一种激光-MAG焊接熔深的实时监测调控系统

摘要

一种激光‑MAG焊接熔深的实时监测调控系统，包括激光器、MAG焊机和焊接机器人，其特征在于：还包括焊接过程中实时监测焊件的焊接位置特征波长λ光谱强度的光谱仪，光谱仪将实时采集的特征波长λ光谱强度传输给集成控制中心；所述集成控制中心包括判定部、调节部和控制部；判定部判定是否需要对焊接参数进行调节；调节部根据制定调节方案并传输给控制部；控制部与激光器、MAG焊机和焊接机器人连接，根据调节方案控制调节激光‑MAG焊接的焊接参数。该实时调控系统可实时监测激光‑MAG焊接的熔深变化并对熔深进行实时调控，从而获得恒定熔深的高质量激光焊接接头。

说明书

技术领域

本发明涉及一种可实时监测激光-MAG焊接的熔深变化并对熔深进行实时监测及调控的系统，属于焊接技术领域。

背景技术

激光-MAG焊接是利用高能量密度激光束与MAG电弧联合作为焊接热源的一种焊接方法。激光能量密度高，指向性好，熔深大，但桥接能力差，MAG焊接能量密度第，电弧不稳定、熔深小，桥接能力强，两者复合可以优缺点互补，成为一种高效、高质量的焊接方法。

但是，由于MAG电弧在空间上和物理特性上存在较大的波动，激光器如果长时间工作也会导致激光功率不稳定，再加上MAG电弧中的等离子体对激光有吸收散射的作用，激光经过不稳定的电弧等离子体会发生功率的衰减，所以激光-MAG焊接是一个不稳定的过程，最终会导致整个过程的熔深并不均匀。而焊缝不均匀会使得残余应力集中，焊缝性能下降。

现有技术大多是基于试验经验实现不同焊接参数的匹配，得到一个相对均匀的焊缝，无法解决长焊缝功率衰减、电弧不稳定导致的熔深变化等问题，无法对焊接进行实时的监测与控制。

发明内容

本发明的发明目的是提供一种激光-MAG焊接熔深的实时监测调控系统。该实时调控系统可实时监测激光-MAG焊接的熔深变化并对熔深进行实时调控，从而稳定熔深，得到熔深均匀的高质量焊缝。

本发明实现其发明目的所采取的技术方案是：一种激光-MAG焊接熔深的实时监测调控系统，包括激光器、MAG焊机和焊接机器人，其结构特点是：还包括焊接过程中实时监测焊件的焊接位置特征波长λ光谱强度的光谱仪，光谱仪将实时采集的特征波长λ光谱强度传输给集成控制中心；所述集成控制中心包括判定部、调节部和控制部；

所述判定部预设特征波长λ的光谱强度差阈值ΔI，根据实时采集的焊接位置特征波长λ光谱强度曲线相邻两个波峰峰值差值得到所监测焊接位置的光谱强度差值Δi，如果Δi≤ΔI，则判定不需要对焊接参数进行调节，焊接正常进行；如果Δi＞ΔI，则判定需要对焊接参数进行调节，并将所监测焊接位置的光谱强度差值Δi传输给调节部；

所述调节部预设特征波长λ的光谱强度差值Δi与激光-MAG焊接的焊接参数之间的关系数据库和根据焊件的材料种类、厚度和期望熔深L选择的经验焊接参数，根据所监测焊接位置的光谱强度差值Δi和所述关系数据库制定调节方案并传输给控制部；

所述控制部与激光器、MAG焊机和焊接机器人连接，根据调节方案控制调节激光-MAG焊接的焊接参数。

本发明的原理即有益效果是：

激光-MAG焊接中，电弧为等离子体，激光与母材作用的过程中母材金属与保护气成分会吸收大量激光能量也会电离形成等离子体，两者等离子体会发生合并，成分复杂。产生的等离子体中，各种粒子具有很高的能量，原子中处于激发态的束缚电子跃迁到较低能态时会产生一种辐射，称之为束缚辐射，不同原子或离子所具有的线光谱(特征波长λ的光谱强度即为特定元素谱线的光谱强度)是不同的。

当焊接参数一定时，理论上特征波长λ光谱强度是保持不变的，但是由于MAG电弧本身在空间上和物理特性上存在较大的波动；首先，激光器如果长时间工作也会导致激光功率不稳定，等离子体的增多，热透镜效应等都会造成激光焊接过程中焊缝熔深的变化。其次，当焊接过程中还有变形等其他种种不稳定因素会导致焊缝熔深发生变化。而熔深改变，熔池不稳定，焊缝尺寸改变时，等离子的某些特定波长谱线强度就会发生变化，也即特征波长λ的光谱强度会发生变化，所以可以通过监测征波长λ的光谱强度的波动变化来判定焊缝熔深变化。本发明是通过实时监测的焊接位置光谱强度差值Δi和光谱强度差阈值ΔI对比进行光谱诊断，由光谱强度的突变差值判定焊接是否存在熔深变化。焊接过程中由光谱强度差值Δi出发，根据光谱强度差值Δi与激光-MAG焊接的焊接参数之间的关系计算焊接参数的补偿量，并对接参数进行实时调节，减少光谱强度差值Δi，使其实时小于光谱强度差阈值ΔI，实现焊接恒定熔深控制。

本发明系统根据焊件的材料种类、厚度和期望熔深L选择的经验焊接参数，对焊件进行焊接，焊接的同时光谱仪实时监测焊接位置特征波长λ的光谱强度，此处为了保证到达“实时”，可以设置每10ms采集一次特征波长λ的光谱强度，光谱仪将实时采集的特征波长λ光谱强度传输给集成控制中心；

集成控制中心的判定部预设特征波长λ的光谱强度差阈值ΔI，根据实时采集的焊接位置特征波长λ光谱强度曲线，计算所监测焊接位置相邻两个波峰光谱强度差值Δi(每两次次采集都能做差得到一个Δi)，如果Δi≤ΔI，说明Δi在正常范围内波动，熔深变化可忽略，判定不需要对焊接参数进行调节，焊接正常进行；如果Δi＞ΔI，说明Δi不在正常范围内波动，熔深变化不可忽略，则判定需要对焊接参数进行调节，并将所监测焊接位置的光谱强度差值Δi传输给调节部。

集成控制中心的调节部预设特征波长λ的光谱强度差值Δi与激光-MAG焊接的焊接参数之间的关系数据库和根据焊件的材料种类、厚度和期望熔深L选择的经验焊接参数；调节部接收到判定部发送过来的所监测焊接位置的光谱强度差值Δi后，通过关系数据库计算光谱强度差值Δi所对应的激光-MAG焊接的焊接参数(近似认为是实际的实时焊接参数)，并得出根据焊件的材料种类、厚度和期望熔深L选择的经验焊接参数(焊接的最优焊接参数)对光谱强度差值Δi所对应的激光-MAG焊接的焊接参数进行调节的调节方案，所述调节方案即是调节谱强度差值Δi所对应的激光-MAG焊接的焊接参数至经验焊接参数。

下面以焊接参数的激光功率为例，如果通过关系数据库计算出的光谱强度差值Δi所对应的激光-MAG焊接的激光功率为P，经验焊接参数中激光功率为P_s(激光器中初始设置的激光输出功率)，二者存在差值ΔP＝P-P_s；则调节激光器的激光输出功率为P_s-ΔP，这样就可以保证实际的实时焊接参数接近经验焊接参数。

集成控制中心的控制部根据调节方案，控制激光器、机器人和MAG焊机，从而对焊接参数进行调整，将光谱强度差值Δi控制在光谱强度差阈值ΔI以下，使得焊接过程趋于稳定状态，则可以保证得到恒定熔深的焊缝，提高焊缝成型与性能的一致性，节约试验成本。

进一步，本发明所述光谱仪的准直器对准激光的光斑，距离激光光斑80-120mm，焊接过程中实时监测焊接部位特征波长λ光谱强度。

实验验证，距离激光光斑80-120mm是最佳采集位置，需要注意的是，在确定特征波长λ的光谱强度差阈值ΔI的试验中，特征波长λ的光谱强度差值Δi与激光-MAG焊接的焊接参数之间的关系数据库的试验中和实际焊接中，必须保证述光谱仪的准直器的采集位置完全相同。

进一步，本发明所述判定部内预设的特征波长λ的光谱强度差阈值ΔI的确定方法是：

选取与待焊板材相同材料种类和厚度的试板作为焊接试板，根据焊接试板的材料种类、厚度和期望熔深L选择经验焊接参数对焊接试板进行焊接，焊接过程中通过光谱仪的准直器实时记录焊接过程中每个焊接位置的特征波长λ光谱强度变化曲线，计算实时光谱强度曲线两个波峰峰值差值得到所监测焊接位置的光谱强度差值Δi，即为不同焊接位置处特征波长λ的光谱强度差值Δi；

焊接完成后通过切取金相试样计算不同焊接位置的熔深，并计算不同焊接位置处的熔深与期望熔深L之间的差值，即为不同焊接位置处的熔深差值ΔL；

对应记录不同焊接位置处的特征波长λ的光谱强度差值Δi和熔深差值ΔL，并根据熔深差值ΔL设置光谱强度差阈值ΔI。

更进一步，本发明所述根据熔深差值ΔL设置光谱强度差阈值ΔI的具体方法是：记录熔深差值ΔL≤2mm所对应的光谱强度差值Δi范围，并将所述光谱强度差值Δi范围内最大的光谱强度差值Δi记为光谱强度差阈值ΔI。

进一步，本发明所述焊件为厚度为3mm的304L不锈钢板，所述焊接过程中实时监测的特征波长λ光谱强度是指FeI谱线光谱强度，判定部内预设的光谱强度差阈值ΔI为2500。

实验验证，焊件为厚度为3mm的304L不锈钢板，FeI谱线光谱强度差值Δi小于2500时，熔深改变并不明显，保持在0.2mm以内，超过2500时熔深就开始有较大的变化，所以设置光谱强度差阈值ΔI为2500。

进一步，本发明所述激光-MAG焊接的焊接参数包括激光焊接的激光功率、光斑直径、离焦量和MAG焊接的焊接电压。

实验验证，在激光-MAG焊接的焊接参数中，通过对激光焊接的激光功率、光斑直径、离焦量和MAG焊接的焊接电压这四个焊接参数的调节即可保证熔深的稳定。

进一步，本发明所述调节部内预设的特征波长λ的光谱强度差值Δi与激光-MAG焊接的焊接参数之间的关系数据库通过二次回归设计方法建立。

进一步，本发明所述调节部内预设的特征波长λ的光谱强度差值Δi与激光-MAG焊接的焊接参数之间的关系数据库包括光谱强度差值Δi与激光功率、光斑直径、离焦量、焊接电压之间的二次回归方程。

二次回归方程的建立实验采用四因子五水平二次回归通用旋转组合设计，设置激光功率、光斑直径、离焦量、焊接电压四个因子，每个因子各设五个水平。然后利用Design-Expert统计分析软件对实验结果进行数学求解，即可得到的Δi与激光功率、光斑直径、离焦量、焊接电压之间的二次回归方程。

附图说明

图1为本发明实施例系统整体结构示意图。

图2为本发明实施例光谱仪监测焊接位置特征波长λ光谱强度时准直器的布置示意图，特征波长λ光谱强度变化曲线及Δi取值示意图。

图中，1.0为激光器，1.1为激光器的光纤，1.2为激光器的激光头，2.0为MAG焊机，2.1为MAG焊枪，3.0为焊接机器人，4.0为光谱仪，4.1为光谱仪的准直器，4.2为光谱仪的光纤，5.0为集成控制中心，5.1为显示器。

曲线为特征波长λ光谱实时强度曲线，横坐标为采样时间，A点和B点是相邻的两个采集点波峰强度值，两点时间相差一个采样周期(10ms)，两个强度的差值为光谱强度差值Δi。

图3为本发明焊接参数实时控制路线图。

具体实施方式

实施例

一种激光-MAG焊接熔深的实时监测调控系统，包括激光器1.0、MAG焊机2.0和焊接机器人3.0，其结构特点是：还包括焊接过程中实时监测焊件的焊接位置特征波长λ光谱强度的光谱仪4.0，光谱仪4.0将实时采集的特征波长λ光谱强度传输给集成控制中心5.0；所述集成控制中心5.0包括判定部、调节部和控制部；

所述判定部预设特征波长λ的光谱强度差阈值ΔI，根据实时采集的特征波长λ光谱强度变化曲线，计算所监测焊接位置相邻两个波峰光谱强度差值Δi(每两次次采集都能做差得到一个Δi)，如果Δi≤ΔI，则判定不需要对焊接参数进行调节，焊接正常进行；如果Δi＞ΔI，则判定需要对焊接参数进行调节，并将所监测焊接位置的光谱强度差值Δi传输给调节部；

所述调节部预设特征波长λ的光谱强度差值Δi与激光-MAG焊接的焊接参数之间的关系数据库和根据焊件的材料种类、厚度和期望熔深L选择的经验焊接参数，根据所监测焊接位置的光谱强度差值Δi和所述关系数据库制定调节方案并传输给控制部；

所述控制部与激光器1.0、MAG焊机2.0和焊接机器人3.0连接，根据调节方案控制调节激光-MAG焊接的焊接参数。

图1为本例的系统整体结构示意图。图中，1.0为激光器，1.1为激光器的光纤，1.2为激光器的激光头，2.0为MAG焊机，2.1为MAG焊枪，3.0为焊接机器人，4.0为光谱仪，4.1为光谱仪的准直器，4.2为光谱仪的光纤，5.0为集成控制中心，5.1为集成控制中心的显示器。

本例中所述激光-MAG焊接的焊接参数包括激光焊接的激光功率、光斑直径、离焦量和MAG焊接的焊接电压。

本例中所述光谱仪4.0的准直器4.1对准激光的光斑，距离激光光斑80-120mm，焊接过程中实时监测焊接部位特征波长λ光谱强度。

图2为本发明实施例光谱仪监测焊接位置特征波长λ光谱强度时准直器的布置示意图。准直器4.1前端与激光光斑距离为80-120mm(焊接过程中距离保持固定不变)，准直器4.1与母材之间的夹角为25°，这样每组试验改变了不同的焊接参数均可保证采集光谱位置相同。因为准直器4.1的位置通过激光光斑校准，而激光头与MAG焊枪2.1之间的位置是固定的，所以此附图省略了MAG焊枪2.1。

本例中所述判定部内预设的特征波长λ的光谱强度差阈值ΔI的确定方法是：

选取与待焊板材相同材料种类和厚度的试板作为焊接试板，根据焊接试板的材料种类、厚度和期望熔深L选择经验焊接参数对焊接试板进行焊接，焊接过程中通过光谱仪4.0的准直器4.1实时记录焊接过程中每个焊接位置的特征波长λ光谱强度变化曲线，计算实时光谱强度曲线两个波峰峰值差值得到所监测焊接位置的光谱强度差值Δi，即为不同焊接位置处特征波长λ的光谱强度差值Δi；

焊接完成后通过切取金相试样计算不同焊接位置的熔深，并计算不同焊接位置处的熔深与期望熔深L之间的差值，即为不同焊接位置处的熔深差值ΔL；

对应记录不同焊接位置处的特征波长λ的光谱强度差值Δi和熔深差值ΔL，并根据熔深差值ΔL设置光谱强度差阈值ΔI。

本例中所述根据熔深差值ΔL设置光谱强度差阈值ΔI的具体方法是：记录熔深差值ΔL≤2mm所对应的光谱强度差值Δi范围，并将所述光谱强度差值Δi范围内最大的光谱强度差值Δi记为光谱强度差阈值ΔI。

采用本例系统对厚度为3mm的304L不锈钢板进行焊接，焊接过程中实时监测的特征波长λ光谱强度是指FeI谱线光谱强度，通过上述特征波长λ的光谱强度差阈值ΔI的确定方法所确定的光谱强度差阈值ΔI为2500。

本例中所述调节部内预设的特征波长λ的光谱强度差值Δi与激光-MAG焊接的焊接参数之间的关系数据库包括光谱强度差值Δi与激光功率、光斑直径、离焦量、焊接电压之间的二次回归方程，通过二次回归设计方法建立，具体步骤如下：

1、焊接工艺参数的选取

针对3mm的304L不锈钢板的焊接，通过大量探索性实验，确定焊接参数激光功率P、光斑直径D、焊接电压V和离焦量f的变化范围，如表1.1所示。

表1.1工艺参数范围

2、建立实验方案

2.1确定实验次数N

考虑对P个自变量进行N次实验来建立各自变量与实验结果Y之间的二次回方程，则实验次数N具有：

N＝m_c+m_r+m_o＝m_c+2P+m_o

其中，P为自变量个数，本例中P是要建立的关系数据库中焊接参数个数P＝4，m_c为二水平实验次数(为了使实验满足正交性)，全部实施时m_c＝2^P，部分实施时m_c＝2^P/2；m_r为星号实验次数，m_r＝2P，m_o为零水平实验次数。r为星号臂长度，为了使实验结果满足旋转性要求，星号臂长度应满足：

表2.1为本例中二次回归通用旋转实验相关参数取值，表中，4(1/2)表示部分实施，4表示全实施。

表21二次回归通用旋转组合实验相关参数取值

2.2对工艺参数进行编码

对四个工艺参数X进行编码，编码公式为：

其中，Z_J为五个规范化水平值(Z₁＝-r，Z₂＝-1，Z₃＝0，Z₄＝1，Z₅＝r，星号臂长度r的值可以由表2.1中查得)；X_J为每个工艺参数的规范化水平值所对应的工艺参数值，经过编码后，每个工艺参数均有5个规范化水平值所对应的工艺参数值X_J(X₁通过编码公式解出的Z₁所对应的工艺参数值，X₂为通过编码公式解出的Z₂所对应的工艺参数值，X₃为通过编码公式解出的Z₃所对应的工艺参数值，X₄为通过编码公式解出的Z₄所对应的工艺参数值，X₅为通过编码公式解出的Z₅所对应的工艺参数值)。X_max为各个工艺参数范围的上限值，X_min为各个工艺参数范围的下限值。例如X为激光功率时，X_max为2500W，X_min为1500W；Z_max和Z_min为规范化水平的最大值和最小值，Z_max和Z_min涉及到r的值，如r为2的时候，Z_max＝-2，Z_min＝+2。根据上述编码公式，计算焊接过程中每个工艺参数的五个规范化水平所对应的5个工艺参数值，如表2.2所示。

表2.2激光-MAG焊接过程各工艺参数编码

然后通过Design-Expert统计分析软件生成实验方案，即通过Design-Expert统计分析软件将每个工艺参数的5个工艺参数值之间相互组合形成多组实验，形成实验表，本例中，如果选择全实＝施，实验组数量为31，如果选择部分实施，实验组数量为20。全实施时生成的实验表格式如表2.3所示。

表2.3全实施焊接参数

3、建立回归方程

按照生成的试验方案进行实验，并记录每个实验得到的光谱强度差值。

根据实验设计数学原理，建立二次回归方程模型：

其中，为回归预测值，本例中表示光谱强度差值Δi；x_g和x_h为要建立的关系数据库中焊接参数(x₁为激光功率P、x₂为光斑直径D、x₃为焊接电压V，x₄为离焦量f)；b₀、b_g、b_hg、b_gg为回归方程系数，其值按照下式计算：

e＝m_c+2r²

式中，N为实验次数；P是要建立的关系数据库中焊接参数个数，P＝4；y_i为第i组实验中得到的光谱强度差值。z_ih、z_ig为实验实施方案中的规范变量，根据软件回归设计取Z_J中的一个值，i表示N次试验中的第i次试验，z_ig为第i次实验中实验实施方案的第g个规范变量，z_ih为第i次实验中实验实施方案的第h个规范变量；参数K、E、G、e^-1和根据表3.1确定。

表3.1二次回归通用旋转组合设计参数值

根据步骤2生成的实验方案中每组实验的实验参数、实验结果和上述二次回归方程模型，利用Design-Expert统计分析软件对进行数学求解，得到光谱强度差值Δi与激光功率、光斑直径、离焦量、焊接电压之间的二次回归方程。

集成控制中心5.0的调节部内预设的经验焊接参数(也即激光器1.0、MAG焊机2.0设置的初始焊接参数和焊接机器人3.0机械臂初始位置确定的初始焊接参数)为激光功率P_s＝2700W，焊接电压V_s＝36V，光斑直径D_s＝0.5mm，离焦量f_s＝0。

调节部接收到判定部发送过来的所监测焊接位置的光谱强度差值Δi后，先通过二次回归方程计算光谱强度差值Δi所对应的激光-MAG焊接的激光功率、光斑直径、离焦量、焊接电压(近似认为是实际的实时焊接参数)，并得出根据经验焊接参数(焊接的最优焊接参数)对光谱强度差值Δi所对应的激光-MAG焊接的焊接参数进行调节的调节方案：

如果通过二次回归方程计算出的光谱强度差值Δi所对应的激光-MAG焊接的激光功率为P、光斑直径为D、离焦量为f、焊接电压为V；上述焊接参数与所述经验焊接参数存在差值：ΔP＝P-P_s、ΔD＝D-D_s、Δf＝f-f_s、ΔV＝V-V_s、则调节激光器1.0的激光输出功率为P_s-ΔP，调节激光光斑直径为D_s-ΔD，通过机械臂调节激光焊接离焦量为f_s-Δf，调节MAG焊机2.0的焊接电压V_s-ΔV。这样就可以保证实际的实时焊接参数接近经验焊接参数，从而保证熔深稳定。