[发明专利]一种激光-电弧复合焊接实时调控系统及其调控方法

说明书

本发明公开了一种激光‑电弧复合焊接实时调控系统及其调控方法，所述的调控系统，包括激光‑电弧复合焊接热源系统、传感系统、焊接数据采集系统、控制单元、控制信号输出系统和焊接机械运动控制系统。本发明通过传感系统进行信息采集，并输入到焊接数据采集系统，将这些信息转变为各自的数字信号输入到控制单元的数据采集模块中，通过分类将其输入到人机交互模块中，将简单的数字信号转变为可参考的相对变量信号，然后输入到智能模块中行计算，当计算出的结果数据偏离了智能模块的设定范围时，则对电弧电流、激光能量及运动速度等参数进行实时调控，进而使焊接综合评价值重新回到设定范围之内，从而达到稳定焊接过程，提高焊接质量的目的。

技术领域

本发明属于材料工程技术领域，具体涉及一种激光-电弧复合焊接方法的实时控制技术，特别涉及复合焊接过程的智能化控制技术。

背景技术

激光-电弧复合焊接是一种新型的复合焊接方法，随着这种焊接方法的发展其应用范围逐渐扩展。近年来在航空航天、轨道交通及能源装备制造领域，零件制造形状更加复杂，制造周期逐渐缩短，制造质量要求不断提升，对高端焊接制造技术提出迫切需求。在大型复杂结构件的激光-电弧复合焊接过程中，采用常规的焊接参数设置方法，虽然能够实现部分构件的焊接制造，但是尚未能充分发挥激光与电弧的复合作用效果，无法满足结构件的高质量高效焊接需求。特别是随着焊接制造结构件形状、厚度、长度等方面的变化，关键结构的高性能焊接不仅需要设置合理的激光和电弧的复合焊接参数，同时在焊接过程中要依据焊接试件的特征对焊接参数进行实时的快速判定、响应、调节和控制。这种实时的快速响应及控制在电弧自动焊接过程中最早的应用主要起源于通过电弧电压的测量来调整氩弧焊接过程中的弧长，从而减小由于焊接结构表面波动带来的影响。然而随着结构件不断向复杂化方向发展，简单的电弧电压调控已经难以满足实际的生产制造需求。受到热源本身特性的影响，单一电弧焊接能量密度及能量梯度在焊接过程中无法发生变化，因此其解决自动化焊接制造过程中问题的能量相对有限。激光-电弧复合热源具有热源能量和模式的精确可调特征，对于焊接过程中出现的问题(间隙大小、不同厚度、焊接变形控制、焊接咬边控制)能够提供合理的解决方案，这为实现焊接过程的快速响应及智能控制提供了前提和基础。

在智能化焊接制造系统方面，德国、美国以及日本等国家先后开发出焊接制造的专家控制系统，其特征是根据材料的厚度以及材质对焊接参数进行相应的自动调节，从而达到提高焊接制造效率，改善焊接质量的方法，这一专家系统的开发对于目前焊接设备的智能化起到了积极的促进作用，但是其在实际焊接过程中仍然无法取代人工的焊接方法，这种焊接专家系统主要是通过给定的板材确定相应的焊接参数范围，并不能在焊接过程中再次进行调控。在此基础上德国焊接研究工作者率先提出了基于人工智能的焊接制造系统，即将人在焊接制造过程中的经验和方法进行数字化和工程化的转化从而使焊接设备自身具有对焊接制造过程的智能化判断和智能化的参数调节，从而在复杂的结构中实现完全的自动化焊接制造生产。目前国内相关单位正在开展相关智能焊接技术的研究，并已经开发出具有焊接专家系统的焊接设备，但仍未见相关焊接过程快速响应及控制的智能系统及焊接制造设备的公开报道。国际上虽然已经形成了部分基于人工智能的焊接制造系统，但是目前主要集中在单一电弧焊接制造过程中。

现代焊接自动化焊接制造体系的快速发展，使得自动化焊接制造已经由传统简单结构的单一电弧低速焊接逐渐向复杂结构高速多热源焊接快速发展。激光-电弧复合焊接作为多热源焊接中的一种高性能焊接方法，已经成为复杂结构高速焊接的主要方法之一。当采用激光-电弧复合焊接进行复杂结构高速焊接时，受到焊缝复杂形状、板材长度增加、对接间隙变化及板材局部翘曲等多种因素的影响，极易产生烧穿、未熔合及未焊透等焊接缺陷，显著影响了焊接质量和焊接稳定性，因此亟需围绕激光-电弧复合高速焊接过程开发智能化控制技术，实现对焊接过程的精准控制，进而满足复杂结构高速焊接的高可靠高稳定制造需求。

发明内容