[發明專利]一種薄壁細隙環縱縫的微束等離子焊接成形控制系統

有效

• 申請號: 201610053551.3
• 申請日: 2016-01-26
• 公開（公告）號: CN105499772B
• 公開（公告）日: 2017-10-24
• 發明（設計）人: 洪宇翔;都東;常保華;曾錦樂;常樹鶴;王力;潘際鑾
• 申請（專利權）人: 清華大學
• 主分類號: B23K10/02
• 分類號: B23K10/02
• 代理公司: 北京鴻元知識產權代理有限公司11327
• 代理人: 邸更巖

技術領域

本發明屬于焊接質量控制技術領域。涉及一種薄壁細隙環縱縫的微束等離子焊接成形控制系統，可廣泛應用于航空航天制造等領域薄壁金屬精密構件的微束等離子焊接過程中。

背景技術

薄壁金屬精密構件是航空航天、軍用武器、核工業、醫療器械和生物醫學等高端裝備制造領域中一類不可或缺的重要構件，對焊縫質量和接頭機械性能要求嚴格。脈沖微束等離子焊接方法(P-MPAW，Pulsed Micro-plasma Arc Welding)因具有能量密度集中、熱影響區窄、電弧穩定性高以及能夠實現熱輸入量的精確控制等優點，是耐熱薄鋼帶、不銹鋼薄壁管、金屬波紋管和膜盒等薄壁金屬精密構件的重要焊接成形制造方法。

焊接成形質量控制是維持焊接過程穩定性、保證焊縫質量和接頭性能的關鍵，也是實現智能化焊接的前提。我國現階段尚未全面實現薄壁金屬精密構件的自動化和機器人化焊接生產，目前仍主要依賴于人工輔助的機械化焊接生產方式，存在著焊接過程不穩定、焊縫成形不均勻、焊接質量穩定性難以保障、產品的一次焊接成功率低等嚴重問題，尤其在航空航天制造領域中，傳統的焊接生產方式正面臨嚴峻挑戰：以宇航工業中需求量巨大的焊接波紋管、焊接膜盒等薄壁金屬殼體類構件為例，其焊縫數量眾多(最多時近一百條)，且焊縫質量均需達到航天工業標準I級要求，同時需保證無一漏點并通過液壓、氣密、氦質譜檢漏及疲勞壽命試驗。因此，發展以“高精度焊縫控形”為目標的精密焊接成形在線控制系統與技術，是薄壁金屬精密構件制造領域亟需重點突破的關鍵性內容。

基于熔池背面視覺傳感的焊接成形控制技術是焊接質量控制技術領域的重要發展方向之一，但由于薄壁金屬精密構件制造中廣泛采用對接、卷邊或端接接頭懸空焊焊接工藝，給其焊接過程的成形質量信息傳感與控制提出了極大挑戰：薄壁金屬精密構件焊接具有母材壁薄、焊縫微細和焊接熔池微小等特點，要求焊接過程視覺檢測系統在具有大倍率和高分辨率的光學特性的同時保證極高的檢測精度、實時性和穩定性。傳統的視覺檢測系統依賴于大倍率高分辨率的標準工業鏡頭檢測微型物體，存在著景深小和放大倍率隨物距改變而變化的固有光學成像特性，難以直接應用于超薄結構微細焊縫精密焊接的動態熔池檢測，尤其是在實際焊接生產中的焊件加工和裝配誤差、熔池自身振蕩現象、焊件受熱變形以及外界擾動難以規避，均給微景深視覺系統實現熔池清晰成像以及后續的圖像處理與特征提取帶來困難；此外，在許多焊接生產場合中，由于受焊接條件限制難以直接監測焊縫背面成形狀態，如何在焊接過程時滯、多變量耦合且難以建立精確焊接過程模型的條件下對焊縫成形質量實施精確控制，是薄壁金屬精密構件焊接制造亟需解決的關鍵問題。

經對現有技術文獻和專利檢索發現，專利申請號為200810200821.4的中國發明專利《微束等離子弧焊焊接全系統協同控制結構》公開了一種集焊接電源控制、焊縫跟蹤控制、焊矩行走控制、熱輸入控制、電弧穩定性控制、焊接工藝控制于一體的微束等離子焊接系統，但該系統未涉及焊接熔池視覺傳感，無法對焊接動態熔池行為進行監測或從熔池表面獲取熔池形態特征信息，且不能實現微束等離子焊接過程焊縫熔深和焊縫熔寬的在線精確控制；專利申請號為200510111327.7的中國發明專利《一種微束等離子焊的雙處理器數字控制系統及控制方法》公開了一種基于MCU單片機和DSP數字信號處理的雙處理器通信的控制系統，通過充分利用MCU單片機和DSP數字信號處理器的各自優勢，實現快速數據傳遞及焊接外特性優化控制等功能，但未涉及微束等離子焊接成形在線控制技術；專利申請號為200610075063.9的中國發明專利《微束等離子焊的數字化人機交互系統》公開了一種微束等離子焊機的菜單式人機交互系統，采用單片機和DSP數字信號處理器實現微束等離子焊接現場的人機交互，該系統也未涉及微束等離子焊接成形在線控制技術。

綜上所述，國內外現有微束等離子焊接(MPAW，Micro-plasma Arc Welding)系統大多僅涉及焊機與上位機數據通信、焊機人機交互、焊接工藝參數在線調整、焊道自動跟蹤等功能，目前尚未見有關基于多電量反饋與熔池視覺信息融合的微束等離子焊接成形在線控制系統的研究和報道。

發明內容

本發明的目的在于克服現有技術的不足，提出一種薄壁細隙環縱縫的微束等離子焊接成形控制系統，以實現薄壁金屬殼體類構件環縱縫精密焊接的焊縫成形在線實時控制。

為了實現上述目的，本發明采取以下技術方案：