CN104475897B - 一种铝钢cmt熔钎焊接过程控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种铝钢CMT熔钎焊接过程控制方法，包括以下步骤，在铝板和钢板焊缝区安装温度传感器，近缝区上方安装有测距传感器，测距传感器纵向以焊接速度V移动，横向以速度P往复运动，测距传感器从焊缝一端运动到另一端为一个周期，在一个周期内根据近缝区温度、焊缝宽度、余高、润湿角实时数据，判断焊接过程是否正常，调整下一个周期的焊接参数。本发明的铝钢CMT熔钎焊接过程控制方法，通过温度传感器、测距传感器实时的检测近缝区温度、焊缝宽度、余高、润湿角，调整焊接参数，避免了钎焊侧焊缝温度过高，焊接表面平整，提高了焊接质量，操作简便，便于推广与应用。

Description

一种铝钢CMT熔钎焊接过程控制方法

技术领域

本发明涉及一种铝钢CMT熔钎焊接过程控制方法，属于金属材料加工领域。

背景技术

目前，铝与钢的焊接工艺方法主要有电弧焊、摩擦焊、钎焊、爆炸焊、扩散焊、电阻焊和激光焊等，可分为熔化焊、钎焊和固相焊三大类。对熔化焊来说，由于铝与钢两种金属在固态下几乎不固溶，且热物理性能差异较大，在焊接接头内极易生成硬而脆的Fe—Al金属间化合物，严重恶化接头的力学性能，从而使铝合金/钢熔化焊接头失去了应用价值。对于钎焊和摩擦焊等固相连接方法来说，虽然可以得到较高的铝合金/钢接头强度，但受工件形状和尺寸的限制，应用范围和接头形式受到了很大的限制。

因此衍生出多种工艺方法实现铝合金与钢的熔钎焊，如激光熔钎焊、TIG熔钎焊、MIG熔钎焊、CMT熔钎焊等。激光熔钎焊能有效控制界面的反应、可以实现无钎剂的铝台金/镀锌钢板的熔一钎焊，并得到满意的接头质量，但减小光斑以达到需要的激光功率密度时需要提高工件的装配精度，这会增加生产成本。TIG电弧具有能量输出稳定、成本低等优势而成为铝合金/钢熔一钎焊的有效工艺方法，但因受限于钨极温度，TIG电弧能量输出受限，使其焊接效率相对较低。MIG焊虽然没有钨极烧损的问题，可以大电流高速施焊，但容易产生飞溅以及高速焊接焊缝成形差、易产生咬边、驼峰焊道等缺陷。

相比之下，CMT熔钎焊与其它工方法相比具有过程稳定、热输入低等优势，可实现铝/钢薄板的优质连接。在确定填充材料和钎剂下，焊接热过程是接头钎焊界面金属间化合物层的决定性因素，决定着界面各种金属间化合物的生长、形态及分布。目前采用离线数值模拟技术与工艺试验相结合的方法，深入分析铝合金与钢熔一钎焊接热过程，这对促进铝合金与钢熔一钎焊技术的应用具有意义，但是这仅仅是离线分析技术，缺乏相应焊接过程中的热和焊缝表面成形反馈控制技术。

因此寻找一种有效的铝钢CMT熔钎焊接过程控制方法、避免钎焊侧焊缝温度过高、焊缝表面成形恶化，成为了一个新的重要任务。

发明内容

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种铝钢CMT熔钎焊接过程控制方法，避免钎焊侧焊缝温度过高，实时方便。

技术方案：为解决上述技术问题，本发明的一种铝钢CMT熔钎焊接过程控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

在钢板侧近缝区安装温度传感器，在近缝区上方安装有测距传感器，测距传感器纵向以焊接速度V移动，横向以速度P往复运动，测距传感器从焊缝一端运动到另一端为一个周期，在一个周期内根据近缝区温度、焊缝宽度、余高、润湿角实时数据，判断焊接过程是否正常，调整下一个周期的焊接参数；

当焊接过程处于正常状态，则维持当前焊接参数不变；

当润湿角小于0度，认为焊缝填充不足，需减小焊接电流、焊接速度，焊接电压维持不变；

当润湿角大于20度时，如果焊接温度正常，并且焊接过程处于不正常状态、焊缝余高过高时，则加快焊接速度、提高焊接电压；

当润湿角大于20度时，如果焊接温度偏高，并且焊接过程处于亚正常状态，则加快焊接速度、减小焊接电流；当余高与焊缝宽度比值大于A，焊接过程处于不正常状态、则中止焊接；

当润湿角大于20度时，如果焊接温度偏低，并且焊接过程处于亚正常状态，则减小焊接速度或增大焊接电流；当比值大于A，则认为焊缝余高过高，减小焊接速度的同时增大焊接电流。

作为优选，所述焊接过程是否正常，根据以下判断：

(1)当近缝区温度处于区间[770，800]时，认为焊接温度正常；

(2)当近缝区温度大于800时，认为温度偏高；

(3)当近缝区温度小于770时，认为温度偏低；

(4)当润湿角在区间[0，20度]、焊接温度正常，认为焊接过程处于正常的状态；

(5)当润湿角小于0度，认为焊缝填充不足，需调整焊接参数；

(6)当润湿角大于20度时，如焊接温度正常，则继续判断余高与焊缝宽度比值，当比值小于或等于A时，认为焊接过程仍处于正常状态；当比值大于A，则认为处于不正常状态、焊缝余高过高，需调整焊接参数；

(7)当润湿角大于20度时，如焊接温度偏高，则继续判断余高与焊缝宽度比值，当比值小于或等于A时，认为焊接过程处于亚正常状态，焊接工艺存在可调节余量，需调整焊接参数；当比值大于A，则认为处于不正常状态、焊缝余高过高，在钎料选择或焊前准备方面存在问题，可考虑中止焊接；

(8)当润湿角大于20度时，如焊接温度偏低，则继续判断余高与焊缝宽度比值，当比值小于或等于A时，认为焊接过程处于亚正常状态，焊接工艺存在可调节余量，需调整焊接参数；当比值大于A，则认为处于不正常状态、焊缝余高过高，需调整焊接参数。

作为优选，所述比值A的范围[2,6]。

作为优选，所述焊缝宽度为，ts为测距传感器与焊缝一边边沿交汇的时刻，tD为测距传感器与焊缝另一边边沿交汇的时刻。

作为优选，所述焊缝余高为在[ts，t_D]时间范围内，H-h(t)进行排序，获得的最大值就是焊缝余高，H为测距传感器距离铝板或钢板上表面的距离，h(t)为测距传感器实时测量焊缝上表面的距离。

作为优选，所述润湿角θ＝arctan(K1/K2)，其中，t_D时刻的导数K1、K2，K1＝d(H-h(t))/dt，K2＝d(P(t))/dt。

作为优选，所述V的调节范围[80mm/min,100mm/min]，P＝600mm/min，焊接电压调节范围[12V,15V]，焊接电流调节范围[80，120A]。

焊缝宽度、余高计算方法：

当测距传感器在平行于被焊工件的平面上，只是沿着垂直于焊接方向往复移动，则测距传感器扫描焊缝表面所经过的路径MD将处于焊缝的横截面上，M点、D点为扫描路径上焊缝与工件的交接点，同时扫描得出测距传感器与被焊工件之间H、测距传感器与焊缝表面之间的距离h。设H为事先设置的恒定值，则当测距传感器沿着垂直于焊接方向上移动时，对应时刻t的横截面上焊缝表面所处点的高度为H-h(t)，显然该值是变化的。

当测距传感器以焊接速度V、往复移动速度为P进行运动时，MD上各点在X轴坐标为：P·t；由于测距传感器与焊枪在焊接方向上同步运行，测距传感器往复扫描焊缝表面所经过的路径将不再处于焊缝的横截面上，而是近似一个螺旋线SD，S点、D点为扫描路径上焊缝与工件的交接点。可见，不能根据曲线SD来计算焊缝余高、焊缝宽度、润湿角。将SD上各点垂直投影至经过D点的横截面，S点的投影为M点，由于SD上各点的Z轴坐标值没有改变，则对应投影各点构成的曲线MD，其上各点Z轴坐标值也没有改变；因此在扫描速度足够快的前提条件下，可由扫描路径上各点Z轴坐标值近似构成焊缝横截面各点的高度值。

根据H-h(t)的值可知，当t变化时，该值也在变化。随着时间变化，对该值进行记录并形成H-h(t)的原始数据序列{f(t)}，则对{f(t)}进行高斯小波变换，利用一阶导数提取该值变化的突变点。该小波变换核心算法如下所示：

由傅立叶变换可知，小波变换可认为是函数f(t)在尺度N下由θ(t)平滑后再取一阶导数；θ_N(t)表示θ(t)在尺度因子N下的伸缩序列。

小波变换核心算法作用如下：

当N较小时，用θ_N(t)对{f(t)}平滑的结果对{f(t)}的突变位置影响不大；当N较大时，则此平滑过程会将{f(t)}的一些细小的突变削去，只剩下大尺寸的突变。由此可知，当小波函数可看作平滑函数θ_N(t)的一阶导数时，信号小波变换模的局部极值点对应信号的突变点(或边缘)。当测距传感器扫描焊缝时，扫描路径上焊缝与工件的交接点将出现高度突变，从而确定焊缝宽度的方法如下：

由于原始数据序列{f(t)}的一阶导数局部极值点对应原信号的突变点边缘，则根据其高斯小波变换后的一阶导数的局部极值可计算出S点、D点所处时刻t_s、t_D，从而根据测距传感器在这两个时刻的焊缝横向位置，可确定焊缝宽度为|P×t_s-P×t_D|。

进一步，在[t_s，t_D]时间范围内，对原始数据序列{f(t)}进行排序，获得的最大值就是焊缝余高。

焊缝润湿角计算：

H-h(t)代表了焊缝高度方向变化情况，P(t)代表了宽度方向的位置变化情况，H-h(t)、P(t)的同一时刻的两点组成了横截面上余高各点的坐标。

随着时间变化，对这两个数值组成的序列进行曲线拟合，分别求出t_D时刻的导数K1、K2：

K1＝|h(t_D)-h(t_D-T)|/dT (3)

K2＝|P(t_D)-P(t_D-T)|/dT (4)

上式中，T为采样周期。显然，润湿角θ＝arctan(K1/K2)。

有益效果：本发明的铝钢CMT熔钎焊接过程控制方法，通过温度传感器、测距传感器实时的检测近缝区温度、焊缝宽度、余高、润湿角，调整焊接参数，避免了钎焊侧焊缝温度过高，焊接表面平整，提高了焊接质量，操作简便，便于推广与应用。

附图说明

图1为测距传感器沿着垂直于焊接方向往复移动示意图；

图2为测距传感器同时以焊接速度V、往复移动速度P移动示意图；

图3为润湿角示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作更进一步的说明。

如图1至图3所示，当对4mm厚、材料为5083铝合金和EH136钢进行焊接时，对钢板3侧近缝区(离焊缝2中心10mm)的温度进行检测，并同时使用测距传感器1扫描焊缝2，该测距传感器1沿焊缝2纵向以焊接速度V移动，沿着焊缝2横向以速度P往复移动，移动幅度大于焊缝2宽度；设定V的调节范围[80mm/min,100mm/min]，P＝600mm/min，近缝区温度范围[T1，T2]为[770，800]，焊接电压调节范围[12V,15V]，焊接电流调节范围[80，120A]，设定余高与焊缝2宽度比值A＝6；高斯小波变换方法中的尺度因子N为1。

本发明可使用以下公开技术：所使用的测距传感器1可采用激光测距仪、超声波测距仪来实现、往复运动装置可采用现成的电机装置实现、近缝区温度检测可使用热电偶测温进行检测。

如图1所示，一种铝钢CMT熔钎焊接过程控制方法如下：根据焊缝2近缝区温度、焊缝2宽度、余高、润湿角等实时数据。根据H-h(t)的一阶导数的局部极值可计算出S点、D点所处时刻t_s、t_D，从而根据测距传感器1在这两个时刻的焊缝2横向位置，可确定焊缝2宽度为|P×t_s-P×t_D|；在[t_s，t_D]时间范围内，对数值序列H-h(t)进行排序，获得的最大值就是焊缝2余高；在[t_s，t_D]时间范围内，分别对数值序列H-h(t)、P(t)进行曲线拟合，并计算两序列组成曲线在t_D时刻的一阶导数之比，即可求得润湿角的正切值，对该值进行反正切运算，即可求得润湿角。测距传感器1从焊缝2的左端运动右端或者从右端移动到左端为一个周期，在这个周期内根据检测的焊缝2近缝区温度、焊缝2宽度、余高、润湿角,判断焊接过程是否正常，在下一个周期进行调整。

判断焊接过程是否正常，当焊接过程处于正常状态，则维持当前焊接参数不变；当润湿角小于0度，认为焊缝2填充不足，需减小焊接电流、焊接速度，焊接电压维持不变；当润湿角大于20度时，如果焊接温度正常，并且焊接过程处于不正常状态、焊缝2余高过高时，则加快焊接速度、提高焊接电压；当润湿角大于20度时，如果焊接温度偏高，并且焊接过程处于亚正常状态，则加快焊接速度、减小焊接电流；当比值大于A，焊接过程处于不正常状态、则中止焊接；当润湿角大于20度时，如果焊接温度偏低，并且焊接过程处于亚正常状态，则减小焊接速度或增大焊接电流；当比值大于A，则认为焊缝2余高过高，减小焊接速度的同时增大焊接电流。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种铝钢CMT熔钎焊接过程控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

在钢板侧近缝区安装温度传感器，在近缝区上方安装有测距传感器，测距传感器纵向以焊接速度V移动，横向以速度P往复运动，测距传感器从焊缝一端运动到另一端为一个周期，在一个周期内根据近缝区温度、焊缝宽度、余高、润湿角实时数据，判断焊接过程是否正常，调整下一个周期的焊接参数；

当焊接过程处于正常状态，则维持当前焊接参数不变；

当润湿角小于0度，认为焊缝填充不足，需减小焊接电流、焊接速度，焊接电压维持不变；

当润湿角大于20度时，如果焊接温度正常，并且焊接过程处于不正常状态、焊缝余高过高时，则加快焊接速度、提高焊接电压；

当润湿角大于20度时，如果焊接温度偏高，并且焊接过程处于亚正常状态，则加快焊接速度、减小焊接电流；当余高与焊缝宽度比值大于A，焊接过程处于不正常状态、则中止焊接；

当润湿角大于20度时，如果焊接温度偏低，并且焊接过程处于亚正常状态，则减小焊接速度或增大焊接电流；当余高与焊缝宽度比值大于A，则认为焊缝余高过高，减小焊接速度的同时增大焊接电流；

所述焊接过程是否正常，根据以下判断：

(1)当近缝区温度处于区间[770℃，800℃]时，认为焊接温度正常；

(2)当近缝区温度大于800℃时，认为温度偏高；

(3)当近缝区温度小于770℃时，认为温度偏低；

(4)当润湿角在区间[0，20度]、焊接温度正常，认为焊接过程处于正常的状态；

(5)当润湿角小于0度，认为焊缝填充不足，需调整焊接参数；

(6)当润湿角大于20度时，如焊接温度正常，则继续判断余高与焊缝宽度比值，当比值小于或等于A时，认为焊接过程仍处于正常状态；当比值大于A，则认为处于不正常状态；

(7)当润湿角大于20度时，如焊接温度偏高，则继续判断余高与焊缝宽度比值，当比值小于或等于A时，认为焊接过程处于亚正常状态；当比值大于A，则认为处于不正常状态；

(8)当润湿角大于20度时，如焊接温度偏低，则继续判断余高与焊缝宽度比值，当比值小于或等于A时，认为焊接过程处于亚正常状态；当比值大于A，则认为处于不正常状态。

2.根据权利要求1所述的铝钢CMT熔钎焊接过程控制方法，其特征在于：所述比值A的范围[2,6]。

3.根据权利要求1所述的铝钢CMT熔钎焊接过程控制方法，其特征在于：所述焊缝宽度为|P×t_s-P×t_D|，t_s为测距传感器与焊缝一边边沿交汇的时刻，t_D为测距传感器与焊缝另一边边沿交汇的时刻。

4.根据权利要求3所述的铝钢CMT熔钎焊接过程控制方法，其特征在于：所述焊缝余高为在[t_s，t_D]时间范围内，H-h(t)进行排序，获得的最大值，H为测距传感器距离铝板或钢板上表面的距离，h(t)为测距传感器实时测量焊缝上表面的距离。

5.根据权利要求4所述的铝钢CMT熔钎焊接过程控制方法，其特征在于：所述润湿角θ＝arctan(K1/K2)，其中，t_D时刻的导数K1、K2，K1＝d(H-h(t))/dt，K2＝d(P(t))/dt。

6.根据权利要求1所述的铝钢CMT熔钎焊接过程控制方法，其特征在于：所述V的调节范围[80mm/min,100mm/min]，P＝600mm/min，焊接电压调节范围[12V,15V]，焊接电流调节范围[80，120A]。