪系统，高速摄像系统，结构光测量系统，红外测温系统进行多功能集成化，通过PLC总线反馈数据的数字化处理，对焊缝多物理信息进行实时监测和质量在线评估。

2.根据权利要求1所述的一种用于双激光束双侧同步焊接的多功能集成化激光焊接设备，其特征在于：焊缝追踪系统可以对焊缝特征多信息进行识别，尤其是复杂焊缝及长直焊缝，实时纠正激光路径的偏差。

3.根据权利要求1所述的一种用于双激光束双侧同步焊接的多功能集成化激光焊接设备，其特征在于：高速摄像系统对熔池进行实时监测，通过电压传感器信号波动对熔池稳定性进行评估。

4.根据权利要求1所述的一种用于双激光束双侧同步焊接的多功能集成化激光焊接设备，其特征在于：结构光测量系统对焊缝热变形进行测量与反馈，实时记录焊缝不同位置的变形量大小。

5.根据权利要求1所述的一种用于双激光束双侧同步焊接的多功能集成化激光焊接设备，其特征在于：红外测温系统可以对不同时空的温度分布进行测量，实时反馈随着激光头的移动，不同时刻熔池的温度变化。

6.根据权利要求1所述的一种用于双激光束双侧同步焊接的多功能集成化激光焊接方法，其特征在于：PLC总线控制搭建双激光束双侧同步焊接平台进行试验，明确网格结构模型及通讯协议。

7.根据权利要求1所述的一种用于双激光束双侧同步焊接的多功能集成化激光焊接方法，其特征在于：多功能集成化将各系统反馈的数据集中于同一台电脑处理器，采用关联分析的方法，对双激光束双侧同步焊接过程中的数据进行分析。

8.根据权利要求7所述的一种关联分析的方法，其特征在于：根据焊缝追踪系统获得的焊缝位置信息，对焊缝进行预定路径规划的调整；根据红外测温系统、高速摄像系统和结构光测量系统测量获得的数据，对焊接温度、熔池形貌与热变形建立关联数据库，作为对三者关系进一步分析的数据支撑，从而达到根据对实验参数的调控来预控焊接温度与熔池大小，从而达到预测变形的目的。

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