雙光束激光焊機研究與設計

曹田野，徐志剛，王亞軍，3

雙光束激光焊機研究與設計

曹田野1，2，徐志剛2，王亞軍2，3

（1.東北大學機械工程與自動化學院，遼寧沈陽110819；2.中國科學院沈陽自動化研究所，遼寧沈陽110179；3.沈陽理工大學機械工程學院，遼寧沈陽110159）

為滿足我國飛機蒙皮-長珩結構制造對激光焊接技術的需求，設計了雙光束激光焊機，包括激光焊接系統、運動執行系統和控制系統。雙光束激光焊機可以同時焊接蒙皮-長珩結構的兩側，提高了蒙皮-長珩結構的性能，降低了該結構的質量。該焊機自動化程度高，性能可靠。對航空領域中應用廣泛的鈦合金TC4進行了焊接實驗，得到了鈦合金TC4雙側同步焊接的焊接參數。

飛機蒙皮-長珩結構；激光焊接；雙光束激光焊機；鈦合金TC4

0　前言

雙光束激光焊接技術最早應用于空客A318的前機身以及中后機身兩塊壁板的蒙皮-長珩結構的生產制造，隨著這項技術的不斷成熟，包括A340、A380在內的機型也都采用這項技術，采用激光焊接的壁板數量從2塊（焊縫長度共110 m）增加到14塊（焊縫長度約798 m）[1]。雙光束激光焊接技術使飛機機身從組裝結構過渡到了整體結構，避免了傳統的鉚接或電阻穿透焊接對蒙皮整體性的破壞；在保持蒙皮-長珩結構強度和疲勞壽命的前提下，降低了蒙皮-長珩結構5％～10％的質量和15％的生產成本[2-4]，是實現飛機輕量化、機身高強度的技術基礎。我國沒有成熟的專門用于飛機蒙皮-長珩結構的雙光束激光焊接設備，而擁有該設備的國家限制設備的出口，因此研制自主用于飛機蒙皮-長珩結構的雙光束激光焊接設備十分必要。針對此問題，研制了雙光束激光焊機，并對鈦合金TC4進行了焊接實驗。

1　雙光束激光焊機系統設計

1.1雙光束激光焊機構成

雙光束激光焊機主要由激光焊接系統、運動執行系統、控制系統三部分組成，如圖1所示。激光焊接系統主要由激光器、傳輸光纖、激光焊接頭、冷水機、冷干機、自動送絲機、氬氣保護設備、三相穩壓器構成；運動執行系統由兩臺庫卡KR60HA標準工業六自由度機器人、機器人運動平臺和可移動焊接工作臺構成；控制系統包括基于西門子PLC的數控系統、焊縫跟蹤系統，實物如圖2所示。

1—齒條；2—可移動焊接工作臺；3—飛機壁板；4—卡具；5—自動送絲機；6—機器人移動平臺；7—焊接機器人；8—冷水機；9—激光器；10—三相穩壓器；11—光纖懸掛裝置；12—冷干機；13—機器人控制器。圖1　雙光束激光焊機Fig.1Dual-beam bilateral system

圖2　實物Fig.2Physical diagram

1.2激光焊接系統

激光焊接系統是整個設備的核心。激光器選用IPG的YLS-3000光纖激光器，共兩臺，每臺功率3kW，該激光器動態工作范圍在額定功率的10％～105％之間，并且光束發散角或光束質量不會發生變化，且該設備在高、低功率的轉換過程中無需更換激光器。與傳統激光器相比，IPG在低功率時有較大的優勢，其發射角較比其他激光器小得多以及飛濺物對透鏡的污染較其他激光器小很多，可使用長焦距透鏡并采用大幅加工面積方式。激光器的傳輸光纖在彎曲半徑小于200 mm時容易折斷，并且傳輸光纖對扭矩的承受能力不強，因此設計了光纖吊掛裝置，該裝置頂部設計使用滑槽適應機器人整個空間位置的移動；光纖使用套管進行應力保護；滑槽與套管之間使用力補償彈簧平衡光纖自身重力。該裝置可以有效補償光纖運動變形，對光纖進行保護，使光纖配合激光器完成三維運動。激光焊接頭選用美國Lasermech的透射聚焦光纖激光焊接頭，透射聚焦激光焊接頭結構緊湊，適用于功率在8kW以下的激光器，該激光焊接頭含有一片150mm的準直鏡，焦距300mm，聚焦后激光光斑直徑約0.4mm。為了保護聚焦鏡，在激光頭的底部裝有氣刀，通過吹高速的冷干空氣將焊接產生的煙塵和飛濺吹散，以免損傷激光頭聚焦鏡，其結構如圖3所示。

水冷機降低激光器內部激光模塊和激光焊接頭的溫度，以保證焊接質量和焊接工作持續進行[5]。自動送絲機可以調節送絲速度，有良好的送絲指向性和穩定性，系統響應特征滿足焊接工作要求。氬氣保護設備除了具有保護焊縫金屬不受有害氣體侵襲的作用外，還抑制了焊接過程中金屬蒸發產生離子云，減弱離子云對激光的屏蔽效應和散焦效應，穩定了焊接過程，提高了能量利用率，有利于獲得高質量的焊縫[6]。三相穩壓器將電壓穩定在激光器工作范圍內，可保障激光器穩定運行。

1.3運動執行系統

運動執行系統保證整個設備的運動精度。可移動焊接工作臺由伺服電機配合減速機驅動，齒輪齒條傳動，如圖4所示。兩臺六自由機器人安裝在同一個基座上，基座通過導軌滑塊在機器人運動平臺上移動，動力由伺服電機配合減速器提供，傳動結構為絲杠螺母，如圖5所示。可移動焊接工作臺和機器人運動平臺都采用伺服電機驅動，定位精度較高。

圖3　激光焊接頭Fig.3Laser welding head

圖4　可移動焊接工作臺Fig.4Removable welding worktable

為提高焊接效率，在避免干涉的前提下需要對機器人做路徑規劃。路徑規劃以空間焊接最短路徑作為評價標準，設焊點的空間坐標為（xi，yi，zi），其數學模型為

式中L為機器人運動路徑的長度。

GA算法具有優良的全局尋優能力和良好的通用性[7]，因此采用遺傳算法求解。GA算法流程如圖6所示。路徑規劃的技術路線如圖7所示。

1.4控制系統設計

1.4.1PLC數控系統

數控系統下位機采用SIMENS S7-300型號的PLC與機器人控制器、激光器、自動送絲機等進行通信，可協調控制六自由度機器人的動作軌跡、激光器出光及功率設置、自動送絲機的啟停及送絲速度等，選用的西門子PLC采用模塊化設計，通訊能力強，穩定性好，適用于比較復雜的、自動化程度高的機械設備。上位機采用LABVIEW設計操作界面，操作界面左側提供實時工況信息；右側為焊接工藝設置與選擇，分為“自定義工藝”和“系統存儲工藝”，當需要重新設定工藝參數時，使用“自定義工藝”，如圖8所示。

1.4.2焊縫跟蹤系統

1—電機；2—減速器；3—聯軸器；4—絲杠；5—螺母；6—本體支架；7—導軌。圖5　機器人運動平臺Fig.5Motion platform for robots

圖6　GA算法流程Fig.6GA flow chanrt

圖7　路徑規劃技術路線Fig.7Technical route of path planning

圖8　操作界面Fig.8Operation interface

根據相關技術要求，激光與焊縫的相對誤差需要控制在0.2 mm內，相對誤差受機器人定位精度以及裝夾時零件的重復定位精度的影響。焊縫跟蹤系統可以將誤差控制在誤差范圍內。系統硬件包括視覺傳感器、圖像采集卡、工控機、控制器。視覺傳感器獲得焊縫的圖像信號，圖像采集卡將圖像信號轉換為數字信號，工控機對數字信號進行處理，識別焊縫類型和焊縫偏差信號并將信號傳遞到控制器，控制器按照建立的數學模型運算，得到控制量，傳給機器人，機器人帶動焊接頭靠近焊縫中心，如此循環，直到偏差量到允許范圍內[8-10]，視覺跟蹤流程如圖9所示。這套視覺傳感焊縫跟蹤系統有良好的焊縫適應性，適用于對接、角接、搭接等。

圖9　視覺跟蹤流程Fig.9Visual tracking flow chart

2　焊接實驗

高質量的焊接取決于合適的焊接工藝和正確的焊接參數[11]。為驗證焊機的性能，對焊機進行相關實驗，實驗材料為航空領域廣泛應用的結構材料鈦合金TC4，厚度2mm，實驗采用二次正交回歸設計[12]。通過調節激光光斑在長珩上的偏移量可以改變激光光斑在焊件上的作用面積S，實際作用面積S實受激光入射角α的影響，關系式為

所以可以通過調節激光光斑在長珩上的偏移量和激光入射角度來改變焊縫熔寬和熔深。當入射角度為28°、激光束偏移量為0.5 mm時，焊接效果較好。激光偏移量及入射角度示意如圖10所示。

圖10　激光偏移量及入射角度Fig.10Laser offset and angle

焊接參數如表1所示，焊接效果如圖11所示。

表1　工藝參數

圖11　焊縫Fig.11Welding seam

3　結論

針對飛機蒙皮-長珩結構落后的工藝，研制了一種雙光束激光焊機，該設備能對飛機的蒙皮-長珩結構進行雙側同步焊接，有效提高了蒙皮-長珩結構的性能，減輕了該結構的質量，提高了生產效率。組成該焊機性能可靠；運動執行系統定位精度高；控制系統穩定性好，響應速度快，準確性高，人機交互界面友好。目前，雙光束激光焊機已經投入到沈陽工業飛機集團的生產中，效果良好。

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Research and design on the dual laser-beam bilateral welder

CAO Tianye1，2，XU Zhigang2，WANG Yajun2，3
（1.College ofMechanical Engineeringand Automation，Northeastern University，Shenyang 110819，China；2.Shenyang Institute ofAutomation，Chinese AcademyofSciences，Shenyang110179，China；3.College ofMechanical Engineering，ShenyangUniversityofTechnology，Shenyang110159，China）

In order to meet the need of welding aircraft skin-framework structure by laser，develop a dual laser-beam bilateral welder consisting of laser welding system，motion system and control system.The welder has high automation level and reliable performance that can weld both sides of the structure at the same time，and it improves the performance and reduces the weight of the structure.And obtain necessary bilateral synchronous welding parameters by doing welding experiments on TC4 titanium alloy widely used in aviation.

aircraft skin-framework structure；laser welding；dual laser-beam welder；TC4 titanium alloy

TG439.4

A

1001－2303（2016）01－0040-05

10.7512/j.issn.1001-2303.2016.01.09

2015-08-20

高檔數控機床與基礎制造裝備”國家科技重大專項（2013ZX04001041）

曹田野（1991—），男，河北保定人，在讀碩士，主要從事激光焊接和機器人機構學的研究。