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摘    要：簡(jiǎn)述了激光-電弧復(fù)合焊接的優(yōu)勢(shì)和焊接工藝特點(diǎn)，介紹了激光-MIG復(fù)合焊接系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案和技術(shù)難點(diǎn)的解決方法，通過功能試驗(yàn)表明了該復(fù)合焊接控制系統(tǒng)的可靠性和焊接參數(shù)輸出的適應(yīng)性，最后針對(duì)汽車鋼圈的焊接工件進(jìn)行了復(fù)合焊接的生產(chǎn)應(yīng)用，顯示了激光-電弧復(fù)合焊接應(yīng)用在加工工業(yè)的廣泛性和有效性（高功率激光器由中科院福建物質(zhì)結(jié)構(gòu)研究所研制）。關(guān)鍵詞：激光-電弧復(fù)合焊接；自動(dòng)化焊接；焊縫自動(dòng)跟蹤；焊接參數(shù)輸出控制；PLC  

1    概    述   

      激光-電弧復(fù)合熱源焊接將兩種工作機(jī)理完全不同的焊接方式復(fù)合在一起，通過兩者的相互作用形成一種全新的高效熱源，在同一工件上完成焊接過程。激光-電弧復(fù)合焊既發(fā)揮了激光焊接速度高、線能量低、焊縫熱影響區(qū)小的優(yōu)勢(shì)，又利用電弧焊接熱作用區(qū)大、橋接性好、無反射散射的特點(diǎn)彌補(bǔ)了激光焊接在這些方面的不足。   

      經(jīng)過多年的探索研究，激光-電弧復(fù)合焊接技術(shù)產(chǎn)生了CO2激光、YAG激光、二極管激光與TIG焊、MIG焊、MAG 焊、等離子弧等不同熱源以旁軸或同軸等方式進(jìn)行復(fù)合焊接的技術(shù)。各種復(fù)合形式都有各自的優(yōu)勢(shì)和特點(diǎn)，所以對(duì)不同焊接工件有一定的針對(duì)性[1-2]。   

      因這種復(fù)合焊接具有熔縫深、速度快、效率高、穩(wěn)定性強(qiáng)、焊縫適應(yīng)性強(qiáng)、成本低的特點(diǎn)，一經(jīng)提出便受到業(yè)內(nèi)的廣泛關(guān)注。隨著復(fù)合焊接技術(shù)研究的日漸深入, 在汽車、航天、船舶制造業(yè)及石油管道領(lǐng)域中已得到廣泛應(yīng)用。但目前，我國(guó)對(duì)這項(xiàng)新興焊接技術(shù)的研究仍處于實(shí)驗(yàn)室階段，相對(duì)于德國(guó)、日本等發(fā)達(dá)國(guó)家還有一定的差距[3]。

       作為自動(dòng)焊接機(jī)的核心，其控制系統(tǒng)已逐漸向智能化方向發(fā)展，主要表現(xiàn)在焊接過程的編程控制、數(shù)據(jù)保存編輯及圖形顯示等方面功能，同時(shí)還要具有焊縫跟蹤和焊接過程參數(shù)控制以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)焊接。為實(shí)現(xiàn)高效高速的復(fù)合焊接工藝，智能化的激光-MIG 電弧復(fù)合焊接系統(tǒng)的研制和開發(fā)顯得尤為必要。

2    系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案  

       焊接系統(tǒng)由復(fù)合焊接設(shè)備和三維伺服平臺(tái)機(jī)構(gòu)兩部分組成。如圖1所示, 在復(fù)合焊接設(shè)備方面，主要包括控制器、激光發(fā)生器、數(shù)控MIG電弧焊機(jī)、送絲伺服系統(tǒng)、保護(hù)氣、側(cè)吹氣、冷卻裝置，以及激光焊頭和MIG焊槍組成的旁軸復(fù)合焊頭等。由于激光-MIG 復(fù)合焊接對(duì)焊件接頭的裝配精度要求不是十分苛刻，因此無需設(shè)計(jì)焊縫、激光在線檢測(cè)裝置，也使整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的技術(shù)復(fù)雜度降低了。

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     同樣，焊接參數(shù)輸出控制也可分為在線和離線兩種輸出方式：在線參數(shù)輸出控制通過不間斷采樣、校正參數(shù)輸出值實(shí)現(xiàn)焊接參數(shù)的即時(shí)調(diào)整，主要用于工藝參數(shù)的示教學(xué)習(xí)；離線參數(shù)輸出控制則可以根據(jù)焊縫不同區(qū)段的具體數(shù)據(jù)信息及焊接參數(shù)經(jīng)驗(yàn)值來確定各焊接參數(shù)的取值，相對(duì)于在線輸出控制，離線輸出具有硬件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單控制算法易實(shí)現(xiàn)的特點(diǎn)。   

      因此，整個(gè)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)通過采用示教-再現(xiàn)方式實(shí)現(xiàn)焊縫的自動(dòng)跟蹤, 通過焊縫多區(qū)段劃分方法實(shí)現(xiàn)焊接參數(shù)的可編程控制和實(shí)時(shí)調(diào)整。

2.1    硬件組成   

      系統(tǒng)的硬件主要由控制器、焊縫跟蹤伺服平臺(tái)、人機(jī)交互設(shè)備、復(fù)合焊接設(shè)備四部分組成。如圖3所示。

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     綜合考慮幾種工業(yè)常用控制器，PLC比工業(yè)PC機(jī)體積小且抗干擾性好, 同時(shí)比單片機(jī)穩(wěn)定可靠、集成度高且開發(fā)周期短，因此系統(tǒng)選用PLC作為中央控制器。這樣，不僅能夠滿足焊機(jī)控制的需求，還能適應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)的惡劣環(huán)境，縮減開發(fā)周期和成本。  

      焊縫跟蹤伺服平臺(tái)由三維伺服平臺(tái)和隨轉(zhuǎn)伺服平臺(tái)組成。為適應(yīng)焊頭的三維伺服，在焊縫伺服傳動(dòng)的Y軸采用單臺(tái)電機(jī)的絲杠驅(qū)動(dòng)，X軸和Z軸采用雙電機(jī)雙絲杠同時(shí)并行驅(qū)動(dòng)方式，且Z軸方向的兩條滾珠絲杠設(shè)有自鎖裝置，從而提高了機(jī)構(gòu)運(yùn)行的平穩(wěn)和可靠性。隨轉(zhuǎn)伺服平臺(tái)則用來調(diào)整控制MIG焊槍與激光焊頭的旁軸復(fù)合角度。   

      人機(jī)交互設(shè)備包含觸摸屏和手控盒兩部分。觸摸屏用來提供操作人員的參數(shù)設(shè)置和指令發(fā)送窗口，為方便進(jìn)行焊縫示教和擬合插補(bǔ)曲線的可視化操作，觸屏還具備二維圖形顯示功能。手控盒的作用是實(shí)現(xiàn)焊縫示教操作、參數(shù)在線調(diào)整及緊急停止觸發(fā)。  

       在復(fù)合焊接設(shè)備中，激光焊頭將保護(hù)氣、側(cè)吹氣吹口及水循環(huán)裝置等集成一體，降低了激光焊頭的復(fù)雜程度和體積，便于與MIG焊槍進(jìn)行復(fù)合。  

        激光-MIG復(fù)合熱源智能焊接系統(tǒng)樣機(jī)如圖4所示。

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2.2    示教-再現(xiàn)的焊縫跟蹤  

       作為焊頭行走軌跡的信息來源，示教-再現(xiàn)功能模塊在系統(tǒng)中具有十分重要的作用。   

       其實(shí)現(xiàn)方法是：根據(jù)操作人員采集到的焊縫特征點(diǎn)坐標(biāo)信息，按照焊縫曲線類型對(duì)其進(jìn)行擬合，從而生成逼近焊縫的行走軌跡。在樣點(diǎn)示教再現(xiàn)過程中，示教效率和插補(bǔ)再現(xiàn)精度取決于采用的軌跡擬合和插值算法，當(dāng)算法確定后，彎曲焊縫的示教/再現(xiàn)誤差主要是由樣點(diǎn)個(gè)數(shù)和插補(bǔ)步長(zhǎng)決定。   

       對(duì)于空間復(fù)雜彎曲焊縫而言，利用直線或圓弧曲線插補(bǔ)都存在示教樣點(diǎn)數(shù)據(jù)量大、示教時(shí)間長(zhǎng)的缺點(diǎn)。樣條曲線具有較好的曲線表征能力，因此尋找一種通過型值的點(diǎn)樣條曲線示教算法則可以達(dá)到示教樣點(diǎn)少，示教效率高的目的。

       與一般的三次樣條函數(shù)相比，B3 樣條曲線采用參數(shù)方程形式，有著優(yōu)良的曲線平滑性和良好的局部形狀可控性，具備復(fù)雜平面和空間任意曲線的樣點(diǎn)示教能力[4]。

       B3樣條曲線是將i到i+1點(diǎn)間曲線段的參數(shù)Xi(t)分為三部分，其中每一部分都有一個(gè)三次函數(shù)形式。其表達(dá)式為：         Xi(t)=Pi-1·h(t+1)+Pi·h(t)+Pi+1                ·h(t-1)+Pi+2·h(t-2)         0≤t≤1                                

（1）其中h(t)是B3樣條的核函數(shù)，Pi是第i個(gè)示教點(diǎn)。h(t)由六部分組成，分別為：        h1(t)  0≤t≤1/3，h2(t)  1/3≤t≤2/3        h3(t)  2/3≤t≤1，h4(t)  1≤t≤4/3        h5(t)  4/3≤t≤5/3，h6(t)  5/3≤t≤2 且h(t)≡0當(dāng)｜t｜>2時(shí)，hi(t)=hi(-t),i=1, 2,3……,6根據(jù)B3樣條曲線的連續(xù)性、光滑性和極小條件，得h(t) 函數(shù)表達(dá)式如下： h1(t)=(756t3-1116t2+424)/424       

（2） h2(t)=(567t3-927t2-63t+431)/424  

（3） h3(t)=(351t3-495t2-351t+495)/424  

（4） h4(t)=(-159t3+1035t2-1881t+1005)/424  

（5） h5(t)=(-645t3+2979t2-4473t+2157)/424

（6） h6(t)=(246t3-1476t2+2952t-1968)/424  

（7） B3樣條核函數(shù)曲線見圖5。  

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     實(shí)際應(yīng)用時(shí)對(duì)B3樣條多采用等步長(zhǎng)查表法來完成，但因步長(zhǎng)不變，插補(bǔ)過程中有大量的過渡插補(bǔ)運(yùn)算和運(yùn)動(dòng)控制，運(yùn)算量大效率低。    

     為此，提出了一種插補(bǔ)精度可控、步長(zhǎng)可變的快速高效查表算法。為簡(jiǎn)化運(yùn)算可預(yù)先計(jì)算出核函數(shù)h(t)在各內(nèi)點(diǎn)處的值，并存放于表1中。其中，內(nèi)點(diǎn)的個(gè)數(shù)及插補(bǔ)步長(zhǎng)依據(jù)二分法由插補(bǔ)精度控制。

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     這種查表算法無需分段考慮，邏輯簡(jiǎn)單，對(duì)于設(shè)定的精度條件，插補(bǔ)效率高、運(yùn)算次數(shù)少、占用系統(tǒng)時(shí)間更少。

2.3    多區(qū)段劃分控制工藝參數(shù)輸出    

     工件材料、焊縫形狀以及工藝參數(shù)均影響著工件的焊接質(zhì)量，其中工藝參數(shù)的輸出控制起到了決定性的作用。在激光-MIG復(fù)合焊接中，工藝參數(shù)包括激光功率、電弧電壓、送絲速度、焊接速度等。   

      焊接參數(shù)的多區(qū)段控制法，就是將焊縫特征相近或變化趨勢(shì)相近的部分劃分為一個(gè)焊接區(qū)段，并以焊槍進(jìn)入該段焊縫時(shí)的行走長(zhǎng)度以及離開該段焊縫時(shí)的行走長(zhǎng)度值作為區(qū)段劃分的起點(diǎn)和終點(diǎn)位置。每個(gè)區(qū)段對(duì)應(yīng)一套適當(dāng)?shù)暮附庸に噮?shù)，將其預(yù)先存儲(chǔ)在控制器中，焊接時(shí)以焊槍的行走長(zhǎng)度為判斷依據(jù)，觸發(fā)各區(qū)段焊接參數(shù)的輸出。區(qū)段參數(shù)可以通過實(shí)時(shí)的示教學(xué)習(xí)得到。 2.3.1    脈沖型參數(shù)輸出的實(shí)現(xiàn)   

      脈沖焊接是一種采用脈動(dòng)的激光功率、電弧電壓、電流以及脈動(dòng)的送絲速度進(jìn)行的MIG電弧焊接方法，具有抑制對(duì)母材的熱輸入、改善熔池冶金性能、消除氣孔等優(yōu)勢(shì)。通過設(shè)置脈沖周期、占空比、基值和峰值大小, 調(diào)節(jié)焊接參數(shù)輸出，以脈沖送絲參數(shù)為例，控制波形如圖6所示。

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     根據(jù)各區(qū)段的焊縫工藝特點(diǎn)，系統(tǒng)實(shí)時(shí)調(diào)整脈沖波形以控制送絲參數(shù)輸出。其他參數(shù)的脈動(dòng)控制實(shí)現(xiàn)算法與其相同。

2.3.2    區(qū)段參數(shù)漸變輸出的實(shí)現(xiàn)  

     對(duì)焊縫特征漸變的加工情況，單獨(dú)采用多區(qū)段劃分的方法也難以滿足工藝要求?？刂葡到y(tǒng)通過采用區(qū)段間焊接參數(shù)的直線插補(bǔ)算法進(jìn)行平滑過渡的輸出控制，以滿足此時(shí)的工藝要求。以激光功率為例，其實(shí)現(xiàn)算法如圖7所示。

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     參數(shù)漸變輸出實(shí)質(zhì)上是基于參數(shù)上一區(qū)段和下一區(qū)段的設(shè)定值及漸變區(qū)間長(zhǎng)度，采用直線插補(bǔ)的方式計(jì)算當(dāng)前控制量的輸出值。  

      如圖7中第二區(qū)段控制量的插補(bǔ)輸出，焊頭當(dāng)前行走長(zhǎng)度為Sc時(shí)，對(duì)應(yīng)的控制量輸出Pc的表達(dá)式為：

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     其中Sa、Sb分別表示第一、二區(qū)段的終止長(zhǎng)度，Pa、Pb分別表示第二區(qū)段和第三區(qū)段設(shè)定的控制量值。   

      其他參數(shù)的漸變實(shí)現(xiàn)算法與其相同。

3    試驗(yàn)研究

3.1    焊接控制算法驗(yàn)證試驗(yàn)   

      通過設(shè)計(jì)一系列焊接試驗(yàn)來檢驗(yàn)焊接控制和伺服控制的功能要求。通過空間焊縫焊接多區(qū)段焊接測(cè)試，檢測(cè)了系統(tǒng)的示教操作、焊頭伺服、區(qū)段劃分、參數(shù)輸出，以及復(fù)合焊工藝順序控制流程的正確性；通過“S”形焊縫和空間彎曲焊縫焊接試驗(yàn)，驗(yàn)證了空間B3樣條的擬合插補(bǔ)算法和MIG 焊槍繞激光焊頭的隨轉(zhuǎn)控制的準(zhǔn)確性和實(shí)時(shí)性；通過分段焊接實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了電弧的中止、再次起弧控制，區(qū)段參數(shù)輸出，焊頭高度偏移的實(shí)現(xiàn)等。測(cè)試效果見圖8。其插補(bǔ)誤差<0.04mm, 伺服定位誤差<0.04mm。

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     試驗(yàn)中，通過對(duì)智能控制復(fù)合焊接系統(tǒng)實(shí)行分布式節(jié)點(diǎn)監(jiān)控，可以對(duì)焊機(jī)的激光器狀態(tài)、機(jī)床狀態(tài)、MIG 焊槍狀態(tài)、多路保護(hù)氣狀態(tài)等多項(xiàng)狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控，所有狀態(tài)分兩級(jí)處理，一級(jí)狀態(tài)有優(yōu)先處理權(quán)。智能焊接專機(jī)以20ms的間隔對(duì)各狀態(tài)進(jìn)行查詢, 并對(duì)異常情況采取保護(hù)措施、報(bào)警以及相應(yīng)處理，同時(shí)進(jìn)行信息存儲(chǔ)、故障寫入系統(tǒng)日志。

3.2    復(fù)合焊接工藝參數(shù)試驗(yàn)比較   

      單獨(dú)采用激光進(jìn)行拼板焊接，激光焊頭的準(zhǔn)直－聚焦系統(tǒng)為f150mm~ f250mm，焦點(diǎn)光斑直徑為Ф0.6mm，聚焦焦點(diǎn)位于工件表面±1mm，激光功率輸出2kW。在此情況下焊接2mm低碳鋼板，其最大的焊接速度可以達(dá)到3m/min以上；焊接厚度4mm低碳鋼板, 焊接速度可以達(dá)到1.4m/min，見圖9。

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     通過對(duì)兩組工件焊接的對(duì)比分析可知，在保證焊接質(zhì)量的前提下，復(fù)合焊接方式比采用單一熱源進(jìn)行焊接速度有大幅提高。

4    工程生產(chǎn)應(yīng)用試驗(yàn)   

      基于開發(fā)樣機(jī)，利用專機(jī)平臺(tái)對(duì)汽車鋼圈進(jìn)行為期11天的工況環(huán)境激光-MIG復(fù)合焊接實(shí)驗(yàn)，前后共焊接400 個(gè)汽車鋼圈，運(yùn)行期間焊接專機(jī)工作正常。其焊接效果如圖11所示。

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      通過隨時(shí)調(diào)整焊接的工藝參數(shù)，獲得要求的焊縫形狀及結(jié)構(gòu)，電弧部分通過填充焊絲增加焊縫橋接能力，降低焊接裝配要求，而激光增加熔深, 兩者復(fù)合后，工藝更加穩(wěn)定，進(jìn)一步提高了焊接質(zhì)量和生產(chǎn)效率。  

      智能控制激光-電弧復(fù)合焊接系統(tǒng)在汽車制造業(yè)中的應(yīng)用并不僅限于汽車鋼圈焊接方面。由于兩者熱源能量的協(xié)同優(yōu)化作用，使其在原本對(duì)激光焊接前裝配要求很嚴(yán)格或焊接性能達(dá)不到所需的部位得以廣泛應(yīng)用。生產(chǎn)應(yīng)用試驗(yàn)表明激光-電弧復(fù)合焊接在汽車制造業(yè)中可以有效地減少設(shè)備成本投入，縮短生產(chǎn)周期，極大地提高生產(chǎn)力[5]。

5    結(jié)束語

5.1   采用新型的PLC控制器，設(shè)計(jì)了一套成本低、硬件結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單的激光-電弧復(fù)合焊接系統(tǒng)。

5.2   通過采用B3樣條曲線的示教、擬合、插補(bǔ)算法，實(shí)現(xiàn)對(duì)復(fù)雜彎曲焊縫的示教跟蹤。

5.3   對(duì)焊縫整體進(jìn)行區(qū)段劃分，實(shí)現(xiàn)了多區(qū)段的不同工藝參數(shù)控制，增強(qiáng)了對(duì)加工對(duì)象的適應(yīng)能力。

5.4  樣機(jī)試驗(yàn)表明控制系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定、可靠，激光-電弧復(fù)合焊接具有焊縫深、橋接性好、效率高、速度快、熱變形小的優(yōu)點(diǎn)。

5.5   以汽車鋼圈焊接為例，試驗(yàn)結(jié)果表明該系統(tǒng)具備在實(shí)際工業(yè)中應(yīng)用的可靠性，具有較高的實(shí)際工程意義。

參考文獻(xiàn)

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[3] 肖榮詩(shī),吳世凱．激光-電弧復(fù)合焊接的研究進(jìn)展[J]. 中國(guó)激光,2008,35(11): 1680~1685．

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