CN116021182A - 一种激光复合焊间隙超差自适应调节系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种激光复合焊间隙超差自适应调节系统，该自适应调节系统包括激光跟踪器、集成箱、焊机、焊枪以及焊接参数计算单元，激光跟踪器安装在集成箱上，用于实时测量未焊段前端的实际坡口间隙，并将实际坡口间隙输送至焊接参数计算单元，焊接参数计算单元用于接收预先输入的理论参数和实际坡口间隙，并根据实际坡口间隙计算出所需的实际送丝速度以及实际焊接参数，焊机用于接受焊接参数计算单元发出的实际送丝速度以及实际焊接参数，焊枪集成在集成箱上，接收焊机的指令进行焊接。整个系统通过实时检测焊接熔池前端的间隙变化，结合实际坡口间隙实时调整焊接参数，在送丝速度改变的同时改变焊接参数，保证焊缝成型稳定。

Description

一种激光复合焊间隙超差自适应调节系统

技术领域

本发明涉及机械加工领域，特别是涉及一种激光复合焊间隙超差自适应调节系统。

背景技术

激光复合焊在国内船舶领域作为一种先进的焊接工艺，拥有焊接速度快，变形小的特点，但对工况条件十分苛刻，通常需要坡口间隙控制在0.5mm以内，但实际工程建设中，间隙超差现象很常见，也就是坡口间隙过大，这对焊接质量会造成较大影响。同时，坡口间隙超差不均匀也会造成焊缝成型质量不稳定。

因此，需要提供一种焊接系统，实时对焊接参数进行调整，以适应焊接时坡口间隙的变化。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种激光复合焊间隙超差自适应调节系统，用于解决现有技术中坡口间隙过大、焊缝成型不稳定的问题。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种激光复合焊间隙超差自适应调节系统，所述自适应调节系统包括激光跟踪器、集成箱、焊机、焊枪以及焊接参数计算单元；

所述激光跟踪器安装在集成箱上，用于实时测量未焊段前端的实际坡口间隙，并通过集成箱以及电路将实际坡口间隙输送至焊接参数计算单元；

所述焊接参数计算单元用于接收预先输入的理论参数和激光跟踪器采集的实际坡口间隙G0，并根据实际坡口间隙计算出所需的实际送丝速度Vs₁以及实际焊接参数，将实际送丝速度和实际焊接参数发送给焊机；实际焊接参数包括实时焊接电流I1和实时焊接电压U1；

所述焊机的信号源集成在集成箱上，用于接受焊接参数计算单元发出的实际送丝速度以及实际焊接参数；

所述焊枪集成在集成箱上，接收焊机的指令，进行焊接。

优选地，预先输入的理论参数包括：焊接速度Vh、激光功率P、理论送丝速度Vs₀、离焦量、激光功率P、焊丝干伸长、光丝间距、工件厚度T、理论坡口间隙G、焊丝直径d、理论正反面焊缝余高之和H；其中H指的是焊缝凸出于工件上表面厚度a与焊缝凸出于工件下表面厚度b之和，H＝a+b。

优选地，所述焊接参数计算单元对实际送丝速度Vs₁的计算方法为：

(1)根据未焊段前端的实际坡口间隙G0，计算得出所需的实际焊丝填充量体积E实际：

ΔG＝G-G0；

未焊段相比理论焊丝填充量的变化量：ΔE＝(T+H)×ΔG×L；L为未焊段的长度；

理论焊丝填充量：E理论＝Vs₀×(L/Vh)×π×(d/2)²；

实际焊丝填充量：E实际＝E理论+ΔE；

(2)然后再根据实际焊丝填充量E实际推导出相应的实际送丝速度Vs₁：

Vs₁＝Vh×E实际/(π×(d/2)2×L)。

优选地，所述焊接参数计算单元对实时焊接电流I1和实时焊接电压U1的计算方法为：

ΔVs＝Vs₁-Vs₀；

弧长修正M＝-ΔVs/Vs₀；

I1＝I0×(1-M)，I0为根据理论焊丝填充量设定的焊接电流；

U1＝U0×(1-M)，U0为根据理论焊丝填充量设定的焊接电压。

优选地，焊接方式为激光复合焊。

优选地，实际坡口间隙小于1mm。

本发明提供一种激光复合焊间隙超差自适应调节系统，该自适应调节系统包括激光跟踪器、集成箱、焊机、焊枪以及焊接参数计算单元，激光跟踪器安装在集成箱上，用于实时测量未焊段前端的实际坡口间隙，并通过集成箱以及电路将实际坡口间隙输送至焊接参数计算单元，焊接参数计算单元用于接收预先输入的理论参数和激光跟踪器采集的实际坡口间隙，并根据实际坡口间隙计算出所需的实际送丝速度以及实际焊接参数，焊机的信号源集成在集成箱上，用于接受焊接参数计算单元发出的实际送丝速度以及实际焊接参数，焊枪集成在集成箱上，接收焊机的指令，进行焊接。整个系统通过实时检测焊接熔池前端的间隙变化，结合实际坡口间隙实时调整焊接参数，在送丝速度改变的同时改变焊接参数，保证焊缝成型的稳定，减少缺陷的发生。

本发明能够针对焊缝端面垂直度达到90°(即工件相接的接触面与上下表面垂直)、对接焊缝焊前合拢后间隙在1mm范围内(即坡口间隙在1mm内)参差不齐的波动进行实时焊接参数调整，间隙检测装置使用激光跟踪器，根据跟踪器接收的间隙数据实时计算焊接理论值应如何调整，以满足特定工况下的要求。

附图说明

图1显示为本发明中的部件结构示意图。

图2显示为本发明中的焊接坡口示意图。

图3显示为本发明中的系统运行流程图。

元件标号说明

11                      焊枪

12                      集成箱

13                      激光跟踪器

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。

如在详述本发明实施例时，为便于说明，表示器件结构的剖面图会不依一般比例作局部放大，而且所述示意图只是示例，其在此不应限制本发明保护的范围。此外，在实际制作中应包含长度、宽度及深度的三维空间尺寸。

为了方便描述，此处可能使用诸如“之下”、“下方”、“低于”、“下面”、“上方”、“上”等的空间关系词语来描述附图中所示的一个元件或特征与其他元件或特征的关系。将理解到，这些空间关系词语意图包含使用中或操作中的器件的、除了附图中描绘的方向之外的其他方向。此外，当一层被称为在两层“之间”时，它可以是所述两层之间仅有的层，或者也可以存在一个或多个介于其间的层。本文使用的“介于……之间”表示包括两端点值。

在本申请的上下文中，所描述的第一特征在第二特征“之上”的结构可以包括第一和第二特征形成为直接接触的实施例，也可以包括另外的特征形成在第一和第二特征之间的实施例，这样第一和第二特征可能不是直接接触。

需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图示中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，其组件布局型态也可能更为复杂。

如图1-图2所示，本发明提供一种激光复合焊间隙超差自适应调节系统，所述自适应调节系统包括激光跟踪器、集成箱、焊机、焊枪以及焊接参数计算单元；

所述激光跟踪器安装在集成箱上，用于实时测量未焊段前端的实际坡口间隙，并通过集成箱以及电路将实际坡口间隙输送至焊接参数计算单元；

所述焊接参数计算单元用于接收预先输入的理论参数和激光跟踪器采集的实际坡口间隙，并根据实际坡口间隙计算出所需的实际送丝速度Vs₁以及实际焊接参数，将实际送丝速度和实际焊接参数发送给焊机；预先输入的理论参数包括：焊接速度Vh、激光功率P、理论送丝速度Vs₀、离焦量、激光功率P、焊丝干伸长、光丝间距、工件厚度T、理论坡口间隙G、焊丝直径d、理论正反面焊缝余高之和H；其中H指的是焊缝凸出于工件上表面厚度a与焊缝凸出于工件下表面厚度b之和，即H＝a+b。实际焊接参数包括实时焊接电流I1和实时焊接电压U1。

所述焊机的信号源集成在集成箱上，用于接受焊接参数计算单元发出的实际送丝速度以及实际焊接参数；

所述焊枪集成在集成箱上，接收焊机的指令，进行焊接。应当理解的是，所述激光跟踪器位于所述焊枪的前端，从而先完成实时测量再进行焊接。

上述理论参数在焊接参数计算单元进行处理。所述焊接参数计算单元对实际送丝速度Vs₁的计算方法为：

(1)根据未焊段前端的实际坡口间隙G0，计算得出所需的实际焊丝填充量体积E实际：

ΔG＝G-G0；

未焊段相比理论焊丝填充量的变化量：ΔE＝(T+H)×ΔG×L；其中，L为未焊段的长度；

理论焊丝填充量：E理论＝Vs₀×(L/Vh)×π×(d/2)²；其中，Vh为焊接速度，即焊缝的成形速度；

实际焊丝填充量：E实际＝E理论+ΔE。

上述公式中，L/Vh得到未焊段所需的焊接时间，焊接时间乘理论送丝速度得到相应的焊丝长度，再乘焊丝截面积，得到理论焊丝填充量E理论。

(2)然后，再根据实际焊丝填充量E实际推导出相应的实际送丝速度Vs₁：

Vs₁＝Vh×E实际/(π×(d/2)²×L)，计算原理参照上述E理论的计算原理；

进一步，还需要根据送丝量对焊接时的电弧端能量进行实时调整。电弧端能量变化根据送丝量的变化成正比，送丝速度的增加将同时增加电弧端的能量，根据送丝速度增加的百分比，计算弧长修正保持电弧端能量守恒，最终得出实时焊接电流I1和实时焊接电压U1。

ΔVs＝Vs₁-Vs₀；

弧长修正M(％)＝-ΔVs/Vs₀

I1＝I0×(1-M)，I0为根据理论焊丝填充量推导的焊接电流；

U1＝U0×(1-M)，U0为根据理论焊丝填充量推导的焊接电压；

如图3所示，本发明中的自适应调节系统的运行方法如下：

1、在后台计算机的操作面板人工输入理论参数，包括理论送丝速度Vs₀、焊接速度Vh、激光功率P、理论坡口间隙G，工件厚度T，焊丝直径d，理论正反面焊缝余高之和H，在焊接参数计算单元进行处理。

2、设定焊枪运动轨迹，即焊缝轨迹

3、启动集成箱及激光跟踪器

4、激光跟踪器采集未焊段前端的实际坡口间隙G0，通过集成箱以及电路输送至焊接参数计算单元。焊接参数计算单元计算后得到实际所需的送丝速度Vs₁、实时焊接电流I1、实时焊接电压U1

5、启动焊机，焊机根据计算出的实际所需的焊接参数，指示焊枪，按照设定轨迹和速度运行，使焊缝成型在间隙超差的条件下，成型效果接近于理论值。

综上所述，本发明提供一种激光复合焊间隙超差自适应调节系统，该自适应调节系统包括激光跟踪器、集成箱、焊机、焊枪以及焊接参数计算单元，激光跟踪器安装在集成箱上，用于实时测量未焊段前端的实际坡口间隙，并通过集成箱以及电路将实际坡口间隙输送至焊接参数计算单元，焊接参数计算单元用于接收预先输入的理论参数和激光跟踪器采集的实际坡口间隙，并根据实际坡口间隙计算出所需的实际送丝速度以及实际焊接参数，焊机的信号源集成在集成箱上，用于接受焊接参数计算单元发出的实际送丝速度以及实际焊接参数，焊枪集成在集成箱上，接收焊机的指令，进行焊接。整个系统通过实时检测焊接熔池前端的间隙变化，结合实际坡口间隙实时调整焊接参数，在送丝速度改变的同时改变焊接参数，保证焊缝成型的稳定，减少缺陷的发生。

本发明能够针对焊缝端面垂直度达到90°(即工件相接的接触面与上下表面垂直)、对接焊缝焊前合拢后间隙在1mm范围内(即坡口间隙在1mm内)参差不齐的波动进行实时焊接参数调整，间隙检测装置使用激光跟踪器，根据跟踪器接收的间隙数据实时计算焊接理论值应如何调整，以满足特定工况下的要求。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (6)

1.一种激光复合焊间隙超差自适应调节系统，其特征在于，所述自适应调节系统包括激光跟踪器、集成箱、焊机、焊枪以及焊接参数计算单元；

所述激光跟踪器安装在集成箱上，用于实时测量未焊段前端的实际坡口间隙，并通过集成箱以及电路将实际坡口间隙输送至焊接参数计算单元；

所述焊接参数计算单元用于接收预先输入的理论参数和激光跟踪器采集的实际坡口间隙G0，并根据实际坡口间隙计算出所需的实际送丝速度Vs₁以及实际焊接参数，将实际送丝速度和实际焊接参数发送给焊机；实际焊接参数包括实时焊接电流I1和实时焊接电压U1；

所述焊机的信号源集成在集成箱上，用于接受焊接参数计算单元发出的实际送丝速度以及实际焊接参数；

所述焊枪集成在集成箱上，接收焊机的指令，进行焊接。

2.根据权利要求1所述的自适应调节系统，其特征在于：

预先输入的理论参数包括：焊接速度Vh、激光功率P、理论送丝速度Vs₀、离焦量、激光功率P、焊丝干伸长、光丝间距、工件厚度T、理论坡口间隙G、焊丝直径d、理论正反面焊缝余高之和H；其中H指的是焊缝凸出于工件上表面厚度a与焊缝凸出于工件下表面厚度b之和，H＝a+b。

3.根据权利要求2所述的自适应调节系统，其特征在于，所述焊接参数计算单元对实际送丝速度Vs₁的计算方法为：

(1)根据未焊段前端的实际坡口间隙G0，计算得出所需的实际焊丝填充量体积E实际：

ΔG＝G-G0；

未焊段相比理论焊丝填充量的变化量：ΔE＝(T+H)×ΔG×L；L为未焊段的长度；

理论焊丝填充量：E理论＝Vs₀×(L/Vh)×π×(d/2)²；

实际焊丝填充量：E实际＝E理论+ΔE；

(2)然后再根据实际焊丝填充量E实际推导出相应的实际送丝速度Vs₁：

Vs₁＝Vh×E实际/(π×(d/2)²×L)。

4.根据权利要求3所述的自适应调节系统，其特征在于，所述焊接参数计算单元对实时焊接电流I1和实时焊接电压U1的计算方法为：

ΔVs＝Vs₁-Vs₀；

弧长修正M＝-ΔVs/Vs₀；

I1＝I0×(1-M)，I0为根据理论焊丝填充量设定的焊接电流；

U1＝U0×(1-M)，U0为根据理论焊丝填充量设定的焊接电压。

5.根据权利要求1所述的自适应调节系统，其特征在于：焊接方式为激光复合焊。

6.根据权利要求1所述的自适应调节系统，其特征在于：实际坡口间隙小于1mm。

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