上海交通大学硕士学位论文
目录
第一章绪论 (10)
1.1 课题研究背景及意义 (10)
1.2 厚板窄间隙激光填丝焊的研究现状 (11)
1.3 焊缝模型的主要建立方法 (12)
1.4 多层多道轨迹规划研究进展 (14)
1.5 传感技术在焊接中的应用 (15)
1.6 主要研究内容 (17)
第二章实验材料、设备及方法 (18)
2.1试验材料 (18)
2.2光纤激光窄间隙填丝焊接系统 (18)
2.2.1 Nd:YAG光纤激光器 (20)
2.2.2 KUKA焊接机器人 (21)
2.2.3 Fronius 送丝系统 (21)
2.2.4 焊缝跟踪传感器 (22)
2.3试验方法 (23)
2.3.1 响应曲面法 (23)
2.3.2显微组织观察 (25)
2.4 本章小结 (25)
第三章厚板窄间隙激光填丝焊工艺参数研究 (26)
3.1 激光功率的影响 (26)
3.2 送丝速度的影响 (27)
3.3 焊接速度的影响 (28)
3.4 离焦量的影响 (29)
3.5 本章小结 (30)
第四章焊缝几何模型的建立及优化 (31)
4.1填充焊缝横截面积模型 (32)
4.2焊缝熔宽模型 (33)
4.3焊缝堆高模型 (33)
4.4焊缝熔宽与堆高的比值模型（K） (34)
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4.5 模型诊断 (35)
4.6 焊接参数对各响应值的影响 (37)
4.7 模型验证 (40)
4.8 参数优化 (41)
4.9 实验验证 (43)
4.10 本章小结 (45)
第五章焊道轨迹规划及焊缝跟踪 (46)
5.1 焊道轨迹规划 (46)
5.1.1 焊接道数 (47)
5.1.2 焊接次序 (47)
5.2 焊道规划坐标建立 (48)
5.3 焊缝跟踪 (49)
5.2.1 传感器的设置 (51)
5.2.2 焊缝跟踪点的设定 (52)
5.4 焊缝跟踪实验 (53)
5.5 本章小结 (56)
第六章多层多道实验验证及焊缝质量优化 (60)
6.1多层多道轨迹规划验证 (60)
6.2焊缝质量优化 (62)
6.3 本章小结 (64)
第七章结论 (66)
参考文献 (68)
致谢 (72)
攻读硕士学位期间已发表或录用的论文 (1)
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第一章绪论
1.1 课题研究背景及意义
工业是国民经济的支柱，是经济发展的强大动力。随着我国经济的日益繁荣，科技生产能力的提高，目前已具备了生产大型复杂构建的能力。船舶工业发展迅
速，造船能力目前居世界第三，年造船能力达到350~400万吨/年，其中需要中厚
板的焊缝达到70%以上[1]；其次在压力容器，核电，潜艇等工业设备中，大量应
用厚板。对于厚板的焊接，目前主要以弧焊为主，通过在板材上开凿坡口，采用
多层多道的焊接方法进行连接。但弧焊所开坡口角度较大，焊丝消耗量大；热输
入比较分散，热影响区较大，焊接变形较大。
同时，机器人技术已广泛应用于各个行业。据统计，2009年全球机器人总量超过110万台，应用在焊接方面的机器人近50%,我国机器人销量以年均25%的速
度增长。将机器人技术与焊接技术结合起来，可以使焊接效率大大提高，焊接可
靠性增强、改善劳动强度、降低劳动强度、生产柔性化、易于升级和产品改型。
激光技术最早由德国人在20世纪70年代首次应用到焊接当中。激光因能量密度集中、焊接效率高、焊接变形小，受到广泛的重视[2]。应用到厚板焊接时，
因激光焊接的熔深大，只需开小角度的坡口即窄间隙坡口，就可以满足要求。目
前在厚板窄间隙多层多道激光填丝焊接方面，最大焊接厚度可达70mm[3]；在对焊
接工艺的探索、激光深熔焊的熔池建模、焊缝区裂纹的产生机理等方面的研究都
取得了一定的成果[4-7]。但焊接方法上主要以人工示教为主，即示教-焊接-坡口清
理-冷却-示教。每次焊完一道，焊接下一道之前，需要对焊枪端点位置重新示教，焊接质量受人为因素影响较大，焊接效率低下。如果能实现由机器人根据焊接参
数和坡口几何参数来自动调整下一道焊枪端点坐标，由焊缝跟踪传感器来对焊接
轨迹进行实时跟踪，将会使焊接质量更加稳定，而且可以大大提高焊接生产效率。
在厚板多层多道弧焊方面，针对焊缝几何模型、不同坡口类型的处理、焊道轨迹规划等方面的研究，已经取得了一定成果。但当考虑到窄间隙激光填丝焊接
时，因坡口间隙变窄、激光焊接对工装精度要求较高、激光焊接的工艺发生改变，使得多层多道激光焊接变得复杂[8-10]。因此，开展厚板窄间隙激光填丝自动化焊接
方面的研究将具有重大实际意义。
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