一种变间隙预扫描激光自熔与填丝交互焊接方法与流程

1.本发明涉及一种变间隙预扫描激光自熔与填丝交互焊接方法，尤其针对于激光焊接对接接头或激光焊接开v型坡口焊缝间隙不均匀的情况。


背景技术：

2.针对航空复杂薄壁组件的激光束装焊单元技术，目前普遍存在一大难点：由于焊前制造方法采用钣金成形和机械切割，导致待焊边沿区域直线度极差，且凹凸不平，致使装配后焊件的间隙均匀度不满足要求。同时激光焊接对接头的间隙尺寸要求比较严格，间隙过大，容易造成焊缝咬边、下塌、背面成形不良等情况，影响焊接质量。之后为了弥补间隙不均匀或过大的缺陷，需要人工测量间隙并分段标志，根据不同的间隙采用不同的焊接技术和规范，导致生产效率降低，焊缝接头数量急剧增加，缺陷率也随之提高。因此，如何开发一种变间隙预扫描激光焊接方法，在接头间隙尺寸不断变化的条件下实现自动化焊接，成为迫切需求。


技术实现要素：

3.本发明提供了一种变间隙预扫描激光自熔与填丝交互焊接方法，具体步骤如下：
4.第一步：针对对接接头或开v型坡口焊缝进行激光预扫描，激光扫描视觉传感器实时扫描焊缝几何形貌信息，通过中值滤波和平均值滤波，可以有效控制由于反光造成的像素波动，并通过焊缝间隙几何特征量的提取，提取的数据包含4个关键参数：δx、δy、δz、gap，并实时发送至机器人控制器，数据发送间隔为50ms。
5.第二步：针对图像处理后的焊缝几何形貌特征进行三维重构，之后对间隙空间几何特征进行几何特征解析，并通过高效算法补偿运算，反馈运算结果，之后根据结果选择采用激光自熔焊还是激光填丝焊，同时在激光填丝焊过程中也可根据焊缝间隙调节激光功率、送丝速度等工艺参数。
6.第三步：根据焊缝间隙尺寸的变化进行激光焊接，当间隙尺寸小于阈值b时，填丝系统不启动，此时为激光自熔焊；当间隙尺寸大于设定的阈值b时，启动填丝系统，此时进行激光填丝焊接，根据间隙大小自动调节送丝速度v的快慢，随着间隙尺寸变大，送丝速度增加，激光功率p增加，最终实现自适应自动化激光焊接。
7.所述的变间隙预扫描激光自熔与填丝交互焊接方法，所述的步骤一中的对接接头或开v型坡口焊缝间隙变动范围在0.05
‑
1.20mm之内。
8.所述的变间隙预扫描激光自熔与填丝交互焊接方法，所述的步骤一中信号采集系统对焊缝进行观测，采用ccd对焊缝间隙进行观测，提取间隙轮廓，测量间隙尺寸，将尺寸信号和位置信号传送给控制系统进行分析。
9.所述的变间隙预扫描激光自熔与填丝交互焊接方法，所述的步骤二中的激光填丝焊的焊接速度v＝(8～20)*b m/min。
10.所述的变间隙预扫描激光自熔与填丝交互焊接方法，所述的步骤二中的激光填丝
焊的激光功率p的增幅δp＝2200*b w，此时的焊丝直径可选择0.8～1.2mm之间；激光自熔焊的的激光功率p略小，大致为1500～2000w。
11.本发明的技术方案的有益效果如下：
12.本发明提供了一种变间隙预扫描激光自熔与填丝交互焊接方法，利用激光视觉传感器对间隙尺寸进行预扫描，并通过图像采集软件对扫描路径上的间隙空间几何特征进行三维重构，之后针对三维重构后的间隙空间几何特征进行几何特征解析及高效算法补偿运算来选择不同位置的焊接方式(例如激光自熔焊或激光填丝焊)，并反馈控制调节激光功率、送丝速度等工艺参数，最终实现自动焊接在线实时反馈控制，解决自动焊接过程中由于焊缝间隙不断变化从而导致焊缝成形不良的问题。
附图说明
13.图1为本发明实施例1、2、3中提供的一种变间隙预扫描激光自熔与填丝交互焊接方法的流程图；
14.图2为本发明实施例1中开v型坡口焊缝变间隙预扫描激光焊接系统；
15.图3为本发明实施例2与3中对接焊缝变间隙预扫描后激光自熔焊与填丝焊过程示意图，其中1为激光头，2为焊丝，3为装配间隙，4为对接焊缝变间隙基板。
具体实施方式
16.实施例1
17.1、7a52铝合金开v型坡口结构激光预扫描及图像处理
18.根据实际7a52铝合金开v型坡口结构情况，采用激光扫描视觉传感器实时扫描焊缝几何形貌信息，通过中值滤波和平均值滤波，可以有效控制由于反光造成的像素波动，并通过焊缝间隙几何特征量的提取，提取的数据包含4个关键参数：δx、δy、δz、gap，并实时发送至机器人控制器，数据发送间隔为50ms。由于在图像的采集过程中存在着大量的噪声信号，在图像的传送和转换过程中也会造成图像质量的降低，因此图像处理一般首先应用滤波技术和恢复技术对图像进行降噪处理和图像复原，增强图像特征信息。
19.2、对激光预扫描后传输数据进行三维重构及间隙几何特征解析
20.通过三维重构软件，建立错边与焊缝长度、间隙与焊缝长度的函数关系，并以图像的方式显示焊缝空间几何特征。之后对间隙几何特征进行解析，通过高效算法补偿运算，反馈运算结果，并对不满足要求的间隙位置及大小进行标定。
21.3、对间隙空间几何特征解析结果进行激光焊接工艺参数优化
22.当间隙尺寸小于0.4mm时，7a52铝合金开v型坡口结构采用激光自熔焊，激光功率采用2000w，焊接速度1.5m/min；当间隙尺寸大于0.4mm时，要求采用激光填丝焊。当间隙尺寸为0.4mm～1.2mm时，激光填丝焊功率p的范围为2000～4400w增幅为δp＝2200*b w，其中b＝0.4；焊接速度为0.5～1.0m/min；送丝速度vf的变化范围为v＝(8～20)*b m/min其中b＝0.4。
23.实施例2
24.1、6mm小厚度304不锈钢板对接焊缝激光预扫描及图像处理
25.根据实际304不锈钢板对接焊缝情况，采用激光扫描视觉传感器实时扫描焊缝几
何形貌信息，通过中值滤波和平均值滤波，可以有效控制由于反光造成的像素波动，并通过焊缝间隙几何特征量的提取，提取的数据包含4个关键参数：δx、δy、δz、gap，并实时发送至机器人控制器，数据发送间隔为50ms。由于在图像的采集过程中存在着大量的噪声信号，在图像的传送和转换过程中也会造成图像质量的降低，因此图像处理一般首先应用滤波技术和恢复技术对图像进行降噪处理和图像复原，增强图像特征信息。
26.2、对激光预扫描后传输数据进行三维重构及间隙几何特征解析
27.通过三维重构软件，建立错边与焊缝长度、间隙与焊缝长度的函数关系，并以图像的方式显示焊缝空间几何特征。之后对间隙几何特征进行解析，通过高效算法补偿运算，反馈运算结果，并对不满足要求的间隙位置及大小进行标定。
28.3、对间隙空间几何特征解析结果进行激光焊接工艺参数优化
29.当间隙尺寸小于0.25mm时，304不锈钢对接焊缝采用激光自熔焊，激光功率采用1800w，焊接速度1.2m/min；当间隙尺寸大于0.4mm时，要求采用激光填丝焊。当间隙尺寸为0.4mm～1.2mm时，激光填丝焊功率p的范围为1000～2200w，增幅为δp＝2000*b w，其中b＝0.25；焊接速度为0.5～5m/min；送丝速度vf的变化范围为v＝(10～15)*bm/min，其中b＝0.25。
30.实施例3
31.1、20mm大厚度316ln不锈钢板对接焊缝激光预扫描及图像处理
32.根据实际316ln奥氏体不锈钢板对接焊缝情况，采用激光扫描视觉传感器实时扫描焊缝几何形貌信息，通过中值滤波和平均值滤波，可以有效控制由于反光造成的像素波动，并通过焊缝间隙几何特征量的提取，提取的数据包含4个关键参数：δx、δy、δz、gap，并实时发送至机器人控制器，数据发送间隔为50ms。由于在图像的采集过程中存在着大量的噪声信号，在图像的传送和转换过程中也会造成图像质量的降低，因此图像处理一般首先应用滤波技术和恢复技术对图像进行降噪处理和图像复原，增强图像特征信息。
33.2、对激光预扫描后传输数据进行三维重构及间隙几何特征解析
34.通过三维重构软件，建立错边与焊缝长度、间隙与焊缝长度的函数关系，并以图像的方式显示焊缝空间几何特征。之后对间隙几何特征进行解析，通过高效算法补偿运算，反馈运算结果，并对不满足要求的间隙位置及大小进行标定。
35.3、对间隙空间几何特征解析结果进行激光焊接工艺参数优化
36.当间隙尺寸小于0.3mm时，316ln奥氏体不锈钢对接焊缝采用激光自熔焊，激光功率采用19kw，焊接速度1.0m/min；当间隙尺寸大于0.3mm时，要求采用激光填丝焊。当间隙尺寸为0.4mm～1.2mm时，激光填丝焊功率p的范围为25～40kw，增幅为δp＝20000*b w，其中b＝0.3；焊接速度为0.5～5m/min；送丝速度vf的变化范围为v＝(10～15)*bm/min，其中b＝0.3。
37.以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
38.本发明不以任何方式限制于在说明书和附图中呈现的实例性实施方式。示出以及描述的实施方式的部分明确地理解为并入该说明书之内并且明确地理解为落入本发明的范围内。而且，在如权利要求书概括的本发明的范围内，很多变形是可能的。此外不应该将
权利要求书中的任何参考标记构造为限制本发明的范围。

技术特征：
1.一种变间隙预扫描激光自熔与填丝交互焊接方法，其特征在于，具体实施步骤如下：(1)利用激光视觉传感器对间隙尺寸进行预扫描，并通过图像采集软件对扫描路径上的间隙空间几何特征进行三维重构；(2)针对三维重构后的间隙空间几何特征进行几何特征解析，并通过高效算法补偿运算，反馈控制调节激光功率、送丝速度等工艺参数；(3)实现对变间隙焊缝进行精确焊接控制，解决自动焊接过程中焊缝成形不良的问题。2.根据权利要求1步骤1所述的激光视觉传感器对间隙尺寸进行预扫描方法，其特征在于，所述的激光视觉传感器系统由激光器、夹持机构及ccd相机等组成。3.根据权利要求1步骤1所述的激光视觉传感器系统中的ccd相机，其特征在于，该设备连接与激光头上，随激光头运动而运动，可实时传输激光焊接过程中熔池流动行为，同时ccd相机镜片上具有耐高温吸烟尘过滤片，防止激光焊接过程中由于温度过高及焊接烟尘过大造成ccd相机镜片损坏。4.根据权利要求1步骤1所述的激光视觉传感器系统中的激光器，该半导体激光器发射出的光斑形状及尺寸可随间隙空间几何特征随时调节，光斑形状及尺寸的调节可改变激光热流密度、热输入量等参数。5.根据权利要求1步骤2所述的间隙空间几何特征进行几何特征解析，其特征在于，激光预扫描后的图像数据导入三维重构软件中，并对间隙位置、尺寸等几何参数进行测量计算。6.根据权利要求1步骤2所述的间隙空间几何特征进行几何特征解析，当监测到间隙尺寸小于阈值b时，填丝系统不启动，此时为激光自熔焊；当监测到间隙尺寸大于设定的阈值b时，启动填丝系统，此时进行激光填丝焊接，根据间隙大小自动调节送丝速度v
f
的快慢，随着间隙尺寸变大，送丝速度增加，激光功率p增加，最终实现自适应自动化激光焊接。
技术总结
本发明涉及一种变间隙预扫描激光自熔与填丝交互焊接方法，该方法采用激光视觉传感系统，针对激光焊接过程中焊缝间隙的几何特征，实时观察检测激光焊接中间隙尺寸，通过高效算法补偿运算，反馈运算结果。根据结果选择采用激光自熔焊还是激光填丝焊，并在激光填丝焊过程中根据焊缝间隙调节激光功率、送丝速度等工艺参数，最终实现激光焊接的变间隙焊缝成形控制。激光焊接对接接头的焊缝间隙过大，容易造成焊缝咬边、下塌、背面成形不良等情况，影响焊接质量。因此本发明采用的变间隙预扫描激光焊接方法测量精度高，控制效率高，响应速度快，调节能力强，并能实现自动焊接在线实时反馈控制，解决自动焊接过程中焊缝成形不良的问题。解决自动焊接过程中焊缝成形不良的问题。解决自动焊接过程中焊缝成形不良的问题。


技术研发人员：占小红 吕飞阅 王磊磊 高转妮 凌万里
受保护的技术使用者：南京航空航天大学
技术研发日：2021.03.25
技术公布日：2021/6/29