激光焊缝传感器用于中厚板焊缝自适应规划的研究

激光焊缝传感器用于中厚板焊缝自适应规划的研究

吴兴全  李斗 曾永洋  钱荣良

(中国水利水电第十四工程局有限公司机电安装事业部，云南省昆明市  650000）

[摘  要]本论文旨在研究激光焊缝传感器在中厚板焊缝自适应规划中的应用。传统的焊接过程往往需要依靠人工操作来实现焊缝的规划，这样容易受到操作人员技术水平和主观因素的影响，从而导致焊接质量的不稳定。为了解决这个问题，激光焊缝传感器被引入到焊接过程中，以实时监测焊接区域的形状和位置信息。本文总结了激光焊缝传感器在中厚板焊缝自适应规划中的研究成果，激光焊缝传感器的应用有望进一步提高焊接过程的自动化程度和稳定性，为中厚板焊缝的焊接质量和效率提供技术支持。

[关键词]激光焊缝传感器，中厚板，焊缝，自适应规划，焊接质量

0 引言

在制造业领域，焊接是一项重要的工艺，广泛应用于各种结构件的制造和组装过程中。焊接质量的稳定性和高效性对于确保产品的可靠性和性能至关重要。然而，传统的焊接过程往往依赖于经验丰富的操作人员进行焊缝规划和参数调整，容易受到人为因素和主观因素的影响，导致焊接质量的不稳定。为了解决这一问题，近年来焊接自适应规划技术逐渐受到研究者的关注。自适应规划技术利用传感器和控制系统实时监测和调整焊接过程中的关键参数，以提高焊接质量和效率。在中厚板焊接领域，焊缝的规划和控制更加复杂，传统的手动操作往往无法满足要求，因此需要引入先进的传感器技术来实现焊缝的自适应规划。

本论文的目标是研究激光焊缝传感器在中厚板焊缝自适应规划中的应用。激光焊缝传感器通过激光束扫描焊接区域，实时获取焊缝的形状和位置信息，然后将数据传输给控制系统进行分析和调整。激光焊缝传感器具有高精度、实时性强的特点，可以有效地监测焊接过程中的变化，并提供准确的数据支持自适应规划。

1 实验材料及方法

1.1材料准备

在本实验中，我们选取了具有代表性的中厚板材料作为焊接样品。这些材料具有一定的厚度和材质特性，能够模拟实际工业生产中常见的焊接场景。我们根据实验需要，选择了合适的板材尺寸和形状，并进行了表面处理和清洁工作，以确保焊接质量。为了确保研究的准确性，我们将保持单一变量要求。坡口的形状将根据焊接位置和焊缝位置的变化而相应调整。

图 1非对称性X型坡口

表 1试块规格参数表

1.2实验设备搭建

为了实现对焊接过程的实时监测和控制，我们搭建了一套实验设备。该设备包括激光

焊缝传感器、焊接机器人和数据采集系统等关键部件。激光焊缝传感器用于采集焊接过程中的关键参数，激光焊缝传感器是安装在焊枪前方的设备，并且需要与焊枪保持绝缘。

图2 激光焊缝传感器

为了确保最佳效果，激光焊缝传感器的扫描姿态应与焊接姿态保持一致。在安装激光焊缝传感器之后，需要进行焊枪的TCP（工具中心点）标定和激光的TCP标定操作。在进行激光TCP标定之前，需要加载CalibLaserModule.mod程序模块，并调用CalibSensorTCP()例行程序进行标定。

焊接机器人负责执行焊接任务，数据采集系统用于记录和分析实验数据。ABB 机器人系统完成正常的功能调试后，加载相关机器人程序 模 块 ， 分 别 为                                      Adapt1Data.mod：过程参数预定义模块；

AdaptProc1.mod：功能函数预定义模块；

ARCXLMOD.mod：多层多道焊接相关指令预定义模块；

Scanmodule.mod：焊缝扫描功能模块； SeamFinding_PLUS.mod：焊缝寻位功能模块； SUM.mod：焊缝信息汇总功能模块；

1.3 实验步骤

在实验执行过程中，我们按照以下步骤进行焊接和数据采集：

样品准备：根据实验需要，对选定的中厚板材料进行尺寸切割和表面处理。

设备设置：将激光焊缝传感器安装在焊接设备上，并连接数据采集系统，确保设备正常工作。

参数设定：根据实验要求，设定焊接参数，如焊接速度、功率和激光焊缝传感器采样频率等。

焊接执行：启动焊接机器人，执行预设的焊接路径和参数，完成焊接过程。

数据采集：通过激光焊缝传感器和数据采集系统，实时记录焊接过程中的温度、光强和熔池形态等关键参数。

数据分析：对采集到的数据进行处理和分析，包括曲线图绘制、数据对比和统计等。

2 试验结果与讨论

2.1 实验数据收集与分析

表 2机器人焊接工艺实验

不同焊接工艺在送丝速度、焊接速度和线能量等参数上存在差异。打底焊和背面填充焊的送丝速度和焊接速度较低，而正面填充焊和正面盖面焊的送丝速度和焊接速度较高。这显示了不同焊接过程对于焊接速度的要求和特点。偏转和摆长的数值反映了焊缝形态的偏移和摆动情况。这些参数对于焊缝的位置和质量具有重要影响，并需要在自适应规划中进行控制和调整。左右延迟时间的设定值影响着焊接电弧从一个焊缝位置转移到下一个焊缝位置之间的时间延迟。这个参数的设置对于焊缝的连接和质量具有一定的影响。

2.2 激光焊缝传感器原理探究

激光焊缝传感器是一种用于中厚板焊缝自适应规划的关键技术。其原理基于激光束与焊缝之间的相互作用。激光束被聚焦到焊缝表面，与焊缝发生相互作用后，经过传感器接收和处理，得到有关焊缝形态、尺寸和质量的相关信息。在工作过程中，激光束会在焊缝上产生反射、散射或透射等不同的现象。激光焊缝传感器利用光电传感器将这些反射、散射或透射的信号进行捕捉和测量。通过对反射、散射或透射信号的分析和处理，激光焊缝传感器可以提取出焊缝的形貌、宽度、深度等关键参数。光焊缝传感器具有高精度和高灵敏度的特点，能够实时监测焊缝的形态变化，并将这些信息反馈给焊接控制系统。通过与焊接控制系统的协同工作，激光焊缝传感器可以实现焊缝的自适应规划，确保焊接过程中焊缝的质量和尺寸符合要求，提高焊接效率和产品质量。

2.3 中厚板焊缝自适应规划算法设计

中厚板焊缝自适应规划算法设计是基于激光焊缝传感器提供的焊缝信息，结合焊接控制系统的要求和约束，实现焊接过程中的自适应规划。该算法旨在优化焊接过程，提高焊缝的质量和尺寸一致性。算法设计的核心是根据激光焊缝传感器获取的实时数据，进行焊缝形态和尺寸的分析与预测。通过对焊缝形态的特征提取和分析，可以获得焊缝的宽度、深度、几何形状等信息。同时，算法还可以检测焊缝的缺陷、偏移和变形等问题。基于这些信息，算法设计可以采用自适应控制策略，调整焊接参数和路径，以实现焊缝质量的自动调节和控制。

图 2
激光成形图

图 3 激光成形数值

（1）初始化 Init_Sys_SRtLaser,tWeld,wobj  获取焊接任务的要求和规范，并初始化焊接系统和激光焊缝传感器。设定焊接参数和初始焊缝路径。

tLaser：激光工具

tWeld：焊枪工具Wobj：工件坐标系

初始化指令一般只需在 MAIN 程序第一行添加即可，如果焊接程序在不同变

位机之前切换时则需重新进行初始化。

（2）焊缝信息清除 Clear_WeldNumbernWeldNumber;                   nWeldNumber：焊缝编号；当某一焊缝已全部焊接完成需重新扫描此编号焊缝时用此指令清除上一次扫描生成的焊缝信息。

（3）激光寻位：SearchP pPart3{6}, pPart3{7}, pPart3{8}, v30, 12, 1, biaoding\wobj:=Cliwobj;                                                       pPart3{6}： 寻 位 结 果 坐 标 点 保 存 ；          pPart3{7}：寻位起始坐标点；

pPart3{8}：寻位结束坐标点；         v30：寻位速度（注意寻位时速度100%）； 12：激光寻位系统中已设置的PartID；

1：激光寻位系统中已设置的TaskID；

注：PartID、TaskID需与激光扫描系统中的保存参数对应。

Biaoding：焊枪TCP;

Cliwobj:工件坐标系；

（4）激光焊缝直线扫描：LaserScanL pPart3{2}, pPart3{6}, 0.6, v20, 12, 1, Point4, biaoding\wobj:=Cliwobj;

pPart3{2}:扫描起始坐标点； pPart3{6}：扫描结束坐标点； 0.6：截面保存时间间隔；

v20:扫描行走速度；

12：激光寻位系统中已设置的PartID；

1：激光寻位系统中已设置的TaskID；                               Point4：表示激光扫描算法类型为拼接焊缝（梯形坡口），扫描坡口特征为 4

个坐标点，如果激光扫描算法类型为拼接焊缝（V 形坡口）则扫描坡口特征为

3 个坐标点，选择“Point3”。Biaoding：焊枪TCP;

Cliwobj:工件坐标系；

（5）激光焊缝圆弧扫描：LaserScanC pPart1{2}, pPart1{9}, pPart1{6}, 0.6, v10, 13, 1, Point3, biaoding\wobj:=Cliwobj;

pPart1{2}为圆弧起始点, pPart1{9}为圆弧中间点, pPart1{6}为圆弧终点；其他

参数与直线扫描一致。

（6）激光数据过滤：Filter_Process filterData , RuleNumber，0;；

filterData：过滤参数（坡口宽窄深浅范围，用于把异常坐标过滤掉）； RuleNumber：规划规则编号，用于选择Rule1～Rule10；

0：设置期望的焊缝余高（单位 mm），由于焊接过程中坡口存在一定收缩， 一般可设置为 0；

2.4 影响因素分析与措施

  （1）工件坡口表面的反光

在试焊件中，采用冼床加工的坡口表面光滑且反光，导致激光在坡口表面产生折射现象，无法获得准确的坡口轮廓数据。

解决措施：使用火焰开坡口工艺代替冼床加工。火焰开坡口后，工件坡口表面会形成一层氧化层，这一层氧化层不会产生明显的反光现象，减少激光的折射。因此，重新下发图纸，并采用火焰开坡口工艺制作试焊件。针对具有反光表面的工件坡口，可以调整激光扫描参数，例如降低激光功率或调整扫描角度，以减少或避免激光的折射问题。通过合理的参数设置，可以提高激光扫描的准确性和可靠性。

（2）焊接轨迹偏离

焊枪和激光的TCP标定过程中可能存在误差，即焊枪和激光器的实际位置与其标定位置之间存在偏差。这会导致焊缝自适应规划的误差增大。激光器在工作过程中可能存在自身的偏差或不稳定性，导致焊缝信息的获取不准确。这会影响到焊缝自适应规划的精度和稳定性。

解决措施：经多次测试发现偏差基本是固定的，在自动规划程序中增加系统偏差修正变量。

（3）填充量偏多

由于本次试焊采用脉冲电弧进行焊接，飞溅现象较少，因此实际的有效焊接熔覆率会高于预设的93%。这会导致焊缝形态和尺寸的变化，影响自适应规划的准确性。焊接过程中，试焊件受到热影响而发生热变形，导致实际的坡口截面积变小。这会影响焊缝的形状和尺寸，进而影响自适应规划的精度。

解决措施：根据实际试焊情况，可以将有效焊接熔覆率调整为更接近实际情况的数值，如将其调整为97%。通过调整有效焊接熔覆率，可以更准确地反映焊缝的实际形态和尺寸。针对焊接受热变形导致的实际坡口截面积变小问题，可以进行工艺参数的调整。通过调整焊接速度、焊接电流、预热温度等参数，控制焊接热输入，减少热变形的影响，从而保持焊缝的一致性和质量。

3 结论

通过本论文对激光焊缝传感器在中厚板焊缝自适应规划进行研究，我们可以得出以下结论：激光焊缝传感器的引入为中厚板焊缝的自适应规划提供了一种有效的技术手段。传统的人工操作方式容易受到人为因素的影响，导致焊接质量的不稳定。而激光焊缝传感器可以实时监测焊接区域的形状和位置信息，为自适应规划提供准确的数据支持。因此，本文的表明激光焊缝传感器在中厚板焊缝自适应规划中具有重要的应用潜力，对于推动焊接技术的发展和提高焊接质量具有重要意义。

参考文献

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[2]孟宪伟,张爱华,唐宇佟.激光、视觉传感焊缝跟踪技术的研究现状[J].湖南工业职业技术学院学报,2021,21(05):1-3.DOI:10.13787/j. cnki.43-1374/z.2021.05.001。

[3]曹丽婷,田景文,聂雪媛.焊接机器人焊缝自动跟踪系统[J].微计算机信息,2006(07):77-79+271.

作者简介

李斗（1984—），男，工程师，主要从事水利水电机电工程施工及金属结构制造安装工项目管理工作。

吴兴全（1995—），男，助理工程师，主要从事水利水电机电工程施工及金属结构制造安装工项目管理工作。