肖珺，雷一鼎，陳樹君，蘆葦，何恩光,

(1.北京工業(yè)大學(xué),汽車結(jié)構(gòu)部件先進(jìn)制造技術(shù)教育部工程研究中心,北京,100124；2.中國(guó)航空制造技術(shù)研究院,高能束流加工技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京,100024)

0 序言

鈦合金帶筋壁板類T 形結(jié)構(gòu)是飛機(jī)機(jī)身的重要組成部分[1].激光焊接由于自身能量密度高，在同等功率和焊接條件下相比其它焊接，激光焊接的焊接速度快、焊接應(yīng)力和焊接變形都相對(duì)較低，因此被廣泛應(yīng)用于鈦合金薄板的焊接[2].鈦合金激光焊接工藝已經(jīng)比較完善，但由于不均勻的熱輸入導(dǎo)致T 形接頭在最佳工藝參數(shù)下仍存在一定的角變形.由于航空工業(yè)制造的高精度要求，必須施加主動(dòng)控制手段以最大限度的減小這類焊接變形.

焊前反變形法是主動(dòng)控制焊接變形的常規(guī)方法，但不適用于弱剛性帶筋壁板類結(jié)構(gòu).隨焊錘擊、沖擊方法可以有效減小焊接變形.Berg 等人[3-4]對(duì)超聲沖擊進(jìn)行了研究，超聲沖擊槍錘擊的方式能使焊縫晶粒得到較為明顯的細(xì)化，細(xì)長(zhǎng)共晶組織被打碎，但是由于超聲能量會(huì)隨著傳播的深度衰減，導(dǎo)致只能夠消除焊縫表面的殘余應(yīng)力.相比超聲沖擊槍錘擊，電動(dòng)錘的錘擊力得到保證，并且錘擊后的裂紋以及殘余應(yīng)力都有明顯減少[5]，但電動(dòng)錘最大的缺點(diǎn)在于體積龐大不便安裝，需要人工手持錘擊，不符合大批量自動(dòng)化生產(chǎn)過(guò)程.

哈爾濱工業(yè)大學(xué)的Xu 等人[6]提出了氣動(dòng)隨焊錘擊技術(shù)，可以有效地減小鋁合金板材在焊接過(guò)程中的橫向和縱向收縮變形.氣動(dòng)隨焊錘擊力大，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但設(shè)備較為龐大，不便安裝.電磁隨焊錘擊能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)化控制的隨焊錘擊方式，使錘擊頻率和錘擊力可控.但是當(dāng)前各類隨焊錘擊方法的固有問(wèn)題是錘擊頻率低，不適應(yīng)激光高速焊接過(guò)程[7].

預(yù)置應(yīng)力法從縱向預(yù)置應(yīng)力完善至雙向預(yù)置應(yīng)力(two direction pre-stress，TDPS)[8-10]，研究表明縱向預(yù)置應(yīng)力對(duì)變形的控制效果明顯，但會(huì)導(dǎo)致裂紋的增加，因此需要增加橫向預(yù)置應(yīng)力防止裂紋，二者之間相互影響，將二者進(jìn)行適當(dāng)?shù)呐浔?，可以得到較低殘余應(yīng)力和變形、無(wú)裂紋的工件.

對(duì)于薄壁帶筋T 形接頭弱剛性結(jié)構(gòu)，僅在焊前預(yù)置應(yīng)力難以有效減小焊接變形.傳統(tǒng)預(yù)置應(yīng)力方法無(wú)法實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)調(diào)整焊接過(guò)程中應(yīng)力大小，容易造成起焊位置與收焊位置出現(xiàn)變形差異.在這種情況下，單純的加大預(yù)置應(yīng)力并不能減少起收焊位置的變形差.

文中提出一種可編程動(dòng)態(tài)調(diào)控的多點(diǎn)柔性支撐方法，能夠根據(jù)實(shí)際需要，在實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)預(yù)置應(yīng)力變化的同時(shí)，實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)工件不同位置的拘束力，從而更有效的抑制焊接變形.

1 試驗(yàn)系統(tǒng)

如圖1 所示，多點(diǎn)柔性支撐裝置由3 行3 列的9 個(gè)電動(dòng)推桿組成.每一個(gè)都可以在垂直方向上獨(dú)立移動(dòng)，行程100 mm，最大工作推力1 000 N，額定速度為12 mm/s.相鄰支撐點(diǎn)的間距為100 mm.電動(dòng)推桿頂部連接著CZL-1012 型拉壓力稱重傳感器，其最大量程為1 000 N.工作時(shí)左右兩列電動(dòng)推桿根據(jù)力傳感器信號(hào)上下移動(dòng)，中間一列電動(dòng)推桿保持固定，同時(shí)在電動(dòng)推桿與蒙皮之間增加一條支撐板，使待焊工件受力均勻.

圖1 多點(diǎn)柔性支撐裝置及電動(dòng)推桿實(shí)物Fig.1 Multi-point flexible supporting device and the adopted electric actuator

裝置的主控部分采用STM32F103ZET6 芯片，相應(yīng)的單片機(jī)為電動(dòng)推桿的控制提供了較為完備的接口，基本滿足控制電動(dòng)推桿的各種需求.以這些核心硬件為基礎(chǔ)，搭建了電動(dòng)推桿運(yùn)動(dòng)控制模塊，完成了主控電路、檢測(cè)電路的設(shè)計(jì).控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2 所示，以STM32 為主控，以L298N 為驅(qū)動(dòng)模塊，電動(dòng)推桿為執(zhí)行機(jī)構(gòu)，通過(guò)監(jiān)測(cè)處理后的力傳感器信號(hào)，對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行控制，達(dá)到實(shí)施監(jiān)測(cè)的閉環(huán)控制的目的.

圖2 柔性支撐裝置控制系統(tǒng)原理圖Fig.2 Schematic diagram of control system for flexible supporting device

試驗(yàn)采用德國(guó) IPG 公司生產(chǎn)的 YLS-4000 光纖激光器，最大額定激光功率為 4 000 W，采用水冷散熱.與YLS-4000 激光器配套的激光焊接頭為德國(guó)HIGHYAG 公司的 BIMO 系列激光焊接頭.焊接試驗(yàn)激光功率為2 400 W，焊接速度為6 m/min，激光光束入射角為30°.被焊TC4 鈦合金工件壁板尺寸為300 mm×150 mm×2 mm (L×W×D)，筋條尺寸為300 mm×30 mm×1.5 mm (L×W×D).

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 初始下拉力對(duì)變形的影響

研究電動(dòng)推桿對(duì)工件兩側(cè)初始下拉力大小對(duì)變形的影響，根據(jù)初始下拉力的大小將試驗(yàn)分組，如表1 所示.焊前控制左右兩列的電動(dòng)推桿對(duì)工件兩側(cè)進(jìn)行同時(shí)間、同速率、同幅度下拉，檢測(cè)力傳感器反饋當(dāng)下拉力達(dá)到目標(biāo)值時(shí)，電動(dòng)推桿停止運(yùn)動(dòng)，然后在焊接過(guò)程中檢測(cè)力傳感器數(shù)值的變化.

表1 初始下拉力試驗(yàn)分組Table 1 Test groups of initial pull-down force

在兩側(cè)支撐推桿同步運(yùn)動(dòng)控制模式下，以中間位置傳感器為參考基準(zhǔn)，其中01 組、02 組、03 組焊接過(guò)程中的傳感器數(shù)據(jù)如圖3 所示，其起收焊的變形情況如圖4 所示.這里的0 ms 并不是焊接剛啟動(dòng)時(shí)，而是在傳感器數(shù)據(jù)變化之前，也就是焊接開始之前，將串口所得數(shù)據(jù)往前選取一段穩(wěn)定的力信號(hào)作為0 ms.圖中3 000 ms 時(shí)刻焊接開始，在電動(dòng)推桿保持固定不動(dòng)的情況下，力傳感器檢測(cè)到一個(gè)20～ 30 N 幅度的上升.這是由于焊接時(shí)，工件的變形逐漸增加，對(duì)電動(dòng)推桿施加的反作用力逐漸增加.因此可以利用這一變化，作為后續(xù)主動(dòng)調(diào)控工件所受下拉力的啟動(dòng)觸發(fā)信號(hào).

圖3 不同初始下拉力焊接過(guò)程力傳感器數(shù)據(jù)采集Fig.3 Pulling force during welding process with different initial magnitude

圖4 不同初始下拉力試驗(yàn)的起收焊位置變形Fig.4 Welding deformation of different initial pull-down force tests

試驗(yàn)01 組～ 05 組中并未在焊接過(guò)程中主動(dòng)控制電動(dòng)推桿運(yùn)動(dòng)以調(diào)節(jié)工件所受拉力.圖4 所示不同初始拉力下的焊后變形差異表明，隨著初始下拉力的增加，總體變形減小，但是起收焊位置變形差并沒有得到改善.剛性裝夾的力對(duì)于整個(gè)被焊工件來(lái)說(shuō)都是相同大小，這就導(dǎo)致了只能縮小整體變形而不能平衡變形差異，因此需要一種能夠在焊接過(guò)程中發(fā)生變化的力，隨著焊接的進(jìn)行，施加力根據(jù)變形差異進(jìn)行針對(duì)性的變化，從而平衡這種起焊位置和收焊位置變形差異.對(duì)應(yīng)到文中起焊位置變形大于收焊位置變形的情況，如果在焊接過(guò)程繼續(xù)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)推桿回縮下拉工件只會(huì)增大拘束，反而可能會(huì)增大焊后變形，文中將在簡(jiǎn)要對(duì)比不同的力控制策略之后，重點(diǎn)探索采用緩降力控制策略來(lái)控制起焊和收焊位置變形差.

05 組試驗(yàn)中力傳感器采集數(shù)據(jù)如圖5 所示.圖中前端是指起焊位置的傳感器數(shù)據(jù)，中端是指處于工件中間位置的傳感器，末端是接近收焊位置的傳感器數(shù)據(jù).結(jié)果表明當(dāng)工件一側(cè)的總下拉力達(dá)到900 N(每側(cè)3 個(gè)推桿)時(shí)，在焊接開始后實(shí)際拉力并未如期上升，而是會(huì)出現(xiàn)一個(gè)大約70 N 力的下降.顯然這是由于焊接過(guò)程中，隨著焊縫金屬熔化，導(dǎo)致工件強(qiáng)度下降，過(guò)大的拉力直接將工件拉出反變形.當(dāng)一側(cè)的總力為600 N，即04 組時(shí)，其下降幅度約為30 N左右.最終經(jīng)過(guò)確定試驗(yàn)所用壁板單側(cè)總拉力不超過(guò)450 N，以此作為緩降力控制初值的上限.

圖5 05 組焊接試驗(yàn)中拉力下降現(xiàn)象Fig.5 Force descending during welding of group 05

2.2 主動(dòng)力控制策略對(duì)變形的影響

試驗(yàn)按照力的作用形式分為3 組，分別對(duì)應(yīng)焊接過(guò)程中主動(dòng)編程控制獲得預(yù)期緩升力、緩降力、恒定力3 種控制策略.為了突出對(duì)起收焊位置變形差的抑制效果，因此不宜將平均拉力設(shè)定的過(guò)高，緩升力是從100 N 上升至200 N，恒定力是保持在150～ 155 N 的范圍波動(dòng)，緩降力是從200 N 下降至100 N.這3 種力控制策略的實(shí)現(xiàn)依賴于之前所說(shuō)的焊接開始時(shí)力傳感器會(huì)監(jiān)測(cè)到一個(gè)20～ 30 N幅度的上升，通過(guò)這個(gè)上升來(lái)啟動(dòng)電動(dòng)推桿，如緩降力控制模式下，初始下拉力為100 N，當(dāng)力傳感器監(jiān)測(cè)到力上升為110 N 時(shí)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)推桿上升.

采集中間位置的力傳感器所檢測(cè)的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，如圖6 所示，工件變形差如圖7 所示，電動(dòng)推桿的速度為額定速度12 mm/s，根據(jù)力傳感器結(jié)果顯示，3 種形式的力控制策略都可有效實(shí)現(xiàn)，其中緩降力從初始下拉力200 N 左右等待焊接開始，焊接開始后監(jiān)測(cè)到力的增加啟動(dòng)電動(dòng)推桿，電動(dòng)推桿上升，下拉力逐漸減少，直到達(dá)到設(shè)定值停止.

圖6 3 種力控制策略試驗(yàn)驗(yàn)證Fig.6 Illustration of three types of force control strategy

緩升力模式焊接開始后拉力數(shù)值會(huì)逐漸升高，但是不同于傳統(tǒng)剛性裝夾，拉力上升的速率和幅值閉環(huán)控制，而不是隨焊接過(guò)程自發(fā)不受控的增大.恒定力模式，則主動(dòng)控制拉力值穩(wěn)定在初始值附近小幅波動(dòng).圖7 顯示緩升力和恒定力兩種控制策略對(duì)起收焊位置變形差影響不大，而緩降力模式出現(xiàn)過(guò)渡抑制的情況.這可能是由于電動(dòng)推桿下降的速度過(guò)快、下降幅度過(guò)大或下降時(shí)間過(guò)早導(dǎo)致.

圖7 不同力控制策略下起收焊位置變形Fig.7 Weld deformation under three types of force control strategy

2.3 緩降力控制參數(shù)對(duì)變形的影響

通過(guò)調(diào)節(jié)PWM 占空比從而控制推桿上升速度，分析對(duì)拉力下降速度的影響.試驗(yàn)分為3 組，推桿上升速度分別設(shè)置為12，8 和4 mm/s 時(shí).采集中間位置力傳感器所檢測(cè)的數(shù)據(jù)以及工件變形差如圖8 及圖9 所示.結(jié)果表明當(dāng)電動(dòng)推桿的下降速度過(guò)快容易導(dǎo)致超調(diào)的現(xiàn)象，當(dāng)推桿上升速度為8 mm/s 左右時(shí)效果較好，起收焊位置變形差縮小到0.1 mm.這是因?yàn)樯仙俣冗^(guò)快可能會(huì)導(dǎo)致焊接后半段工件受到的力很小，收焊位置角變形變大.

圖8 不同緩降速度力控制效果Fig.8 Illustration of adjusting force damping speed

圖9 不同緩降速度焊接變形結(jié)果Fig.9 Welding deformation at different force damping speed

根據(jù)之前的研究，從焊接開始至焊接結(jié)束一共3 s，力傳感器會(huì)檢測(cè)到30 N 左右上升時(shí)刻啟動(dòng)主動(dòng)力控制程序.將啟動(dòng)條件設(shè)置為增加10 N 啟動(dòng)或增加20 N 啟動(dòng)，就能控制緩降力的啟動(dòng)時(shí)間，據(jù)此進(jìn)行試驗(yàn)，力傳感器所檢測(cè)的數(shù)據(jù)以及變形差如圖10 及圖11 所示.

圖10 不同啟動(dòng)時(shí)間焊接過(guò)程中拉力變化Fig.10 Force sensing during welding with different start moment of force control

圖11 不同啟動(dòng)時(shí)間焊接變形結(jié)果Fig.11 Welding deformation with different start-up moment

對(duì)比而言，緩降力控制模式下，拉力下降速度對(duì)起收焊位置變形差的影響較大，調(diào)整緩降開始時(shí)刻則影響不大.之所以出現(xiàn)起收焊差異，是因?yàn)楹附娱_始與焊接結(jié)束相比工件剛度更大，在相同大小的外力作用下，收焊位置的產(chǎn)生向上的角變形要小于起焊位置的角變形.而緩降力的控制模式，將下拉力逐漸減少，主動(dòng)適應(yīng)工件剛度的變化，從而減少起收焊位置的變形差異.而在起收焊位置變形差的重點(diǎn)問(wèn)題解決后，整體變形量的減少則可通過(guò)提升整體的拉力平均大小來(lái)實(shí)現(xiàn).

在探究最佳緩降力參數(shù)控制起收焊位置變形差異的基礎(chǔ)上，由于起收焊位置變形差被抑制，進(jìn)一步提高初始下拉力到250 N，在焊接開始時(shí)電動(dòng)推桿以8 mm/s 的速度上升，直到施加力降為150 N時(shí)停止動(dòng)作.盡管因?yàn)槿斯ぱb夾等因素有細(xì)微的區(qū)別，但是多次試驗(yàn)下均能將變形控制在0.1 mm 左右，如圖12 所示.多點(diǎn)柔性裝置同步調(diào)控模式下的緩降力調(diào)控變形抑制效果穩(wěn)定且顯著.

圖12 變形控制效果展示Fig.12 Demonstration of weld deformation control

3 結(jié)論

(1) 設(shè)計(jì)了一種多點(diǎn)柔性支撐裝置，可實(shí)時(shí)采集焊接過(guò)程中工件裝夾點(diǎn)拉力的變化，并按照設(shè)定的控制策略進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，按需實(shí)現(xiàn)工件下拉力的動(dòng)態(tài)閉環(huán)調(diào)控.多點(diǎn)柔性裝置可靈活適用于多種情況，并可根據(jù)工件具體形狀重新組裝.

(2) 分析了緩升、緩降、恒定3 種力控制模式對(duì)焊接變形的影響，結(jié)果表明緩降力的形式可以解決起焊位置角變形比收焊位置變形大的問(wèn)題，緩升力控制則會(huì)使得這類問(wèn)題進(jìn)一步加劇，而恒定力則適用于需要保證施加穩(wěn)定力的情形.

(3) 緩降力控制中，拉力緩降速度對(duì)是否能消除起焊、收焊位置變形差有較大影響.如下降速度過(guò)快，則不能有效減小起焊收焊位置變形差.在解決起收焊位置變形差的基礎(chǔ)上適當(dāng)提高初始拉力和緩降控制下的最小拉力，以增大焊接過(guò)程平均作用力，可顯著降低整體焊接變形，甚至能夠達(dá)到消除變形的目的.