CN103447662B - 窄间隙焊缝偏差的脉冲电弧传感检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种窄间隙焊缝偏差的脉冲电弧传感检测方法，使脉冲电弧在窄间隙坡口内作摆动或往复式圆弧形摇动，并在窄间隙坡口内形成坡口左侧壁停留区间、由坡口左侧壁向右侧壁运动区间、坡口右侧壁停留区间、由坡口右侧壁向左侧壁运动区间，通过电流传感器检测脉冲电弧的电流信号，计算机根据脉冲电弧停留区间信号提取脉冲电弧电流频率信号，并分别计算脉冲电弧在坡口左侧壁停留期间的平均脉冲电流频率和在坡口右侧壁停留期间的平均脉冲电流频率和求差，根据差值的大小和正负判断实际焊缝偏差的大小和方向；本发明在对电弧电流信号采样时仅检测脉冲电弧电流信号的频率值，焊缝偏差检测算法简单，响应速度快，检测精度高。

Description

窄间隙焊缝偏差的脉冲电弧传感检测方法

技术领域

本发明属于焊接技术领域，特指一种窄间隙焊缝偏差的脉冲电弧传感检测方法，尤其涉及摇动式和摆动式窄间隙脉冲电弧焊接的焊缝偏差检测。

背景技术

窄间隙电弧焊是一种适用于金属厚板的高效高质量焊接方法，能够大幅减少焊缝截面积，降低焊接热输入，提高焊接效率和焊接接头性能。窄间隙电弧焊接方法有直流电弧焊工艺和脉冲电弧焊工艺之分，其中脉冲电弧焊工艺可明显提高电弧挺度和焊接过程稳定性，减低焊接热输入，特别适用于高强钢和空间位置的焊接场合。

窄间隙电弧焊方法虽然在厚板焊接中优势明显，但也有其自身的技术难点。一是，为了获得足够的坡口侧壁熔透，需要采用特殊的焊接设备和电弧运动控制技术，如：利用脉冲电流、电弧摇动、电弧摆动、电弧旋转、多丝多电极等工艺技术，可以较好地解决窄间隙焊接时坡口侧壁不易熔合的问题；二是，为了保证焊接坡口两侧获得均匀的熔透，需要保证焊炬与焊缝中心的对中，也就是要解决焊缝跟踪问题，而焊缝偏差传感检测又是焊缝跟踪技术之关键。

焊缝偏差的传感检测方法，常用的有三大类：机械接触式、视觉式和电弧传感式。其中，电弧传感方法利用电弧自身作为传感器，通过一定算法直接从焊接电弧电信号（电弧电流或电弧电压）中提取反映焊炬与焊缝中心偏差的信息，具有非接触、低成本、在焊接区域不需要附加传感装置、不受弧光和飞溅干扰等突出优点，受到了特别的关注。

针对直流电弧焊接工艺，基于积分差值法的焊缝偏差电弧传感检测方法较为有效。如：王加友等在“窄间隙焊缝跟踪电弧传感方法及特性研究”（江苏科技大学学报（自然科学版），2007年第6期）一文中，提出了一种针对高速旋转电弧焊接工艺的窄间隙焊缝跟踪电弧传感检测方法，其通过计算电弧旋转中心前点两侧一定区域内电弧电流信号的积分差值，能够有效地检测出焊缝偏差。但是，对于脉冲电弧焊接工艺来说，难以保证在电弧运动轨迹中点两侧的电弧电流脉冲状态完全一致，使得电弧到达坡口左右两侧壁时的电弧电流脉冲状态可能不同（可能处于脉冲峰值电流期、也可能处于基值电流期），导致即使在相同焊缝偏差下，每次检测到的相同特定区间电弧电流的积分差值可能差别较大，从而引起较大检测误差，因此积分差值法一般不适合脉冲电弧传感检测的场合。

为了提高焊缝偏差的脉冲电弧传感检测精度，尹力在其硕士学位论文《旋转电弧脉冲GMAW焊焊缝跟踪系统的研究》（湘潭大学硕士学位论文，2007年5月）中，提出了一种包络线取值法，其通过对脉冲电流信号进行提取包络线处理，获取包络线脉冲电流峰值和谷值，并结合有限削波处理，来提取V形坡口的焊缝偏差信息。其缺点是：需要通过A/D转换对整个电弧电流信号进行采样，计算程序复杂，检测时间长，检测的实时性和精度都会受到影响；而且，仅适用于旋转电弧的V形坡口焊接场合，不适用于电弧在坡口两侧有停留的摇动（或摆动）电弧窄间隙焊接。

发明内容

针对现有焊缝偏差电弧传感检测技术存在的不足，本发明提出一种适用性强、检测精度高、实时性好的窄间隙焊缝偏差的脉冲电弧传感检测方法，以便为脉冲电弧窄间隙焊接过程监测和焊缝自动跟踪控制提供实时可靠的信息。

本发明提出的窄间隙焊缝偏差的脉冲电弧传感检测方法的技术方案是：使脉冲电弧在窄间隙坡口内作摆动或往复式圆弧形摇动，并在窄间隙坡口内形成坡口左侧壁停留区间、由坡口左侧壁向右侧壁运动区间、坡口右侧壁停留区间、由坡口右侧壁向左侧壁运动区间，包括以下步骤：

①通过电流传感器检测脉冲电弧的电流信号i _a ，并在对该信号进行硬件滤波和脉冲整形等预处理后，直接送入计算机；

②计算机根据脉冲电弧停留区间信号提取脉冲电弧电流频率信号，并分别计算脉冲电弧在坡口左侧壁停留期间的平均脉冲电流频率F _L 和在坡口右侧壁停留期间的平均脉冲电流频率F _R ，求差得到焊缝偏差传感信号值ΔF _S =F _L -F _R ；

③根据焊缝偏差传感信号值ΔF _S 的正负判断实际焊缝偏差ΔX的方向，当ΔF _S ＞0时焊缝右偏，当ΔF _S ＜0时焊缝左偏，当ΔF _S =0时焊缝无偏差；根据预先建立的焊缝偏差传感信号值ΔF _S 的大小与实际焊缝偏差ΔX之间的近似线性关系，经输出转换（15）后求得实际焊缝偏差ΔX的大小。

本发明与现有技术相比，其优点和有益效果是：

1）适用性强。本发明适用于摇动电弧和摆动电弧的窄间隙脉冲焊接，对于I形、U形、V形底的窄间隙坡口具有良好的适应性。而且，本发明还适用于任何具有对成性坡口的非窄间隙脉冲焊接场合。

2）响应速度快。本发明在对电弧电流信号采样时，仅检测脉冲电弧电流信号的频率值，不需要A/D转换环节，而且焊缝偏差检测算法简单，不涉及复杂繁琐的数据处理，提高了焊缝偏差检测的实时性。

3）检测精度高。本发明通过计算特定电弧运动区间内的平均脉冲频率差值来检测焊缝偏差，在求取平均脉冲频率时仅计算完整电流脉冲的频率值，消除了电弧刚到达坡口左右侧壁时电流脉冲状态不一致对检测精度的影响。

下面结合附图对本发明作进一步详细说明。

附图说明

图1为窄间隙脉冲焊接系统原理框图；其中，图1（a）为摇动电弧窄间隙焊接系统原理图，图1（b）为摆动电弧窄间隙焊接原理图。

    图2为电弧摇动（或摆动）过程中电弧电流的脉冲波形和瞬时脉冲频率变化示意图；其中，图2（a）为电弧电流瞬时脉冲频率变化示意图，图2（b）为电弧电流脉冲波形变化示意图。

图3为焊缝偏差的电弧电流平均脉冲频率检测方法原理图；其中，图3（a）表示焊缝无偏差情形的原理图，图3（b）表示焊缝右偏情形的原理图。

图4为焊缝偏差检测系统框图。

图5为不同焊缝偏差下电弧电流瞬时脉冲频率变化图；其中，图5（a）表示电弧摇动过程中电弧电流瞬时脉冲频率变化情况图，图5（b）表示电弧摇动区间与电机控制信号之间的相位关系图。

图6为脉冲电弧传感器的输入/输出特性图。

图1中：1—熔池；2—电弧；3—窄间隙坡口；4—导电嘴；5—导电杆；6—焊丝；7—馈电及转动装置；8—送丝轮；9—脉冲焊接电源；10—圆弧形摇动轨迹；11—电流传感器；i _a —脉冲电弧电流。

图2中：f _s —电弧电流瞬时脉冲频率；L _b —电弧在坡口左侧停留开始；L _e —电弧在坡口左侧停留结束；R _b —电弧在坡口右侧停留开始；R _e —电弧在坡口右侧停留结束；O _s —电弧摇动（或摆动）中心；t—时间。

图3中，F—电弧电流平均脉冲频率；ΔF _S —电弧在坡口左侧停留区间的平均脉冲频率F _L 和电弧在坡口右侧停留区间的平均脉冲频率F _R 的差值。

图4中，12—信号预处理；13—计算机；14—电弧停留区间信号；15—输出转换；ΔX—焊缝偏差；

图5中，DIR—电机转动方向信号，CP—电机运行状态信号。

具体实施方式

   如图1（a）所示，焊丝6经过折弯导电杆5后从导电嘴4的中心孔送出，脉冲焊接电源9通过馈电及转动装置7为焊接电弧2供电；焊接过程中，馈电及转动装置7驱动折弯导电杆5和导电嘴4，带动电弧2在窄间隙焊接坡口3内作一定半径的圆弧形10摇动，形成焊接熔池1，实现摇动电弧窄间隙脉冲焊接，同时通过霍尔电流传感器11检测脉冲电弧电流i _a 。另外，采用摆动机构可以使焊接电弧2在坡口3内产生直线式或钟摆式摆动（图1（b）所示为直线式摆动），实现摆动电弧窄间隙脉冲电弧焊接。

在上述摇动电弧或摆动电弧焊接过程中，为了使窄间隙坡口3的两侧壁得到足够热输入，需要让电弧2在坡口3的两侧壁处作一定时间停留。相应地，电弧运动区间由四部分构成，即：坡口左侧壁停留区间（简称左侧停留）、由坡口左侧向右侧运动区间、坡口右侧壁停留区间（简称右侧停留）、由坡口右侧向左侧运动区间。所述脉冲焊接电源9采用基于PFM（脉冲频率调制）控制法的平特性等速送丝脉冲电源，在焊接过程中，脉冲峰值电流、基值电流和峰值电流持续时间保持一定，通过实时调节基值电流持续时间来改变平均电弧电流，以实现脉冲电弧的自调节作用，保持电弧稳定性。相应地，当电弧2在焊接坡口3内摇动（或摆动）时，电弧弧长的周期性变化，会引起脉冲电弧的基值电流持续时间变化，继而引起脉冲电流频率和平均电弧电流的变化。

如图2（a）所示，在焊缝无偏差情况（如图中实线波形所示）下，当电弧在坡口左侧壁处开始停留（对应L _b 点）时，理论上讲，此时电弧弧长最短，相应地基值电流持续时间也变得最短，电弧电流的瞬时脉冲频率f _s 出现最大值，此后随着电弧2在坡口3左侧壁停留时间的增长，在脉冲电弧2的自身调节作用下，电弧弧长逐渐恢复变长，瞬时脉冲频率f _s 相应变小；当电弧2结束在坡口3左侧壁处的停留（对应L _e 点），并从坡口3左侧壁向右侧壁运动（对应L _e —R _b 区间）过程中，在坡口中心附近由于电弧压力的作用使得熔池液面出现下凹，电弧弧长最长，脉冲电弧2的基值电流持续时间也最长，相应地电弧电流瞬时脉冲频率f _s 出现最小值；对于对成性坡口来说，当电弧2运动至坡口3右侧壁停留区间（R _b —R _e 区间）时，脉冲电流瞬时脉冲频率f _s 的变化规律，与电弧2在坡口3左侧壁停留（L _b —L _e 区间）时的类似。也就是说，当电弧2处在坡口3的左右侧停留区间时，基值电流的平均持续时间较短、平均脉冲频率较高，当电弧2处在运动区间内时，基值电流的平均持续时间则较长、平均脉冲频率相应较低，如图2（b）所示。在焊缝出现偏差情况下，如焊缝相对于焊炬出现右偏差时（见图2（a）中虚线波形所示），由于此时焊炬中心偏向坡口左侧，因此电弧电流瞬时脉冲频率f _s 出现了“左高右低”的变化趋势；如果焊缝相对于焊炬出现左偏差，那么电弧电流瞬时脉冲频率f _s 的变化趋势与焊缝右偏时相反。

根据图2所示的电弧电流瞬时脉冲频率f _s 变化趋势图可知，焊缝偏差与电弧电流脉冲频率变化之间存在关联性。经过分析，所提出的窄间隙焊缝偏差检测方法原理如图3所示。在焊缝无偏差情况（如图3（a）所示）下，电弧2在坡口3左侧停留区间（L _b —L _e 区间）的平均脉冲频率值F _L ，与电弧2在坡口3右侧停留区间（R _b —R _e 区间）的平均脉冲频率值F _R 相等，即其差值ΔF _S =F _L -F _R =0；当焊缝出现右偏差时，电弧在一个运动周期不同区间内的平均脉冲频率F变化趋势如图3（b）所示，相应地ΔF _S =F _L -F _R ＞0；依次类推，当焊缝出现左偏差时，ΔF _S =F _L -F _R  ＜0。也就是说，通过计算ΔF _S 就可以检测出焊缝偏差。

实现上述检测方法的检测系统原理，如图4所示。焊接过程中，电流传感器11实时检测脉冲电弧电流i _a ，经过硬件滤波和脉冲整形等信号预处理12后，直接送入计算机13进行处理。计算机13根据电弧停留区间信号14，通过常用的软件判别方式，即所谓的软件开关方式，对电弧电流脉冲频率采样信号进行分区，分别计算出电弧在坡口左侧和右侧停留期内的平均脉冲频率F _L 和F _R ，并以其差值ΔF _S 作为焊缝偏差传感信号；最后，利用事先建立的焊缝偏差传感信号ΔF _S 与焊缝偏差ΔX之间的近似线性关系，经过输出变换15后得到实际焊缝偏差ΔX。当ΔX＜0时，表示焊缝左偏；当ΔX=0时，表示焊缝无偏差（焊炬对中）；当ΔX＞0时，则表示焊缝右偏。所述平均脉冲频率F _L 和F _R ，可以在电弧的一个运动周期内获得，也可以为在连续2~4个电弧运动周期内相应平均脉冲频率的平均值。图4所示检测方法，在对电弧电流信号采样时，仅检测脉冲电弧电流信号的频率值，不需要A/D转换环节，而且焊缝偏差检测算法简单，不涉及复杂繁琐的数据处理，提高了焊缝偏差检测的实时性。该方法适用于摇动电弧和摆动电弧的窄间隙脉冲焊接，还可推广应用于任何具有对成性坡口的非窄间隙脉冲焊接场合。

对于采用电机作为转动装置的摇动式或摆动式电弧焊炬，可根据电机运行状态信号和电机转动方向信号，方便地判别图4中所述的电弧停留区间，具体方法为：当电机运行状态信号为非脉冲波时，即电机停止转动时，若电机转动方向信号为低（或高）电平，则表示电弧处在坡口左侧壁停留区间，此时电弧停留区间信号14输出为低（或高）电平；若电机转动方向信号反相时，则表示电弧处在坡口右侧壁停留区间，此时电弧停留区间信号14输出相反电平信号。

在图4中，所述平均脉冲频率值的计算方法有两种（以F _L 计算为例）：第一种计算方法是：当电弧2处在坡口3左侧停留区间（对应于图3中的L _b —L _e 区间）时，计算机从在该区间出现的第一个电弧电流脉冲信号的上升沿（或下降沿）开始计时，至最后一个完整的电弧电流脉冲出现时停止计时，并计算电流脉冲个数，最后用脉冲个数除以所经历的时间长度，求得平均脉冲电流频率值F _L 。第二种计算方法是：当电弧2处在坡口3左侧停留区间（对应于图3中的L _b —L _e 区间）时，从在该区间出现的第一个电弧电流脉冲信号的上升沿（或下降沿）开始，计算机逐个记录每个完整的电弧电流脉冲周期长度，并计算出对应的瞬时脉冲频率值f _s ，最后从所有瞬时脉冲频率值中剔除最大值和最小值后，再由剩余的瞬时脉冲频率值求得平均脉冲电流频率值F _L 。如上所述，在求取平均脉冲频率时仅计算完整电流脉冲的频率值，可消除电弧刚到达坡口左右侧壁时电流脉冲状态不一致对检测精度的影响。平均脉冲频率值F _R 的计算方法与F _L 计算方法类同，不再赘述。

下面提供本发明的实施例：

图5所示为不同焊缝偏差下电弧电流瞬时脉冲频率f _s 的实际测量例，其中图5（a）为电弧摇动过程中电弧电流瞬时脉冲频率的变化图，图5（b）为电弧摇动区间与电机控制信号之间的相位关系。试验条件包括：采用脉冲直流反接，富氩保护气（Ar-20%CO₂）流量为40L/min；平均焊接电流300A，平均电弧电压26V，送丝速度9.5m/min，焊炬高度18mm，焊接速度203mm/min；电弧摇动频率2.5Hz，电弧摇动角度68°，电弧在坡口左右侧壁处各停留100ms；低碳钢母材，I型坡口间隙为12mm，焊丝牌号为ER49-1、直径1.2mm；焊缝偏差设置为五个等级：焊缝左偏1.0mm、焊缝左偏0.5mm、焊缝无偏差、焊缝右偏0.5mm、焊缝右偏1.0mm。电弧在一个摇动周期内，经历了四个运动区间：左侧停留区间（L _b —L _e 区间）、由左侧壁向右侧壁运动区间（L _e —R _b 区间）、右侧停留区间（R _b —R _e 区间）、由右侧壁向左侧壁运动区间（R _e —L _b 区间），在上述摇动参数条件下这四个运动区间的长度各为100ms。

由图5（a）可以看：无论焊缝偏差大小，电弧电流瞬时脉冲频率f _s 的变化曲线都具有良好的周期性，其变化周期与电弧摇动周期相同。当焊缝无偏差时，电弧2在坡口3左侧和右侧停留期间（分别对应于L _b —L _e 区间和R _b —R _e 区间）内的电流脉冲频率曲线的形状几乎一致，且电弧2在摇动区间（对应于L _e —R _b 区间、R _e —L _b 区间）内的电流脉冲频率值要小于电弧2在坡口3侧壁停留期间的电流脉冲频率值；当焊缝存在偏差时，电弧2在坡口3左侧和右侧停留区间内的电流脉冲频率曲线的形状及变化幅值存在差异，而且电弧2在焊炬偏向侧停留期间（焊缝左偏时对应于R _b —R _e 区间、焊缝右偏时对应于L _b —L _e 区间）内的电流脉冲频率值，要大于在焊炬偏离侧停留期间（焊缝左偏时对应于L _b —L _e 区间、焊缝右偏时对应于R _b —R _e 区间）内的电流脉冲频率值，并且这种差异性随焊缝偏差的增大而变大。以上试验结果表明，焊缝偏差与特定区间内电弧电流脉冲频率差异值之间存在相互关联性，也就是说，通过计算特定区间内电弧电流脉冲频率差值来检测焊缝偏差是可行的。

在图5（b）中，DIR为电机转动方向信号，CP为电机运行状态信号。根据DIR信号和CP信号，可以方便地区分电弧停留的不同区间。可见，当反映电机运行状态的CP信号为非脉冲波时（即电机停止转动时），同时反映电机运行状态的DIR信号为低电平时，电弧2处在坡口3左侧停留区间（即L _b —L _e 区间）；当反映电机运行状态的CP信号为高电平时，电弧2处在坡口3右侧停留区间（即R _b —R _e 区间）。当然，单纯根据图5（b）中反映电机转动方向的CP信号，也可以准确区分电弧停留的不同区间。可见，当反映电机转动方向的CP信号由高电平转换为低电平时，由此向前的相当于一个侧壁停留时间长度的区间即为电弧2在坡口3右侧停留区间（R _b —R _e 区间）；当反映电机转动方向的CP信号由低电平转换为高电平时，由此向前的相当于一个侧壁停留时间长度的区间即为电弧2在坡口3左侧停留区间（L _b —L _e 区间）。

所得到的摇动电弧传感器的输入/输出特性，如图6所示。这里，焊缝偏差ΔX的负值表示左偏，焊缝偏差ΔX的正值表示右偏，ΔF _S 值为相邻两个摇动周期内的平均值。可见，当焊缝偏差ΔX在±1.0mm范围内变化时，所求得的电弧电流平均脉冲频率差值ΔF _S 大约在±17Hz范围内变化，而且在ΔX与ΔF _S 之间存在着良好的线性关系。因此，所提出的脉冲电弧传感方法不仅检测精度和灵敏度高，而且传感输出特性曲线线性度好。

Claims (4)

1.一种窄间隙焊缝偏差的脉冲电弧传感检测方法，使脉冲电弧（2）在窄间隙坡口（3）内作摆动或往复式圆弧形摇动，并在窄间隙坡口（3）内形成坡口左侧壁停留区间、由坡口左侧壁向右侧壁运动区间、坡口右侧壁停留区间、由坡口右侧壁向左侧壁运动区间，其特征在于包括以下步骤：

①通过电流传感器（10）检测脉冲电弧（2）的电流信号i _a ，并在对该信号进行硬件滤波和脉冲整形预处理（12）后，直接送入计算机（13）；

②计算机（13）根据脉冲电弧停留区间信号（14）提取脉冲电弧电流频率信号，并分别计算脉冲电弧（2）在坡口左侧壁停留期间的平均脉冲电流频率F _L 和在坡口右侧壁停留期间的平均脉冲电流频率F _R ，求差得到焊缝偏差传感信号值ΔF _S =F _L -F _R ；

③根据焊缝偏差传感信号值ΔF _S 的正负判断实际焊缝偏差ΔX的方向，当ΔF _S ＞0时焊缝右偏，当ΔF _S ＜0时焊缝左偏，当ΔF _S =0时焊缝无偏差；根据预先建立的焊缝偏差传感信号值ΔF _S 的大小与实际焊缝偏差ΔX之间的近似线性关系，经输出转换（15）后求得实际焊缝偏差ΔX的大小。

2.根据权利要求1所述的窄间隙焊缝偏差的脉冲电弧传感检测方法，其特征在于：步骤②中，脉冲电弧（2）处在窄间隙坡口（3）的左、右侧壁停留区间时，所述平均脉冲电流频率F _L 、F _R 的计算方法有两种：

第一种计算方法是：计算机（13）从在对应的侧壁停留区间出现的第一个电弧电流脉冲信号的上升沿或下降沿开始计时，至最后一个完整的电弧电流脉冲出现时停止计时，并计算电流脉冲个数，用脉冲个数除以所经历的时间长度，求得对应的平均脉冲电流频率F _L 、F _R ；

第二种计算方法是：从在对应的侧壁停留区间出现的第一个电弧电流脉冲信号的上升沿或下降沿开始，计算机（13）逐个记录每个完整的电弧电流脉冲周期长度，并计算出对应的瞬时脉冲频率值，最后从所有瞬时脉冲频率值中剔除最大值和最小值后，再由剩余的瞬时脉冲频率值求得对应的平均脉冲电流频率F _L 、F _R 。

3.根据权利要求1所述的窄间隙焊缝偏差的脉冲电弧传感检测方法，其特征在于：步骤②中，所述平均脉冲电流频率F _L 、F _R ，可以是在电弧的一个运动周期内获得，也可以是在连续2~4个电弧运动周期内相应平均脉冲电流频率的平均值。

4.根据权利要求1所述的窄间隙焊缝偏差的脉冲电弧传感检测方法，其特征在于：步骤②中，当电机驱动脉冲电弧（2）在窄间隙坡口（3）内作摆动或往复式圆弧形摇动时，根据电机运行状态信号和转动方向信号来判别电弧停留区间的方法是：当电机运行状态信号为非脉冲波的停止转动状态时，根据电机转动方向信号为低电平或高电平来判断脉冲电弧（2）是处在窄间隙坡口（3）的左侧壁停留区间还是右侧壁停留区间。