基于頻率分析技術(shù)的激光焊接自動反饋控制系統(tǒng)

張選軍

（武漢船舶職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖北武漢430050）

基于頻率分析技術(shù)的激光焊接自動反饋控制系統(tǒng)

張選軍

（武漢船舶職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖北武漢430050）

通過分析光學(xué)元件激光束和頻率，提出優(yōu)化激光焊接過程反饋控制的方法。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，討論激光光束焦距和其他特性之間的相關(guān)性，焊縫熔深和頻率特征及其形成方法。該方法效率較高，通常用于模擬工業(yè)實(shí)際生產(chǎn)，并有助于設(shè)置各種焊接參數(shù)。

激光焊接；反饋控制；頻率分析；自適應(yīng)波束形成

1　介紹

激光深熔焊接是一種先進(jìn)的制造工藝，其原理是：高功率激光束作用于金屬工件，在焊材中形成一個(gè)薄的細(xì)管，稱為匙孔。在焊接過程中匙孔深度和形狀的變化決定了焊縫的熔深和質(zhì)量。為保證焊縫的質(zhì)量，需做到以下兩點(diǎn)：（1）設(shè)置正確的工藝參數(shù)，如焊接速度、激光功率和空間分布（工件表面焦點(diǎn)的位置），形成線性能量的最優(yōu)組合；（2）監(jiān)控焊接過程和控制過程的參數(shù)設(shè)置，使其都保持在最佳狀態(tài)。因?yàn)閰?shù)設(shè)置通常是基于材料知識的經(jīng)驗(yàn)和焊機(jī)的空間布置，然而實(shí)際情況可能與理論經(jīng)驗(yàn)不同，且焊接過程中也可能會變化。

激光焊接技術(shù)在工業(yè)中得到了廣泛的運(yùn)用，相關(guān)專家已討論了焊接反饋控制系統(tǒng)的持續(xù)優(yōu)化問題。但這些實(shí)驗(yàn)控制系統(tǒng)大多是簡單的從統(tǒng)計(jì)光線強(qiáng)度方面進(jìn)行的分析。也有專家通過頻率分析技術(shù)研究，但都不能被直接應(yīng)用到焊接過程的控制中。

本研究著重介紹匙孔深度和頻率之間的關(guān)系、光強(qiáng)度振蕩的特征和新的反饋控制方法，擬達(dá)到優(yōu)化焊接過程的目標(biāo)。通過設(shè)置各種工藝參數(shù)（如：焊接速度、激光功率、材料、保護(hù)氣體、光束聚焦）進(jìn)行激光焊接實(shí)驗(yàn)，討論其在實(shí)際應(yīng)用中的可能性，提出的控制方法可動態(tài)調(diào)節(jié)光學(xué)系統(tǒng)光束的形狀和焦距。通過實(shí)驗(yàn)論證，新型的控制方法能夠保證焊接過程中參數(shù)保持最優(yōu)狀態(tài)，從而獲得高質(zhì)量的焊縫。

2　實(shí)驗(yàn)裝置

優(yōu)化焊接參數(shù)的主要目的是找到最優(yōu)的激光束聚焦，因?yàn)樗鼜母旧嫌绊懝馐统卓字車g能量的結(jié)合。其主要有兩個(gè)重要的特征：表面工件焦點(diǎn)的位置和光束的發(fā)散。在此通過實(shí)驗(yàn)裝置來研究分析上述特征。

實(shí)驗(yàn)裝置是4 kW的CO2激光焊機(jī)。該光學(xué)和聚焦系統(tǒng)包含1個(gè)焦距為f的凸透鏡、1個(gè)輔助鏡和1個(gè)具有可變表面輪廓的自適應(yīng)反射鏡（見圖1）。凸鏡的曲率半徑P在特定監(jiān)控反射表面范圍內(nèi)的空氣壓力是可變的，激光焦點(diǎn)位置也會隨頻寬的改變而變化。自適應(yīng)反射鏡焦點(diǎn)的幾何曲線如圖2所示，其中曲率隨著氣壓的增加而增加，隨焦點(diǎn)與凸透鏡之間的距離d增加而增加，隨光速腰半徑w的增加而減少。

圖1　實(shí)驗(yàn)裝置

圖2　自適應(yīng)反射鏡的曲線

通過采集和控制子系統(tǒng)可以觀察到相關(guān)的工藝特點(diǎn)。最主要是觀察激光焊接過程中由光電探測器采樣的等離子體羽流的輻射強(qiáng)度、波長范圍190～1 100 nm對應(yīng)的光譜輻射（可見光和紫外波段等離子體羽）分布和匙孔熔池周圍的近紅外區(qū)域。光電探測器與50 kHz采樣頻率的數(shù)據(jù)采集設(shè)備連接。獲得的數(shù)據(jù)被存儲在計(jì)算機(jī)中，以便進(jìn)一步分析。

采集設(shè)備也被用于驅(qū)動流量閥的控制信號，調(diào)節(jié)自適應(yīng)反射鏡后面的氣壓，從而改變激光束的焦點(diǎn)。這也是本次實(shí)驗(yàn)裝置的優(yōu)勢，可以使焊接過程中激光束的焦點(diǎn)不斷變化。

3　主要實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)主要目的是研究激光振幅強(qiáng)度和匙孔的幾何結(jié)構(gòu)（尤其是深度）之間的聯(lián)系。利用光電探測器可以檢測到聚焦激光束的不斷變化，學(xué)者們已經(jīng)進(jìn)行了大量的焊接測試。本次試驗(yàn)的基本條件為：碳和不銹鋼材料工件，氬、氦保護(hù)氣體，激光功率2～4 kW，焊接速度1～2 m/min。

光電探測器探測到的不同時(shí)間的信號以及自適應(yīng)反射鏡氣壓隨時(shí)間的變化如圖3所示。很明顯，光強(qiáng)度振蕩變化強(qiáng)烈。相應(yīng)的焊縫的縱向截面如圖3b所示，焊縫熔深度變化顯著。

使用頻率分析方法找出其相關(guān)性。當(dāng)選擇適當(dāng)?shù)暮附訁?shù)時(shí)，焊接過程相對穩(wěn)定，匙孔的深度保持不變，焊縫光滑。相反，焊接參數(shù)選擇不當(dāng)，焊接過程非常不穩(wěn)定，匙孔和熔池周圍強(qiáng)烈振蕩導(dǎo)致焊縫熔深變化，焊縫表面粗糙。在等離子體羽流的動力學(xué)中系統(tǒng)的振動是不可避免，這是意料中的，光的頻率特性強(qiáng)度受到這些振蕩的影響。

通過頻率分析研究光強(qiáng)度的振動，經(jīng)離散傅里葉變換計(jì)算得出時(shí)頻譜如圖3c所示。對比譜圖和焊縫截面可以看出，匙孔深度和頻譜特征有很強(qiáng)的相關(guān)性。相比低頻率，深層滲透的頻譜分布更均勻（見圖4）。通過觀察大量的焊接參數(shù)，反映了焊接過程中的動態(tài)性和穩(wěn)定性，可作為實(shí)現(xiàn)通用控制方法的基礎(chǔ)。

圖3　焊縫評估測試結(jié)果

圖4　頻譜特性

4　匙孔深度和光照強(qiáng)度振蕩之間的相關(guān)性

前面討論了頻譜特征和激光束聚焦的關(guān)系，振幅值越高，頻率越低，滲透越淺，熔池振動越強(qiáng)烈，焊縫有明顯的珠狀焊瘤。

當(dāng)頻率在1～2 kHz時(shí)，局部出現(xiàn)最大振幅。在此區(qū)域激光光束的焦點(diǎn)稍微偏離其最優(yōu)位置，匙孔的振蕩頻率接近固有頻率。因其特性，出現(xiàn)最大振幅的區(qū)域相對較寬，而不是匙孔和熔池在單一的頻率下使之振蕩。

頻譜振幅的分布也取決于熱輸入的光束功率和焊接速度。比較兩個(gè)光束在相同熱輸入情況下不同的頻率譜，低頻率的振幅更大，熱輸入更大。由于較低頻率的振蕩具有更大的質(zhì)量，所以高熱輸入融化的材料更多。

有專家通過適當(dāng)?shù)念l域劃分函數(shù)計(jì)算平均值，研究頻譜特征，然后對比深層和淺層頻率的振幅大小。然而這種方法并不普遍適用，因?yàn)轭l段的最佳選擇取決于實(shí)際參數(shù)以及激光功率和焊接速度。

經(jīng)過實(shí)驗(yàn)和詳細(xì)的數(shù)據(jù)分析提出改良方案：通過函數(shù)計(jì)算出標(biāo)準(zhǔn)的頻譜范圍，標(biāo)準(zhǔn)頻譜范圍以外的區(qū)域S是最優(yōu)參數(shù)。激光束聚焦最佳，焊縫熔深最大，S值最小，因?yàn)樵谶@種情況下頻譜振幅的分布是最平均的（見圖3d和圖4）。最小S值、焊縫熔深最大值與實(shí)際參數(shù)、激光功率和焊接速度無關(guān)。

5　控制方法的優(yōu)化建議

通過光電探測器觀察評估發(fā)光強(qiáng)度。然后把信號轉(zhuǎn)換為一個(gè)數(shù)字用于頻率分析和推理S值，S值用于控制光束聚焦。新的快速反應(yīng)控制單元能夠保證所有的程序在焊接過程中不斷的快速響應(yīng)，有望替代實(shí)驗(yàn)裝置中的電腦。

在激光功率和焊接速度設(shè)定的情況下，控制單元可以在兩個(gè)不同的操作模式下運(yùn)行。在探測模式時(shí)，焊接中自適應(yīng)反射鏡在自定義設(shè)置下測試出每個(gè)范圍內(nèi)同一線性的氣壓。在N個(gè)循環(huán)周期內(nèi)計(jì)算N個(gè)S值，使用S的平均值作為計(jì)算結(jié)果以減少誤差。最后，選擇所有S中的最小值，其對應(yīng)的氣壓P就是最佳值。

通過探測模式得到的P值作為焊接中控制模式在理想軌跡上連續(xù)反饋控制的初設(shè)值。在這種模式下，控制周圍的空氣壓力保持在P，保證激光光束的焦距連續(xù)處于最佳狀態(tài)。其工作方式是：在每個(gè)周期中，控制單元計(jì)算出三種空氣壓（P，P+ΔP，P-ΔP）時(shí)的S值，然后改變空氣的壓力值保證S值最小。改變后的空氣壓力值是循環(huán)周期內(nèi)的最優(yōu)值。與普通的監(jiān)控算法相比，當(dāng)前的焊接監(jiān)控算法有明顯優(yōu)勢，即焊接過程是積極的控制，而不僅僅是被動地監(jiān)控。

6　控制方法的實(shí)驗(yàn)測試

本研究提出的新型控制方法是一個(gè)新開發(fā)的控制單元，其可以通過軟件控制探測器。通過一組廣泛的焊接測試將控制算法優(yōu)化，一個(gè)垂直焦距為0.4 mm，7.5′′的聚焦透鏡的最優(yōu)值為N=10和ΔP= 0.025 MPa。從頻率20 kHz中選用256個(gè)頻譜并計(jì)算，一個(gè)測量周期的總計(jì)算時(shí)間（三個(gè)步驟的空氣壓力）大約需要1.5 s。同時(shí)，在實(shí)驗(yàn)測試中通過改變連續(xù)測量周期空氣壓力P和分部ΔP的最優(yōu)值，優(yōu)化控制算法，保證焊接過程得到更好的控制。

優(yōu)化后的控制系統(tǒng)的功能和效率通過了各種焊接參數(shù)（碳和不銹鋼、氬保護(hù)氣體、激光功率2～3 kW、焊接速度1～2 m/min）測試的驗(yàn)證。在找到焦點(diǎn)激光束的最佳焦距模式下,系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)連續(xù)集中控制。保證了焊接過程的穩(wěn)定性，獲得了熔深最大和質(zhì)量最好的焊縫。

為了驗(yàn)證控制系統(tǒng)的功能，模擬可能發(fā)生在工業(yè)生產(chǎn)中的幾個(gè)典型問題，如金屬板材的縱向坡度或厚度突變，并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。焊接測試中使用3 mm的金屬薄板，在焊縫根部能夠容易的觀察到熔深的變化。圖5顯示了焊縫接頭由2 mm突變到3 mm時(shí)，控制系統(tǒng)響應(yīng)的距離。可以看出，控制系統(tǒng)被關(guān)閉時(shí)，焊縫熔深迅速降低，控制系統(tǒng)開啟時(shí)，光束的焦距很快調(diào)整，消除了熔深不足的問題。

圖5　焊縫垂直位移測試

7　結(jié)果與討論

雖然驗(yàn)證了新控制方法的功能和效率，但還有一些程序的性能可以改善。最重要的是減少控制單元響應(yīng)時(shí)間，以更快的響應(yīng)速度避免焊接缺陷。這需要使用更大計(jì)算能力的數(shù)據(jù)處理器來改善。另一個(gè)改進(jìn)是發(fā)展更復(fù)雜的控制算法，從而更好地控制焊接過程。最后，驗(yàn)證該控制方法能夠適用于具備不同光學(xué)屬性以及聚焦系統(tǒng)的激光器。

該控制方法的優(yōu)點(diǎn)有：（1）迅速聚焦激光光束，不需要經(jīng)過大量焊接測試分析；（2）相比目前的焊接被動監(jiān)控，該方法是主動監(jiān)控；（3）該控制方法適用于實(shí)際生產(chǎn)中各種焊接參數(shù)的設(shè)置。

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Automatic feedback control system of laser welding based on frequency analysis technique

ZHANG Xuanjun
（Wuhan Institute of Shipbuilding Technology，Wuhan 430050，China）

This paper presents a novel method for optimization and feedback control of laser welding process.It is based on frequency analysis of the light emitted during the process and adaptive shaping of the laser beam achieved by an active optical element. Experimentally observed correlations between the focal properties of the laser beam，the weld depth and the frequency characteristics of the light emissions，which form the basis of the method，are discussed in detail.The functionality and the high efficiency of the method are demonstrated for a variety of welding parameters settings usually used to simulate industrial practice.

laser welding；feedback control；frequency analysis；adaptive beam shaping

TG456.7

A

1001－2303（2016）03－0054-04

10.7512/j.issn.1001-2303.2016.03.11

2014－11－08；

2015－05－12

張選軍（1971—），男，湖北天門人，講師，高級工程師，主要從事機(jī)械設(shè)備管理、機(jī)械設(shè)備故障分析診斷、自動化焊接等研究工作。