本發(fā)明屬于材料工程技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種激光-電弧復(fù)合焊接方法的實時控制技術(shù)，特別涉及復(fù)合焊接過程的智能化控制技術(shù)。

背景技術(shù)：

激光-電弧復(fù)合焊接是一種新型的復(fù)合焊接方法，隨著這種焊接方法的發(fā)展其應(yīng)用范圍逐漸擴展。近年來在航空航天、軌道交通及能源裝備制造領(lǐng)域，零件制造形狀更加復(fù)雜，制造周期逐漸縮短，制造質(zhì)量要求不斷提升，對高端焊接制造技術(shù)提出迫切需求。在大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)件的激光-電弧復(fù)合焊接過程中，采用常規(guī)的焊接參數(shù)設(shè)置方法，雖然能夠?qū)崿F(xiàn)部分構(gòu)件的焊接制造，但是尚未能充分發(fā)揮激光與電弧的復(fù)合作用效果，無法滿足結(jié)構(gòu)件的高質(zhì)量高效焊接需求。特別是隨著焊接制造結(jié)構(gòu)件形狀、厚度、長度等方面的變化，關(guān)鍵結(jié)構(gòu)的高性能焊接不僅需要設(shè)置合理的激光和電弧的復(fù)合焊接參數(shù)，同時在焊接過程中要依據(jù)焊接試件的特征對焊接參數(shù)進行實時的快速判定、響應(yīng)、調(diào)節(jié)和控制。這種實時的快速響應(yīng)及控制在電弧自動焊接過程中最早的應(yīng)用主要起源于通過電弧電壓的測量來調(diào)整氬弧焊接過程中的弧長，從而減小由于焊接結(jié)構(gòu)表面波動帶來的影響。然而隨著結(jié)構(gòu)件不斷向復(fù)雜化方向發(fā)展，簡單的電弧電壓調(diào)控已經(jīng)難以滿足實際的生產(chǎn)制造需求。受到熱源本身特性的影響，單一電弧焊接能量密度及能量梯度在焊接過程中無法發(fā)生變化，因此其解決自動化焊接制造過程中問題的能量相對有限。激光-電弧復(fù)合熱源具有熱源能量和模式的精確可調(diào)特征，對于焊接過程中出現(xiàn)的問題(間隙大小、不同厚度、焊接變形控制、焊接咬邊控制)能夠提供合理的解決方案，這為實現(xiàn)焊接過程的快速響應(yīng)及智能控制提供了前提和基礎(chǔ)。

在智能化焊接制造系統(tǒng)方面，德國、美國以及日本等國家先后開發(fā)出焊接制造的專家控制系統(tǒng)，其特征是根據(jù)材料的厚度以及材質(zhì)對焊接參數(shù)進行相應(yīng)的自動調(diào)節(jié)，從而達到提高焊接制造效率，改善焊接質(zhì)量的方法，這一專家系統(tǒng)的開發(fā)對于目前焊接設(shè)備的智能化起到了積極的促進作用，但是其在實際焊接過程中仍然無法取代人工的焊接方法，這種焊接專家系統(tǒng)主要是通過給定的板材確定相應(yīng)的焊接參數(shù)范圍，并不能在焊接過程中再次進行調(diào)控。在此基礎(chǔ)上德國焊接研究工作者率先提出了基于人工智能的焊接制造系統(tǒng)，即將人在焊接制造過程中的經(jīng)驗和方法進行數(shù)字化和工程化的轉(zhuǎn)化從而使焊接設(shè)備自身具有對焊接制造過程的智能化判斷和智能化的參數(shù)調(diào)節(jié)，從而在復(fù)雜的結(jié)構(gòu)中實現(xiàn)完全的自動化焊接制造生產(chǎn)。目前國內(nèi)相關(guān)單位正在開展相關(guān)智能焊接技術(shù)的研究，并已經(jīng)開發(fā)出具有焊接專家系統(tǒng)的焊接設(shè)備，但仍未見相關(guān)焊接過程快速響應(yīng)及控制的智能系統(tǒng)及焊接制造設(shè)備的公開報道。國際上雖然已經(jīng)形成了部分基于人工智能的焊接制造系統(tǒng)，但是目前主要集中在單一電弧焊接制造過程中。

現(xiàn)代焊接自動化焊接制造體系的快速發(fā)展，使得自動化焊接制造已經(jīng)由傳統(tǒng)簡單結(jié)構(gòu)的單一電弧低速焊接逐漸向復(fù)雜結(jié)構(gòu)高速多熱源焊接快速發(fā)展。激光-電弧復(fù)合焊接作為多熱源焊接中的一種高性能焊接方法，已經(jīng)成為復(fù)雜結(jié)構(gòu)高速焊接的主要方法之一。當采用激光-電弧復(fù)合焊接進行復(fù)雜結(jié)構(gòu)高速焊接時，受到焊縫復(fù)雜形狀、板材長度增加、對接間隙變化及板材局部翹曲等多種因素的影響，極易產(chǎn)生燒穿、未熔合及未焊透等焊接缺陷，顯著影響了焊接質(zhì)量和焊接穩(wěn)定性，因此亟需圍繞激光-電弧復(fù)合高速焊接過程開發(fā)智能化控制技術(shù)，實現(xiàn)對焊接過程的精準控制，進而滿足復(fù)雜結(jié)構(gòu)高速焊接的高可靠高穩(wěn)定制造需求。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

為解決現(xiàn)有技術(shù)存在的上述問題，本發(fā)明要設(shè)計一種激光-電弧復(fù)合焊接實時調(diào)控系統(tǒng)及其調(diào)控方法，以實現(xiàn)對復(fù)雜結(jié)構(gòu)高速焊接過程的精確調(diào)控，解決焊接過程中產(chǎn)生的燒穿、未熔合、未焊透等焊接缺陷，從而在高速復(fù)雜結(jié)構(gòu)焊接過程中，獲得具有高性能高質(zhì)量的焊接接頭。

為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案如下：一種激光-電弧復(fù)合焊接實時調(diào)控系統(tǒng)，包括激光-電弧復(fù)合焊接熱源系統(tǒng)、傳感系統(tǒng)、焊接數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、控制單元、控制信號輸出系統(tǒng)和焊接機械運動控制系統(tǒng)；

所述的傳感系統(tǒng)包括焊接電弧電壓電流傳感器、焊接過程的視覺傳感器和激光信號傳感器，所述的傳感系統(tǒng)接收激光-電弧復(fù)合焊接熱源系統(tǒng)、焊接機械運動控制系統(tǒng)、熔池形態(tài)、焊接結(jié)構(gòu)形狀的信息，并通過焊接數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)向控制單元輸出信息；

所述的控制單元包括人機交互模塊、智能模塊、數(shù)據(jù)采集模塊及控制信號輸出模塊；控制單元經(jīng)控制信號輸出系統(tǒng)分別向激光-電弧復(fù)合焊接熱源系統(tǒng)和焊接機械運動控制系統(tǒng)輸出信息；

所述的激光-電弧復(fù)合焊接熱源系統(tǒng)，用于實現(xiàn)激光-電弧復(fù)合焊接；在焊接過程中實時調(diào)節(jié)激光和電弧的能量狀態(tài)，在不同的條件下獲得具有規(guī)定能量密度和梯度的熱源；

所述的焊接電弧電壓電流傳感器，用于采集激光-電弧復(fù)合焊接過程的電弧電壓及電流；

所述的焊接過程的視覺傳感器，用于實現(xiàn)對焊接過程熔池狀態(tài)的視覺采集；

所述的激光信號傳感器，用于采集激光的實時狀態(tài)信號；

所述的控制單元通過人機交互模塊獲取用戶輸入的參數(shù)信息，形成基本的焊接參數(shù)，然后將實際焊接過程中數(shù)據(jù)采集模塊采集的數(shù)據(jù)信息輸入到智能模塊中；通過智能模塊的分析之后實時給出焊接所有過程中的焊接參數(shù)、控制策略和控制參數(shù)到控制信號輸出模塊，通過控制信號輸出模塊對復(fù)合焊接過程的激光能量、電流電壓進行調(diào)控，對焊接機械運動控制系統(tǒng)進行控制。

一種激光-電弧復(fù)合焊接實時調(diào)控系統(tǒng)的調(diào)控方法，包括以下步驟：

A、設(shè)計焊接過程路徑

在焊接前，判定焊縫位置，依據(jù)焊縫中心及焊接結(jié)構(gòu)特征選擇最佳的焊接路徑；

B、調(diào)節(jié)激光能量及電弧電壓電流

在焊接過程中，依據(jù)智能模塊中數(shù)學(xué)模型的分析結(jié)果對激光輸出功率、電弧的電流或電壓參數(shù)進行實時調(diào)控，獲得全新的焊接熱源，進而實現(xiàn)焊接過程熔池狀態(tài)及溫度的控制，實現(xiàn)對焊接接頭組織及性能的調(diào)控；

C、控制焊接速度

在焊接過程中，根據(jù)需要對焊接速度進行微調(diào)，用于與熱源一起調(diào)控焊接熔池形狀、溫度以及通過焊接速度調(diào)控焊接成形；

D、控制焊接過程擺動效果

由于焊接路徑的變化，在焊接過程中，使焊接熱源發(fā)生垂直于焊縫的往復(fù)擺動運動調(diào)節(jié)，以便擺動效果與焊縫保持相對位置的變化；

E、實施閉環(huán)智能化控制和調(diào)控

將步驟A-D的信息輸送到信號輸出模塊中，通過控制信號模塊分別將需要控制的信號輸送到達激光-電弧復(fù)合熱源焊接系統(tǒng)及機械運動控制系統(tǒng)中，即依據(jù)實際的焊接狀態(tài)對焊接過程實現(xiàn)閉環(huán)智能化控制和調(diào)控。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益效果：

1、本發(fā)明將焊接工程師分析、焊接熔池和焊接電弧分析相結(jié)合，是一種具有人工智能的識別、分析、判斷及執(zhí)行特征的智能化焊接制造體系。即在激光-電弧復(fù)合高速焊接條件下，通過前期試驗，對最佳焊接區(qū)間條件下的電弧、電壓、速度及熔池狀態(tài)等關(guān)鍵信號的進行采集，以上述參數(shù)為核心建立數(shù)學(xué)模型，該數(shù)學(xué)模型是一種模糊控制方程，通過這一方程能夠相對準確描述各個焊接參數(shù)對焊接質(zhì)量的影響效果。在實際焊接過程中，受到組織及形狀的影響時，實時采集到的實際焊接參數(shù)會隨之變化，將這些采集的實際焊接參數(shù)輸入到數(shù)學(xué)模型中，其計算得到的最終結(jié)果將與最佳參數(shù)區(qū)間的結(jié)果值產(chǎn)生偏差，通過對應(yīng)的調(diào)節(jié)激光、電弧或運動狀態(tài)參數(shù)，將使實時參數(shù)的數(shù)學(xué)方程計算結(jié)果重新回歸到最佳參數(shù)區(qū)間范圍內(nèi)，則此時認為其焊接效果也回到最佳參數(shù)區(qū)間范圍內(nèi)的理想效果，因此本發(fā)明關(guān)鍵在于利用系統(tǒng)中的模糊控制數(shù)學(xué)分析軟件，實現(xiàn)對焊接參數(shù)的智能化分析和閉環(huán)調(diào)控，從而保證復(fù)雜結(jié)構(gòu)高速焊接的穩(wěn)定性和可靠性，提高焊接接頭的整體性能和獲得良好的焊縫成形。

2、本發(fā)明與現(xiàn)有的電弧焊接人工智能焊接制造系統(tǒng)在整體的理論體系上具有截然不同的特征。電弧焊接過程的智能焊接是以焊工焊接的參數(shù)和控制過程作為參考，將焊工操作特征轉(zhuǎn)換為電弧焊接的電流和電壓，實現(xiàn)對焊接過程的智能控制。而本發(fā)明提出的激光-電弧復(fù)合焊接智能控制方法，并不以焊工焊接為參考，而是通過對實時信號采集得到的數(shù)據(jù)進行數(shù)學(xué)模型分析得到的。數(shù)學(xué)模型的建立關(guān)鍵是在于充分掌握激光和電弧復(fù)合過程中對于能量密度和能量梯度可控特征，通過對激光及電弧能量的調(diào)控可以構(gòu)建全新的焊接熱源體系，進而突破單一激光或者電弧焊接能量密度單一，能量梯度一定的關(guān)鍵難題，建立基于模糊控制理論的激光-電弧復(fù)合焊接參數(shù)數(shù)學(xué)分析關(guān)系模型，利用該數(shù)學(xué)模型描述理想焊接參數(shù)區(qū)間的焊接效果，并矯正實時參數(shù)的計算結(jié)果，然后通過反饋控制實現(xiàn)焊接過程智能控制，達到提高焊接質(zhì)量的根本目的。

附圖說明

圖1是整套激光-電弧復(fù)合焊接智能控制系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)和控制機制。

圖2是近似直線的不規(guī)則長直焊縫示意圖。

圖3是簡單非對稱曲面焊縫示意圖。

圖4是T型結(jié)構(gòu)件激光-電弧復(fù)合焊接簡圖。

具體實施方式

現(xiàn)結(jié)合附圖對本發(fā)明作進一步的具體描述。

本發(fā)明通過傳感系統(tǒng)對激光-電弧復(fù)合焊接過程的電弧電壓、電流、運動狀態(tài)、焊接結(jié)構(gòu)以及熔池狀態(tài)等信息進行采集，然后輸入到焊接數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，將這些信息轉(zhuǎn)變?yōu)楦髯缘臄?shù)字信號輸入到控制單元的數(shù)據(jù)采集模塊中，通過數(shù)據(jù)采集模塊分類將其輸入到人機交互模塊中，將簡單的數(shù)字信號轉(zhuǎn)變?yōu)榭蓞⒖嫉南鄬ψ兞啃盘?，然后輸入到智能模塊中，利用建立的數(shù)學(xué)模型對電弧參數(shù)、激光參數(shù)、相對結(jié)構(gòu)位置及空間運行狀態(tài)進行計算，當計算出的結(jié)果數(shù)據(jù)偏離了智能模塊的設(shè)定范圍時，則對電弧電流、激光能量及運動速度等參數(shù)進行實時調(diào)控，進而使焊接綜合評價值重新回到設(shè)定范圍之內(nèi)，從而達到穩(wěn)定焊接過程，提高焊接質(zhì)量的目的。

實例1：不規(guī)則直線結(jié)構(gòu)焊接

如圖2所示為近似直線的不規(guī)則長直焊縫，在大量的實際工程結(jié)構(gòu)中，隨著實際結(jié)構(gòu)長度的增加，焊接制造過程中直線焊縫體現(xiàn)出明顯的不規(guī)則性，而且由于試件較大在實際的工程制造中采用類似機器人試教的辦法顯著影響了焊接效率。針對上述問題，運用本發(fā)明的焊接過程的視覺傳感器首先初步獲得實際試件的宏觀結(jié)構(gòu)，在實時的焊接過程中采集待焊試件結(jié)構(gòu)形狀，根據(jù)實際的板材組對間隙確定合理的焊接路徑，由于板材存在間隙較大，單一的采用焊縫跟蹤不能有效解決間隙較大的問題，本發(fā)明的控制單元根據(jù)得到的位置及焊接參數(shù)對不同的焊接結(jié)構(gòu)展開如下設(shè)定：

①曲線路徑，根據(jù)在焊接前采集到的間隙結(jié)構(gòu)特征設(shè)定最佳的曲線加工軌跡；

②焊接速度，在間隙較大區(qū)域進行減速、在間隙較小的區(qū)域進行加速等近似人工操作的技術(shù)方法消除上述問題；

③激光及電弧參數(shù)，根據(jù)間隙特征，設(shè)定相應(yīng)的激光能量和電弧電流，保證焊接過程中板材全面熔合；

④擺動效果，在運動過程中不斷采集可靠的激光及電弧信號，在焊接過程中調(diào)節(jié)激光與電弧的配合位置，實現(xiàn)激光熱源或電弧熱源的小幅擺動，達到最佳的焊接工藝狀態(tài)，有效的提高焊接質(zhì)量和焊接制造效率。

實例2：復(fù)雜空間結(jié)構(gòu)焊接

如圖3所示為復(fù)雜橢圓形空間曲面結(jié)構(gòu)，在傳統(tǒng)的焊接制造過程中基本采用分段焊接的方法進行制造，不連續(xù)的焊縫在一定程度上影響了焊接制造效率和質(zhì)量。而要想實現(xiàn)該結(jié)構(gòu)的連續(xù)焊接需要試件本身也進行配合運動，其焊接過程是試件的旋轉(zhuǎn)運動與焊槍的曲線運動相結(jié)合的，由于實際的構(gòu)件并不是完全的對稱，因此在曲線的制造過程中焊槍的線速度也會隨著試件的運動發(fā)生變化，在實際的焊接時要實現(xiàn)焊接曲線、速度之間的協(xié)調(diào)控制。不僅如此，在實際焊接中，激光-電弧復(fù)合焊槍與試件之間的角度也需要一定的調(diào)整，因此要使焊接速度、焊槍角度、焊接軌跡三者之間實現(xiàn)有機的協(xié)調(diào)控制。本發(fā)明針對上述需求重點進行一下幾方面的調(diào)控：

①曲線路徑擬合，以實際工件結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)進行焊接路徑與運動軌跡的擬合，確保焊接過程中電弧及激光作用位置的恒定；

②焊接速度，根據(jù)實際的焊接試件的曲面運動線速度，調(diào)節(jié)焊接速度，保證焊接過程中的速度恒定；

③焊接熱源參數(shù)，采集電弧電壓判斷焊槍與試件的結(jié)構(gòu)狀態(tài)，同時通過智能模塊中設(shè)定復(fù)合焊接參數(shù)，對三者進行協(xié)同控制，從而保證試件的連續(xù)穩(wěn)定焊接，焊接制造效率較傳統(tǒng)焊接方法提高一倍以上。

實例3：T型結(jié)構(gòu)件穿透焊接

鈦合金T型結(jié)構(gòu)(如圖4所示)即壁板及加強筋結(jié)構(gòu)的穿透焊接最初主要采用電弧焊接，在焊接過程中單電弧焊接電流很大，大熱輸入條件下焊接結(jié)構(gòu)件產(chǎn)生明顯變形，焊縫組織粗大，對性能帶來顯著影響。本發(fā)明通過調(diào)節(jié)激光和電弧之間的角度，改變激光-電弧之間的角度α可以改變激光和電弧之間形成的熱源的能量狀態(tài)，進而顯著提高熱源整體的穿透性。本發(fā)明針對電弧焊接過程焊接熔透能量差、速度慢、變形大的問題，重點開展以下幾方面的調(diào)控：

①焊接熱源，根據(jù)壁板厚度，調(diào)控激光和熱源之間的角度，激光能量及電弧電流，獲得最佳的激光與電弧匹配效果，實現(xiàn)增加焊接熔深，提高焊接制造速度的目的。

②焊接速度，根據(jù)實際的焊接試件的壁板及，調(diào)節(jié)焊接速度，保證焊接過程中的速度恒定。

本發(fā)明不局限于本實施例，任何在本發(fā)明披露的技術(shù)范圍內(nèi)的等同構(gòu)思或者改變，均列為本發(fā)明的保護范圍。