CN108544068B - 等离子弧穿孔前后电弧温差的焊接质量控制***和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种根据变极性等离子弧正反面电弧温差的焊接质量表征及控制***和方法，在焊接过程中，沿焊接方向用高速摄像同时拍摄整个等离子穿孔前后的电弧图像，并在高速摄像与电弧图像之间加上特定的窄带滤光片。整个电弧图像经过滤波，对称化处理后用标准温度法得出电弧穿孔前后的温度，并计算出正反面的电弧温度差，用于表征当前的焊接质量。另外，在焊接过程中，实时采集并计算电弧穿孔前后温差并与合格焊接质量的电弧温差比对，且实时调节当前焊接的电弧温差至合格焊接质量温差的误差范围内，从而实现对等离子弧焊接质量的实施表征及控制。

Description

等离子弧穿孔前后电弧温差的焊接质量控制***和方法

技术领域

本发明属于焊接质量控制方法领域，尤其涉及一种根据变极性等离子弧正反面电弧温差的焊接质量表征及控制***和方法。

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，零缺陷的焊接方法，其综合了变极性TIG(非熔化极气体保护焊)与等离子高能束的优点，合理分配电弧能量，在满足熔化工件、清除工件表面氧化膜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，并能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，穿孔熔池作为其最为复杂的过程，对于焊接质量和焊接效率都有着重要的影响。国内外大量学者对穿孔熔池行为进行研究，表明各种焊接参数，如正反极性电流、离子气流量、焊接速度、填丝速度等都跟穿孔熔池稳定性有着重要的联系。因此，大量学者研究控制穿孔熔池稳定性以达到控制焊接质量的目的。但目前对穿孔熔池的稳定性没有一个衡量标准，以及穿孔熔池的稳定性对焊接质量的评估没有一个确定的标准。本发明基于一种等离子弧穿孔前后电弧温差的焊接质量控制***和方法，用以焊接过程中实时表征判断焊接质量。根据前期大量试验证明，在保证焊接质量的前提下，电弧的能量经过小孔熔池的吸收再拘束穿过小孔达到熔池背面；由于稳定焊接中穿过小孔需要的能量固定，所以被吸收的能量也较固定，以致穿孔熔池正反面电弧能量及电弧温度差也存在一个固定范围。基于此，可根据正反面电弧温差来表征焊接质量。

本发明实现对焊接质量实时监控，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

本发明目的在于弥补在线表征穿孔等离子焊接质量方法的不足，提出一种等离子弧穿孔前后电弧温差的焊接质量控制***和方法，在焊接过程中，加上高速摄像与特定滤光片，实时记录电弧正反面温差，根据温差判断焊接质量。且此方法能适应与多种工作环境，实现焊接质量在线表征及控制，提升焊接合格率及生产效率。

基于一种等离子弧穿孔前后电弧温差的焊接质量控制***和方法，原理是在焊接过程中，在沿焊接方向加上一套视觉传感***，实时记录等离子电弧正反面电弧形态及特征，并根据在线计算得出正反面电弧的温差，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的表征及控制。

为了达到上述目的，本发明采用如下的技术方案：

一种等离子弧穿孔前后电弧温差的焊接质量控制***，包括：变极性等离子焊接***的等离子电源、等离子焊枪、冷却水箱，电弧图像采集及处理***的高速摄像机、窄带滤光片、图像处理单元、工控机、显示器，其中高速摄像机、窄带滤光片与焊接工件固定于同一轴线，确保焊接过程中电弧形态处在高速摄像观察窗之内，且确保电弧形态与焊接工件垂直以减少图像处理过程的误差；焊接过程中电弧穿孔前后图像处理结果及电弧温差同步显示于显示器界面，根据预先设定好的标准电弧温差实时比对焊接过程中的电弧温差，若焊接过程中温差在误差范围内，则继续焊接；若焊接过程中温差超过预设的误差范围，则根据温差的偏离，通过反馈***发送相应信号至变极性等离子焊接***，以调节相应焊接参数的动作，控制温差至标准误差范围内；以此表征并控制变极性等离子焊接质量。

作为优选，还包括氩纯度为99.99％以上的保护气和离子气、拘束喷嘴、运动装置；高速摄像机、窄带滤光片与运动装置在同一轴线位置，确保穿孔熔池正面电弧与穿孔熔池背面电弧都能在同一相机窗口中显示；图像处理单元实时处理焊接过程中的电弧温差数据，并与预先设定合格焊接质量的温差数据比对；若焊接过程中正反面电弧温差在误差范围内，则继续焊接；若焊接过程中正反面电弧温差超过预设的误差范围，则通过反馈***发送相应信号至变极性等离子焊接***，以调节送丝、焊接电流、运动装置以及离子气流量，控制电弧正反面温差至误差范围内；其中，等离子电源、冷却水箱、等离子焊枪、保护气和离子气、拘束喷嘴和工件组成变极性等离子焊接控制***；窄带滤光片、高速摄像机、工控机以及显示器组成图像采集***；电弧图像滤波单元、电弧图像纠偏单元以及标准温度法处理单元组成图像处理单元；焊接过程中，若正反面电弧温差大于预设标准范围，则反馈信号至变极性等离子焊接电源及控制***，以减小电弧线能量，包括加大送丝速度、减小焊接电流、增大离子气，使正反面电弧温差调节至标准范围之内；若正反面电弧温差小于预设标准范围，则反馈信号至焊接电源及控制***，以增大电弧线能量，包括减小焊接速度、增大焊接电流、减小离子气等，使正反面电弧温差调节至标准范围之内；实现焊接过程中实时控制正反面电弧温差，从而实现对焊接热输入和焊缝成形的精确控制。

本发明还提供一种等离子弧穿孔前后电弧温差的焊接质量控制方法，包括以下步骤：

(1)设置达到合格焊接质量所需的正反面电弧温差；

(2)焊接过程中实时监控电弧正反面的行为；

(3)根据监控得到的电弧行为，经计算得出正反面电弧温差；

(4)把监控得到的温差与所述标准温差范围实时比对，判断正在进行的焊接过程的电弧温差是否在标准温差范围之内；

(5)如监控中的正反面电弧温差在标准范围之内，继续执行步骤 (2)，实现对穿孔变极性等离子焊接质量的在线表征及控制；如监控中的正反面电弧温差超出标准范围，判断是小于标准还是大于标准，并反馈信号至变极性等离子焊接控制***，调节焊接参数后，继续执行步骤(2)。

所述步骤(2)中实时监控熔池电弧正反面行为，为高速摄像实施传感的图像信号。

所述步骤(3)中的计算得出正反面电弧温差，为图像处理单元把电弧正反面处理成光谱图，再经过滤波、纠偏，得出电弧正反面温度趋势图；然后再计算电弧正反面温差。

所述步骤(4)中所述的与所述标准温差范围实时比对，用于表征当前焊接质量。

所述步骤(5)中的监控电弧正反面温差，用于控制焊接质量，保证整个焊接过程中电弧正反面温差都在标准范围之内。

本发明的一种等离子弧穿孔前后电弧温差的焊接质量控制***和方法，用于焊接过程监控等离子穿前后的电弧温差，根据温差范围，实时调节焊接参数以修正温差。整个方法包括焊接电源、图像传感、图像处理以及反馈调节等，根据图像处理单元在线监控焊接资料，并通过信号反馈至焊接电源及控制***实时调节焊接参数，并修正电弧温差，实现对焊接质量的良好控制。该方法可实时监控并反馈焊接质量，以优化变极性等离子的焊接过程，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，本发明可以实时在线监控焊接过程表征焊接质量；最显著的特征是在线反馈焊接质量信息，发送相应信息至焊接***，以在线调节焊接质量。

2、与传统质量控制方法相比，本发明能够实现焊接过程中有效的在线监控并表征焊接质量，克服传统等离子焊接质量只能在焊接动作完成后再检测的缺陷，解决传统焊接质量验证的时间浪费、效率低下等问题。

3、本发明中的变极性等离子焊接质量表征及控制方法，通过预先设定达到合格焊缝质量的正反面电弧温差范围，在线实时监控电弧正反面温差，并与标准比对，判定当前焊接质量是否符合要求；若温差超出标准范围，立即反馈相应信息至变极性等离子焊接电源及控制***，控制温差处于标准误差范围之内。

附图说明

图1是本焊接质量表征及控制***的整体工作示意图。

图2是本焊接质量表征及控制方法的实时处理示意图。

图中：1、变极性等离子焊接***，2、焊接质量实时表征***， 3、变极性等离子焊接电源，4、冷却水箱，5、等离子焊枪，6、图像处理单元，7、显示器，8、高速摄像机，9、窄带滤光片，10、运动装置，11、焊枪保护套，12、拘束喷嘴，13、钨电极，14、穿孔熔池正面电弧，15、整体焊缝，16、焊缝后表面，17、穿孔熔池，18、穿孔熔池背面电弧，19、焊缝前表面，20、滤光片支架，21、三脚架， 22、地线，23、冷却水出，24、冷却水入，25、焊枪保护气，26、焊枪离子气，27、焊枪冷却水出，28、焊枪冷却水入(带通电电缆)， 29、工控机，30、保护气气瓶(氩)，31、离子气气瓶(氩)，32、电弧图像滤波单元，33、电弧图像纠偏单元，34、标准温度法处理单元。

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，本发明提供一种等离子弧穿孔前后电弧温差的焊接质量控制***，包括：变极性等离子焊接***1、焊接质量实时表征***2、等离子焊枪5、特制的钨电极13、拘束喷嘴12提供稳定焊接电弧，避免干扰拍摄图片的质量；高速摄像机8、特定窄带滤光片 9和焊接电弧始终保持在同一轴线位置，避免因拍摄角度造成的误差；焊接过程采用焊枪保持不动，工件匀速前进的方式。高速摄像机8实时采集到的电弧图形，经图像处理单元6处理后的电弧正反面温度显示于工控机29的显示器7，并计算出温差与预先设定合格焊接质量的温差进行实时比对，若焊接过程中的电弧正反面温差在误差范围内，则继续焊接；若焊接过程中电弧正反面温差超过预设的误差范围，则通过反馈***发送相应信号至变极性等离子焊接***1，以调焊接参数，使电弧温差调节至误差范围内；其中等离子焊接电源3——焊枪 5——运动装置10组成焊接***；特定的滤光片9——高速摄像机 8——工控机29——显示器7组成图像采集***；电弧图像滤波单元 32——电弧图像纠偏单元33——标准温度法处理单元34组成图像处理单元。

本发明还提供一种等离子弧穿孔前后电弧温差的焊接质量控制方法，包括以下步骤：

(1)设置达到合格焊接质量的正反面标准电弧温差范围；

(2)焊接过程中实时监控电弧正反面行为，并计算出温差；

(3)实时与标准电弧温差范围比对，判断正在进行的焊接的温差是否在所述标准范围之内；

(4)如监控中的温差在标准范围之内，继续执行步骤(2)；如监控中的温差超过标准范围之外，则反馈至焊接调控单元，实时调节相应的焊接参数，继续执行步骤(2)。

进一步，所述步骤(1)中合格焊接质量的正反面标准电弧温差范围为提前预定。

进一步，所述步骤(2)中实时监控电弧温差，为图像处理单元处理的结果数据。

进一步，所述步骤(3)中实时与标准电弧温差范围比对，并计算出结果数据。

进一步，所述步骤(4)中判断是否超过标准范围，并反馈信号至调控单元，其中温差大于标准范围，则减小电弧线能量；当温差小于标准范围，则增加电弧线能量。

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实时温差数据，与标准范围比对，并做出相应动作。

实施例1：

首先，将焊前工作准备就绪，调节滤光片9、高速摄像机8与焊接平面处于同一轴线，并调整好焦距，在焊接过程中保持不变；在打开离子气气瓶31、保护气气瓶30与冷却水箱4开关前，确保焊接时焊枪及其他必需的气路和水路正确连接。按照要求，接通变极性等离子焊接***1的各种开关，同时打开图像处理单元6的采集窗口。并严格按照变极性穿孔等离子焊接的要求，预先送出离子气26，再通过高频起直流维弧；维弧稳定后，送出保护气25，起直流电弧预热工件；然后再起变极性等离子主弧进行焊接。焊接质量实时表征*** 2中的高速摄像机8采集电弧形态，图像处理单元实时处理图像数据，并通过数据传输送到工控机29；显示当前等离子电弧正反面温差，并与标准温差范围实施比对。

如图1和2所示，焊接过程中，若电弧正反面温差超过预先设定的标准误差范围，则实时反馈信号至变极性等离子焊接***1，并做出相应调整，以致温差时刻处于标准温差范围之内。若电弧正反面温差大于标准范围，则减小电弧线能量，包括加大送丝速度、减小焊接电流，增大离子气等；当电弧正反面温差小于标准范围，则增大电弧线能量，包括增加增大焊接电流，减小离子气等。本发明可以实现变极性等离子焊接质量的在线表征及控制的目的，从而实现对焊缝成形质量的精确控制，以提高焊接质量，达到提高焊接效率的目的。

Claims (4)

1.一种根据变极性等离子弧正反面电弧温差的焊接质量表征及控制***，其特征在于，包括：变极性等离子焊接***(1)的等离子电源(3)、等离子焊枪(5)、冷却水箱(4)，电弧图像采集及处理***(2)的高速摄像机(8)、窄带滤光片 (9)、图像处理单元(6)、工控机(29)、显示器(7)，其中高速摄像机(8)、窄带滤光片(9)与焊接工件固定于同一轴线，确保焊接过程中电弧形态处在高速摄像机观察窗之内，且确保电弧形态与焊接工件垂直以减少图像处理过程的误差；焊接过程中电弧穿孔前后图像处理结果及电弧温差同步显示于显示器(7)界面，根据预先设定好的标准电弧温差实时比对焊接过程中的电弧温差，若焊接过程中温差在误差范围内，则继续焊接；若焊接过程中温差超过预设的误差范围，则根据温差的偏离，通过反馈***发送相应信号至变极性等离子焊接***(1)，以调节相应焊接参数的动作，控制温差至标准误差范围内；以此表征并控制变极性等离子焊接质量。

2.如权利要求1所述的根据变极性等离子弧正反面电弧温差的焊接质量表征及控制***，其特征在于，还包括氩纯度为99.99%以上的保护气和离子气、拘束喷嘴(12)、运动装置(10)；其中，高速摄像机(8)、窄带滤光片(9)与运动装置(10)在同一轴线位置，确保穿孔熔池正面电弧(14)与穿孔熔池背面电弧(18)都能在同一相机窗口中显示；图像处理单元(6)实时处理焊接过程中的电弧温差数据，并与预先设定合格焊接质量的温差数据比对；若焊接过程中正反面电弧温差在误差范围内，则继续焊接；若焊接过程中正反面电弧温差超过预设的误差范围，则通过反馈***发送相应信号至变极性等离子焊接***(1)，以调节送丝、焊接电流、运动装置(10)以及离子气流量，控制电弧正反面温差至误差范围内；其中，等离子电源(3)、冷却水箱(4)、等离子焊枪(5)、保护气和离子气、拘束喷嘴(12)和工件组成变极性等离子焊接***(1)；滤光片(9)、高速摄像机(8)、工控机(29)以及显示器(7)组成图像采集***；电弧图像滤波单元(32)、电弧图像纠偏单元(33)以及标准温度法处理单元(34)组成图像处理***；焊接过程中，若正反面电弧温差大于预设标准范围，则反馈信号至变极性等离子焊接电源及控制***，以减小电弧线能量，包括加大送丝速度、减小焊接电流、增大离子气，使正反面电弧温差调节至标准范围之内；若正反面电弧温差小于预设标准范围，则反馈信号至焊接电源及控制***，以增大电弧线能量，包括减小焊接速度、增大焊接电流、减小离子气，使正反面电弧温差调节至标准范围之内；实现焊接过程中实时控制正反面电弧温差，从而实现对焊接热输入和焊缝成形的精确控制。

3.一种基于权利要求1的根据变极性等离子弧正反面电弧温差的焊接质量表征及控制***的方法，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正反面电弧温差；

（2）焊接过程中实时监控电弧正反面的行为；

（3）根据监控得到的电弧行为，经计算得出正反面电弧温差；

（4）把监控得到的温差与所述标准温差范围实时比对，判断正在进行的焊接过程的电弧温差是否在标准温差范围之内；

（5）如监控中的正反面电弧温差在标准范围之内，继续执行步骤（2），实现对穿孔变极性等离子焊接质量的在线表征及控制；如监控中的正反面电弧温差超出标准范围，判断是小于标准还是大于标准，并反馈信号至变极性等离子焊接控制***，调节焊接参数后，继续执行步骤（2）。

4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述步骤（3）中的计算得出正反面电弧温差，为图像处理单元把电弧正反面处理成光谱图，再经过滤波、纠偏，得出电弧正反面温度趋势图；然后再计算电弧正反面温差。

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