一种用于厚板激光焊接的智能实时控温控形设备与方法技术

本发明专利技术公开了一种用于厚板激光焊接的智能实时控温控形设备与方法；包括计算机控制系统、焊前规划系统、激光焊接系统、监测与反馈系统、自适应水冷系统、反变形调节系统及自调节振动系统。焊前规划系统根据焊接材料及焊件尺寸来预设工艺参数及反变形角度；监测与反馈系统用于对焊接过程中的温度、反变形与应力进行监测，并实时反馈给计算机控制系统；自适应水冷系统自适应控制焊接过程中温度与热积累；反变形调节系统调节反变形角度；自调节振动系统调节振动片的振动频率及幅度，进而降低焊接过程及焊后的应力。本发明专利技术可以实时监测和调控厚板激光焊接过程中的温度，变形及应力状况，极大减小焊后变形及应力，确保获得高质量厚板激光焊件。

An Intelligent Real-time Temperature Control Device and Method for Thick Plate Laser Welding

【技术实现步骤摘要】
一种用于厚板激光焊接的智能实时控温控形设备与方法
本专利技术属于激光焊接领域，特别涉及一种用于厚板激光焊接的智能实时控温控形设备与方法。
技术介绍
厚板结构焊接在石油化工、航海制造、航空航天及发电设备等重大装备制造过程十分常见。通常而言，厚板结构的焊接需采用多层多道焊接方法，并且需要非常复杂的焊接辅助措施及装置。随着现代化设备的大型化、专业化发展，厚板结构的焊接问题日益突出，发展高效可靠的厚板焊接技术成为制造大型或超大型结构件的关键技术之一。而相比于传统电弧焊，激光焊接由于其热输入小、准直性高、焊接效率高、穿透强等特点，已经成为了一种有效焊接厚板的手段。然而厚板激光焊接过程中热积累较严重，温度难以控制，并且焊后变形及应力较大，容易产生裂纹、层间未熔合等焊接缺陷，同时，厚板激光焊接层间冷却时间较长，焊层较多，使得厚板焊接所消耗的时间较长。因此，厚板激光焊接过程中温度、变形及应力的不稳定性严重限制了厚板激光焊接在航空航天及航海领域的应用。
技术实现思路
针对现有技术存在的问题，本专利技术提供一种用于厚板激光焊接的智能实时控温控形设备与方法，能够智能预设反变形角度，降低焊后变形，可以有效实时控制厚板激光焊接过程中温度、应力及焊后残余应力处于合理范围内，避免焊接未熔合、裂纹等焊接缺陷的产生，提升厚板焊接件的质量，同时缩短了层间冷却所需的时间，有效提升厚板激光焊接的效率，最终实现高效高质的厚板激光焊接。本专利技术通过下述技术方案实现：一种用于厚板激光焊接的智能实时控温控形设备，包括计算机控制系统、焊前规划系统、激光焊接系统、监测与反馈系统、自适应水冷系统、反变形调节系统及自调节振动系统；所述计算机控制系统连接焊前规划系统、激光焊接系统、监测与反馈系统、自适应水冷系统、反变形调节系统及自调节振动系统；焊前规划系统用于对输入的焊接信息进行分析，依据数据库资料信息，规划焊前预设反变形角度，焊接激光功率和焊接速度，并且规划焊接温度区间、应力区间。最后将规划后的焊接工艺信息传输给计算机控制系统；激光焊接系统用于对装夹的厚板进行激光焊接，包括：激光器、激光头、送丝机构、焊接工作台，所述激光头根据规划的工艺参数，通过激光热源将送丝机构供给的焊丝熔化并填充在厚板间隙中，最终获得厚板连接件；监测与反馈系统可以监测焊件的温度，应力状态及反变形角度，并将测量信息反馈给计算机控制系统，包括：红外测温仪、接触式温度传感器、X射线管、位移传感器、测量基柱。其中红外测温仪固定在测量基柱上，对焊件上部的温度进行监测；接触式温度传感器固定在反变形垫板上，左右垫板各一个，与焊件底部相接触，测量焊件底部的温度；X射线管固定在测量基柱和焊接工作台上，分别测量焊件上部和焊件底部的应力状态，位移传感器一端固定在反变形垫板顶部，一端固定在焊接工作台上，测量反变形垫板竖直方向上的位移。测量所得温度，应力及位移信息实时反馈到计算机控制系统，在计算机控制系统中可以利用反变形垫板位移信息通过计算得出反变形角度；自调节水冷系统根据计算机控制系统的命令来调节冷却液的流速和温度，控制温度在规划的温度范围内，包括：冷却液瓶、冷却管。冷却管嵌入到反变形垫板接近上表面位置，自调节水冷系接受根据计算机控制系统的指令来调节冷却液的流速和温度，并将冷却液输入至冷却管中对焊件进行冷却，控制焊件温度处于要求范围内，并且缩短层间冷却时间，大大提高厚板激光焊接效率；反变形调节系统依据计算机控制系统的命令来调节反变形角度，包括反变形垫板、固定轴、夹具、升降柱、电机、中间升降柱、陶瓷衬垫。反变形垫板通过固定轴固定在焊接工作台上，夹具将厚板焊接件固定在反变形垫板之上，电机依据计算机控制系统的命令，控制升降柱及中间升降柱的上升与下降，以此来调节反变形角度。升降柱用于控制反变形垫板绕固定轴旋转，而中间升降柱用于在焊接过程中填补焊件间隙，防止焊穿，中间升降柱顶部有中部内凹的陶瓷衬垫；。自调节振动系统用来根据计算机控制系统的命令来调节激振器的振动频率和振动幅度，振动厚板焊件消除应力，包括：激振器、电机。所述自调节振动系统中，激振器内嵌于反变形垫板的上表面，与厚板焊件下表面相接触，依据计算机控制中心的命令，电机驱动激振器以不同的振幅与频率来振动，从而振动厚板焊接件，来降低焊接过程的应力及焊后的残余应力，抑制焊缝未熔合、气孔等缺陷的形成，提高焊件的机械性能。一种用于厚板激光焊接的智能实时控温控形设备的运行方法，包括如下步骤：步骤一：输入焊接参数，将焊接相关信息(焊接材料、焊件尺寸和焊接工艺参数)输入至计算机控制中心，并将相关资料导入至焊前规划系统；步骤二：焊前工艺规划，焊前规划系统根据已有数据库和理论模型计算，预设合适的反变形角度，规划不同焊层的激光功率、焊接速度及送丝速率，并且计算出焊件合理的温度区间、应力区间。最后将焊前工艺规划信息传输至计算机控制系统；步骤三：设置反变形，计算机控制系统控制电机缓慢驱动升降柱及中间升降柱，进而驱动反变形垫板绕固定轴旋转，达到预设的反变形角度，并通过位移传感器返回的信息计算和判断是否达到了预设的反变形角度，若未达到，则继续调节升降柱，若以达到预设反变形角度，则停止调节升降柱；步骤四：单层激光焊接，计算机控制系统控制激光头和激光器，根据规划的焊接工艺参数，使用激光热源熔化送丝机构供给的焊丝，填充焊接间隙；。步骤五：焊接信息监控及反馈，在焊接过程中，监测与反馈系统实时测量厚板焊件上部与下部的温度及应力状态，并将测量信息反馈至计算机控制系统，当温度超出规划区间时，调节冷却液的流速来控制温度在规划的区间内，当应力超出规划区间时，计算机控制系统控制电机驱动激振器进行振动，从而振动厚板焊接件来降低焊接应力，通过调节振动频率和振动振幅，使得焊接应力处于规划区间内，当温度和应力超出规划区间时，计算机控制系统便调节电机和冷却液瓶使得厚板焊接件的温度与应力处于规划区间内；步骤六：焊后冷却，焊接单层焊道结束后，进行焊后层间冷却，通过计算机控制系统的命令来调节冷却液的流速和温度来加速层间冷却过程，提高焊接效率；步骤七：在焊接完成前，重复步骤四、五、六；步骤八：振动消除应力，焊接完成后，计算机控制系统控制电机驱动激振器振动，以此振动厚板焊接件来降低残余应力，同时通过调整激振器的振动频率、振幅以及振动时长来使得焊件的残余应力降至最低；步骤九：储存焊接参数，将此次焊接过程的工艺参数及温度应力变化信息传输至计算机控制系统，最后存储至焊前规划系统的数据库中，为之后的厚板激光焊接提供参考；步骤十：关闭厚板激光焊接的智能实时控温控形设备。本专利技术对于现有技术，至少具备如下优点及效果：本专利技术与传统电弧厚板焊接相比，激光厚板焊接的焊接速度快，焊接热输入小，整体制造周期短，柔性化程度高，能够实现数字化、智能化的制造；本专利技术解决了厚板激光焊接焊后变形较大的难点，使用智能设置反变形角度的方法，使得焊后变形得到有效地控制；本专利技术采用冷却液来控制焊接过程中厚板焊件的温度状态，同时冷却液也可以加速层间冷却的过程，在降低层间热积累，提高焊件质量的同时，也降低了焊接耗时，大大地提升了焊接的效率；本专利技术解决了厚板激光焊接过程中焊件温度及应力状态不稳定，难以控制的问题，通过监测与反馈系统、自适应水冷系统及自调节振动系统，使得厚板焊件焊接本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于厚板激光焊接的智能实时控温控形设备与方法，其特征在于：包括计算机控制系统、焊前规划系统、激光焊接系统、监测与反馈系统、自适应水冷系统、反变形调节系统及自调节振动系统；所述计算机控制系统连接焊前、焊前规划系统、激光焊接系统、监测与反馈系统、自适应水冷系统、反变形调节系统及自调节振动系统；焊前规划系统用于对输入的焊接信息进行分析，依据数据库资料信息，规划焊前预设反变形角度，焊接激光功率和焊接速度，并且规划焊接温度区间、应力区间。最后将规划后的焊接工艺信息传输给计算机控制系统；激光焊接系统用于对装夹的厚板进行激光焊接，包括：激光器、激光头、送丝机构、焊接工作台；监测与反馈系统可以监测焊件的温度，应力以及反变形角度，并将测量信息反馈给计算机控制系统，包括：红外测温仪、接触式温度传感器、X射线管、位移传感器、测量基柱；自调节水冷系统根据计算机控制系统的命令来调节冷却液的流速和温度，控制温度在规划的温度范围内，包括：冷却液瓶、冷却管；反变形调节系统依据计算机控制系统的命令来调节反变形角度，包括反变形垫板、固定轴、夹具、升降柱、电机、中间升降柱、陶瓷衬垫；自调节振动系统用来根据计算机控制系统的命令来调节激振器的振动频率和振动幅度，振动厚板焊件消除应力，包括：激振器、电机。...

【技术特征摘要】
1.一种用于厚板激光焊接的智能实时控温控形设备与方法，其特征在于：包括计算机控制系统、焊前规划系统、激光焊接系统、监测与反馈系统、自适应水冷系统、反变形调节系统及自调节振动系统；所述计算机控制系统连接焊前、焊前规划系统、激光焊接系统、监测与反馈系统、自适应水冷系统、反变形调节系统及自调节振动系统；焊前规划系统用于对输入的焊接信息进行分析，依据数据库资料信息，规划焊前预设反变形角度，焊接激光功率和焊接速度，并且规划焊接温度区间、应力区间。最后将规划后的焊接工艺信息传输给计算机控制系统；激光焊接系统用于对装夹的厚板进行激光焊接，包括：激光器、激光头、送丝机构、焊接工作台；监测与反馈系统可以监测焊件的温度，应力以及反变形角度，并将测量信息反馈给计算机控制系统，包括：红外测温仪、接触式温度传感器、X射线管、位移传感器、测量基柱；自调节水冷系统根据计算机控制系统的命令来调节冷却液的流速和温度，控制温度在规划的温度范围内，包括：冷却液瓶、冷却管；反变形调节系统依据计算机控制系统的命令来调节反变形角度，包括反变形垫板、固定轴、夹具、升降柱、电机、中间升降柱、陶瓷衬垫；自调节振动系统用来根据计算机控制系统的命令来调节激振器的振动频率和振动幅度，振动厚板焊件消除应力，包括：激振器、电机。2.根据权利要求1所述一种用于厚板激光焊接的智能实时控温控形设备，其特征在于：所述激光头根据规划的工艺参数，通过激光热源将送丝机构供给的焊丝熔化并填充在厚板间隙中，最终获得厚板连接件。3.根据权利要求1所述一种用于厚板激光焊接的智能实时控温控形设备，其特征在于：所述监测与反馈系统中，红外测温仪固定在测量基柱上，对焊件上部的温度进行监测；接触式温度传感器固定在反变形垫板上，左右垫板各一个，与焊件底部相接触，测量焊件底部的温度；X射线管固定在测量基柱和焊接工作台上，分别测量焊件上部和焊件底部的应力状态，位移传感器一端固定在反变形垫板顶部，一端固定在焊接工作台上，测量反变形垫板竖直方向上的位移。测量所得温度，应力及位移信息实时反馈到计算机控制系统，在计算机控制系统中可以利用反变形垫板位移信息通过计算得出反变形角度。4.根据权利要求1所述一种用于厚板激光焊接的智能实时控温控形设备，其特征在于：所述自调节水冷系统中，冷却管嵌入到反变形垫板接近上表面位置，自调节水冷系接受根据计算机控制系统的指令来调节冷却液的流速和温度，并将冷却液输入至冷却管中对焊件进行冷却，控制焊件温度处于要求范围内，并且缩短层间冷却时间，大大提高厚板激光焊接效率。5.根据权利要求1所述一种用于厚板激光焊接的智能实时控温控形设备，其特征在于：所述反变形调节系统中，反变形垫板通过固定轴固定在焊接工作台上，夹具将厚板焊接件固定在反变形垫板之上，电机依据计算机控制系统的命令，控制升降柱及中间升降柱的上升与下降，以此来调节反变形角度。升降柱用于控制反变形垫板绕固定轴旋转，而中间升降柱用于在焊接过程中填补焊件间隙，防止焊穿，中间升...

【专利技术属性】
技术研发人员：占小红，卜珩倡，杨红艳，李云，高奇玉，马婉萍，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32