CN116713644A - 一种针对飞机翼板焊接构件分区独立控制的多系统协同去应力与矫形装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种针对飞机翼板焊接构件分区独立控制的多系统协同去应力与矫形装置及方法，该装置包括冷却模块、夹紧模块、应力与温度监测模块、中央控制模块及一体式工装台，冷却模块和夹紧模块通过配备独立传感器与中央控制模块相连，实现不同区域的冷却通道及夹紧力的独立精准控制，从而实现精确且灵活的应力变形调控。正式焊接时不同区域的冷却模块及夹紧模块根据区域内温度场的变化实时自动调节冷却液及冷却气体流速，同时中央控制模块通过对冷却模块和夹紧模块的数据进行分析，保证两模块的最佳协同作用，从而实现对各个区域的实时精准应力调控。本发明的装置与方法能最大程度地降低飞机翼板焊接构件的焊接应力，获得高质量的焊接产品。
Description
技术领域
本发明涉及焊接控制应力与变形技术领域，特别涉及一种针对飞机翼板焊接构件分区独立控制的多系统协同去应力与矫形装置及方法。
背景技术
在航空航天领域中，由于焊接技术具有减重效果显著、生产效率高、容易实现自动化等优点，因此在飞机翼板构件的制造中，焊接是最常使用的加工方法之一。但是，在焊接飞机翼板构件过程中难以避免的问题就是焊接应力较大，容易引起飞机翼板焊接构件的变形和开裂，在实际焊接的过程中，焊接应力和变形的产生是由于在焊接过程中待焊件近热源处各部分受热不均匀，在经历局部加热与快速冷却后产生热涨，而在远离热源位置则没有产生热涨，故而热涨变形受到了相应的阻碍，最终在焊接完成后，会产生焊接变形以及焊后残余应力，因此通过调控温度场减小各区域温度梯度是解决焊后残余应力与变形过大的最有效手段。
目前，在实际工艺生产过程中，为减小焊后残余应力与变形并提高焊接效率，通常采用随焊冷却方法，常见的有喷水法、浸水法等。其中喷水法冷却效果较好，但是水的喷射是一种相对复杂的现象，因此很难对其进行精确地控制，进而使得接接头局部冷却不足或过度冷却，从而导致焊接效果不均匀。浸水法冷却效果次之，其核心是采用整体降温的方法减小温度梯度，从而达到减小应力与变形的目的，其缺点也是难以通过分区的方法实现精准调控。此外，较高的成本和难以实现自动化也限制了上述去应力与矫形方法的发展。
综上所述，当前亟需一种能够采用精准分区进行飞机翼板焊接构件应力调控与矫形的装置与方法，从而根据不同部位的应力和变形情况，灵活地调整对应参数和方案，提高去应力和矫形的效果。本发明的装置采用分区域独立控制及多系统协同配合，在焊接过程中实现兼具灵活性与精确性的应力变形调控，对推进自动化去应力及矫形领域有着重要的指导与应用价值。
发明内容
针对于上述现有技术的不足，本发明旨在提供一种针对飞机翼板焊接构件分区独立控制的多系统协同去应力与矫形装置及方法，以解决飞机翼板焊接构件焊后残余应力过大、焊接变形严重导致的难以达到服役要求等问题，本发明的装置能够实现不同区域的冷却通道及夹紧力的独立精准控制，从而实现精确的应力调控，同时设备简单、方便操作。
为了达到上述目的，本发明提供一种针对飞机翼板焊接构件分区独立控制的多系统协同去应力与矫形装置及方法，具体包括：
冷却模块，用于焊接过程中对飞机翼板待焊件进行分区域冷却，包括冷却铜块、冷却液通道、冷却气体通道、冷却介质储存及循环系统；所述冷却铜块内部设有蛇形凹槽与阵列式通孔，分别用来放置蛇形冷却液通道与阵列式气体通道；所述冷却介质存储及循环系统通过连接传输管道与所述冷却液通道及冷却气体通道相连；
所述冷却液通道分为左右两侧，同侧通道之间为串联模式，异侧通道之间为并联模式，用于对左右两侧的飞机翼板焊接构件进行分区降温；
所述的冷却气体通道为6×9阵列式，每3×1个通道为一组，共18组；所述18组气体通道之间为并联模式，将焊件分为了对应的18个区域，通过调节各组的冷却气体流量来实现焊件各区域的精准温度调控；
所述冷却介质储存及循环系统分为冷却液箱、冷却气体瓶、箱式冷却液循环设备及连接传输管道；其中与冷却气体通道相连的管道上设有比例阀，用于实现每条通道内冷却气流量的单独控制，与冷却液体通道相连的管道上设有节流阀，用于实现冷却液的精准控制；所述连接传输管道用于冷却模块各装置之间的连接。
夹紧模块，用于焊接过程中对飞机翼板焊接构件进行固定，包括装夹立柱、压板、电机及传动装置；所述装夹立柱安装在所述一体式工装台的两侧，每侧9个共18个，装夹立柱上设有压板，每个装夹立柱均由相对应的电机及传动装置进行独立控制，电机及传动装置与中央控制系统相连，用于实现飞机翼板焊接构件不同位置夹紧力度的单独调节；
应力与温度监测模块，用于对飞机翼板焊接构件各部分的应力及温度进行实时监测，包括应力传感器、红外测温仪；所述应力传感器安装于压板上，用于测量焊接过程的应力变化并将其转化为电信号，并将这些信号传输到中央控制系统进行分析；所述红外测温仪放置于一体式工作台附近，用于对焊缝进行实时温度监测，并将所得数据传输到中央控制系统；
中央控制系统，用于储存数据及协同控制各个模块，包括专家数据库、数据分析器、中央控制器；所述专家数据库包含各种飞机翼板焊接构件原材料、焊接工艺和焊接过程温度场及应力场分布等信息，作为调整焊接过程中实时监测的数据的参考；所述数据分析器与所述应力与温度检测模块相连，将传感器获取的数据经处理后实时传输到中央控制器，实现冷却模块与夹紧模块的数据交互和共享；所述中央控制器与冷却模块及夹紧模块相连，通过对实时检测的数据进行分析，以专家数据库中储存的数据为参考，调整冷却模块与夹紧模块的参数保证其最佳协同作用，实现对焊接过程温度场和应力场的自动控制；
一体式工装台，用于组装各个模块及装置，上部均匀涂覆导热介质，用以增大工装台与飞机翼板焊接构件的换热效率与接触面积，在焊接过程中将热量迅速带走以起到控制应力与变形的目的。
进一步地，所述中央控制系统与冷却模块及夹紧模块相连，根据焊接过程中实时监测的温度场与应力场数据，实时控制中央控制器的执行状态，从而实现对冷却系统与装夹系统的独立控制；所述中央控制系统中设置有适当的算法和逻辑，通过冷却模块与夹紧模块的数据共享，中央控制器使用PID控制器算法计算出夹紧模块与冷却模块的输出，协同控制夹紧力的大小与冷却气流量，从而实现飞机翼板焊接构件的精确加工和高效冷却，其公式为：
其中，u(t)表示控制器的输出，e(t)表示偏差(即期望值与实际值之间的差)，Kp、Ki、Kd分别表示比例、积分、微分系数；
进一步地，所述专家数据库内的数据来源于前期通过仿真模拟不同材料、不同厚度、不同工艺、不同焊接参数下的焊接过程中温度场、应力场和变形情况，同时开展试验研究以验证模拟结果，修正和完善模型和模拟过程，基于完善后的模型与模拟方法，建立温度场-应力场对应关系，计算实时温度分布下减小焊接应力场的冷却气体与冷却液流量，并计算实时应力分布状态下所需要的夹紧模块的夹紧力分布数据，这样就建立了温度-应力-夹紧力对应关系的数据库，将其导入到中央控制器中，并在显示器上进行实时更新。
进一步地，该装置中的冷却气体柱形管道可以根据实际焊接情况进行调整，当进行短时高热输入焊接，如大功率激光焊接时，可以增加近焊缝区域的冷却气管数量，通过提高开关阀的反馈频次提升减小应力效果，在进行特殊路径焊接，如激光摆动焊接时，可以通过设计近摆动路径的冷却气体管道进行应力与变形调控。
进一步地，冷却液包括但不仅限于水，在进行固定作用的点焊和正式焊过程中，可以调整冷却液的种类；冷却气体连接传输管道设有三层，外部为隔温层，中部为防潮层，内部为保温层，冷却液体连接传输管道材料为尼龙类塑料，用于冷却液的传输，冷却液传输管道端部与箱式冷却液循环装置相连，并采用过盈配合防止漏水。
进一步地，在焊接完成后，夹紧立柱通过应力释放情况进行保型；所述焊后保型指在焊接完成后，在焊接完成时的夹紧力分布情况下，提高各装夹立柱500-1000N装夹压力，对飞机翼板焊接构件进行12-24h的固定，在带拘束的条件下实现飞机翼板焊接构件的残余应力释放以达到控制变形的目的。
进一步地，应力的推导公式为：
其中，σ为应力(Pa)，W为拉伸或压缩载荷(kg)，A为载荷作用截面积(mm2)；
进一步地，其应用于权利要求1-7任一项的分系统独立控制的多系统协同去应力与矫形装置，用于实现不同区域的冷却通道及夹紧力的独立精准控制，并最大程度地控制飞机翼板焊接构件的焊接应力与焊后变形，其特征在于，包括：
焊前参数调配准备，调用出组合参数下点焊和正式焊需要的冷却液体种类、冷却液体流速、冷却气体种类、冷却气体流量，并确定冷却气体和装夹装置的组合协同模式；
进行用于固定飞机翼板焊接构件的点焊，点焊完成后，抽空冷却液管道中的冷却液和冷却管道后的冷却气体；
进行正式焊接，焊接过程中温度与应力检测模块实时监测焊件不同区域温度及应力分布，将获得的数据传输至中央控制系统的中央控制器，中央控制器通过对比专家数据库，自动获得冷却模块与夹紧模块的冷却液流量、冷却气体流量、夹紧力分布等参数的调整策略，并将命令分别传输至冷却模块与夹紧模块以实时调整焊接的温度场与应力场，上述三个系统协同工作至焊接结束，共同达到降低甚至消除应力与矫形的目的；
焊后保型，通过压板对焊后飞机翼板焊接构件进行持续的夹固，实现工件的焊后应力释放以及变形控制。
本发明带来的有益技术效果：
针对目前航空航天领域中飞机翼板焊接构件在焊接过程中难以避免的焊后残余应力过大、焊接变形严重导致的难以达到服役要求，并且现有的去应力及矫形方法存在精确程度低、协同效果差、没有统一规范约束等问题，提出了一种针对飞机翼板焊接构件分区独立控制的多系统协同去应力与矫形装置及方法，通过冷却模块和夹紧模块的分区域精准调控，实现不同区域的冷却通道及夹紧力的独立精准控制，从而实现兼具灵活性与精确性的应力变形调控，在多系统协同工作的模式下达到降低甚至消除应力与矫形的目的，焊接完成后对飞机翼板焊接构件进行焊后保型，释放残余应力以控制焊后变形，最终获得质量高、性能强、生产周期短的焊接产品。
附图说明
图1为本发明所述一种针对飞机翼板焊接构件分区独立控制的多系统协同去应力与矫形装置的总体示意图
图2为本发明所述一种针对飞机翼板焊接构件分区独立控制的多系统协同去应力与矫形装置中水冷铜块的内部结构示意图
图3为本发明所述一种针对飞机翼板焊接构件分区独立控制的多系统协同去应力与矫形装置一体式工装台底部结构示意图
图4为本发明所述一种针对飞机翼板焊接构件分区独立控制的多系统协同去应力与矫形装置中数据库的采集流程图
图5为本发明所述一种针对飞机翼板焊接构件分区独立控制的多系统协同去应力与矫形装置及方法运行流程图。
附图标记：100为冷却模块、200为夹紧模块、300为应力与温度监测模块、400为中央控制系统、500为一体式工装台
101为冷却铜块、102为蛇形凹槽、103为阵列式通孔、104为蛇形冷却液通道、105为阵列式气体通道、106为连接传输管道、107为冷却液箱、108为冷却气体瓶、109为箱式冷却液循环设备、201为装夹立柱、202为压板、203为电机及传动装置、301为应力传感器、302为红外测温仪。
具体实施方式
参照图1、图2、图3所示，本发明为一种针对飞机翼板焊接构件分区独立控制的多系统协同去应力与矫形装置及方法，所述去应力与矫形装置包括冷却模块、夹紧模块、应力与温度监测模块、中央控制模块以及一体式工装台；所述冷却模块包括冷却铜块、冷却液通道、冷却气体通道、冷却介质储存及循环系统冷却系统；所述冷却介质储存及循环系统分为冷却液箱、冷却气体瓶、箱式冷却液循环设备及连接传输管道；所述夹紧模块包括装夹立柱、压板、电机及传动装置；应力与温度监测模块包括应力传感器、红外测温仪。
参照图4、图5所示，本发明为一种针对飞机翼板焊接构件分区独立控制的多系统协同去应力与矫形装置及方法，该去应力与矫形方法为焊前参数调配准备，即调用出组合参数下点焊和正式焊需要的冷却液体种类、冷却液体流速、冷却气体种类、冷却气体流量，并确定冷却气体和装夹装置的组合协同模式；随后进行用于固定待焊件的点焊，点焊完成后，抽空冷却液管道中的冷却液和冷却管道后的冷却气体；随后进行正式焊接，焊接过程中温度与应力检测模块实时监测飞机翼板焊接构件不同区域温度及应力分布，将获得的数据传输至中央控制系统的中央控制器，中央控制器通过对比专家数据库，自动获得冷却模块与夹紧模块的冷却液流量、冷却气体流量、夹紧力分布等参数的调整策略，并将命令分别传输至冷却模块与夹紧模块以实时调整焊接的温度场与应力场，上述三个系统协同工作至焊接结束，共同达到降低甚至消除应力与矫形的目的；最后进行焊后保型，通过压板对焊后飞机翼板焊接构件进行持续的夹固，实现工件的焊后应力释放以及变形控制。
以下以一种针对飞机翼板焊接构件分区独立控制的多系统协同去应力与矫形装置及方法为实例，阐述本发明的装配与使用的完整流程。
将飞机翼板焊接构件材料参数及热源参数输入到中央控制模块的数据库中，调用出该组合参数下点焊和正式焊需要的冷却液体种类、冷却液体流速、冷却气体种类、冷却气体流量，并确定冷却气体和装夹装置的组合协同模式。
进行用于固定待焊件的点焊，点焊前打开冷却气体瓶阀门，并将冷却液箱阀门一并打开，在确定各管道没有漏液及漏气前提下开始点焊。点焊完成后，抽空冷却液管道中的冷却液和冷却管道后的冷却气体。
点击人机互动操作显示屏的开始键正式焊接。焊接过程中温度与应力检测模块实时监测焊件不同区域温度及应力分布，将获得的数据传输至中央控制系统的中央控制器，中央控制器通过对比专家数据库，自动获得冷却模块与夹紧模块的冷却液流量、冷却气体流量、夹紧力分布等参数的调整策略，并将命令分别传输至冷却模块与夹紧模块以实时调整焊接的温度场与应力场。上述三个系统协同工作至焊接结束，共同达到降低甚至消除应力与矫形的目的。
焊接完成后通过装夹装置对工件施加额外1500N的装夹压力，并进行18h的固定，在带拘束的条件下实现飞机翼板焊接构件的残余应力释放以达到控制变形的目的。
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，对于本领域的普通技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。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)
1.一种针对飞机翼板焊接构件分区独立控制的多系统协同去应力与矫形装置，其特征在于，具体包括：
冷却模块(100)，用于焊接过程中对飞机翼板待焊件进行分区域冷却，包括冷却铜块(101)、冷却液通道、冷却气体通道、冷却介质储存及循环系统；所述冷却铜块(101)内部设有蛇形凹槽(102)与阵列式通孔(103)，分别用来放置蛇形冷却液通道(104)与阵列式气体通道(105)；所述冷却介质存储及循环系统通过连接传输管道(106)与所述冷却液通道及冷却气体通道相连；
所述冷却液通道分为左右两侧，同侧通道之间为串联模式，异侧通道之间为并联模式，用于对左右两侧的飞机翼板焊接构件进行分区降温；
所述的冷却气体通道为6×9阵列式，每3×1个通道为一组，共18组；所述18组气体通道之间为并联模式，将焊件分为了对应的18个区域，通过调节各组的冷却气体流量来实现焊件各区域的精准温度调控；
所述冷却介质储存及循环系统分为冷却液箱(107)、冷却气体瓶(108)、箱式冷却液循环设备(109)及连接传输管道(106)；其中与冷却气体通道相连的管道上设有比例阀，用于实现每条通道内冷却气流量的单独控制，与冷却液体通道相连的管道上设有节流阀，用于实现冷却液的精准控制；所述连接传输管道用于冷却模块各装置之间的连接。
夹紧模块(200)，用于焊接过程中对飞机翼板焊接构件进行固定，包括装夹立柱(201)、压板(202)、电机及传动装置(203)；所述装夹立柱(201)安装在所述一体式工装台(500)的两侧，每侧9个共18个，装夹立柱(201)上设有压板(202)，每个装夹立柱均由相对应的电机及传动装置(203)进行独立控制，电机及传动装置与中央控制系统(400)相连，用于实现飞机翼板焊接构件不同位置夹紧力度的单独调节；
应力与温度监测模块(300)，用于对飞机翼板焊接构件各部分的应力及温度进行实时监测，包括应力传感器(301)、红外测温仪(302)；所述应力传感器(301)安装于压板(202)上，用于测量焊接过程的应力变化并将其转化为电信号，并将这些信号传输到中央控制系统(400)进行分析；所述红外测温仪(302)放置于一体式工作台(500)附近，用于对焊缝进行实时温度监测，并将所得数据传输到中央控制系统(400)；
中央控制系统(400)，用于储存数据及协同控制各个模块，包括专家数据库、数据分析器、中央控制器；所述专家数据库包含各种飞机翼板焊接构件原材料、焊接工艺和焊接过程温度场及应力场分布等信息，作为调整焊接过程中实时监测的数据的参考；所述数据分析器与所述应力与温度检测模块(300)相连，将传感器获取的数据经处理后实时传输到中央控制器，实现冷却模块与夹紧模块的数据交互和共享；所述中央控制器与冷却模块及夹紧模块相连，通过对实时检测的数据进行分析，以专家数据库中储存的数据为参考，调整冷却模块与夹紧模块的参数保证其最佳协同作用，实现对焊接过程温度场和应力场的自动控制；
一体式工装台(500)，用于组装各个模块及装置，上部均匀涂覆导热介质，用以增大工装台与飞机翼板焊接构件的换热效率与接触面积，在焊接过程中将热量迅速带走以起到控制应力与变形的目的。
2.根据权利要求1所述的一种针对飞机翼板焊接构件分区独立控制的多系统协同去应力与矫形装置，其特征在于，所述中央控制系统与冷却模块及夹紧模块相连，根据焊接过程中实时监测的温度场与应力场数据，实时控制中央控制器的执行状态，从而实现对冷却系统与装夹系统的独立控制；所述中央控制系统中设置有适当的算法和逻辑，通过冷却模块与夹紧模块的数据共享，中央控制器使用PID控制器算法计算出夹紧模块与冷却模块的输出，协同控制夹紧力的大小与冷却气流量，从而实现飞机翼板焊接构件的精确加工和高效冷却，其公式为：
其中，u(t)表示控制器的输出，e(t)表示偏差(即期望值与实际值之间的差)，Kp、Ki、Kd分别表示比例、积分、微分系数。
3.根据权利要求1所述的一种针对飞机翼板焊接构件分区独立控制的多系统协同去应力与矫形装置，其特征在于，所述专家数据库内的数据来源于前期通过仿真模拟不同材料、不同厚度、不同工艺、不同焊接参数下的焊接过程中温度场、应力场和变形情况，同时开展试验研究以验证模拟结果，修正和完善模型和模拟过程，基于完善后的模型与模拟方法，建立温度场-应力场对应关系，计算实时温度分布下减小焊接应力场的冷却气体与冷却液流量，并计算实时应力分布状态下所需要的夹紧模块的夹紧力分布数据，这样就建立了温度-应力-夹紧力对应关系的数据库，将其导入到中央控制器中，并在显示器上进行实时更新。
4.根据权利要求1所述的一种针对飞机翼板焊接构件分区独立控制的多系统协同去应力与矫形装置，其特征在于，该装置中的冷却气体柱形管道可以根据实际焊接情况进行调整，当进行短时高热输入焊接，如大功率激光焊接时，可以增加近焊缝区域的冷却气管数量，通过提高开关阀的反馈频次提升减小应力效果，在进行特殊路径焊接，如激光摆动焊接时，可以通过设计近摆动路径的冷却气体管道进行应力与变形调控。
5.根据权利要求1所述的一种针对飞机翼板焊接构件分区独立控制的多系统协同去应力与矫形装置，其特征在于，冷却液包括但不仅限于水，在进行固定作用的点焊和正式焊过程中，可以调整冷却液的种类；冷却气体连接传输管道设有三层，外部为隔温层，中部为防潮层，内部为保温层，冷却液体连接传输管道材料为尼龙类塑料，用于冷却液的传输，冷却液传输管道端部与箱式冷却液循环装置相连，并采用过盈配合防止漏水。
6.根据权利要求1所述的一种针对飞机翼板焊接构件分区独立控制的多系统协同去应力与矫形装置，其特征在于，在焊接完成后，夹紧立柱通过应力释放情况进行保型；所述焊后保型指在焊接完成后，在焊接完成时的夹紧力分布情况下，提高各装夹立柱500-1000N装夹压力，对飞机翼板焊接构件进行12-24h的固定，在带拘束的条件下实现飞机翼板焊接构件的残余应力释放以达到控制变形的目的。
7.根据权利要求1所述的一种针对飞机翼板焊接构件分区独立控制的多系统协同去应力与矫形装置，其特征在于，应力的推导公式为：
其中，σ为应力(Pa)，W为拉伸或压缩载荷(kg)，A为载荷作用截面积(mm2)。
8.一种针对飞机翼板焊接构件分区独立控制的多系统协同去应力与矫形方法，其应用于权利要求1-7任一项的分系统独立控制的多系统协同去应力与矫形装置，用于实现不同区域的冷却通道及夹紧力的独立精准控制，并最大程度地控制飞机翼板焊接构件的焊接应力与焊后变形，其特征在于，包括：
焊前参数调配准备，调用出组合参数下点焊和正式焊需要的冷却液体种类、冷却液体流速、冷却气体种类、冷却气体流量，并确定冷却气体和装夹装置的组合协同模式；
进行用于固定飞机翼板焊接构件的点焊，点焊完成后，抽空冷却液管道中的冷却液和冷却管道后的冷却气体；
进行正式焊接，焊接过程中温度与应力检测模块实时监测焊件不同区域温度及应力分布，将获得的数据传输至中央控制系统的中央控制器，中央控制器通过对比专家数据库，自动获得冷却模块与夹紧模块的冷却液流量、冷却气体流量、夹紧力分布等参数的调整策略，并将命令分别传输至冷却模块与夹紧模块以实时调整焊接的温度场与应力场，上述三个系统协同工作至焊接结束，共同达到降低甚至消除应力与矫形的目的；
焊后保型，通过压板对焊后飞机翼板焊接构件进行持续的夹固，实现工件的焊后应力释放以及变形控制。
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