推力室外壁機器人自適應(yīng)焊接控制研究

楊瑞康，張勤練，周 舟，董 飛

(1.西安航天發(fā)動機有限公司，陜西 西安 710100; 2.93956部隊，甘肅 張掖 361023)

0 引言

國內(nèi)外在汽車、航空、航天領(lǐng)域逐漸實現(xiàn)了機器人自動焊接，但國內(nèi)在液體火箭發(fā)動機推力室上機器人焊接技術(shù)還應(yīng)用得很少，焊接過程中參數(shù)控制技術(shù)應(yīng)用得更少。焊接控制技術(shù)應(yīng)用難度一般較大，主要因為焊接是模糊科學(xué)，焊接參數(shù)一般在一定范圍內(nèi)變動，同時焊接質(zhì)量精準評價困難[1]。現(xiàn)有產(chǎn)品自動焊接時因為產(chǎn)品坡口狀態(tài)的差異性容易產(chǎn)生局部咬邊，余高不均勻，或者未溶透氣孔等問題，需要手工再補焊[2]。歐洲、美國NASA、SPACEX等航天企業(yè)逐漸應(yīng)用了焊接過程控制技術(shù)，國內(nèi)航天發(fā)動機領(lǐng)域焊接過程自適應(yīng)控制還沒有實際的應(yīng)用[3-5]。

航天發(fā)動機產(chǎn)品焊接質(zhì)量要求高，由于鈑金件熱加工帶來了坡口狀態(tài)不穩(wěn)定、存在間隙等問題。本文結(jié)合試驗與數(shù)值模擬技術(shù)，建立了推力室外壁坡口自適應(yīng)焊接參數(shù)模型，輸入為對接間隙、坡口寬度，輸出為焊接電流、送絲速度與擺動幅度等工藝參數(shù)。并在SIMULINK平臺下建立了機器人自適應(yīng)仿真系統(tǒng)，以坡口間隙與坡口寬度為輸入量、焊接電流及焊接速度為輸出控制量，進行了機器人焊接過程自適應(yīng)控制系統(tǒng)仿真驗證。

1 試驗設(shè)備及軟件

試驗設(shè)備為機器人熱絲TIG焊接系統(tǒng)及SERVE激光焊縫坡口識別系統(tǒng)。相對于傳統(tǒng)TIG焊，熱絲TIG焊是將填充焊絲進行焊前加熱，大大加快了焊絲的熔化速度(增加達20～50 g/min)[6]。

本文采用的SYSWELD焊接有限元軟件可用于熱溫度場模擬、電磁分析、力學(xué)分析和氫擴散，同時焊接過程數(shù)值模擬采用了生死單元技術(shù)[7-8]。焊接工藝參數(shù)的調(diào)整過程與電弧特性、焊接電源特性等多方面因素相關(guān)，為了控制精確且響應(yīng)快速，本文通過MATLAB SIMULINK平臺搭建仿真系統(tǒng)進行研究與驗證。

圖1 機器人熱絲TIG焊接系統(tǒng)Fig.1 Robot heat TIG welding system

2 推力室外壁焊接參數(shù)模型建立

2.1 試板焊接試驗

進行步長為5 A的變焊接參數(shù)熱絲TIG焊接試驗，記錄焊接開始出現(xiàn)缺陷的焊接參數(shù)。試驗直到未熔透缺陷如圖2(a)所示，記錄此時的焊接電流Imin，然后將焊接電流不斷調(diào)大，直到焊漏缺陷如圖2(c)所示，記錄此時的焊接電流Imax。定義初選參數(shù)Im=0.5(Imin+Imax)。

圖2 焊接熔合狀態(tài)Fig.2 Fusion state of welding

同時根據(jù)焊接背部熔寬及焊接熱輸入最終確定優(yōu)選焊接參數(shù)。優(yōu)化參數(shù)需要滿足焊縫背面熔寬t最大、熱輸入W較小，即i={i|ti=maxt}，i={i|Wi=minW}。

2.2 焊接參數(shù)模型建立及數(shù)值模擬

本文通過數(shù)值模擬的方式得到熔池面積與電流參數(shù)、板厚及焊接速度的關(guān)系，在此之前需要調(diào)整數(shù)值模擬模型，使得數(shù)值模擬的結(jié)果與試驗實測的結(jié)果保持一致性，從而準確地進行焊接過程數(shù)值模擬計算[9-10]。推力室材料有QCr0.8合金與S-06不銹鋼，通過對SYSWELD進行二次開發(fā)，建立材料QCr0.8與材料S-06的材料文件。

熱絲TIG焊過程中熔池尾端隨著兩側(cè)液體金屬的凝固逐漸變細，熔池頭部則是半圓形向前擴展，根據(jù)對于熱源模型的研究，其中雙橢球移動熱源模型用來描述這種狀態(tài)[11]，如圖3所示。

圖3 雙橢球熱源模型Fig.3 Double ellipsoid heat source model

三維非線性瞬態(tài)傳熱問題的控制方程為：

(1)

(2)

焊接數(shù)值模擬過程包括以下步驟：幾何模型建立、網(wǎng)格劃分、材料物性參數(shù)整理與設(shè)置、熱源校核、邊界條件及約束條件設(shè)置、求解方法與參數(shù)設(shè)置、計算溫度場、計算應(yīng)力場及后處理[14]。提取計算結(jié)果，如圖4所示。

圖4 焊接試驗試板溫度場云圖Fig.4 Temperature field of welding test plate

本文為了簡化對焊接焊縫尺寸形狀的描述，約定：焊縫在垂直于焊接方向的穩(wěn)定的橫截面簡稱為焊縫截面，其對應(yīng)的截面積為焊縫截面積。

設(shè)計三因素四水平回歸試驗，探究焊縫截面積與焊接電流、焊接壁厚及焊接速度的關(guān)系模型。針對V型60°坡口數(shù)值模擬試驗，變量為焊接電流100～400 A(打底焊接電流為50～300 A)、板厚5～12 mm與焊接速度10～25 cm/min。數(shù)值模擬試驗結(jié)束后，設(shè)定材料熔化溫度線(固相線、液相線)后進行后處理。并對熔池區(qū)域面積進行計算測量，本文對熔池區(qū)域面積測量時定義3個測量值：高度X1，寬度X2及深度X3，如圖5所示。

圖5 焊縫截面區(qū)域測量圖Fig.5 Measurement of welding section

通過板件焊接數(shù)值模擬進行各個參數(shù)的焊接過程計算，得到數(shù)據(jù)結(jié)果如表1所示。

查閱國內(nèi)外文獻在描述多變量單響應(yīng)量時，通常的方法是建立式(3)所示模型，并根據(jù)相關(guān)檢驗法對回歸模型進一步進行檢驗調(diào)整：

(3)

式中：w為響應(yīng)變量(焊縫截面積)；β為回歸系數(shù)；v為焊接工藝參數(shù)；ε為殘差;k=2。

表1 填充層數(shù)值模擬回歸試驗結(jié)果

將表1數(shù)據(jù)處理求出定義面積后，進行偏最小二乘回歸分析，經(jīng)過多次回歸，剔除影響過小的二次項、交叉項后得到填充層焊縫截面積與3個參數(shù)的回歸公式:

(4)

對上述得到的回歸方程模型進行顯著性檢驗，可采用F檢驗法檢驗回歸的總體效果。其F值為52.62，遠大于F0.01(8，9)=5.47，回歸效果顯著；回歸方程相關(guān)系數(shù)R2=98.33%，也表明回歸效果非常顯著。同樣得到打底層焊縫截面積模型與蓋面層焊縫截面積模型：

(5)

(6)

以上3個模型均是根據(jù)S-06鋼物性參數(shù)所得，1Cr21Ni5Ti的計算焊縫截面積為S-06鋼的1.091倍。根據(jù)3種近似焊縫截面幾何模型圓、橢圓和梯形，計算得出圓、橢圓的弦長等信息，進而獲得模型規(guī)劃焊縫截面積S0。如圖6所示，根據(jù)焊接填充入金屬量及形狀(梯形、圓、橢圓)等建立坐標系，計算出橢圓(圓)方程，得出規(guī)劃焊縫截面寬度、深度(最小的熔透所需熔池區(qū)域)所需的焊縫截面積。

圖6 預(yù)估焊縫截面形狀計算模型示意圖Fig.6 Calculation model of estimating welding section shape

焊縫截面按照橢圓與半圓/梯形計算如圖6所示。(x1，y1)，(x2，y2)，(x3，y3)及(x4，y4)為填充規(guī)劃面積后的層間高度與坡口側(cè)壁交點。其中打底層的梯形焊縫截面區(qū)域底部寬設(shè)為e。焊縫截面規(guī)劃面積S0只是焊縫截面積區(qū)域規(guī)劃的最小值，為保證焊接參數(shù)的可靠性及穩(wěn)定性，需對S0公式進行修正，通過乘上一個大于1修正系數(shù)實現(xiàn)。此修正系數(shù)通過試驗擬合得出。定義焊縫熔寬、深熔合修正系數(shù)為α，β。通過數(shù)據(jù)擬合得到熔合修正系數(shù)，填充：α=1.132 12，β=1.095 6；蓋面：α=1.123 8，β=1.061 2；打底：α=1.084 4，β=1。參數(shù)計算模型流程如圖7所示。

圖7 自適應(yīng)焊接參數(shù)模型框圖Fig.7 Block diagram of adaptive welding parameter

基于之前的試驗研究，推力室及其工裝質(zhì)量很大導(dǎo)致轉(zhuǎn)動慣性較大，難以精確地控制轉(zhuǎn)動速度，故在焊接過程中固定15 cm/min 為常用焊接速度。確定焊接電流、送絲速度與擺幅三者為焊接自適應(yīng)調(diào)整參數(shù)，其三者分別可以控制熱輸入、坡口填入金屬量與熱源分布，滿足焊接過程中需要調(diào)整的3個方面。鎖底坡口送絲量調(diào)整示意圖如圖8所示，圖b中為間隙。

(a)打底層 (b)填充層 (c)蓋面層圖8 鎖底坡口送絲量調(diào)整示意圖Fig.8 Adjustment of wire feeding amount in the groove

打底層焊接送絲速度(cm/min)求解：

(7)

打底層焊接電流模型求解：

(8)

(9)

IW=182+23.532 2b+2.117 9b2

(10)

同樣得到填充層及蓋面層模型：

填充層模型

SW=390+48.412 1b

(11)

IW=283+2.224 4b2+46.089 7b

(12)

蓋面層模型

SW=370+39.125b

(13)

IW=274+51.251 6b+5.914 6b2

(14)

As=±(2.5+0.6b)

(15)

2.3 自適應(yīng)焊接控制系統(tǒng)仿真

傳統(tǒng)上，焊接電源采用簡單下降的平特性形式， 這種電源簡化為一階慣性環(huán)節(jié)，即電源電弧系統(tǒng)傳遞函數(shù)與伺服電機驅(qū)動的送絲機構(gòu)傳遞函數(shù)：

(16)

其中

Thd=0.001 2

Khd=22.5

Tm=0.001s

Ts1=0.006

式中Kss為Ud到vs的靜態(tài)倍率，約為10 mm/S·V。

利用MATLAB SIMULINK仿真平臺構(gòu)建模糊控制模塊fuzzy-1，將自適應(yīng)參數(shù)模型嵌入到仿真系統(tǒng)中，進一步建立了焊接電流與送絲速度的自適應(yīng)控制系統(tǒng)如圖9所示，并進行了仿真，得到了優(yōu)化的各個比例因子的取值。焊接電流控制模糊控制系統(tǒng)的最佳比例因子K3=50；調(diào)整因子α1=3，α2=0.2；送絲速度控制模糊控制系統(tǒng)的最佳比例因子K3=800；調(diào)整因子α1=4，α2=0.5。

進一步通過使用sin(x)函數(shù)作為輸入量模擬坡口間隙的變化，進行焊接電流及送絲速度自適應(yīng)模糊控制算法仿真。如圖10所示，該自適應(yīng)控制系統(tǒng)控制準確性良好，響應(yīng)速度小于80 ms且無超調(diào)現(xiàn)象，可實現(xiàn)自適應(yīng)焊接參數(shù)快速響應(yīng)控制。

3 試驗驗證

本文試驗驗證了推力室擴張段樣機及其坡口試驗件焊接，焊接結(jié)束后，產(chǎn)品焊縫焊接外觀良好，無咬邊、焊漏等缺陷。

圖9 焊接自適應(yīng)控制系統(tǒng)Fig.9 Welding adaptive control system

圖10 焊接自適應(yīng)系統(tǒng)仿真曲線Fig.10 Simulation curve of welding adaptive system

如圖11所示，焊縫余高分別為1.85 mm，1.89 mm及1.88 mm，誤差為2%。本試驗在推力室鎖底坡口寬度波動最大值為1.3 mm情況下焊接一致性良好。進行了推力室坡口的模擬件試驗，焊縫熔合良好，并進行X光檢測合格。對焊縫拉伸件進行了拉伸試驗，兩試件斷裂位置均發(fā)生在熱影響區(qū)，強度均達到母材強度的90%。

圖11 推力室坡口試板自適應(yīng)焊接試驗圖Fig.11 Adaptive welding experiment of thrust chamber plate

4 結(jié)論

1)建立的推力室外壁坡口焊接參數(shù)模型，可實現(xiàn)根據(jù)坡口精確計算匹配出焊接電流、送絲速度等關(guān)鍵工藝參數(shù)。使得焊接參數(shù)能夠適應(yīng)推力室產(chǎn)品對接坡口狀態(tài)的差異性，實現(xiàn)對不同坡口狀態(tài)的產(chǎn)品焊接參數(shù)根據(jù)坡口狀態(tài)進行調(diào)整。

2)針對液體火箭發(fā)動機推力室專用材料S06，1Cr21Ni5Ti等材料建立了熱絲TIG焊接參數(shù)計算模型。可以根據(jù)板厚、焊接速度得出合適的焊接參數(shù)以及焊接參數(shù)窗口。建立板厚、焊接速度、焊接電流與焊縫截面積的參數(shù)模型，可以預(yù)估計算出焊縫的尺寸。

3)在SIMULINK平臺下引入模糊控制建立了機器人焊接自適應(yīng)系統(tǒng)，針對響應(yīng)速度仿真優(yōu)化了調(diào)節(jié)因子，驗證了模型及控制系統(tǒng)的有效性。 采用自適應(yīng)焊接系統(tǒng)進行了推力室坡口的模擬件試驗，焊縫熔合良好，并進行X光檢測合格。