大尺寸三维多层曲面高功率高精度激光焊接技术与装备的研究


日期:2019/06/10

在“高档数控机床与基础制造装备”科技重大专项(以下简称“04专项”)的支持下,大族激光科技产业集团股份有限公司承担了“大尺寸三维多层曲面高功率高精度激光焊接技术与装备”课题,该课题的总体目标是,针对大型夹层筒状与箱体结构合金构件的激光深熔对接焊、角焊和搭接焊等制造需求,重点研究激光自熔焊、填丝焊及焊缝跟踪工艺技术,研发三维五轴数控焊接机床、三维大幅空间曲面工装夹具以及开展数控软件集成控制系统的应用,确保焊接质量,控制好整体变形,以此掌握核心工艺技术,实现在三维大幅空间曲面上的高性能、高精度和高功率激光焊接的示范应用。

开展的研究工作

结合上述目标,在课题实施过程中,主要开展了如下研究工作:

1. 整机精度和动态性能(动、静刚度)优化研究

与其他激光加工设备相比,高架龙门三维激光焊接机床具有加工幅面大、负载重、速度快和精度高的特点。为满足该机床的加工性能要求,在对机床的动态性能进行分析的基础上,主要从机床结构的动/静刚性、抗振性、稳定性以及传动结构的几何精度、传动精度和定位精度等方面,进行了优化研究。

2. 基于RTCP 的五轴联动控制应用技术研究

开发了具备 RTCP(TCP)功能(旋转刀具中心点编程)的多轴联动数控系统,使五轴加工的刀具具有长度补偿功能,无需编程即能实现个性化界面设计,界面设计源代码完全开源。同时,可以实现在开放式 SOFT-CNC(数字控制软件)系统平台上的实时微内核。基于工艺专家数据库的控制系统的实现,使得最终用户的繁杂工艺数据,能够被无缝集成到数控系统中。具体的研究内容包括:

(1)五轴联动 CNC硬件应用平台的研制;

(2)五轴联动 CNC软件应用技术的研究;

(3)多轴联动 CNC控制相关的可靠稳定应用研究;

(4)焊缝轨迹示教录返编程技术应用研究;

(5)自诊断、报警、功能检测、急停、故障内容显示及功率在线调试研究;

(6)激光焊接领域数控解决方案包的在线集成实现与验证。

3. 三维光纤激光焊接头的研制

研究了适用于 6000W的高功率光纤激光三维焊接头,具体包括:

(1)防缠绕功能,双摆轴机构,配合机床实现三维曲线轨迹;

(2)实现双摆轴高精度运转,两轴定位精度± 0.015°,重复定位精度± 0.005°;

(3)多重动密封技术,确保水、气、电在机构旋转运动时不产生泄露,产品运行安全,具备良好的可靠性;

(4)温度控制系统研究,结构散热系统设计。激光加工对热非常敏感,三维焊接头结构紧凑,涉及的热源较多,因此,需要通过散热设计,控制热影响区的温度,进而稳定加工质量。

4. 模拟件设计制造与激光焊接

研究内容包括:

(1)总结提炼典型大尺寸多层高精度构件焊接需求,设计、制造大型不锈钢材料夹层筒体模拟件,模拟产品焊接需求和工况,并结合生产需要以及预先研究所期望的各项方案需求,针对主机及焊接装夹系统提出恰当的技术指标,针对模拟件提出焊后精度检测指标以及提出结构性能试验项目指标。

(2)设计制造大尺寸夹层筒状和箱体模拟件,进行模拟件光纤激光焊接,并针对焊成的模拟件,设计、制造气密试验工装。焊后,对模拟件进行整体尺寸(直线度、圆柱度)检测,通过探伤考察焊缝质量的一致性,通过整体气密试验考察结构气密性,同时对零件精度进行检测,以测试模拟件的尺寸精度和焊缝可靠性

5. 激光焊缝跟踪系统的开发

研究内容包括:

(1)开发由传感器、控制系统与执行机构组成的激光焊缝跟踪系统;

(2)开发先进的图像处理方法;

(3)设计快速稳定的焊缝跟踪控制方法(如 PID控制算法),引入误差预测,采用闭环控制,提高系统稳定性和抗干扰性;

(4)设计友好的人机操作界面;

(5)开发三维结构件的激光焊接实时焊缝跟踪。

6. 曲面型面修正、曲面定位、曲面与曲型型材拼接、曲面分段激光拼焊装配工艺优化与工装定位方法研究

根据模拟件需求,初步设计多种备选焊接及装夹方案,采用专业的焊接仿真计算软件,对各种方案进行模拟计算,以“控制焊接变形、减小应力集中”的效果为依据,考察各种方案的实施情况,研究、设计并制造相应的用于曲面型面修正、曲面定位、曲面与曲型型材拼接、曲面分段激光拼焊装配等工作的高精度焊接定位装夹工装夹具。

7. 高功率光纤激光三维焊接工艺数据库的建立

制备不锈钢不同工况的对接、搭接和角接的同种材料及异种材料试验接头,进行试板焊接和焊缝内部质量及各项性能测试,通过对上述工艺和设备的研究结果进行综合应用,来检验数据的有效性和结构的可靠性;通过多家联调、现场焊接及焊后检验,从使用需求出发,修正数据库的框架设计,并系统采集焊接工艺数据,纳入数据库管理。

8. 设备的可靠性与评价体系

在利用设备焊接正式产品的过程中,对焊机的各功能机构进行可靠性摸底试验,结合可靠性摸底试验情况,分析影响使用的薄弱环节,提出解决方案并加以实施。措施落实后,设计可靠性试验方案,开展可靠性试验,对出现的问题进行归零处理,并采取纠正措施。通过对焊机的各功能机构进行 FMEA分析,确定薄弱环节,并对产品可靠性进行系统评价,形成设备的可靠性评价体系。

取得的技术突破与成果

通过开展上述研究工作,取得了如下进展:

1. 对高架龙门大尺寸面三维激光焊接机床进行了动态设计优化,提高了整机精度;

2. 实现了基于RTCP的多通道五轴联动控制技术的应用;

3. 优化了三维高功率光纤激光焊接头结构;

4. 开发了激光焊缝跟踪系统;

5. 了解并掌握了大尺寸夹层筒状构件和箱体光纤激光焊接的变形规律和变形控制;

6. 建立了高功率光纤激光精密对接焊、角焊、搭接自熔焊、填丝焊和复合焊的专家数据库;

7. 掌握了激光复合焊技术;

8. 实现了对光纤激光焊接熔深与焊接质量的控制;

9. 实现了五轴控制系统与控制软件的开发和应用。

在此基础上,开发出了三维五轴数控焊接机床和三维大幅面构件工装夹具成套装备,技术指标实现了:X、Y、Z轴行程分别为4000mm、2000mm和2000mm;三维焊接头:A轴旋转角度±360°,B轴旋转角度±135°,A轴定位精度±0.007°,B轴定位精度±1.013°,重复定位精度±0.005;搭载焊缝跟踪系统:视场深度35mm,视场宽度25mm。利用五轴坐标转换功能,计算补偿聚焦实际控制点的旋转运动,实现了焊接头中心的附加移动。

所开发的三维五轴数控焊接机床和三维大幅面构件工装夹具成套装备,可焊接的不锈钢材料夹层筒状构件,最大规格为15m×¢ 1.5m,最大厚度10mm;可焊接的铝合金箱体构件,最大规格1.5m×1.5m,最大厚度5mm。激光深熔对接焊、角焊和搭接焊时,不锈钢最大熔深10mm,铝合金最大熔深5mm。

整套装备,采用国产数控系统(大族彼岸HPA8000),关键功能部件的应用比例达到73.33%,可在0.8~2.5m/min的范围内调节焊接速度,且焊缝跟踪可以实现:横向分辨率±0.05mm,深度分辨率±0.02mm,焊缝成形良好,焊接变形控制在3mm以内。

经济效益和社会效益

随着三维五轴数控焊接机床和三维大幅面构件工装夹具成套装备的开发成功,形成了年产大幅三维高功率高精度激光加工成套装备10台/套的市场规模,直接产值达到11100.2万元。其中,自主研发的HPA8000数控系统及其光纤激光焊接专家数据库,形成100台/套的市场规模,产值达到570万元;自主研发的A/B双摆三维光纤激光焊接头关键功能部件,可以实现批量销售与应用,形成了100台/套的年市场规模,产值达到650万元。

此外,该课题成果还产生了大约3.44亿元的间接经济效益,打破了进口产品在关键技术领域的垄断局面。

通过课题实施,形成了11项技术标准,获得了16项发明专利和2项软件著作权,发表论文12篇、科技报告2篇。在此过程中,培养高、中级技术人员和技术工人43人、硕士研究生10人、博士研究生3人和博士后1人。

推广应用情况

伴随着高端数控五轴联动激光加工装备的国产化,本课题研发的激光焊接工艺参数,现已优化应用于航天航空、能源、汽车和机械工业等领域,如北京特种机械研究所、北京卫星制造厂和沈阳飞机工业(集团)有限公司等。与此同时,大族激光科技产业集团股份有限公司还在不断完善工艺参数,加强示范应用,并积极寻求与汽车制造企业的合作,实现课题成果的进一步推广应用。


高架龙门三维五轴激光焊接系统


高架龙门大幅面高精度三维五轴联动光纤激光机床


高功率(6KW)光纤激光三维焊接头

高架龙门三维五轴机床,主要用于航空航天三维覆盖件的切割


工作台移动式三维五轴机床,主要适用于汽车和模具制造领域对碳钢、不锈钢、铝合金和钛合金材料的空间异型三维零件进行精密激光加工


热成型三维五轴激光切割机,可以实现高强度钢三维件的曲面柔性加工