CN104722922A - 激光焊机动态焊接方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可以很好的确保焊缝呈直线状的激光焊机动态焊接方法，前后两个不锈钢卷的头尾边部送料至焊机处，确保待焊接边部处于焊机的实际焊接区域，焊机剪刀对带钢边部进行剪切，通过外部传感器进行带钢宽度的测量并实现中心线的调整过程；根据实际的材质规格调用正确的焊接参数，激光头自驱动侧向操作侧移动，完成带钢的焊接过程，第一步：实际焊缝数据采集，第二步：数据分析筛选，偏离点计算，第三步：根据数据偏差，产生位移调整参考数据。本发明的优点是：确保焊缝呈直线状，同时焊枪的纵向牵引轨道与焊缝在立体空间中垂直重合，降低生产作业人员的劳动强度，提高设备效率及稳定性，提升焊接成功率及自动化程度。

Description

激光焊机动态焊接方法

技术领域

本发明涉及到一种激光焊机动态焊接方法。

背景技术

伴随着市场需求及工业规模的扩大与发展，冶金工业在进行冷轧产品的投资或扩建处理工艺生产线时，已开始大量设计和安装连续退火酸洗线作为不锈钢产品的工艺处理及品质改善。这就意味着用于钢带焊接的自动焊机的应用越来越广泛。

现有冷轧工厂CAPL生产线采用了先进的激光自动焊机，主要有焊接质量好，热影响区小等特点。该焊机实现全程自动化焊接步骤执行，同时配备了其它***设备进行带钢定位及焊接前后的质量监测***(QAS)。该焊机采用平行对接焊丝填补的焊接方式，对焊缝形成质量要求较高。焊缝形成主要依靠驱动侧及操作侧的伺服电机实现精确控制，控制精度可达0.01mm。但实际应用中，受设备安装、机械传动部件公差等因素影响，实际焊缝控制效果不能达到设计要求。造成操作人员需要在焊接过程中调整焊接参数或进行数据校准，极大的影响正常生产作业。激光发生器产生并通过不同功能的反射镜折射后最终作用在带钢上。最后平面反光镜片安装在焊接臂上，需要随焊接臂在轨道上移动，轨道可以进行双向微调。在实际应用中，无法保证轨道始终保持安装时的形态，受设备振动等影响，会发生一定程度的变形或偏移。导致激光作用在带钢的位置也会发生偏移，造成激光不能与实际焊缝吻合。激光头可进行位置修正(零位校准)，但只能实现绝对位置的单次调整，其目的只是根据焊缝位置进行激光头的位置修正，即焊接过程中激光头始终保持在唯一的位置，不可动作。这样造成了激光作用点与焊缝不能完全匹配的情况，严重影响焊接质量和生产效率。

激光焊机与其它焊接方式相比具有焊接效率高，熔接深度大及热影响区小 等特点。但受纵向移动控制方式的限制，其要求焊接介质拼接状态较高，在传统的设计及应用模型下，焊接效果已不能满足高精度的焊接质量需求，主要表现为：激光焊机需要确保介质拼接的焊缝成直线状态，同时要求纵向牵引轨道与焊缝在立体空间中垂直重合，否则会造成实际激光焦点作用点与焊缝偏离的情况，在不锈钢加工领域中，焊接不良的情况发生时将导致因熔接效果不佳焊缝应力下降的情况，此时会引起断带或撕裂，对实际的生产作业现场造成了严重影响。在常规的应对措施中，通常采取人工目视检验并进行人工补焊的补救措施，此种应对方式增加了劳动作业强度，同时手动焊接的方式不能完全进行钢材的熔接。这会造成实际的生产调度迟缓，生产效率及工艺控制不良，最终产生经济效益影响。

由于激光焊机热效应区域小，如焊接过程中牵引激光头移动的轨道或其它设施偏离，将造成实际激光焦点不能完全作用于焊接物体连接处等问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供一种可以很好的确保焊缝呈直线状的激光焊机动态焊接方法。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种激光焊机动态焊接方法，

前后两个不锈钢卷的头尾边部送料至焊机处，通过自动及手动控制的方确保待焊接边部处于焊机的实际焊接区域，焊机前后夹具分别用于固定前后带钢(不锈钢卷的头尾部)；焊机剪刀对带钢边部进行剪切，确保剩余部分可适应夹具的对中及形成焊缝；通过外部传感器进行带钢宽度的测量并实现中心线的调整过程；根据实际的材质规格调用正确的焊接参数，激光头自驱动侧向操作侧移动，完成带钢的焊接过程；焊接完成后，夹具等设备回到初始及等待位置，

其中，第一步：实际焊缝数据采集，

在进行焊接动作之前，焊机前后夹具通过伸缩液压缸带动机械夹板将前后带钢进行加紧和固定，利用剪刀设备将带钢边部修整至要求的预留带，通过两 侧位置控制电机将前后夹具进行对中和调整，此时前后两侧带钢贴近形成实际焊缝形态，然后利用轧线钢管测量体系中的高速摄像机通过对前后带钢边部的数据采集，可获得带钢厚度，宽度，间隙，中心线等实际数据，通过轧线钢管测量体系中数据分析软件合成后，可得到当前带钢的准确数据，以此来获得精确有效的焊缝形态数据，带钢厚度，宽度，间隙，中心线等实际数据由轧线钢管测量体系采集完成，带钢厚度，宽度，间隙，中心线等实际数据经PLC计算和分析后，将在带钢实际熔接的过程中作为激光头位置参考依据，根据采集的数据可知实际焊缝与标准焊缝的偏差，将各处测量到的焊缝宽度取平均值，可得到平均焊缝宽度值，通过计算公式可知，焊缝宽度测量值-平均焊缝宽度值＝焊缝偏差，通过自动控制激光头可减小或消除偏差；

第二步：数据分析筛选，偏离点计算，

经PLC控制***完成数据的筛选和计算，从而可获得实际焊缝与标准焊缝的偏离数据，PLC***在进行焊缝宽度分析时，主要采集当前焊缝两侧各50个数据d1～d50，通过取平均值的方式的得出平均焊缝宽度作为实际焊缝基准，(d1+d2...d50)/50＝平均焊缝宽度，通过将两侧平均焊缝宽度取平均值即可得到焊缝参考中心线。PLC***焊缝分析数据包含了：实际焊缝的带钢位置，焊缝中心线位置，焊缝实际宽度，计算后激光头移动位置参考等主要数据指标，该步骤的计算和分析结果存放于PLC数据块中，其中保存了对应当前带钢焊缝形成的实际形态的偏差值，根据带钢边部进行坐标方向界定，将带钢边部的边缘平行方向定义为纵向坐标，其垂直方向为横向坐标，其它测量和控制数据均以此进行方向的定义，当激光头移动至相应的纵向坐标位置时，调用对应该位置的偏差值作为激光头移动的参考位置，根据实际焊缝的偏差情况，激光头始终保持实时动态移动的状态，从而可以有效的跟踪实际焊缝；

第三步：根据数据偏差，产生位移调整参考数据，

在焊接过程中根据激光头的实际纵向运行位置的变化，利用伺服控制***实时的动态调节，使实际焊缝能够与标准焊缝保持同步和匹配，消除激光焦点 与焊缝的偏离情况，通过第二步产生的焊缝参考中心线与实际焊缝中线的计算偏差值，作为伺服电机横向移动的位置参考，计算值实际为伺服电机的参考位移输入，伺服电机带动激光头产生实际动作输出。

本发明的优点是：确保焊缝呈直线状，同时焊枪的纵向牵引轨道与焊缝在立体空间中垂直重合，降低生产作业人员的劳动强度，提高设备效率及稳定性，提升焊接成功率及自动化程度。

具体实施方式

下面详细介绍下本发明激光焊机动态焊接方法，在本案实施例中设备焊接能力范围是：可对厚度为0.3-5.0mm；宽度为300-1600mm的不锈钢板。

在控制***的设计过程中，已针对各厚度规格的钢板进行了焊接参数的设定及测试，数据保存于PLC***中。根据当前焊接的钢板规格，***自动调用相对应的焊接参数。(QAS作为本案实施例的针对焊缝形成实际形态进行相关的数据分析及处理***，在原设备组成中仅应用于焊缝形态的分析，其采集数据并不参与实际的焊缝形成控制及焊接调整)，

包括以下步骤：

前后两个不锈钢卷的头尾边部送料至焊机处，通过自动及手动控制的方确保待焊接边部处于焊机的实际焊接区域，焊机前后夹具分别用于固定前后带钢；焊机剪刀对带钢边部进行剪切，确保剩余部分可适应夹具的对中及形成焊缝；通过外部传感器进行带钢宽度的测量并实现中心线的调整过程；根据实际的材质规格调用正确的焊接参数，激光头自驱动侧向操作侧移动，完成带钢的焊接过程；焊接完成后，夹具等设备回到初始及等待位置，

其中，第一步：实际焊缝数据采集，

在进行焊接动作之前，焊机前后夹具通过伸缩液压缸带动机械夹板将前后带钢进行加紧和固定，利用剪刀设备将带钢边部修整至要求的预留带，通过两侧位置控制电机将前后夹具进行对中和调整，此时前后两侧带钢贴近形成实际焊缝形态，然后利用轧线钢管测量体系(QAS)中的高速摄像机通过对前后带 钢边部的数据采集，可获得带钢厚度，宽度，间隙，中心线等实际数据，通过轧线钢管测量体系中数据分析软件合成后，可得到当前带钢的准确数据，以此来获得精确有效的焊缝形态数据，带钢厚度，宽度，间隙，中心线等实际数据由轧线钢管测量体系采集完成，带钢厚度，宽度，间隙，中心线等实际数据经PLC计算和分析后，将在带钢实际熔接的过程中作为激光头位置参考依据，根据采集的数据可知实际焊缝与标准焊缝的偏差，将各处测量到的焊缝宽度取平均值，可得到平均焊缝宽度值，通过计算公式可知，焊缝宽度测量值-平均焊缝宽度值＝焊缝偏差，通过自动控制激光头可减小或消除偏差；

第二步：数据分析筛选，偏离点计算，

经PLC控制***完成数据的筛选和计算，从而可获得实际焊缝与标准焊缝的偏离数据，PLC***在进行焊缝宽度分析时，主要采集当前焊缝两侧各50个数据d1～d50，通过取平均值的方式的得出平均焊缝宽度作为实际焊缝基准，(d1+d2...d50)/50＝平均焊缝宽度，通过将两侧平均焊缝宽度取平均值即可得到焊缝参考中心线，PLC***焊缝分析数据主要包含了：实际焊缝的带钢位置，焊缝中心线位置，焊缝实际宽度，计算后激光头移动位置参考等主要数据指标，该步骤的计算和分析结果存放于PLC数据块中，其中保存了对应当前带钢焊缝形成的实际形态的偏差值，根据带钢边部进行坐标方向界定，将带钢边部的边缘平行方向定义为纵向坐标，其垂直方向为横向坐标，其它测量和控制数据均以此进行方向的定义，当激光头移动至相应的纵向坐标位置时，调用对应该位置的偏差值作为激光头移动的参考位置，根据实际焊缝的偏差情况，激光头始终保持实时动态移动的状态，从而可以有效的跟踪实际焊缝；

第三步：根据数据偏差，产生位移调整参考数据，

在焊接过程中根据激光头的实际纵向运行位置的变化，利用伺服控制***实时的动态调节，使实际焊缝能够与标准焊缝保持同步和匹配，消除激光焦点与焊缝的偏离情况，通过第二步产生的焊缝参考中心线与实际焊缝中线的计算偏差值，作为伺服电机横向移动的位置参考，计算值实际为伺服电机的参考位 移输入，伺服电机带动激光头产生实际动作输出。

在实际应用或设计中，需要进行数据采集程序逻辑的汇编，根据焊机的最大有效焊接宽度，及焊接精度要求，制定数据采集数量。同时，需要使用伺服控制***进行激光横向坐标的精确控制。

在本案实施例中，可应用于厚度为0.3mm—5.0mm；宽度为300mm—1600mm的不锈钢带。

根据用于二氧化碳激光焊机的动态焊接方法，可解决现有技术中存在的问题，降低生产作业人员的劳动强度，提高设备效率及稳定性，提升焊接成功率及自动化程度。在冷轧连续退火酸洗机组的生产过程中，钢卷的处理依次经过开卷机、焊接处理、脱脂清洗、加热炉退火/冷却及多级酸洗、表面平整/张力矫直、卷取机。由于连续退火酸洗线的特殊生产状态，通常情况下为了保障生产线的连续运行状态，在工艺处理前段需要配备自动焊机设备，以快速高效的方式进行带钢的焊接工序，从而满足工艺处理的需求。

利用QAS设备对实际焊缝进行测量时，因激光头牵引轨道变形影响，监测***对焊缝的监测结果呈现出严重的弯曲情况，根据测量结果分析，激光头牵引轨道在驱动侧向出口带钢方向明显偏移。同理可确定，在焊接过程中，激光作用点将会在驱动侧向出口带钢方向偏移，不会作用在实际焊缝处，导致驱动侧区域较大范围的焊接不良情况发生。在此种情况下进行的带钢不能满足拉伸试验，会在实际作业过程中产生断裂情况。

在本实例中，首先需要将现有技术中用于进行激光头位置校准的直流电机更换为伺服电机，同时应配备伺服驱动装置，伺服***与普通直流电机相比，具有更高的控制精度及动态响应，在需要精确的位置或角度控制的领域中应用较为广泛。实例中，因受安装空间的限制，选择了FAUCHABER公司的伺服传动装置，该装置支持CAN总线通信协议，故需要使用耦合器接入焊机设备现有Profibus网络。

实例中程序控制***使用Siemens S7 300系列PLC，具体功能实现程序如 下：

1.更改原控制程序的焊接步骤，增加焊缝测量位置调整及QAS检测

第一步：为了能够提高焊缝形成的精度，应在进行最终焊缝位置控制前对调整过程进行预分析和判断。具体实现为：在进行焊缝形成动作时，首先由伺服传动控制出口侧带钢推进至小于目标焊缝的位置，即控制带钢没有完全到达最终目标位置。实例中控制带钢预测量位置为：目标位置+0.2mm

例：焊缝设定：0.1mm，则：预测量位置:0.1+0.2＝0.3mm

QAS在预测量位置对带钢状态进行分析并采集数据，其数据进行Step2计算后可知焊缝控制精度是否达到要求，如存在偏差则可立即进行控制调整。

2.在原程序中增加用于保存QAS检测数据的数据块

第二步：根据实际焊机的有效焊接行程，在该数据块中编辑了250组数据，每组数据均包含了：a.激光头纵向坐标位置；b.左侧带钢位置；c.右侧带钢位置；d.焊缝中心位置；e.焊缝宽度。以上数据均由QAS测量时产生，PLC根据激光头纵向坐标等距间隔读取相对应的实时数据。在QAS对已形成的焊缝进行状态检测，将被测带钢定义为最多250个坐标，在每个坐标处产生需要的分析数据。此步骤要求QAS可对带钢进行准确的数据检测，从而获得正确的分析和用于计算的数值。具体程序理解为：QAS设备由伺服传动设备牵引纵向移动并对带钢位置数据实施采集，在未检测到带钢介质时，数据产生为零(在PLC程序中可判别为无效数据)，根据传动装置的位置反馈作为依据，采取固定间隔的方式读取QAS数据保存至PLC数据块中，根据被测带钢的宽度差异，产生的有效数据的个数不同。QAS检测到得第一组数据和最后一组数据的同时，其纵向位置反馈值作为激光头在焊接过程中的区域界定值，并且用于存放数据的数据块标记也作为数据分析的区域标示。例如：第一组数据和最后一组产生时，数据分别存放于数据块中的DBW160和DBW660,则表示所有计算数据依据在DBW160与DBW660之间，其它区域为无效数据。

3.更新控制数据，形成最终焊缝

第三步：PLC获取QAS数据后，对所有数据进行统一分析和计算，如激光头轨道弯曲变形或带钢边缘部成不规则曲线形态，各处数据应各不相同，即实际焊缝宽度与QAS内部分析数据存在偏差，将各处测量到得焊缝宽度取平均值，可得到一条平均焊缝宽度值(Ave Gap)，通过简单的计算式可知：QAS测量值(QAS Gap)-焊缝平均值(Ave Gap)＝焊缝偏差(Gap diff)，以此可知：

预测量位置–目标位置+Gap diff＝Gap offset(焊缝调整修正值)。通过此法得到焊缝建立过程中的控制误差值并进行修正，从而提高焊缝形成的精度。

第四步：根据实际控制结果与控制基准的偏差，产生实际位移

同时PLC会获取QAS检测焊缝时产生的中心线数据(Pre Gap center)，根据上述实际情况，各点处的Pre Gap center数值不同，将各点数据与中心参考值进行比较，可知各点的实际偏差，例如：

焊缝设定(Gap set)：0.1mm，则：预调整焊缝(Pre gap):0.1+0.2＝0.3mm

参考焊缝中心位(Nominal gap center)＝0.05；预调整焊缝中心位(Pre gap center)＝0.15

假设：测得P1点的实际中心线(center line)＝0.18(大于平均中心线0.18-0.15＝0.03)

P1点的激光参考位置：参考焊缝中心线(nominal center)+0.03＝激光偏移参考值(laser cross reference) 

激光基准位置在入口侧带钢边缘，则laser cross reference＝0.05+0.03＝0.08mm，当激光头纵向移动至P1处时，同步控制激光头横向移动0.08mm，从而可以准确的找到实际焊缝所在位置。

根据本发明示例性实施例的用于二氧化碳激光焊机的动态焊接方法，有效的解决了激光焊接在实际应用过程中因受设备安装，环境等因素影响，产生的焊接覆盖率及焊接成功率低的情况，并实现了对实际焊缝的准确分析和调整，通过以跟踪焊缝形态为目的动态焊接控制。避免了不锈钢钢带在焊接过程中发生偏离，同时提出了一种高效稳定的数据分析和计算方式。使得激光焊机技术在实际应用中实时性及准确性得到了很大的提高。

Claims (1)

1.激光焊机动态焊接方法，其特征在于：包括以下步骤：

前后两个不锈钢卷的头尾边部送料至焊机处，通过自动及手动控制的方确保待焊接边部处于焊机的实际焊接区域，焊机前后夹具分别用于固定前后带钢；焊机剪刀对带钢边部进行剪切，确保剩余部分可适应夹具的对中及形成焊缝；通过外部传感器进行带钢宽度的测量并实现中心线的调整过程；根据实际的材质规格调用正确的焊接参数，激光头自驱动侧向操作侧移动，完成带钢的焊接过程；焊接完成后，夹具等设备回到初始及等待位置，

其中，第一步：实际焊缝数据采集，

在进行焊接动作之前，焊机前后夹具通过伸缩液压缸带动机械夹板将前后带钢进行加紧和固定，利用剪刀设备将带钢边部修整至要求的预留带，通过两侧位置控制电机将前后夹具进行对中和调整，此时前后两侧带钢贴近形成实际焊缝形态，然后利用轧线钢管测量体系中的高速摄像机通过对前后带钢边部的数据采集，可获得带钢厚度，宽度，间隙，中心线等实际数据，通过轧线钢管测量体系中数据分析软件合成后，可得到当前带钢的准确数据，以此来获得精确有效的焊缝形态数据，带钢厚度，宽度，间隙，中心线等实际数据由轧线钢管测量体系采集完成，带钢厚度，宽度，间隙，中心线等实际数据经PLC计算和分析后，将在带钢实际熔接的过程中作为激光头位置参考依据，根据采集的数据可知实际焊缝与标准焊缝的偏差，将各处测量到的焊缝宽度取平均值，可得到平均焊缝宽度值，通过计算公式可知，焊缝宽度测量值-平均焊缝宽度值＝焊缝偏差，通过自动控制激光头可减小或消除偏差；

第二步：数据分析筛选，偏离点计算，

经PLC控制***完成数据的筛选和计算，从而可获得实际焊缝与标准焊缝的偏离数据，PLC***在进行焊缝宽度分析时，主要采集当前焊缝两侧各50个数据d1～d50，通过取平均值的方式的得出平均焊缝宽度作为实际焊缝基准，(d1+d2...d50)/50＝平均焊缝宽度，通过将两侧平均焊缝宽度取平均值即可得到焊缝参考中心线，PLC***的焊缝分析数据主要包含了：实际焊缝的带钢位置，焊缝中心线位置，焊缝实际宽度，计算后激光头移动位置参考等主要数据指标，该步骤的计算和分析结果存放于PLC数据块中，其中保存了对应当前带钢焊缝形成的实际形态的偏差值，根据带钢边部进行坐标方向界定，将带钢边部的边缘平行方向定义为纵向坐标，其垂直方向为横向坐标，其它测量和控制数据均以此进行方向的定义，当激光头移动至相应的纵向坐标位置时，调用对应该位置的偏差值作为激光头移动的参考位置，根据实际焊缝的偏差情况，激光头始终保持实时动态移动的状态，从而可以有效的跟踪实际焊缝；

第三步：根据数据偏差，产生位移调整参考数据，

在焊接过程中根据激光头的实际纵向运行位置的变化，利用伺服控制***实时的动态调节，使实际焊缝能够与标准焊缝保持同步和匹配，消除激光焦点与焊缝的偏离情况，通过第二步产生的焊缝参考中心线与实际焊缝中线的计算偏差值，作为伺服电机横向移动的位置参考，计算值实际为伺服电机的参考位移输入，伺服电机带动激光头产生实际动作输出。