高强钢薄板的激光填丝焊的自适应焊接方法
【专利摘要】本发明提供了一种高强钢薄板的激光填丝焊的自适应焊接方法；包括：步骤1，对高强钢薄板进行工艺实验，建立焊丝填充面积、上坡口宽度的工艺参数模型；步骤2，在焊接过程中，基于激光视觉传感器实时获取当前坡口的焊丝填充面积，坡口宽度；步骤3、根据所述当前坡口的填充面积、坡口宽度和工艺参数模型，实时调节工艺参数，实现焊接过程的自适应控制。本发明通过特定的材料、坡口形式建立的专家数据库或者工艺数学模型，基于激光视觉传感器实时获取的坡口填充面积，实现焊接过程中工艺参数的自适应调整，保证了焊接质量的稳定性和一致性，提高了焊接效率，减少了焊接缺陷，具有很高的实用价值，如航空，航天，核电等大型薄板构件的焊接过程中。
【专利说明】高强钢薄板的激光填丝焊的自适应焊接方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及高精密自动化焊接技术，尤其是高强钢薄板的激光填丝焊的自适应焊 接方法。
【背景技术】
[0002] 随着焊接技术的发展以及航空，航天，造船，电气电站等各个行业对产品焊接高质 量，提高效率降低工人劳动强度的追求，采用自动化焊接技术是一个必然的趋势。
[0003] 而对于大型构件而言，1)由于工件的尺寸较大，所以安装定位较为困难，这就难免 在装配是存在一定的位置偏差，从而导致错边、坡口间隙不匀等；2)受零件加工精度限制， 也很难保证整条焊缝坡口尺寸的一致性和重复性；3)在焊接过程中由于热输入及其应力 的作用使工件产生变形，导致接头位置及尺寸的变化。
[0004] 相关现有文献内容：论文"基于激光视觉传感器的铝合金自适应焊接"（北京工 业大学学报，2006年第8期）针对铝合金的钨级氩弧焊提出了一种自适应焊接方法。论文 "激光视觉传感TIG焊自适应填充控制系统"（第五届全国计算机在焊接中的应用学术与技 术交流会议论文集，2008年10月29日，广西南宁），也针对钨级氩弧焊提出了一种自适应 的焊接方法。
[0005] 在常规的自动化焊接方法中，一般是通过人眼在焊接过程中实时观察，根据焊接 的情况对焊接电流、电压或者送丝速度进行实时的手工调整来保证焊接质量的稳定性和一 致性。但这样的调整难度大，对焊工的技术水平要求高，也很难保证整个产品的焊接质量的 一致性。如果在焊接过程中能自动根据坡口的变化情况自动实时的调整焊接工艺参数，无 疑对保证产品质量，减少焊接缺陷，降低工人的操作难度是非常具有实际意义的。
[0006] 为了解决现有技术的不足，本发明提供一种高强钢薄板的激光填丝焊的自适应焊 接方法。旨在解决机器人焊接生产过程中由于工件焊接坡口宽度变化不确定性带来的难 题，降低工装设计难度，提高制造精度，同时也提高机器人自动化流水线的智能化、柔性化 程度。
[0007] 经对现有技术文献检索分析，发现并无高强钢薄板的激光填丝焊的自适应焊接方 法应用。
【发明内容】
[0008] 针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供高强钢薄板的激光填丝焊的自适应 焊接方法。
[0009] 本发明是通过以下技术方案实现的：
[0010] 本发明提供一种高强钢薄板的激光填丝焊的自适应焊接方法，所述方法包括如下 步骤：
[0011] 步骤1，对高强钢薄板进行工艺实验，建立焊丝填充面积的工艺参数模型；
[0012] 步骤2,在焊接过程中，基于激光视觉传感器实时获取当前坡口的焊丝填充面积、 坡口宽度；
[0013] 步骤3、根据所述当前坡口的焊丝填充面积、坡口宽度和工艺参数模型，实时调节 工艺参数，实现焊接过程的自适应控制。
[0014] 优选地，步骤1中，所述高强钢薄板具体为能采用激光填丝焊能一次成形的厚度， 此处高强钢薄板是指采用l〇kw光纤激光能一次焊透的材料厚度，具体材料厚度为3-8mm， 但根据材料不同，不仅限于这个范围。
[0015] 优选地，步骤1中，所述焊丝填充面积的工艺参数模型具体为焊丝填充面积，焊缝 宽度和高度、焊接速度、激光功率、送丝速度工艺参数之间的数学表达式或者专家数据库， 通过焊接工艺实验以数学关系式的方式建立焊丝填充面积，焊缝宽度或高度与激光功率、 送丝速度以及焊接速度之前的对应关系；所谓的专家数据库就是通过焊接工艺实验以表格 的方式建立焊丝填充面积，焊缝宽度和高度与激光功率、送丝速度和焊接速度之间的对应 关系。
[0016] 优选地，步骤1中，所述焊丝填充面积的工艺参数模型还在于送丝角度、气体成 份、流量、离焦量保持不变，该处为自适应焊接方法的限定条件，由于影响焊接质量的因素 很多，但主要是激光功率，焊接速度和送丝速度。所以，为方便反馈控制，尽量的保持其它参 数不变。
[0017] 优选地，步骤2中，所述当前坡口的焊丝填充面积具体是提取不同的坡口特征，然 后得到当前坡口的焊丝填充面积，具体地为通过视觉传感器根据不同的坡口类型提取相应 的坡口特征点，得到特征点的坐标值，然后结合坡口的几何形状通过计算得到当前坡口的 需填充焊丝的面积。
[0018] 优选地，所述坡口为I型坡口、V型坡口、U型坡口或者Y型坡口等。
[0019] 优选地，步骤3中，所述调节工艺参数具体为基于焊丝填充面积与工艺参数之间 的数学关系式求解得到或者根据事先建立的专家数据库通过查表或者智能控制方法实时 推论得到。
[0020] 优选地，步骤3中，所述自适应控制具体指根据当前坡口的变化，实时调整激光功 率，焊接速度，送丝速度工艺参数，具体为：基于焊丝填充面积，焊缝宽度以及焊缝高度与工 艺参数之间的数学关系式，在焊接过程中根据当前坡口面积的变化，通过求解方程或者查 表的方法得到对应的激光功率，激光扫描速度、送丝速度等工艺参数，从而实现激光功率、 焊接速度和送丝速度的实时调整。
[0021] 与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
[0022] (1)本发明通过针对特定的材料，特定的坡口形式建立的专家数据库或者工艺数 学模型，基于激光视觉传感器实时获取的坡口填充面积，从而实现焊接过程中工艺参数的 自适应调整，有效的保证了焊接质量的稳定性和一致性，提高了焊接效率，减少了焊接缺 陷，具有很高的实用价值，特别在一些如航空，航天，核电等大型薄板构件的焊接过程中。
[0023] (2)本发明采用激光填丝焊是采用能量密度非常高的激光作为热源，在激光扫描 的过程中同时对坡口进行填充焊丝，既有激光焊接的能量密度高，热输入小，焊接速度高， 焊接质量及工件变形小，又有弧焊的对坡口的适应性较好的特点，是近来才逐渐开始得到 应用的新的焊接方法。采用不同的焊接热源、填丝方法，在热源特性，焊接工艺参数，建模方 法等都与钨级氩弧焊（TIG焊）有本质的不同。
【专利附图】
【附图说明】
[0024] 通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、 目的和优点将会变得更明显：
[0025] 图1为本发明激光填丝焊自适应控制示意图；
[0026] 图2为本发明激光视觉传感器提取坡口特征示意图。
【具体实施方式】
[0027] 下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术 人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术 人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明 的保护范围。
[0028] 实施例1
[0029] 本实施例涉及一种高强钢薄板的激光填丝焊的自适应焊接方法，所述方法包括如 下步骤：
[0030] 本实施例在3mm船用高强钢薄板的激光填丝焊上采用，填丝焊自适应控制示意图 如图1所示。其中，1为待焊的高强钢薄板工件，2为基于三角测量法原理的激光视觉传感 器，3为处理器（视觉传感器的图像处理与特征提取装置），4为主控制器（自适应焊接的主 控制器），5为送丝控制器（控制送丝速度的送丝控制器），7为焊接过程中照射到工件上的 激光,8为激光填丝焊的焊丝。
[0031] 第一步、对高强钢薄板1 (能采用激光填丝焊能一次成形的厚度）进行激光填丝焊 工艺实验，建立激光填丝焊的坡口填充面积、坡口宽度与激光功率、焊接速度，送丝速度之 间的工艺数学模型，该工艺模型以函数或者查表的形式存于主控制器4中。
[0032] 第二步、基于三角测量法原理的激光视觉传感器2实时采集焊接坡口图像，经过 处理器3 (视觉传感器的图像处理与特征提取装置）图像处理和特征提取后得到当前坡口 的几何特征值，比如坡口宽度，深度，间隙，错边等，从而得到当前坡口焊接焊丝需要填充的 面积；
[0033] 如图2所示，V型坡口的特征点为0、1、2、3、4、5，基于这5个特征点，通过处理器 3(视觉传感器的图像处理与特征提取装置）可以得到坡口的宽度，深度，间隙，错边等数 据，从而得到当前坡口的填充面积。
[0034] 坡口的类型不仅限于V型坡口，也可以是I型坡口，U型坡口，在焊接过程开始之 前，应当在处理器3 (视觉传感器的图像处理与特征提取装置）中事先设定带焊接的坡口类 型。在焊接过程中，处理器3(视觉传感器的图像处理与特征提取装置）会根据相应的坡口 类型提取对应的特征点并计算需要填充的坡口面积。
[0035] 第三步、主控制器4根据当前坡口的实际填充面积、坡口宽度等，基于第一步建立 的工艺数学模型求解或者查表得到相应的送丝速度，焊接速度、激光功率等焊接工艺参数， 通过主控制器4输出，从而实现焊接过程的自适应控制。
[0036] 如图2所示，主控制器4输出的送丝速度值送入送丝控制器（控制送丝速度的送 丝控制器）5实时调节激光填丝焊的焊丝的送丝速度，主控制器4输出的激光功率送入激光 控制器9实时调节激光功率的输出，而主控制器4输出的焊接速度值送入运动控制器，实时 调节激光填丝焊的焊接速度。
[0037] 本发明在焊接过程中，激光视觉传感器实时获取当前坡口的填充面积、坡口宽度， 主控制器基于事先建立的焊丝填充面积与焊接工艺参数模型实时调整焊接速度，激光功 率，送丝速度等工艺参数从而实现焊接参数的自适应控制，保证焊接质量的稳定性和一致 性。这对于大型结构件的长直焊缝的高精度焊接，保证焊接质量的稳定性和一致性，提高效 率，降低装配要求和加工要求，提高适应性，减少焊接缺陷，和返修率，这对于要求高质量焊 接的重要构件尤为重要，在造船，核电，电气电站等领域具有重要的实际应用价值。
[0038] 以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述 特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影 响本发明的实质内容。
【权利要求】
1. 一种高强钢薄板的激光填丝焊的自适应焊接方法，其特征在于，所述方法包括如下 步骤： 步骤1，对高强钢薄板进行工艺实验，建立焊丝填充面积的工艺参数模型； 步骤2,在焊接过程中，基于激光视觉传感器实时获取当前坡口的焊丝填充面积、坡口 览度； 步骤3、根据所述当前坡口的焊丝填充面积、坡口宽度和工艺参数模型，实时调节工艺 参数，实现焊接过程的自适应控制。
2. 如权利要求1所述的高强钢薄板的激光填丝焊的自适应焊接方法，其特征在于，步 骤1中，所述高强钢薄板具体为能采用激光填丝焊能一次成形的厚度。
3. 如权利要求1所述的高强钢薄板的激光填丝焊的自适应焊接方法，其特征在于，步 骤1中，所述焊丝填充面积的工艺参数模型具体为焊丝填充面积，焊缝宽度和高度、焊接速 度、激光功率、送丝速度工艺参数之间的数学表达式或者专家数据库。
4. 如权利要求1所述的高强钢薄板的激光填丝焊的自适应焊接方法，其特征在于，步 骤1中，所述焊丝填充面积的工艺参数模型还在于送丝角度、气体成份、流量、离焦量保持 不变。
5. 如权利要求1所述的高强钢薄板的激光填丝焊的自适应焊接方法，其特征在于，步 骤2中，所述当前坡口的焊丝填充面积具体是提取不同的坡口特征，然后得到当前坡口的 焊丝填充面积、坡口宽度。
6. 如权利要求5所述的高强钢薄板的激光填丝焊的自适应焊接方法，其特征在于，所 述坡口为I型坡口、V型坡口、U型坡口或者Y型坡口。
7. 如权利要求1所述的高强钢薄板的激光填丝焊的自适应焊接方法，其特征在于，步 骤3中，所述调节工艺参数具体为基于焊丝填充面积与工艺参数之间的数学关系式求解得 到或者根据事先建立的专家数据库通过查表或者智能控制方法实时推论得到。
8. 如权利要求1所述的高强钢薄板的激光填丝焊的自适应焊接方法，其特征在于，步 骤3中，所述自适应控制具体指根据当前坡口的变化，实时调整激光功率，焊接速度，送丝 速度工艺参数。
【文档编号】B23K26/26GK104057204SQ201410258257
【公开日】2014年9月24日 申请日期:2014年6月11日 优先权日:2014年6月11日
【发明者】张轲, 施可扬, 唐新华, 王欢, 黄坚, 陈永亮 申请人:上海交通大学, 沪东中华造船(集团)有限公司