CN102513746A - 基于温度梯度传感的焊接温度场检测装置与质量控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于焊接过程的在线监测和质量控制的方法和系统，具体提供一种基于温度梯度传感的焊接温度场检测装置与质量控制方法，属于焊接质量控制技术领域。包括：红外测温传感单元、上层控制单元、运动控制单元以及运动执行机构。本发明通过与焊缝方向垂直并呈直线分布的非接触式红外测温传感器实时测量相对焊枪固定点的温度，传送给上层控制单元进行处理分析得出焊接温度场并通过运动控制单元对焊枪的运动或焊接速度进行控制。本发明具有通用性好、独立性高、响应速度快等优点，能够对焊接温度场和焊接质量进行实时检测和控制，适应多种焊接工艺和焊缝类型。

Description

基于温度梯度传感的焊接温度场检测装置与质量控制方法

技术领域

本发明涉及一种焊接检测与控制的装置与方法，尤其是一种基于温度梯度传感的焊接温度场检测装置与质量控制方法，属于焊接检测和质量控制领域。

背景技术

随着焊接技术在当今的工业生产尤其是我国汽车甚至以及航天企业中的影响越来越大，焊接效率以及焊接质量的要求也越来越高，焊接设备的自动化也迫在眉睫。对焊接质量的控制有两种：一是恒定参数焊接或者预置变参数焊接，以分别完成恒定截面或者变截面工件的焊接；二是闭环反馈实时控制，以适应变焊接条件下工件的焊接。

在早期的工程应用中以及在固定环境的简单焊缝下，多采用恒定参数开环控制进行焊接。其最主要的思路是通过先期的焊接工艺试验获取关于焊接过程或者焊缝成形的一系列信号，并根据这些信号与试验中所采用的焊接参数相对应，在后续的焊接过程中选取能得到良好焊缝成形的恒定参数或预置变化规律的焊接参数，最终实现稳定的焊接过程、获得良好的焊缝成形，属于开环控制。

采用实时检测闭环控制以适应变焊接条件情况下工件的焊接，是焊接领域内的发展趋势。对焊接质量进行控制的关键是提取到能反映穿孔熔池行为的特征信号，这是实现焊接过程模型化和焊接过程自动控制的最重要部分。从特征信号的类型来看，主要有以下几个方面：弧光信号、声信号、弧压信号、电弧等离子体信号和熔池图像等。弧光信号主要利用光电器件接收源自于焊接电弧的辐射信息中获取可以表征小孔行为特征的信号，该方法受到等离子体反翘的影响，且对接收探头与等离子弧角度、干涉滤光镜片、等离子弧的光谱辐射亮度、弧光传输系统的通过率都有要求；声信号就是通过采集熔池在焊接时产生的剧烈的低频振动来获取熔池状态的信息，但是在实际生产应用中，无法避免的机器噪音和人为的干扰使声音传感检测出来的声音信号发生扰动，因此这种方法对环境的要求相对较高，需要避开环境噪音的干扰；弧压信号主要提取电弧电压波动来反映熔池状态，该方法对焊接电源要求较高，而且往往不能和电网的波动完全区分开，不能准确、可靠地检测到熔池变化；电弧等离子体信号主要应用在等离子弧焊中，利用金属探针或金属检测板检测电弧的等离子焰，由于等离子焰温度极高，该方法对金属探针或金属检测板都有很高的要求，容易烧损检测设备；通过图像采集监控焊接质量是研究的最多的一种方法，图像传感方法具有传感信息丰富、直观、不受电磁干扰等优点，如何正确有效的提取熔池边缘，如何解决强烈的弧光干扰，一直是该方法研究的重点，同时，高精度的CCD摄像和快速的图象处理技术还很难适应工业现场应用。

焊缝跟踪是提高焊接生产自动化程度和焊接质量控制的关键内容之一。目前常规的自动化焊接生产一般采用预设轨迹、机器人示教或离线编程的方式进行焊缝规划，焊接过程中只是简单的重复预先设定的动作。当实际的焊接条件发生变化时，例如焊接过程中的工件在加工、装配过程中的尺寸误差和位置偏差以及工件加热变形等因素的变化会使接头位置偏移预定路径，这样会导致焊接质量下降甚至失败。因此，精确的焊缝跟踪是保证焊接质量的关键。在现有的焊缝跟踪实现方案中，一般采用机械、电磁、视觉等传感器提供焊缝信息，由系统进行处理，实现焊枪位置控制。但是这样的焊缝跟踪系统一般是封闭的，是针对特定系统开发的传感器及处理算法，缺少通用、灵活和独立的实时焊缝跟踪系统。而且在焊接过程中，并不是沿着焊缝走，严格对中就是好的控制，而是应该要适应焊接过程的变化，适应焊接过程中的散热、间隙、熔池流动等影响造成的错边、间隙变化、截面变化等情况，选择最合适的热源位置进行焊接。

发明内容

本发明为了改进现有方法的不足，实现快速、准确、便捷的检测与质量控制，特提出一种基于温度梯度传感的焊接温度场检测装置与质量控制方法，该装置和方法通过直接检测焊缝周围的温度梯度得出熔池的温度场分布，并以温度梯度为特征量控制焊枪的运动，在焊接过程中实现实时的非破坏性的焊接质量检测和控制。该方法具有响应速度快、正确反应熔池信息、系统结构简单稳定、抗干扰能力强、精度高等优点，且适用于多种焊接工艺和焊缝类型。

为了实现上述目的，本发明采用了如下的技术方案：

一种基于温度梯度传感的焊接温度场检测装置，其特征在于：包括红外测温传感单元、上层控制单元、运动控制单元以及运动执行机构；

所述红外测温传感单元由多个非接触式红外测温传感器构成，分为两组垂直于焊接方向分布在焊枪两侧，所述红外测温传感单元和上层控制单元连接，用于将红外测温传感单元内每个非接触式红外测温传感器测量的温度及非接触式红外测温传感器的位置参数提供给上层控制单元；

所述上层控制单元分别与红外测温传感单元、运动控制单元通过通讯电缆连接，接收红外测温传感单元的信号，结合每个非接触式红外测温传感器的位置参数对两组红外测温传感单元采集的多个温度信号进行分析处理，向运动控制单元发送运动控制指令；

运动控制单元分别和两组运动执行机构通过通讯电缆连接，两组运动执行机构分别与焊枪以及被焊工件相连，用于接收上层控制单元的运动控制信号，对焊枪相对于焊缝的偏差、焊接速度或电弧高度进行控制。

所述的多个非接触式红外测温传感器在平面上呈线性、矩阵或散点分布。

所述的多个非接触式红外测温传感器的位置能够在焊枪平面上进行二维调整。

所述的非接触式红外测温传感器在焊接过程中相对于焊枪位置固定。

该装置和方法可用于低碳钢，合金钢，特种钢，不锈钢，铜及其合金，铝及其合金，钛及其合金等其它黑色和有色金属及其合金的焊接；可用于不开坡口或开坡口的对接、搭接、角接、全位置焊接等多种焊接接头形式；可用于熔化极惰性气体保护焊接，或熔化极活性气体保护焊接，或钨极活性气体保护焊接，或钨极惰性气体保护焊接，或二氧化碳焊接，或埋弧焊接，或电渣焊接，或等离子弧焊接，或激光焊接，或搅拌摩擦焊接。

本发明的原理如下：

焊接是一个对熔池进行传热、传质、传力的过程，而其中对熔池的传热是主要影响因素。良好的焊缝成形与焊接质量取决于焊接过程中能否形成一个良好的温度分布和温度梯度，同时温度当焊接过程中熔池状态发生变化时，熔池周围的温度场分布和温度梯度也随之发生变化：当焊接热源位置偏移时，被焊工件两侧的温度场必然发生偏移；当外界条件如散热等发生变化时，被焊工件两侧的温度梯度必然发生变化。因此本方法从焊接工艺角度出发，通过传感器直接测量被焊工件平面多个垂直于焊缝不同距离点的温度值，计算出温度场分布和温度梯度，就能正确的反映熔池状态，并加以控制，保证焊接质量。

上述装置的质量控制方法如下：

步骤一：将两组红外测温传感单元使用传感器装卡定位装置垂直于焊接方向固定在焊枪两侧；将每组红外测温单元中的多个非接触式红外测温传感器都设置成线性、矩阵或散点分布，以焊枪为原点，得出多个非接触式红外测温传感器的位置信息；

步骤二：红外测温单元中的所有非接触式红外测温传感器都指向被焊工件，每个非接触式红外测温传感器相对焊缝垂直位置固定，按其位置分布指向被焊工件平面相对焊缝垂直位置不同的固定点，用于在焊接过程中测量上述不同固定点的温度；该固定点位置相对焊枪固定，在被焊工件移动或焊枪移动时在被焊工件表面移动；

步骤三：将上层控制单元分别与两组红外测温传感单元和运动控制单元通过通讯电缆连接，将运动控制单元分别和两组运动执行机构通过通讯电缆连接，将两组运动执行机构分别与焊枪以及被焊工件相连；

步骤四：将非接触式红外测温传感器的位置参数和每个非接触式红外测温传感器对应固定点的温度信号传送给上层控制单元，得出被焊工件表面的温度场分布和温度梯度，通过对两组红外测温传感单元的温度信号进行分析来确定当前焊枪的偏移量，向运动控制单元发送运动控制指令调整焊枪位置，并通过对每组红外测温传感单元中不同位置上的非接触式红外测温传感器给出的温度信号进行分析来确定熔池状态，向运动控制单元发送运动控制指令调整焊接速度或电弧高度。

与同类方法和系统相比，本发明的优点是：

直接测量温度形成温度梯度数据，解决了其他特征信号在转换成温度这一基本量时造成误差的问题，同时避免了数据转换造成的延时，使系统响应速度大大提高；基于温度梯度和温度场分布的检测和控制方法，从焊接工艺与焊缝成型的角度出发进行焊缝跟踪与焊枪位置调整，和光学和机械焊缝跟踪相比，最大程度上利于焊缝成型；采用温度作为特征信号，和其他方法相比避免了焊接过程中强烈的弧光、电磁、噪声干扰，系统抗干扰能力强，精度高。

以上所述，其实时性、强大的适应性、稳定性和高抗干扰能力、高精度无疑是该检测与质量控制方法和系统的优点所在。

附图说明

图1是本发明检测与控制系统的三维示意图；

图2是本发明检测与控制系统的俯视示意图；

图3是本发明检测与控制系统的系统框图；

图4是本发明中的非接触式红外测温传感器的几种分布方式示意图；

图中：1、上层控制单元，2、运动控制单元，3、运动执行机构，4、通讯电缆，5、焊枪，6、被焊工件，7、非接触式红外测温传感器，8、通讯电缆，9、通讯电缆，10、红外测温传感单元A，11、红外测温传感单元B

具体实施方式

以下参考附图具体地说明本发明的实施方式。附图中所使用的红外测温传感单元10、11和非接触式红外测温传感器7的位置、数量和分布并不是限制性的，只是说明性质。附图中只说明了该装置以及质量控制方法自身的连接方式，焊接过程所必须的气路、水路和电路接法都是使用常规接法，所以不再进行说明。

下面结合附图对该装置的组成及质量控制方法进行详细说明：

本方法和装置包含上层控制单元1、运动控制单元2、运动执行机构3、红外测温传感单元A10、红外测温传感单元B11。其中红外测温传感单元A10和红外测温传感单元B11由数个非接触式红外测温传感器7按一定分布组成，如附图4所示，并指向被焊工件6安装固定在焊枪5的焊枪架上，如附图2所示。安装完成后以焊枪为原点测量每个非接触式红外测温传感器7相对于焊枪的位置并输入上层控制单元1。将红外测温传感单元A10和红外测温传感单元B11通过通讯电缆8与上层控制单元1相连，将测得的温度信号传送给上层控制单元1。将运动控制单元2通过通讯电缆9与上层控制单元1相连，运动执行机构3通过通讯电缆4与运动控制单元2相连，上层控制单元发送控制指令给运动控制单元2后，运动控制单元2控制运动执行机构3运动。连接好的系统如附图1所示。

通过对红外测温传感单元A10和红外测温传感单元B11的温度数据进行对比来判断焊枪5相对于焊缝的偏移量并对焊枪位置进行控制，通过对红外测温传感单元A10和红外测温传感单元B11中不同位置的非接触式红外测温传感器7的温度数据进行对比来判断焊接质量并对电弧高度或焊接速度进行控制。红外测温传感单元A10和红外测温传感单元B11中的每个非接触式红外测温传感器7都对应被焊工件6上相对焊枪固定的点。在同一工况下的焊接过程中，当焊缝成形、焊接质量和焊枪位置都良好的情况下，上层控制单元记录该状态下每个非接触式红外测温传感器7的平均温度信号，并结合每个非接触式红外测温传感器7的位置信息得出被焊工件6两侧的温度场和温度梯度。当焊接过程中，检测到被焊工件6一侧的温度场或温度梯度整体下降、另一侧的温度场或温度梯度整体上升时，表明焊接热源偏离正常位置，上层控制单元1发送控制指令给运动控制单元2，调整焊枪位置，令被焊工件6上的温度场和温度梯度恢复正常；当检测到被焊工件6两侧的温度场整体升高、温度梯度增大时，表明对被焊工件6的热输入过大，上层控制单元1发送控制指令给运动控制单元2，增大电弧高度或焊接速度，令被焊工件6上的温度场和温度梯度恢复正常；同理，当检测到被焊工件6两侧的温度场整体下降、温度梯度减小时，表明对被焊工件6的热输入过小，上层控制单元1发送控制指令给运动控制单元2，降低电弧高度或焊接速度，令被焊工件6上的温度场和温度梯度恢复正常。

Claims (5)

1.一种基于温度梯度传感的焊接温度场检测装置，其特征在于：包括红外测温传感单元、上层控制单元(1)、运动控制单元(2)以及运动执行机构(3)；

所述红外测温传感单元由多个非接触式红外测温传感器(7)构成，分为两组垂直于焊接方向分布在焊枪(5)两侧，所述红外测温传感单元和上层控制单元(1)连接，用于将红外测温传感单元内每个非接触式红外测温传感器(7)测量的温度及非接触式红外测温传感器(7)的位置参数提供给上层控制单元(1)；

所述上层控制单元(1)分别与红外测温传感单元、运动控制单元(2)通过通讯电缆连接，接收红外测温传感单元的信号，结合每个非接触式红外测温传感器(7)的位置参数对两组红外测温传感单元采集的多个温度信号进行分析处理，向运动控制单元(2)发送运动控制指令；

运动控制单元(2)分别和两组运动执行机构(3)通过通讯电缆连接，两组运动执行机构(3)分别与焊枪(5)以及被焊工件(6)相连，用于接收上层控制单元(1)的运动控制信号，对焊枪(5)相对于焊缝的偏差、焊接速度或电弧高度进行控制。

2.根据权利要求1所述的一种基于温度梯度传感的焊接温度场检测装置，其特征在于：所述的多个非接触式红外测温传感器(7)在平面上呈线性、矩阵或散点分布。

3.根据权利要求1所述的一种基于温度梯度传感的焊接温度场检测装置，其特征在于：所述的多个非接触式红外测温传感器(7)的位置能够在焊枪(5)平面上进行二维调整。

4.根据权利要求1所述的一种基于温度梯度传感的焊接温度场检测装置，其特征在于：所述的非接触式红外测温传感器(7)在焊接过程中相对于焊枪(5)位置固定。

5.根据权利要求1-4之一所述的基于温度梯度传感的焊接温度场检测装置的质量控制方法，其特征在于：

步骤一：将两组红外测温传感单元使用传感器装卡定位装置垂直于焊接方向固定在焊枪(5)两侧；将每组红外测温单元中的多个非接触式红外测温传感器(7)都设置成线性、矩阵或散点分布，以焊枪(5)为原点，得出多个非接触式红外测温传感器(7)的位置信息；

步骤二：红外测温单元中的所有非接触式红外测温传感器(7)都指向被焊工件(6)，每个非接触式红外测温传感器(7)相对焊缝垂直位置固定，按其位置分布指向被焊工件(6)平面相对焊缝垂直位置不同的固定点，用于在焊接过程中测量上述不同固定点的温度；该固定点位置相对焊枪(5)固定，在被焊工件(6)移动或焊枪(5)移动时在被焊工件(6)表面移动；

步骤三：将上层控制单元(1)分别与两组红外测温传感单元和运动控制单元(2)通过通讯电缆连接，将运动控制单元(2)分别和两组运动执行机构(3)通过通讯电缆连接，将两组运动执行机构(3)分别与焊枪(5)以及被焊工件(6)相连；

步骤四：将非接触式红外测温传感器(7)的位置参数和每个非接触式红外测温传感器(7)对应固定点的温度信号传送给上层控制单元(1)，得出被焊工件(6)表面的温度场分布和温度梯度，通过对两组红外测温传感单元的温度信号进行分析来确定当前焊枪(5)的偏移量，向运动控制单元(2)发送运动控制指令调整焊枪(5)位置，并通过对每组红外测温传感单元中不同位置上的非接触式红外测温传感器(7)给出的温度信号进行分析来确定熔池状态，向运动控制单元(2)发送运动控制指令调整焊接速度或电弧高度。

Images