激光电弧复合焊3D增材修补装置及修补方法与流程

本发明涉及增材修补技术领域，尤其涉及一种用于激光和MAG/MIG电弧复合焊的3D增材修补装置及其修补方法。

背景技术：

现有的增材修补方法主要有激光融覆、电弧堆焊、电涂镀、热喷涂技术等。激光融覆技术是利用高能密度的激光束使之与基材表面薄层一起熔凝的方法，在基层表面形成与其为冶金结合的添料熔覆层。电弧堆焊是利用焊条或电极熔敷在基材表面进行堆焊。电涂镀技术是利用直流电通过电解液时发生电化学反应,实现金属在镀件表面上沉积。热喷涂是利用某种热源将粉末状或丝状的金属或非金属材料加热到熔融或半熔融状态，沉积而形成具有各种功能的表面涂层的一种技术。

以上修补方法都有一定的局限性，其中激光融覆技术会导致过渡区应力集中；电涂镀技术存在涂层结合强度和本身强度不足的问题；电弧堆焊技术和热喷涂技术的热影响区大，易造成工件变形。另外，上述修补技术在修补前未能精确地得到缺陷轮廓参数，导致修补后的工件仍然存在一定缺陷，修补效果不理想。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种操作方便、可靠性高、适应性强的激光电弧复合焊3D增材修补装置。

本发明的另一目的在于，提供一种基于上述修补装置的修补方法。

本发明的目的通过下述技术方案实现：

一种激光电弧复合焊3D增材修补装置，其主要包括控制器、位于修复工位上方的四轴联动平台、以及设置在联动平台上用于获取工件的缺陷轮廓三维信息的激光视觉传感器、用于获取熔池状态信息的红外视觉传感器、夹具、激光焊炬、电弧焊炬、填充焊丝、焊丝盘和导气管。所述控制器与四轴联动平台、激光视觉传感器、红外视觉传感器、激光焊炬和电弧焊炬连接，用于控制各部件协调工作。所述夹具的一端与四轴联动平台连接，另一端与激光焊炬固定。所述电弧焊炬安装在激光焊炬上，且与激光焊炬之间角度可调，以适应各种焊接场合。所述填充焊丝缠绕在焊丝盘上，所述焊丝盘设置在电弧焊炬上，填充焊丝穿过电弧焊炬并向外凸出。所述导气管安装在激光焊炬上，导气管的一端与保护气体发生器连接，另一端指向焊接工位，并且导气管的出气方向可调，这样可以使保护气体更好地覆盖填充焊丝和熔池。

作为本发明的优选方案，所述导气管采用可以万向调节的万向管(或竹节管)用于引导保护气体，使保护气体准确地覆盖焊接保护区。

作为本发明的优选方案，所述电弧焊炬与激光焊炬之间通过角度调节单元连接，该角度调节单元包括一夹持把柄和调节螺栓，所述夹持把柄的一端卡设在电弧焊炬上，另一端通过调节螺栓与激光焊炬上的第一凸起铰接，电弧焊炬和第一凸起上均设有通孔，调节螺栓穿过通孔将电弧焊炬固定在激光焊接上。当需要调节角度时，只需拧松调节螺栓，调整好角度后拧紧调节螺栓即可。该角度调节单元的结构简单，使用方便，用于电弧焊接角度调节和送丝角度调节，可以获得更好的焊接效果。

具体的，所述控制器与四轴联动平台连接，控制激光焊炬和电弧焊炬在三个方向上的移动及水平方向的转动，使激光焊炬和电弧焊炬在焊接平台上以最合适的位置和角度对缺陷进行修补。所述控制器与激光视觉传感器连接，用于驱动激光视觉传感器并获取缺陷的三维轮廓，控制器根据获取的数据对缺陷的三维轮廓进行重建，生成最优控制代码。所述控制器与红外视觉传感器连接，用于驱动红外视觉传感器并获取熔池的实时图像时频参数，在修补过程中，根据熔池状态实时调整修补参数，获得更好的修补效果。所述控制器与激光焊炬和电弧焊炬电连接，用于控制激光焊炬和电弧焊炬的电流大小及保护气体的流量。所述夹具的一端与四轴联动平台连接，另一端与激光焊炬固定，四轴联动平台通过夹具带动激光焊炬移动和转动，调整到合适的焊接位置。

具体的，所述四轴联动平台用于控制激光焊炬的位置并调整激光电弧复合焊炬的焊接角度，其组成主要包括沿X轴方向运动的X轴移动单元、沿Y轴方向运动的Y轴移动单元、沿Z轴方向运动的Z轴移动单元和绕垂直于工件的转轴旋转的A轴转动单元。所述X轴移动单元固定在修补平台上，位于修补工位的上方，Y轴移动单元安装在X轴移动单元上，Z轴移动单元安装在Y轴移动单元上，A轴转动单元安装在Z轴移动单元上，可相对Z轴移动单元水平转动。所述A轴转动单元与夹具固定连接，带着激光焊炬水平转动，用于调整激光焊炬和电弧焊炬的焊接角度。

作为本发明的优选方案，所述红外视觉传感器采用波长较短的近红外线作为视觉传感器的光源。与远红外线相比，近红外线探测的深度较深，获取的信息量较多。由于电弧焊在焊接过程中会产生电弧的辐射光干扰，选用近红外视觉传感器可以滤去电弧的弧光干扰，提高熔池图像的成像质量。优选的，本发明优先采用波长约为950纳米的近红外光源。

作为本发明的优选方案，所述控制器采用抗干扰能力强、工作稳定可靠、连续工作时间长的工业控制计算机。

本发明的另一目的通过下述技术方案实现：

一种激光电弧复合焊3D增材修补装置的修补方法，该修补方法主要包括如下步骤：

步骤S1:将缺陷工件安装在修补工作台上；

将激光视觉传感器、近红外视觉传感器安装在四轴(X-Y-Z-A轴)联动控制平台的Z轴移动单元上，将激光焊炬和电弧焊炬安装在A轴旋转单元上。

步骤S2:驱动激光视觉传感器扫描缺陷的三维轮廓；

安装完毕后，首先配合四轴联动平台将激光焊炬移动到相应位置，在控制器的控制下，驱动激光视觉传感器扫描缺陷(复杂几何形状)轮廓得到结构光信号。

步骤S3:控制器接受激光视觉传感器的反馈信号，重建缺陷的三维轮廓；

根据激光视觉传感器的工作原理，传感器内半导体激光发射源发出一束平行的激光。该激光束射在工件缺陷的轮廓表面上，其表面光源信息被传感器内的CMOS相机检测到，利用三角测量原理，在控制器中可以得到精确的缺陷轮廓结构光信号。控制器获取激光视觉传感器反馈的缺陷轮廓结构光信号，利用三维重建的方法建立缺陷三维模型。

步骤S4:根据缺陷的三维轮廓数据生成控制代码，确定激光焊炬的具体融覆参数；

控制器将重建的缺陷三维模型与原始的零件模型参数作对比，确定要修补的具体参数并生成相应的控制代码。控制器根据生成的控制代码驱动四轴联动平台控制激光焊炬移动到指定的位置，然后通过控制代码确定激光焊炬和电弧焊炬的焊接参数。该融覆参数主要包括焊接的位置、激光功率、焊接速度和送丝速度等等。

步骤S5:修补过程中，控制器驱动近红外视觉传感器对熔池进行扫描，获取熔池图像的时频参数(包括时域、频域信息)，并根据熔池图像时频参数生成补偿控制代码，实时修正设定的焊接参数。

焊接时，控制器根据重建的缺陷三维轮廓确定修补方案，驱动四轴联动平台定位到焊接的位置，并通过A轴转动单元调整焊炬的焊接角度来完成特殊、复杂缺陷的修补工作。

步骤S6:针对焊接后修复试件表面出现的热变形，在完成初次修补后，再次驱动激光视觉传感器扫描缺陷的三维轮廓，确定修补后的工件是否达标，若不达标，则对缺陷进行再次修补，直到缺陷修补达标为止。

作为本发明的优选方案，在焊接时，当缺陷的位置和形状较为复杂，可以通过驱动A轴转动单元调整激光焊炬的焊接夹角来完成缺陷修补，采用该方法可以进一步提高修补效率，克服现有技术的不足。

本发明所提供的修补装置可以安装在机器人末端或龙门架的机架上，配合机器人或龙门架的运动定位到相应位置，用于修复不同场合下的缺陷试件或者需要修补维护的设备。

本发明的工作过程和原理是：本发明利用激光视觉传感器扫描工件上的缺陷，将获得的三维轮廓光信号传送给控制器；控制器根据结构光信号重建缺陷的三维轮廓，并生成相应的控制代码，确定焊接的技术参数；在焊接过程中，控制器驱动近红外视觉传感器对熔池进行扫描，获取熔池图像的时频参数，生成对应的补偿控制代码，并实时修正之前设置的焊接参数，使最终的焊接效果更好；初次焊接完毕后，激光视觉传感器会对缺陷位置进行再次扫描，确定修补情况和评定修补效果，若修补效果达不到设定的标准，则控制器驱动四轴联动平台、激光视觉传感器和红外视觉传感器对修补后的缺陷进行再次修补，直到修补效果达标为止。本发明所提供的结构简单、操作方便，可靠性高、适应性强。

与现有技术相比，本发明还具有以下优点：

(1)本发明提出了利用激光视觉传感器结合四轴联动平台测量零件缺陷三维轮廓，获得缺陷轮廓的动态结构光信号，并通过计算机控制器重新建立缺陷三维模型的方法，通过该方法可以获得精准的缺陷模型，有效减少缺焊、漏焊、焊错的情况出现，明显提高焊接效率和焊接效果。

(2)本发明提出了将激光电弧复合焊与3D增材修补方法结合的再制造的新方法，将本发明提供的增材修补装置结合到机器人或龙门架上，可以用于修补工件或设备的缺陷，有效提高设备的使用周期，通过修复报废设备使其得到重复利用，发挥最大价值，体现了节能环保的理念。

(3)本发明提供的修补方法不但在焊接时引入近红外视觉传感器获取熔池形态和在线实时调整激光功率和送丝速度，还在焊后用激光视觉传感器对缺陷进行再次扫描，以确保缺陷得到最大程度的修复补并且修补效果达到最好。通过对比完好零件表面的参数，生成修补缺陷的控制代码，应用该代码来确定四轴运动平台上激光焊炬的运动参数及激光焊炬和电弧焊炬的融覆的参数，可以使焊接更精准到位，获得更好的焊接效果。

(4)本发明提出利用近红外视觉传感器对熔池状态进行扫描，实时调整焊接参数，可以最大程度减少工件缺陷修复后的应力集中和造成的热变形。

(5)本发明在每次修补后都对缺陷位置进行激光扫描，用于评价本次修补的效果，并对修补效果进行评定，确定是否需要再次修补，该过程可以明显提高修补的可靠程度，获得理想的修补效果。

(6)本发明所提供的增材修补装置可以运用到机器人末端或龙门架上对缺陷零件或设备进行修补操作，实用性和适用性强。

(7)与单一的电弧堆焊技术相比，本发明不会导致热影响区大及工件变形；与电涂镀技术相比，本发明修复后的零件可靠性高，操作方便；与热喷涂技术相比，本发明绿色环保，适用性强；与传统的激光融覆技术相比，本发明提出了激光电弧复合的方法修补缺陷，本发明还结合了激光传感器的视觉系统，克服了传统技术造成的热变形和应力集中。

附图说明

图1是本发明所提供的修补装置的整体结构示意图。

图2是本发明所提供的四轴联动平台的立体图。

图3是本发明所提供的四轴联动平台的主视图。

图4是本发明所提供的四轴联动平台的右视图。

图5是本发明所提供的四轴联动平台的俯视图。

图6是本发明所提供的激光视觉传感器的工作原理图。

图7是本发明所提供的激光电弧复合焊炬在焊接时的状态示意图。

图8是本发明所提供的工件缺陷俯视图。

图9是本发明所提供的工件缺陷剖视图。

图10是本发明所提供的修补方法流程图。

上述附图中的标号说明：100-控制器，210-X轴移动单元，220-Y轴移动单元，230-Z轴移动单元，240-A轴转动单元，300-激光视觉传感器，400-红外视觉传感器，510-激光焊炬，520-夹具，530-填充焊丝，540-角度调节单元，550-电弧焊炬，560-导气管，570-焊丝盘。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚、明确，以下参照附图并举实施例对本发明作进一步说明。

实施例1：

本发明公开一种修补装置及其修补方法用于解决现有技术存在的不足。

其中，如图1所示，该修补装置为一种激光电弧复合焊3D增材修补装置，主要包括控制器100、位于修复工位上方的四轴联动平台、以及设置在联动平台上用于获取工件的缺陷轮廓三维信息的激光视觉传感器300、用于获取熔池状态信息的红外视觉传感器400、夹具520、激光焊炬510、电弧焊炬550、填充焊丝530、焊丝盘570和导气管560。所述控制器100与四轴联动平台、激光视觉传感器300、红外视觉传感器400、激光焊炬510和电弧焊炬550连接，用于控制各部件协调工作。所述夹具520的一端与四轴联动平台连接，另一端与激光焊炬510固定。所述电弧焊炬550安装在激光焊炬510上，且与激光焊炬510之间角度可调，以适应各种焊接场合。所述填充焊丝530缠绕在焊丝盘570上，所述焊丝盘570设置在电弧焊炬550上，填充焊丝530穿过电弧焊炬550并向外凸出。所述导气管560安装在激光焊炬510上，导气管560的一端与保护气体发生器连接，另一端指向焊接工位，并且导气管560的出气方向可调，这样可以使保护气体更好地覆盖填充焊丝530和熔池。

作为本发明的优选方案，所述导气管560采用可以万向调节的万向管(或竹节管)用于引导保护气体，使保护气体准确地覆盖焊接保护区。

作为本发明的优选方案，所述电弧焊炬550与激光焊炬510之间通过角度调节单元540连接，该角度调节单元540包括一夹持把柄和调节螺栓，所述夹持把柄的一端卡设在电弧焊炬上，另一端通过调节螺栓与激光焊炬510上的第一凸起铰接，电弧焊炬550和第一凸起上均设有通孔，调节螺栓穿过通孔将电弧焊炬550固定在激光焊炬510上。当需要调节角度时，只需拧松调节螺栓，调整好角度后拧紧调节螺栓即可。该角度调节单元540的结构简单，使用方便，用于电弧焊接角度调节和送丝角度调节，可以获得更好的焊接效果。

具体的，所述控制器100与四轴联动平台连接，控制激光焊炬510和电弧焊炬550在三个方向上的移动及水平方向的转动，使激光焊炬510和电弧焊炬550在焊接平台上以最合适的位置和角度对缺陷进行修补。所述控制器100与激光视觉传感器300连接，用于驱动激光视觉传感器300并获取缺陷的三维轮廓，控制器100根据获取的数据对缺陷的三维轮廓进行重建，生成最优控制代码。所述控制器100与红外视觉传感器400连接，用于驱动红外视觉传感器400并获取熔池的实时图像时频参数，在修补过程中，根据熔池状态实时调整修补参数，获得更好的修补效果。所述控制器100与激光焊炬510和电弧焊炬550电连接，用于控制激光焊炬510和电弧焊炬550的电流大小及保护气体的流量。所述夹具520的一端与四轴联动平台连接，另一端与激光焊炬510固定，四轴联动平台通过夹具520带动激光焊炬510移动和转动，调整到合适的焊接位置。

具体的，结合图1、图2、图3、图4和图5所示，所述四轴联动平台用于控制激光焊炬510的位置并调整激光焊炬510和电弧焊炬550的焊接角度，其组成主要包括沿X轴方向运动的X轴移动单元210、沿Y轴方向运动的Y轴移动单元220、沿Z轴方向运动的Z轴移动单元230和绕垂直于工件的转轴旋转的A轴转动单元240。所述X轴移动单元210固定在修补平台上，位于修补工位的上方，Y轴移动单元220安装在X轴移动单元210上，Z轴移动单元230安装在Y轴移动单元220上，A轴转动单元240安装在Z轴移动单元230上，可相对Z轴移动单元230水平转动。所述A轴转动单元240与夹具520固定连接，带着激光焊炬510水平转动，用于调整激光焊炬510和电弧焊炬550的焊接角度。

作为本发明的优选方案，所述红外视觉传感器400采用波长较短的近红外线作为视觉传感器的光源。与远红外线相比，近红外线探测的深度较深，获取的信息量较多。由于电弧焊在焊接过程中会产生电弧的辐射光干扰，选用近红外视觉传感器可以滤去电弧的弧光干扰，提高熔池图像的成像质量。优选的，本发明优先采用波长约为950纳米的近红外光源。

作为本发明的优选方案，所述控制器100采用抗干扰能力强、工作稳定可靠、连续工作时间长的工业控制计算机。

其中，该修补方法为一种激光电弧复合焊3D增材修补装置的修补方法，该修补方法可以针对不同待修复工件材料使用相应的填充焊丝530作为填补缺陷的填充剂，结合图1和图10所示，该修补方法主要包括如下步骤：

步骤S1:将缺陷工件安装在修补工作台上；

将激光视觉传感器300、近红外视觉传感器400安装在四轴(X-Y-Z-A轴)联动控制平台的Z轴移动单元230上，将激光焊炬510和电弧焊炬550安装在A轴旋转单元上。

步骤S2:驱动激光视觉传感器300扫描缺陷的三维轮廓；

安装完毕后，首先配合四轴联动平台将激光焊炬510移动到相应位置，在控制器100的控制下，驱动激光视觉传感器300扫描缺陷(复杂几何形状)轮廓得到结构光信号。

步骤S3:控制器100接受激光视觉传感器300的反馈信号，重建缺陷的三维轮廓；

如图6所示，根据激光视觉传感器300的工作原理，传感器内半导体激光发射源发出一束平行的激光。该激光束射在工件缺陷的轮廓表面上，其表面光源信息被传感器内的CMOS相机检测到，利用三角测量原理，在控制器100中可以得到精确的缺陷轮廓结构光信号。控制器100获取激光视觉传感器300反馈的缺陷轮廓结构光信号，利用三维重建的方法建立缺陷三维模型。

步骤S4:根据缺陷的三维轮廓数据生成控制代码，确定具体的焊接参数；

控制器100将重建的缺陷三维模型与原始的零件模型参数作对比，确定要修补的具体参数并生成相应的控制代码。控制器100根据生成的控制代码驱动四轴联动平台控制激光焊炬510移动到指定的位置，然后通过控制代码确定激光焊炬510和电弧焊炬550的焊接参数。该焊接参数主要包括焊接的位置、激光功率、焊接速度和送丝速度等等。

步骤S5:修补过程中，控制器100驱动近红外视觉传感器400对熔池进行扫描，获取熔池图像的时频参数(包括时域、频域信息)，并根据熔池图像时频参数生成补偿控制代码，实时修正设定的焊接参数。如图7所示为针对几何形状较为复杂的工件缺陷，在激光电弧复合焊3D增材修补装置修复缺陷时的熔滴过渡。

当工件的缺陷有一部分在试件表面下时，结合图1、图8和图9所示，由于A轴与激光焊炬510之间有一定夹角，控制器100可以驱动A轴旋转轴来调整激光焊炬510在工件上的焊接位置，从而完成试件表面下的缺陷修补。

步骤S6:针对焊接后修复试件表面出现的热变形，在完成初次修补后，再次驱动激光视觉传感器300扫描缺陷的三维轮廓，确定修补后的工件是否达标，若不达标，则对缺陷进行再次修补，直到缺陷修补达标为止。

作为本发明的优选方案，在焊接时，当缺陷的位置和形状较为复杂，可以通过驱动A轴转动单元240调整激光焊炬510的焊接夹角来完成缺陷修补，采用该方法可以进一步提高修补效率，克服现有技术的不足。

本发明所提供的修补装置可以安装在机器人末端或龙门架的机架上，配合机器人或龙门架的运动定位到相应位置，用于修复不同场合下的缺陷试件或者需要修补维护的设备。

本发明的工作过程和原理是：本发明利用激光视觉传感器300扫描工件上的缺陷，将获得的三维轮廓光信号传送给控制器100；控制器100根据结构光信号重建缺陷的三维轮廓，并生成相应的控制代码，确定焊接的技术参数；在焊接过程中，控制器100驱动近红外视觉传感器400对熔池进行扫描，获取熔池图像的时频参数，生成对应的补偿控制代码，并实时修正之前设置的焊接参数，使最终的焊接效果更好；初次焊接完毕后，激光视觉传感器300会对缺陷位置进行再次扫描，确定修补情况和评定修补效果，若修补效果达不到设定的标准，则控制器100驱动四轴联动平台、激光视觉传感器300和红外视觉传感器400对修补后的缺陷进行再次修补，直到修补效果达标为止。本发明所提供的结构简单、操作方便，可靠性高、适应性强。

实施例2：

如图1所示，将激光视觉传感器300、近红外视觉传感器400安装在四轴(X-Y-Z-A轴)运动控制平台的Z轴运动平台上，将激光焊炬510和电弧焊炬550安装在A轴旋转平台上。该装置可以安装在机器人末端或龙门架机架上，配合机器人或龙门架的运动到相应位置以修复不同场合下缺陷试件或设备。

本发明所提供的3D增材修补装置的工作过程如下：首先配合四轴运动平台将激光焊炬510和电弧焊炬550移动到相应位置，在计算机控制器100控制下，驱动激光视觉传感器300扫描缺陷(复杂几何形状)轮廓得到结构光信号。

然后，激光视觉传感器300内半导体激光发射源发出一束平行的激光，该激光束打在工件缺陷的轮廓表面上，其表面光源信息被传感器内的CMOS相机检测到，利用三角测量原理，在计算机控制器100中可以得到精确的缺陷轮廓结构光信号。(图6为激光视觉传感器300的工作原理图)

接着，根据激光视觉传感器300扫描缺陷获取的缺陷轮廓结构光信号，计算机控制器100利用三维重建的方法建立缺陷三维模型。将重建的模型与原始的零件参数作对比，确定修补的具体参数并生成控制代码。

接着，驱动四轴运动平台控制激光焊炬510和电弧焊炬550移动到相应位置，然后用控制代码确定激光焊炬510和电弧焊炬550的填充焊丝530速度、引弧电流大小等参数，对缺陷位置用堆焊的方式进行融覆修补。如图7所示，是激光电弧复合焊修复缺陷时的熔滴过渡，填充焊丝530穿过导电弧焊炬550并向外凸出。保护气体从导气管560的管口喷出，用于保护高温熔化的金属，防止金属被氧化。填充焊丝530和工件缺陷附近的金属在激光焊炬510和电弧焊炬550的作用下熔化，形成熔池，待冷却后填充焊丝530便成为工件的一部分。当遇到工件缺陷形状和位置较为复杂的情况时，针对这种状况的缺陷修补(如图8和图9所示，缺陷有一部分在试件表面下)，由于A轴与激光焊炬510和电弧焊炬550有一定角度，驱动A轴旋转轴调整激光焊炬510的焊接位置，可以完成试件表面下的缺陷修补。

接着，如图1所示为近红外视觉传感器400获取焊时熔池信息的示意图，在堆焊修补过程中获取的缺陷熔池图像包含了缺陷的实时修补状况，通过图像处理等方法获取熔池图像时频参数，进而补偿控制代码。

最后，针对电弧堆焊后修复试件表面出现的热变形，在完成初次修补后，用激光视觉传感器300扫描缺陷轮廓。经计算机处理后得到再次修补的控制代码，从而用四轴运动平台驱动激光焊炬510和电弧焊炬550并确定相应的融覆参数修补缺陷。激光视觉传感器300获得缺陷三维轮廓，近红外视觉传感器400实时获取修补的状态。多传感信息(激光、近红外视觉传感器400)的融合生成最优控制算法，包括焊接位置、激光功率、焊接速度、送丝速度等参数的在线调整。图10为该发明的工作流程图，多次重复该操作(即视觉检测、堆焊修补)，直到缺陷轮廓形态达标。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。