CN107552932A - 一种基于对小孔形貌控制的变极性等离子焊接质量控制方法和装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种基于对小孔形貌控制的变极性等离子焊接质量控制方法和装置，在焊接过程中，在工件背部加上一套视觉传感***，跟随等离子焊枪同步移动，保证焊枪与高速摄像在同一条轴线；同时用数据采集卡采集焊接过程中的电流电压，实时采集焊接数据，动态分析，且实时调整焊接过程参数的穿孔等离子焊接质量控制。
Description
技术领域
本发明属于焊接质量控制方法领域，尤其涉及一种基于对小孔形貌控制的变极性等离子焊接质量控制方法和装置。
背景技术
变极性穿孔等离子弧是针对铝合金而开发的新型高效的焊接方法，其综合了变极性GTAW(非熔化极气体保护焊)与等离子高能束的优点，能合理分配电弧热量，在满足工件熔化、清除工件表面氧化膜以及排出焊接接头内气孔同时进行的情况下，最大限度地降低钨电极的烧损，有效利用等离子束流所具有的高能量密度的特性，在焊接过程中形成穿孔熔池，实现铝合金中厚板单面焊双面成形。
焊接过程中，熔池作为其最为复杂的过程，对于焊接质量、焊接效率和焊接速度都有着重要的影响。变极性等离子弧由其高能量密度和温度的特点，在焊接过程中形成穿孔熔池，穿孔熔池的形状及尺寸对焊接质量尤为重要。国内外大量学者对穿孔熔池行为进行研究，表明焊接电流，离子气流量，焊接速度，送丝量等都对小孔背面形态有着重要的联系。因此，控制穿孔熔池小孔形态，是获得良好焊接接头的重要控制方法之一。根据前期大量试验证明，穿孔熔池背面圆弧形小孔形态获得的焊缝质量最高，所以应通过参数调节把熔池背面小孔控制在圆弧形误差范围之内。
本发明质量控制方法通过简易的调节***，实现焊接熔池背面形态的监控与信号反馈，该质量控制方法不仅能对焊接过程进行实时监控，而且能对穿孔熔池行为进行实时调节。既改善了对传统等离子弧焊背面熔池形态观察的盲区，又能对焊接质量进行在线控制，避免只能在焊接结束后才能观察焊接质量的缺陷，从而可以极大地提高焊接和生产效率，实现高质、高效焊接。
发明内容
本发明目的在于克服现有穿孔等离子焊接的缺陷及不足，提出一种基于对小孔形貌控制的变极性等离子焊接质量控制方法和装置，在传统穿孔等离子焊接的基础上加上视觉追踪和实时反馈***，能适应与多种工作环境，实现焊接质量在线控制，增加焊接合格率及生产效率。
基于对小孔形貌控制的变极性等离子焊接质量控制装置和方法，原理是在焊接过程中，在工件背部加上一套视觉传感***，跟随等离子焊枪同步移动，保证焊枪与高速摄像在同一条轴线；同时用数据采集卡采集焊接过程中的电流电压，实时采集焊接数据，动态分析，且实时调整焊接过程参数的穿孔等离子焊接质量控制。
为了达到上述目的，本发明采用如下的技术方案：
一种基于对小孔形貌控制的变极性等离子焊接质量控制装置，包括：变极性等离子焊接电源及控制***(1)、冷却水箱(2)、等离子焊枪、高速摄像机(6)、滤光片(32)、同步运动控制***(20)、电流采集卡(9)、电压采集卡(10)、同步触发器(11)、信号反馈***(3)，其中高速摄像机(6)与等离子焊枪分别固定于同步运动控制***(20)的两端，确保焊接过程中穿孔熔池形态处在高速摄像观察窗之内；滤光片(32)与高速摄像机(6)处于同一轴线，保证熔池图像的质量；焊接过程中电弧电信号与穿孔熔池图像信号同步显示于工业PC(4)界面，根据预先设定相同参数下的穿孔熔池孔径实时比对焊接过程中的熔池孔径，若焊接过程中熔池孔径在误差范围内，则继续焊接；若焊接过程中熔池孔径超过预设的误差范围，则根据上下左右四个边界的实时状况，通过反馈***(3)发送相应信号至变极性等离子焊接电源及控制***(1)，以调节送丝机(21)、离子气(8)、运动装置(20)以及焊接电流的相应动作，控制熔池孔径至相应范围内；其中同步运动控制装置(20)——高速摄像机(6)——等离子焊枪组成同步运动***；滤光片(32)——高速摄像机(6)——采集卡(5)组成图像采集***；电压传感器(10)和电流传感器(9)——采集卡(5)，组成电信号采集***；工业PC(4)——反馈***(3)——变极性等离子焊接电源及控制***(1)组成反馈调节***。
本发明还提供一种基于对小孔形貌控制的变极性等离子焊接质量控制方法，包括以下步骤：
(1)设置达到合格焊接质量所需的小孔标准参数范围；
(2)焊前准备工作。首先，将焊接工件及相匹配的焊丝准备就绪，工件不需要开坡口。调节高速摄像与等离子焊枪的位置，使其处于同一轴线，再调节送丝位置，确保焊丝与工件平行并贴着工件表面送进熔池；焊枪必需的离子气、保护气和水路按照常规方法连接；
(3)按常规变极性等离子起弧顺序，通过高频起维弧预热工件，起主弧预穿孔；当穿孔完成，焊枪开始行走同时触发高速摄像与电信号采集；焊接过程中，高速摄像通过同步运动***与焊枪同步运动。
(4)正常焊接。在此过程中通过工业PC实时监控焊接小孔行为与焊接电参数的变化，并实时反馈小孔行为信息至变极性等离子电源及控制***，若小孔范围超过预设标准范围，则控制***做出相应动作以调节焊接参数，控制小孔至标准范围之内，从而实现对穿孔变极性等离子焊接质量的在线控制。
本发明的基于对小孔形貌控制的变极性等离子焊接质量控制方法和装置，用于焊接过程监控变极性等离子穿孔熔池形貌，根据熔池背面小孔尺寸(如长、宽、圆度等)，实时调节焊接参数以修正穿孔熔池形态的质量控制***。整个方法包括焊接电源、电信号采集、视觉传感以及反馈调节等，根据视觉传感***在线监控小孔尺寸，并通过信号反馈至焊接电源及控制***实时调节焊枪角度、送丝位置以及电压电流等参数，并修正小孔尺寸及行为，实现对穿孔熔池的良好控制，从而实现对焊接质量的控制。该装置及方法可以实时监控穿孔熔池形貌并反馈熔池状态，以调节焊接过程参数，优化变极性等离的焊接质量，提高焊接效率。
与现有技术相比，本发明方法的优点如下：
1、与传统变极性等离子焊接质量控制方法相比，本发明不仅可以在线监控焊接过程，实时比对焊接熔池形貌与电参数的波动，最显著的特征是在线反馈小孔行为信息，等离子电源、送丝机、行走机构接收反馈信息，做出相应动作控制小孔形态。
2、与传统质量控制方法相比，本发明能够实现焊接过程中实时、有效的在线监控，从而克服传统等离子焊接质量只能事后控制的缺陷，解决依靠停弧验证焊接质量方式的时间浪费、效率低下的问题。
3、本发明中的变极性等离子焊接质量控制方法，通过预先设定达到合格焊缝质量所需的标准小孔参数范围，实时采集焊接过程中的小孔参数，比对各边界参数值与标准参数范围，判定当下小孔行为是否符合标准，发现超出范围立即反馈信息至变极性等离子焊接电源及控制***(1)，做出相应动作，控制小孔标准时刻处于标准范围之内。
附图说明
图1是本焊接质量控制方法的整体工作示意图。
图2是本焊接质量控制方法的反馈调节工作示意图。
图中：1、变极性等离子焊接电源及控制***，2、冷却水箱，3、反馈调节单元，4、工业PC，5、电信号与图像信号采集卡，6、高速摄像机，7、保护气气瓶(氩)，8、离子气气瓶(氩)，9、电压传感器单元，10、电流传感器单元，11、高速摄像处罚单元，12、离子气表，13、保护气表，14、冷却水进，15、冷却水出，16、焊枪冷却水出，17、焊枪冷却水入(带通电电缆)，18、保护气，19、离子气，20、同步运动控制***，21、送丝机，22、焊丝，23、焊枪保护套，24、压缩喷嘴，25、钨电极，26、焊缝前表面，27、焊缝后表面，28、整体焊缝，29、等离子弧，30、穿孔熔池，31、工件，32、小孔背部形态，33、小孔标准上界面，34、小孔标准下界面，35、小孔标准左界面，36、小孔标准右界面，37、焊接参数控制单元。
具体实施方式
以下参考附图具体地说明本发明实施方式，但本发明并不限于以下实施例。
如图1所示，本发明提供一种基于对小孔形貌控制的变极性等离子焊接质量控制装置，包括：变极性等离子焊接电源及控制***(1)、冷却水箱(2)、相匹配的工件(31)及焊丝(22)、特制的钨电极(25)、拘束喷嘴(24)提供稳定焊接电弧，避免干扰穿孔熔池孔径，减小误差；同步运动控制装置(20)连接高速摄像机(6)与等离子焊枪，使等离子焊枪与高速摄像机(6)始终保持在同一轴线位置，避免因拍摄角度造成熔池孔径的误差；同步触发装置(11)用于触发高速摄像(6)、电流传感器(9)与电压传感器的采集(10)，汇总于采集卡(5)，并实时显示在工业PC(4)。根据预先设定相同参数下的穿孔熔池孔径实时比对焊接过程中的熔池孔径，若焊接过程中熔池孔径在误差范围内，则继续焊接；若焊接过程中熔池孔径超过预设的误差范围，则根据上下左右四个边界的实时状况，通过反馈***(3)发送相应信号至变极性等离子焊接电源及控制***(1)，以调节送丝机(21)、离子气(8)、运动装置(20)以及焊接电流，控制熔池孔径至相应范围内；其中同步运动控制装置(20)——高速摄像机(6)——等离子焊枪组成同步运动***；滤光片(32)——高速摄像机(6)——采集卡(5)组成图像采集***；电压传感器(10)和电流传感器(9)——采集卡(5)，组成电信号采集***；工业PC(4)——反馈***(3)——变极性等离子焊接电源及控制***(1)组成实时反馈调节***。
本发明还提供一种基于对小孔形貌控制的变极性等离子焊接质量控制方法，包括以下步骤：
(1)设置达到合格焊接质量所需的穿孔熔池尺寸，包括上下左右四个边界的范围；
(2)焊接过程中实时监控熔池小孔；
(3)比对实时采集的小孔形貌与所述标准尺寸范围，判断正在进行的焊接的穿孔熔池是否在所述标准范围之内；
(4)如监控中的熔池小孔在标准范围之内，继续执行步骤(2)；如监控中的小孔超过标准范围之外，判断是上下左右四个边界中的哪个边界，并反馈信号至调控单元，实时调节对应的焊接参数，继续执行
步骤(2)。
进一步，所述步骤(1)中合格焊接质量的小孔尺寸为提前预定。
进一步，所述步骤(1)中上下左右四个边界分别为小孔熔池上边界的切线，下边界的切线，左边界的切线与右边界的切线。
进一步，所述步骤(2)中实时监控熔池小孔，为Labview图像窗口接收到MotionStudio的实时图像信号。
进一步，所述步骤(4)中判断超过范围的边界，并反馈信号至调控单元，其中当小孔尺寸超过上边界范围，调节电流信号；当超过下边界范围，调节送丝速度；当超过左右边界时，调节送丝位置。
进一步，所述步骤(4)中所述的调控单元，用于接收并反馈焊接过程中穿孔熔池形貌，与标准范围比对。
实施例1：
首先，将焊接工件31与相匹配的焊丝22准备就绪，送出焊丝位置与焊接方向平行，且与压缩喷嘴24轴心在同一水平面，另调节高速摄像6与等离焊枪的空间位置，使其轴线在同一条水平线。打开保护气7、离子气8、冷却水2的开关，确保焊接时焊枪及其他必需的气路和水路正确连接。接通变极性等离子焊接电源及控制***1，按照变极性穿孔等离子要求，预先送出保护气19与离子气18，通过高频起直流维弧，待维弧稳定后预热工件31，然后起等离子主弧29，观察工业PC的监控软件，当观察到穿孔熔池后，同时触发焊枪行走机构20、送丝机21、同步触发器11(包括高速摄像6、电流传感器9与电压传感器10)，通过LabVIEW实时监控焊接电流、电压与工件背部小孔形态38，与标准小孔范围实施比对。
如图1和2所示，焊接过程中，若穿孔熔池背面小孔上边界超过标准小孔范围33，则反馈信号至变极性等离子焊接电源及控制***1，以减小焊接速度，使小孔范围调节至标准范围之内；若小孔左边界超过标准小孔范围35或小孔左边界超过标准小孔范围36，则反馈信号至焊接电源及控制***1，以调节送丝位置，实时调节小孔行为；若小孔左边界超过标准小孔范围34，则反馈信号至焊接电源及控制***1，以调节送丝速度，实时调节小孔行为；若小孔多个边界同时超过标准小孔范围，则调节焊接电流，以减小小孔尺寸；实现焊接过程中实时调节小孔行为至标准小孔范围之内，从而实现对焊接热输入和焊缝成形的精确控制，以提高焊接质量，达到提高焊接效率的目的。
Claims (8)
1.一种基于对小孔形貌控制的变极性等离子焊接质量控制装置，其特征在于，包括：变极性等离子焊接电源及控制***(1)、冷却水箱(2)、相匹配的工件(31)及焊丝(22)、钨电极(25)、拘束喷嘴(24)提供稳定焊接电弧，避免干扰穿孔熔池孔径，减小误差；同步运动控制装置(20)连接高速摄像机(6)与等离子焊枪，使等离子焊枪与高速摄像机(6)始终保持在同一轴线位置；同步触发装置(11)用于触发高速摄像(6)、电流传感器(9)与电压传感器的采集(10)，汇总于采集卡(5)，并实时显示在工业PC(4)。根据预先设定相同参数下的穿孔熔池孔径实时比对焊接过程中的熔池孔径，若焊接过程中熔池孔径在误差范围内，则继续焊接；若焊接过程中熔池孔径超过预设的误差范围，则根据上下左右四个边界的实时状况，通过反馈***(3)发送相应信号至变极性等离子焊接电源及控制***(1)，以调节送丝机(21)、离子气(8)、运动装置(20)以及焊接电流，控制熔池孔径至相应范围内；其中，同步运动控制装置(20)、高速摄像机(6)、等离子焊枪组成同步运动***；滤光片(32)、高速摄像机(6)、采集卡(5)组成图像采集***；电压传感器(10)和电流传感器(9)、采集卡(5)组成电信号采集***；工业PC(4)、反馈***(3)、变极性等离子焊接电源及控制***(1)组成实时反馈调节***。
2.如权利要求1所述的基于对小孔形貌控制的变极性等离子焊接质量控制装置，其特征在于，焊接过程中，若穿孔熔池背面小孔上边界超过标准小孔范围，则反馈信号至变极性等离子焊接电源及控制***，以减小焊接速度，使小孔范围调节至标准范围之内；若小孔左边界超过标准小孔范围或小孔左边界超过标准小孔范围，则反馈信号至焊接电源及控制***，以调节送丝位置，实时调节小孔行为；若小孔左边界超过标准小孔范围，则反馈信号至焊接电源及控制***，以调节送丝速度，实时调节小孔行为；若小孔多个边界同时超过标准小孔范围，则调节焊接电流，以减小小孔尺寸；实现焊接过程中实时调节小孔行为至标准小孔范围之内，从而实现对焊接热输入和焊缝成形的精确控制。
3.一种基于对小孔形貌控制的变极性等离子焊接质量控制方法，其特征在于包括以下步骤：
(1)设置达到合格焊接质量所需的穿孔熔池尺寸，包括上下左右四个边界的范围；
(2)焊接过程中实时监控熔池小孔；
(3)比对实时采集的小孔形貌与所述标准尺寸范围，判断正在进行的焊接的穿孔熔池是否在所述标准范围之内；
(4)如监控中的熔池小孔在标准范围之内，继续执行步骤(2)；如监控中的小孔超过标准范围之外，判断是上下左右四个边界中的哪个边界，并反馈信号至调控单元，实时调节对应的焊接参数，继续执行步骤(2)。
4.根据权利要求3所述的基于对小孔形貌控制的变极性等离子焊接质量控制方法，其特征在于：所述步骤(1)中合格焊接质量的小孔尺寸为提前预定。
5.根据权利要求3所述的基于对小孔形貌控制的变极性等离子焊接质量控制方法，其特征在于：所述步骤(1)中上下左右四个边界分别为小孔熔池上边界的切线，下边界的切线，左边界的切线与右边界的切线。
6.根据权利要求3所述的基于对小孔形貌控制的变极性等离子焊接质量控制方法，其特征在于：所述步骤(2)中实时监控熔池小孔，为Labview图像窗口接收到Motion Studio的实时图像信号。
7.根据权利要求3所述的基于对小孔形貌控制的变极性等离子焊接质量控制方法，其特征在于：所述步骤(4)中判断超过范围的边界，并反馈信号至调控单元，其中当小孔尺寸超过上边界范围，调节电流信号；当超过下边界范围，调节送丝速度；当超过左右边界时，调节送丝位置。
8.根据权利要求3所述的基于对小孔形貌控制的变极性等离子焊接质量控制方法，其特征在于：所述步骤(4)中所述的调控单元，用于接收并反馈焊接过程中穿孔熔池形貌，与标准范围比对。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20180109 |
|
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