CN111822855A - 一种钛合金蒙皮-桁条壁板双激光束双侧同步焊接缺陷抑制的体系化调控方法 - Google Patents

一种钛合金蒙皮-桁条壁板双激光束双侧同步焊接缺陷抑制的体系化调控方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种钛合金蒙皮‑桁条壁板双激光束双侧同步焊接缺陷抑制的体系化调控方法。通过开展钛合金蒙皮‑桁条壁板试片件双激光束双侧同步焊接实验，收集接头信息，利用RSM响应面分析法建立起工艺参数与焊缝信息、接头缺陷信息之间的统计学模型。在钛合金蒙皮‑桁条壁板结构件双激光束双侧同步焊接过程中，激光过程控制系统对焊缝区域进行实时监测，捕捉的焊缝信息经处理后反馈至信息判断中心。若焊缝质量不合格，根据反馈的判定结果，调节中心进一步提出参数优化方案，焊接过程继续。优化方案的制定以试片件实验所建立的工艺参数与焊缝信息、接头缺陷信息的统计学模型为指导，最终实现了控制钛合金蒙皮桁条壁板双激光束双侧同步焊接缺陷的目的。

Description

一种钛合金蒙皮-桁条壁板双激光束双侧同步焊接缺陷抑制 的体系化调控方法
技术领域
本发明涉及激光焊接技术领域，具体涉及一种钛合金蒙皮-桁条壁板双激光束双侧同步焊接缺陷抑制体系化调控方法，特别涉及双激光束双侧同步焊接过程的体系化控制技术。
背景技术
钛合金具有良好比强度、比模量等独特优势，与铝合金蒙皮-桁条壁板结构相比，钛合金蒙皮-桁条壁板结构有着更高的可靠性，同时也满足了飞行器对轻量化的需求，在航空工业的迅速发展背景下，钛合金蒙皮-桁条壁板结构的应用更为广泛。双激光束双侧同步焊接技术是一种全新的激光焊接工艺，该技术能有效缓解蒙皮-壁板的变形问题，同时也成功避免了传统的单面焊双面成形工艺对蒙皮表面完整性的破坏，因而该技术有着极大的优越性。在国外，该工艺已经实现了在不同系列的大型载人客机上的应用。
由于焊接工艺的不成熟，焊接过程中易产生焊接缺陷。焊接缺陷的存在，将严重影响焊件的力学性能，因此焊接缺陷的控制一直以来都是亟待解决的难题。钛合金在焊接过程中极易吸氢、吸氧，若保护不当，焊后焊缝区将存在大量气孔缺陷。且由于当前钛合金双激光束双侧同步焊接工艺尚不完善，工艺参数的选择不当时，焊后出现的未熔合、未焊透以及裂纹等焊接缺陷将大大削弱焊件的疲劳极限，降低焊件的使用寿命，实现钛合金蒙皮-桁条壁板双激光束双侧同步焊接缺陷的抑制仍存在一定困难。
发明内容
针对上述存在的问题，本发明旨在提供一种钛合金蒙皮-桁条壁板双激光束双侧同步焊接缺陷的抑制体系化调控方法。通过对焊接过程以及焊后凝固的焊缝区域进行实时监测，分离得到缺陷信息并反馈至信息控制中心进行判定。基于判断结果，对工艺参数进行进一步优化，从而实现对焊缝区缺陷的控制。
为了达到上述目的，本发明提供的一种钛合金蒙皮-桁条壁板双激光束双侧同步焊接缺陷的抑制体系化调控方法，包括下述步骤：
(1)激光过程控制系统实时监测焊缝质量：在实际焊接过程中，激光过程控制系统对焊缝质量进行实时监测，利用自身集成的传感器对焊缝宏观成形情况以及3D焊缝数据进行捕捉；
(2)焊缝缺陷信息的提取与反馈：基于传感器捕捉的3D焊缝信息和3D接头信息，全局控制系统对焊缝信息与接头缺陷信息进行分离和提取，并进一步反馈至信息判断中心；
(3)焊缝质量判断：信息判断中心对所得的缺陷信息进行判断，当焊缝区未出现大尺寸气孔、未熔合、焊漏、咬边等缺陷时，此时判定焊缝质量合格，焊接过程可继续进行；当焊缝区出现大尺寸气孔缺陷，或者焊缝出现焊漏、未熔合等焊接缺陷时，可判定焊缝质量不合格，焊接过程终止，判定结果反馈至调节中心；
(4)参数优化方案的制定：调节中心接收到缺陷信息的判定结果，当焊缝质量不合格时，需要对工艺参数进行优化调整。以试片件实验所建立的工艺参数与焊接缺陷响应之间的统计学模型为指导，对焊接工艺参数进行优化处理。通过调整激光功率、焊接速度、离焦量以及激光入射角度等参数，实现对钛合金蒙皮-桁条壁板双激光束双侧同步焊接缺陷的控制。
进一步地，搭设激光过程控制系统，实际焊接过程中，激光过程控制系统位于激光头后侧，并与激光头保持同步，可实现对焊缝质量的实时监测。
进一步地，激光过程控制系统集成有3D激光传感器、视频传感器、反射式光电传感器以及温度传感器，其中，3D焊缝信息由3D激光传感器、视频传感器进行捕捉，缺陷信息由温度传感器和反射式光电传感器进行捕捉。所有信息均以电信号的形式反馈至信息判断中心。
进一步地，传感器捕捉的焊缝信息传递至全局控制系统，由系统自带算法对焊缝3D信息和缺陷信息进行提取分离，基于焊缝3D信息判断是否出现焊漏、未焊透、咬边以及表面粗糙度过大等缺陷，对缺陷信息进行分析，判断是否存在大尺寸气孔等缺陷。
进一步地，采用中心复合设计(Central Composite Design，CCD)进行实验方案设计，开展钛合金蒙皮-桁条壁板试片件双激光束双侧同步焊接实验，焊后利用金相观察等手段采集不同工艺参数下的焊缝信息与接头缺陷数据。将获得的焊缝信息与接头缺陷数据进行汇总，其中包括气孔率S、熔深D(mm)、焊缝宽度W(mm)。将工艺参数(激光功率P(W)，焊接速度v(mm/s)，激光入射角度A(°)，离焦量f)作为输入参数，焊接接头信息以及缺陷数据(气孔率S，熔深D，焊缝宽度W)作为输出响应，采用RSM(Response Surface Method)响应面分析法，建立起工艺参数与焊缝信息、接头缺陷信息之间的统计学模型。在模型的基础上，可很好地剖析各工艺参数的独立作用及交互作用，针对反馈的缺陷信息，对工艺参数进行针对性的优化调整，从而制定出完善的参数优化方案。
本发明的有益效果在于：由于焊接工艺的不成熟以及工艺参数的选择不当，在钛合金双激光束双侧同步焊接过程中易出现焊漏、未焊透、大尺寸气孔等多类焊接缺陷。搭设的激光过程控制系统与激光头同步运动，利用内部集成的传感器可实现对焊缝质量的实时监测。焊缝信息经全局控制系统和信息判断中心处理后，将判断结果反馈至调节中心，进而制定出相应的参数优化方案，实现了实时抑制钛合金蒙皮-桁条壁板双激光束双侧同步焊接缺陷的目的。
附图说明
图1为本发明所述双激光束双侧同步焊接缺陷抑制体系化调控方法流程图；
图2为本发明所述RSM响应面分析法建立工艺参数与焊接缺陷之间的统计学模型流程图；
图3为本发明所述钛合金蒙皮-桁条壁板双激光束双侧同步焊接示意图；
其中，1-蒙皮，2-激光头，3-桁条，4-焊缝，5-激光束，6-激光过程控制系统。
具体实施方式
以下为本发明一种钛合金蒙皮-桁条壁板双激光束双侧同步焊接缺陷体系化调控方法的具体说明。
针对TC4钛合金蒙皮-桁条壁板开展试片件双激光束双侧同步焊接实验，其中蒙皮厚度为1.2mm，桁条简化为平板，其尺寸为500mm×100mm×2mm。实验采用TruDisk 12003碟片式激光器，最大功率为12000W，激光器一带一分二光闸，配备2根光纤，长度30m，芯径均分为1000μm，分别连接到两台激光焊接头，从而实现双光束激光焊接工艺。
采用中心复合设计(Central Composite Design，CCD)进行实验方案设计，并开展钛合金蒙皮-桁条壁板试片件双激光束双侧同步焊接实验。焊接实验完成后，焊件经线切割获得金相试样，对获得的试样进行打磨、抛光、腐蚀，采集接头微观焊接缺陷信息，计算不同试样的接头气孔率，测量焊缝信息，包括熔深、焊缝宽度等。采用RSM响应面分析法，建立起工艺参数(xi，xj：激光功率，焊接速度，离焦量，保护气流量)与焊缝信息、接头缺陷数据(Y：气孔率，最大气孔尺寸，熔深，焊缝宽度)响应之间的数学关系，其基本形式如式1所示：
Figure BSA0000209159680000031
式中，ε0为随机试验误差；βi为一次向常系数；βij为多因素交互项常系数；βii为二次项常系数；β0为响应面设计空间中心点响应值。
模型经过显著性检验后，对参数方案的制定具有可靠的指导性作用。
开展钛合金蒙皮-桁条壁板结构件双激光束双侧同步焊接实验，利用与激光头同步的激光过程控制系统可对焊缝成形情况进行实时监测，得到的3D焊缝数据和接头数据经全局控制系统处理后，反馈至信息判断中心。由信息判断中心对焊缝质量进行判定，当检测焊缝位置不存在大尺寸气孔，且未出现焊漏、未熔合等焊接缺陷时，此时判定焊缝质量合格，焊接过程可继续进行；当检测结果显示焊缝位置存在大尺寸气孔时，或者焊缝出现焊漏、未熔合等焊接缺陷时，信息判断中心判定焊缝质量不合格，焊接过程终止，判定结果反馈至调节中心。基于RSM响应面分析法建立的工艺参数与焊缝信息、接头缺陷信息之间统计学关系，调节中心对工艺参数进行针对性的优化调整，得到完善的参数优化方案。工控机重新配置优化后的参数，焊接过程继续。
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 (5)

1.一种钛合金蒙皮-桁条壁板双激光束双侧同步焊接缺陷的抑制体系化调控方法，其特征在于，该调控方法包括如下步骤：
(1)激光过程控制系统实时监测焊缝质量：在实际焊接过程中，激光过程控制系统对焊缝质量进行实时监测，利用自身集成的传感器对焊缝宏观成形情况以及3D焊缝数据进行捕捉；
(2)焊缝信息的提取与反馈：基于传感器捕捉的3D焊缝信息和3D接头信息，全局控制系统对焊缝信息与接头缺陷信息进行分离和提取，并进一步反馈至信息判断中心；
(3)焊缝质量判断：信息判断中心对所得的缺陷信息进行判断，当焊缝区未出现大尺寸气孔、未熔合、焊漏、咬边等缺陷时，此时判定焊缝质量合格，焊接过程可继续进行；当焊缝区出现大尺寸气孔缺陷，或者焊缝出现焊漏、未熔合等焊接缺陷时，可判定焊缝质量不合格，焊接过程终止，判定结果反馈至调节中心；
(4)参数优化方案的制定：调节中心接收到缺陷信息的判定结果，当焊缝质量不合格时，需要对工艺参数进行优化调整。以试片件实验所建立的工艺参数与焊接缺陷响应之间的统计学模型为指导，对焊接工艺参数进行优化处理。通过调整激光功率、焊接速度、离焦量以及激光入射角度等参数，实现对钛合金蒙皮-桁条壁板双激光束双侧同步焊接缺陷的控制。
2.根据权利要求1所述的一种钛合金蒙皮-桁条壁板双激光束双侧同步焊接缺陷的抑制体系化调控方法，其特征在于：搭设激光过程控制系统，实际焊接过程中，激光过程控制系统位于激光头后侧，并与激光头保持同步，可实现对焊缝质量的实时监测。
3.根据权利要求1所述的一种钛合金蒙皮-桁条壁板双激光束双侧同步焊接缺陷的抑制体系化调控方法，其特征在于：激光过程控制系统集成有3D激光传感器、视频传感器、反射式光电传感器以及温度传感器，其中，3D焊缝信息由3D激光传感器、视频传感器进行捕捉，缺陷信息由温度传感器和反射式光电传感器进行捕捉。所有信息均以电信号的形式反馈至信息判断中心。
4.根据权利要求1所述的一种钛合金蒙皮-桁条壁板双激光束双侧同步焊接缺陷的抑制体系化调控方法，其特征在于：传感器捕捉的焊缝信息传递至全局控制系统，由系统自带算法对焊缝3D信息和缺陷信息进行提取分离，基于焊缝3D信息判断是否出现焊漏、未焊透、咬边以及表面粗糙度过大等缺陷，对缺陷信息进行分析，判断是否存在大尺寸气孔等缺陷。
5.根据权利要求1所述的一种钛合金蒙皮-桁条壁板双激光束双侧同步焊接缺陷的抑制体系化调控方法，其特征在于：采用中心复合设计(Central Composite Design，CCD)进行实验方案设计，开展钛合金蒙皮-桁条壁板试片件双激光束双侧同步焊接实验，焊后利用金相观察等手段采集不同工艺参数下的焊缝信息与接头缺陷数据。将获得的焊缝信息与接头缺陷数据进行汇总，其中包括气孔率S、熔深D(mm)、焊缝宽度W(mm)。将工艺参数(激光功率P(W)，焊接速度v(mm/s)，激光入射角度A(°)，离焦量f)作为输入参数，焊接接头信息以及缺陷数据(气孔率S，熔深D，焊缝宽度W)作为输出响应，采用RSM(Response SurfaceMethod)响应面分析法，建立起工艺参数与焊缝信息、接头缺陷信息之间的统计学模型。在模型的基础上，可很好地剖析各工艺参数的独立作用及交互作用，针对反馈的缺陷信息，对工艺参数进行针对性的优化调整，从而制定出完善的参数优化方案。
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GR01 Patent grant
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