具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例

参照图1至图4，以原油输送船系泊铰链机为例，说明本发明一种精确控制直角焊缝区域的多层激光锻造复合电弧焊接方法和装置的实施过程，包括以下步骤：

S1、通过光学动态测量系统6扫描待拼焊原油输送船系泊铰链机基座10与支撑板11之间的直角焊接区域12并上传至工作站1分析，得到预期焊接区域V1的形状与尺寸；然后工作站1规划电弧焊接路径及激光冲击锻打路径，并设置电弧焊接及激光锻打工艺参数；电弧焊接装置3采用多层电弧熔覆焊接，根据加工第i层焊缝的焊丝61直径要求，自动选取并切换焊丝61规格；电弧焊接装置3根据加工第i层焊缝的焊丝61直径D_i：要求自动选取并切换焊丝61规格及送丝速度，以控制支撑板11焊脚尺寸A_x和基座10焊脚尺寸B_x；再根据支撑板11焊脚尺寸A_x和基座10焊脚尺寸B_x确定锻打脉冲激光参数；如果支撑板11焊脚尺寸A_x或基座10焊脚尺寸B_x超出激光锻造装置4所能设置的最大脉冲宽度或光斑直径，则降低电弧熔融焊丝61形成焊缝的速度，从而形成闭环控制。

第1层熔覆时以支撑板11预期焊脚尺寸A_max或基座10预期焊脚尺寸B_max的一半作为焊丝61规格的选择标准，通过逐层电弧熔覆，并逐层激光冲击锻打；通过分多次、多层电弧熔覆焊缝方式逐渐逼近支撑板11预期焊脚尺寸A_max和基座10预期焊脚尺寸B_max来精确控制焊缝区域的大小。

根据支撑板11焊脚尺寸A_x确定脉冲激光的脉冲宽度，确保当前深度的焊缝获得充分锻打透彻；根据基座10焊脚尺寸B_x来确定脉冲激光的光斑大小，使当前宽度的焊缝获得充分覆盖和锻打透彻；根据支撑板11焊脚尺寸A_x与基座10焊脚尺寸B_x之差来确定脉冲激光的脉冲能量，以确保通过激光锻造装置4将偏离焊缝区域V2重新锻打矫正回预期焊接区域V1；通过红外热成像仪2实时监测焊缝快速冷却到最佳锻造温度区间内的易塑性变形区域所需时间来确定锻打频率，此外，还要确保激光冲击锻打移动速度与电弧熔融焊丝61形成焊缝速度相匹配，从而保证锻打动作始终作用于最佳锻打温度区间内。

S2、启动电弧焊接装置3和激光锻造装置4，储气罐32吹出连续的保护气覆盖焊接部位后，电弧焊接装置3按步骤S1所述电弧焊接路径及工艺参数开始送丝，焊枪7将焊丝61熔融形成焊缝，同时激光锻造装置4按步骤S1所述激光锻打路径及工艺参数对快速冷却到最佳锻造温度区间内的易塑性变形区域进行同步冲击锻打；在电弧熔融金属焊丝61形成焊缝时，红外热成像仪2对焊缝的温度进行实时数据采集并发送到工作站1；当监测到焊缝的温度冷却至最佳锻造温度区间内的易塑性变形区域时，工作站1控制激光锻造装置4跟随电弧焊接装置3进行连续的边焊接边冲击锻打作业，对其余温度区的焊缝则自锁不进行任何冲击锻打作业。

红外热成像仪2对焊缝的温度进行数据采集，采集的数据传到工作站1，工作站1自动对数据信号进行过滤、降噪、优化处理，从而获得更为精准的温度值。红外热成像仪2所采集的数据可通过工作站1显示屏实现数据可视化，方便操作人员观察。工作站1可导出温度变化曲线图及工艺报告，方便不同材质的材料焊接加工时调整焊接装置的工艺参数，又能进行仿真计算与离线编程。

S3、在电弧焊接与激光冲击锻打加工完成第1层焊缝时，无损探测装置5对焊缝进行超声与射线复合无损检测，若焊缝存在内部缺陷，则增大下一层焊缝的激光冲击锻打工艺参数，使得激光冲击锻打第2层焊缝时，激光束冲击波也对第1层焊缝又进行一次锻打，再次消除焊缝内部缺陷，以保证焊缝的质量；

S4、光学动态测量系统6将已成形的焊缝表面形貌数据，如支撑板11焊脚尺寸、基座10焊脚尺寸等传输到工作站1分析，重新设定零件下一层焊缝的加工参数；

S5、重复步骤S2、S3和S4，直到光学动态测量系统6测量所得的焊缝区域与步骤S1测量所得的预期焊接区域V1一致时，停止加工。

在自然重力作用下导致熔池流向支撑板11，冷却后的焊缝偏离了预期焊缝区域V1，形成偏离焊缝区域V2；通过激光冲击锻打和保护气体将偏离焊缝区域V2的焊缝锻打和吹回预期焊缝区域V1，并进行多层焊缝相互堆叠，逐层激光冲击锻打焊缝，焊缝宽度逐渐变宽，以保证焊缝能够堆叠出一定宽度，并通过光学动态测量系统6实时测量焊缝区域从而精确控制和覆盖整个预期焊缝区域V1，以强化焊缝的结构和质量，延长零件的服役寿命

焊枪7喷嘴中心线和基座10、焊枪7喷嘴中心线和支撑板11之间的夹角均为45°，锻打激光束平行于支撑板焊接平面101，垂直聚焦于基座焊接平面102。储气罐出气口321平行于支撑板11，垂直于基座焊接平面102，位于锻打激光头13下方。在焊接直角区域形成的激光束光斑中心与电弧热源之间的间距低于1mm量级；储气罐出气口321与锻打激光头13之间的间距为2mm至10mm。

本方法通过冲击波力学效应，精确地作用在最佳锻造温度区的易塑性变形区域，即在焊缝凝固成形前就施以激光冲击锻打作用，细化金属晶粒的效果更优，能更好地消除焊缝的残余内应力、变形、组织缺陷和裂纹等内部缺陷，改善焊缝力学性能，焊缝组织性能得到增强。

另外，该方法通过激光冲击锻打和保护气将由于重力导致下垂的焊缝重新打回并吹回预期焊缝区域，并进行多层焊缝相互堆叠，逐层激光冲击锻打焊缝，焊缝宽度逐渐变宽，以保证焊缝能够堆叠出一定宽度，从而精确控制和覆盖整个预期焊缝区域，以强化焊缝的结构和质量，延长零件的服役寿命；并且通过多层激光冲击锻打复合电弧焊接可以提高焊接制造效率，为原油输送船系泊装置铰链机的去应力抗疲劳制造加工提供新的途径和指导。本发明装置能实现边焊接边冲击锻打，摒弃了人工直接焊接在船舶尾甲板上低效且焊接效果差的焊接工艺，同时，避免了后期附加的表面处理等强化工序或修复工序，大大提高焊接效率和焊接加工质量。

一种精确控制直角焊缝区域的多层激光冲击锻打复合电弧焊接装置，如图2至图4所示，包括工作站1、红外热成像仪2、电弧焊接装置3、激光锻造装置4、无损探测装置5和光学动态测量系统6；通过控制电弧焊接装置3供丝机构34自动切换并提供不同规格焊丝61给焊枪7，焊枪7移动并熔融焊丝61，通过激光锻造装置4进行同步冲击锻打，形成焊缝；所述工作站1通过红外热成像仪探测器20对焊缝的温度进行实时监测，所述工作站1的输出端与所述电弧焊接装置3、激光锻造装置4、无损探测装置5电连接，所述工作站1通过光学动态测量系统6对铰链机待焊接区域以及支撑板11焊脚尺寸A_x和基座10焊脚尺寸B_x进行扫描，并计算分析获得焊接路径、设置焊接锻打工艺参数，以及得到预期焊接区域V1。

所述电弧焊接装置3包括储料室31、储气罐32、冷却系统33、供丝机构34和焊枪7，所述工作站1通过电源与所述电弧焊接装置3电连接；所述储料室31的出料口与所述供丝机构34的进料口连通；所述焊枪7的进料口与所述供丝机构34的出口连通；所述储气罐32输出保护气体到焊缝上；所述冷却系统33对焊枪7进行冷却。

储气罐32输出保护气体为氩气或二氧化碳，且出气口平行于锻打激光头13；保护气既作为保护待焊金属免受其他气体和杂质污染，又可以作为将偏离的焊缝吹回预期焊接区域的双重作用。

光学动态测量系统6光源为LED光源；测量区域为200×130mm2～600×500mm2；点距为0.015mm～0.258mm；工作距离为730mm～1030mm；大三维扫描场测量范围可达2000mm。

电弧焊接装置3的输入电源为380V，额度容量为23KVA，负载持续率为60％，电压调节范围为14V-50V。

红外热成像仪探测器20分辨率为640×480，视场为34°H×25.5°V，最小聚焦焦距为15cm，温度测量范围为-10℃至+2000℃，可拍摄整个视角中的近焦和远焦图像，数码可变焦，最高16倍。

无损探测装置5为超声复合射线无损探测装置，检测范围为0～6000mm，声速范围为1000～9999m/s，管电压调节范围为20KV～300KV，射线辐射角为15°～45°。

最佳锻造温度区间是指胚料开始锻造温度和结束锻造温度之间的一段温度区间。不同材料的最佳锻造温度区是不一样的，这与材料的再结晶温度和熔点有关，可通过查询资料手册获得或者实验获得。

直角焊接区域12与铰链机的大小和部位有关，铰链机越大，与支撑板11焊接的基座10越大，铰链机焊接在支撑板11上就要更牢固，所需形成的焊缝就越大；此外，铰链机焊接在支撑板11上时需要焊接四边的直角焊接区域12，但由于铰链机工作时，铰链机在外拉力方向上的两条焊接边受到的倾覆力矩最大，焊缝区域要比其它两边更大些，焊缝要更厚，需要根据铰链机大小焊上相应数量的加强筋103。焊接工艺一般是先焊接倾覆力矩相对更小的两个对角面，然后再焊接倾覆力矩大的两个对角面。

以上所揭露的仅为本发明一种较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明权利要求所作的等同变化，仍属本发明所涵盖的范围。