CN105345237A - 一种直缝埋弧焊自动控制焊缝形貌的装置及其工艺方法 - Google Patents

一种直缝埋弧焊自动控制焊缝形貌的装置及其工艺方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种直缝埋弧焊自动控制焊缝形貌的装置及其工艺方法，该装置包括前端设置有第一图像采集系统的焊枪及后端设置有第二图像采集系统的刮渣装置，第一图像采集系统将采集到的焊前坡口图像传送至数据处理系统进行处理并通过预设的焊接参数数据库选取最优的焊接工艺参数，然后进行焊接和刮渣操作，第二图像采集系统将采集到的焊后焊缝图像传送至数据处理系统进行处理产生外观参数，并通过预设的焊接参数数据库进行外观参数的对比、分析，选取最佳的焊后焊缝及相对应的焊接工艺参数，该焊接工艺参数储存在焊接参数数据库中作为下一次焊接工作的优化指导参数，图像处理中曲线拟合的方式实现了坡口和焊缝外观的量化，为焊缝提供了评价基础。

Description

一种直缝埋弧焊自动控制焊缝形貌的装置及其工艺方法
技术领域
本发明属于焊接技术领域，涉及直缝埋弧焊接技术，具体涉及一种直缝埋弧焊自动控制焊缝形貌的装置及其工艺方法。
背景技术
焊接作为传统制造业中重要的加工工艺，在工业生产中发挥着非常重要的作用。由于现代科学技术的飞速发展和诸多因素的推动，焊接制造工艺正经历着从手工焊接到自动焊接的过渡。将焊接过程采用自动化、数字化、智能化控制，可以极大的提高生产效率、改善焊接安全条件和保证焊接质量，所以自动化焊接是当前焊接领域的必然发展方向。随着焊接工艺的不断提高和成本优势，根据国际和国内市场需求，直缝埋弧焊管取代螺旋焊管铺设油、气管线是大势所趋。
在生产中，特别是在高速焊接条件下，直缝埋弧焊管存在着焊缝成形控制问题，表现为焊缝成形不稳定、易于产生余高偏大、内外焊熔深分配不合理、焊偏量过大等质量问题，严重影响到管线的表面质量和防腐要求，增加了管线的后续工作，阻碍了直缝埋弧焊焊管生产效率和经济性的提高。焊缝形貌是焊接质量、焊接工艺参数合理性及焊接参数控制稳定性的直接反应，因此，自动化焊接中对焊缝形貌进行有效控制能够提升焊接产品的整体质量。
发明内容
本发明克服了现有技术的不足，提供了一种直缝埋弧焊自动控制焊缝形貌的装置及其工艺方法，该工艺方法使得直缝埋弧焊焊缝形貌自动控制，节省了焊接完毕后对焊缝进行修复的繁杂工作，工作效率大大提高，并且焊接质量能够满足油、气管的技术要求。
本发明的具体技术方案是：
一种直缝埋弧焊自动控制焊缝形貌的装置，包括前后依次设置的焊枪和刮渣装置，关键点是，所述的焊枪前端设置有第一图像采集系统，刮渣装置的后端设置有第二图像采集系统，本装置还设置有数据处理系统，第一图像采集系统和第二图像采集系统均与数据处理系统输入端相连接，数据处理系统输出端分别与焊枪和刮渣装置连接。
所述的第一图像采集系统和第二图像采集系统均为激光视觉传感器，激光视觉传感器包括CCD摄像机和激光发射器，且CCD摄像机镜头前设有光学滤片器。
如上所述装置涉及的一种直缝埋弧焊自动控制焊缝形貌的工艺方法，关键点是，所述的第一图像采集系统和第二图像采集系统分别进行焊前坡口图像和焊后焊缝图像的采集并传送至数据处理系统进行处理，数据处理系统根据预设的焊接参数数据库选取最优的焊接工艺参数，最终实现直缝埋弧焊焊缝形貌的控制，所述的工艺方法包括以下步骤：
a、设置焊接参数数据库；
b、第一图像采集系统采集焊前坡口图像，并将图像传送至数据处理系统，数据处理系统对焊前坡口图像进行处理并建立坡口形状的数学模型；
c、针对焊前坡口的形状，根据焊接参数数据库优化焊枪的焊接工艺参数，焊枪完成对坡口焊接操作；
d、刮渣装置对焊接后的焊缝进行刮渣操作；
e、第二图像采集系统采集焊后焊缝图像，并将图像传送至数据处理系统，数据处理系统对焊后焊缝图像进行处理得到焊缝形貌的外观参数；
f、数据处理系统将焊后焊缝的外观参数与焊接参数数据库中储存的外观参数进行对比、分析，最后得出最佳的焊缝形貌及相对应的焊接工艺参数。
所述的焊接参数数据库由焊接基本情况、焊接质量参数、焊接工艺参数、焊缝形貌图像及形貌数学模型四个数据子库构成，所述的焊接基本情况子库按照生产焊接中的管线钢实际情况，包含材质、板厚、生产机组、生产管号、焊丝牌号及焊丝直径的基本参数；焊接质量参数子库包括焊缝的熔深、熔宽、余高、融合量及焊偏量的基本参数；焊接工艺参数子库收录实际焊接生产中工艺参数，包括焊接电压、焊接电流、送丝速度及焊接速度；焊缝形貌图像及形貌数学模型子库收录焊缝形貌及数学模型方程。
所述的外观参数包括熔深、熔宽、余高、融合量及焊偏量。
所述的焊接工艺参数包括焊接电流、焊接电压、送丝速度及焊接速度。
本发明的有益效果是：该发明将焊前坡口图像经过数据处理系统处理并经过参数数据库进行最优化工艺参数的选取，从而指导焊枪进行焊接，焊接完毕并进行刮渣后，焊后焊缝的形貌图像经数据处理系统进行处理后得到外观参数并与参数数据库中的外观参数进行对比分析，最终得出最佳的焊后焊缝的形貌及相对应的焊接工艺参数，该工艺参数保存在参数数据库中并可以作为下一次焊接的优化参数。
附图说明
图1是本发明中装置的结构示意图。
图2是本发明中工艺方法的工作流程示意图。
图3是本发明中坡口和焊缝形貌示意图。
图4是本发明具体实施例中进行曲线拟合的坡口示意图。
图5是神经网络反向传播算法结构图。
附图中，1、焊枪，2、刮渣装置，3、数据处理系统，4、第一图像采集系统，5、第二图像采集系统，6、焊前坡口，7、焊后焊缝。
具体实施方式
本发明涉及一种直缝埋弧焊自动控制焊缝形貌的装置及其工艺方法，所述的装置包括前后依次设置的焊枪1和刮渣装置2，所述的焊枪1前端设置有第一图像采集系统4，刮渣装置2的后端设置有第二图像采集系统5，本装置还设置有数据处理系统3，第一图像采集系统4和第二图像采集系统5均与数据处理系统3输入端相连接，数据处理系统3输出端分别与焊枪1和刮渣装置2连接，数据处理系统3中预设有焊接参数数据库，利用该装置进行直缝埋弧焊焊缝形貌的自动控制，所述的第一图像采集系统4和第二图像采集系统5分别进行焊前坡口6图像和焊后焊缝7图像的采集并传送至数据处理系统3进行处理，数据处理系统3根据预设的焊接参数数据库选取最优的焊接工艺参数，最终实现直缝埋弧焊焊缝形貌的控制。
具体实施例，如图1至图5所示，数据处理系统3为CPU，该CPU中包括：1、焊缝形貌图像处理子系统，用于完成图像输入、图像处理、建立焊缝形貌数据模型；2、焊接参数数据库，其由焊接基本情况、焊接质量参数、焊接工艺参数、焊缝形貌图像及形貌数学模型四个数据子库构成，通过搜索查询获取相关焊接信息；3、焊缝形貌评价系统，主要功能是在焊缝形貌描述的基础上，对焊缝形貌做全方位、多参数的评价，其中包括熔深、熔宽、余高、融合量及焊偏量，最终找出最佳的焊缝形貌及其对应的焊接工艺参数，具体的工艺方法步骤如下所示：
a、在数据处理系统3中预设焊接参数数据库，其由焊接基本情况、焊接质量参数、焊接工艺参数、焊缝形貌图像及形貌数学模型四个数据子库构成，通过搜索查询获取相关焊接信息，其中焊接基本情况子库按照生产焊接中的管线钢实际情况，包含材质、板厚、生产机组、生产管号、焊丝牌号及焊丝直径的基本参数；焊接质量参数子库包括焊缝的熔深、熔宽、余高、融合量及焊偏量的基本参数；焊接工艺参数子库收录实际焊接生产中工艺参数，如焊接电压、焊接电流、送丝速度、焊接速度；焊缝形貌图像及形貌数学模型子库收录焊缝形貌及数学模型方程，可以利用计算机实现焊缝形貌的恢复，保留测量依据。
b、第一图像采集系统4是激光视觉传感器，激光视觉传感器包括1个CCD摄像机和1个激光发射器，激光发射器作为光源，以一定的角度将激光投射到激光视觉传感器下部的焊缝坡口位置，摄像机镜头前有光学滤片器，只允许激光进入，滤去其他杂散光线，最后进入CCD摄像机成像，CCD摄像机获取焊缝形貌的图像，经过数字解码、A/D转换等处理，将光信号转换成电信号，传送至焊接参数数据库内；
c、针对焊前坡口6的形状，焊接参数数据库建立坡口形状的数学模型，根据焊接参数数据库优化焊枪1的焊接工艺参数，焊接工艺参数包括电流、电压、送丝速度及焊接速度，焊枪1根据最优化焊接工艺参数完成对坡口的焊接操作；
d、刮渣装置2对焊接后的焊缝进行刮渣操作；
e、第二图像采集系统5也是激光视觉传感器，用于采集焊缝形貌图像，并将图像传送至数据处理系统，数据处理系统对焊缝形貌图像进行处理得到焊后焊缝7的外观参数，外观参数包括熔深、熔宽、余高、融合量及焊偏量；
f、数据处理系统中的焊缝形貌评价系统将焊后焊缝的外观参数与焊接参数数据库中的外观参数进行对比、分析，焊接参数数据库中的外观参数即为焊接质量参数子库中涉及的参数，其参数项目与焊后焊缝的外观参数的项目相同，能够进行一一对比，最后得出最佳的焊缝形貌及相对应的焊接工艺参数，在下一次焊接过程中，优化后的焊接工艺参数可以对焊接的过程进行优化指导。
焊前坡口6和焊后焊缝7的图像处理流程如下：CPU中的图像处理子系统采用快速图像处理算法，首先提取处理区域，将原始图像进行焊缝区域针对性裁剪，减少了图像的冗余信息，提高了图像处理速度。然后对裁剪的图像进行滤波降噪，基本上消除了飞溅、弧光、烟雾和电噪声等干扰信号。再通过图像阈值分割处理，使目标区域和背景相分离，然后再通过边缘检测算法处理，检测出目标区域的边缘特征，突出目标图像轮廓。原始现场图像通过计算机图像预处理后，坡口和焊缝形貌图像更加明显化，便于以后的目标特征量的提取。
经过计算机图像预处理后，得到一幅包含坡口和焊缝形貌所有基本参数的图像，然后对数字图像焊缝形状的曲线进行坐标变换，将图像中各参数以像素为单位的坐标系坐标，转换成以毫米为单位的坐标系坐标。焊缝的截面轮廓形状是不规则的曲面图形，根据焊缝剖面形状特征，将焊缝分解成若干部分，包含直线、双曲线、抛物线等，每一部分用各自的曲线方程描述，然后利用最小二乘法对各部分进行拟合，最终选择出误差最小的曲线方程为最佳拟合曲线方程，再通过曲线方程求得焊缝特征点坐标值，进而计算出坡口和焊缝几何尺寸。如图4，以坡口图像为例，坡口轮廓形状比较规则，但为了更精确的提取坡口特征参数，采用最小二乘法拟合出AB、BO、OC和CD四条直线方程，然后对这四条直线方程求交点，即B、O和C点坐标值，B、C两点Y轴坐标平均值与O点Y轴坐标值距离即为坡口的熔深，B、C之间X轴坐标值距离即为坡口的熔宽。同理，虽然焊缝轮廓形状更为复杂，分解成各部分包含多种曲线，但是根据上述方法也可以求得焊缝形貌的几何尺寸。
因为焊缝形貌是根据焊接工艺参数变化而变化的，焊缝形貌评价系统正是依据两者的变化规律，采用神经网络的反向传播算法，运用逆向思维，对于给定的焊缝几何形状参数，有一套相对应的焊接工艺参数。多参数输入变量层、隐含层及多参数输出变量层构成神经网络的反向传播算法模型，输入变量层为焊接质量参数，输出变量层为焊接工艺参数。神经网络反向传播算法以输入变量层为基础，信号通过隐含层正向传播给输出变量层，若输出层的实际输出与期望的输出不符，误差将以某种形式反向传播，不断学习修正各层单元的数值，将误差减小到可接受的范围，最终选出最合理、最有效的焊接方案。
本发明通过建立焊接的自动控制系统进行焊缝形貌的精确控制，基于焊接参数数据库来指导焊枪的焊接操作并保证焊接质量，而且在每次焊接完成后对焊后焊缝的形貌进行评价，用以得出最佳的焊缝形貌和相对应的焊接工艺参数，该焊接工艺参数对于已有的焊接参数数据库进行及时的改善，最后达到改善下一次焊接质量的目的，该工艺方法中涉及的曲线拟合的方法为坡口和焊缝的数字化操作提供了基础，实现了焊缝形貌的量化，最终达到数据处理系统自动控制焊缝形貌的目的。
本发明通过对焊前坡口和焊后焊缝形貌的两次图像采集，根据第一次图像采集焊前坡口轮廓的几何尺寸，以计算机焊接参数数据库为原型，预测出最合理、有效的焊接工艺参数，指导现场焊接。在生产过程中，第二次图像采集系统实时采集焊后焊缝形貌的几何尺寸，对焊前预测出的焊接工艺参数进行及时的修正，进而焊接出符合工艺要求的优质焊缝。计算机软件系统中图像处理子系统采用快速图像算法，减少图像冗长信息，提高目标特征量图像的处理时间；焊接参数数据库以原有各参数的信息为基础，将实时采集到的图像进行及时的补入，数据库更加全面和完善；焊缝形貌评价系统采用的神经网络反向传播算法，其运算速度快，预测出的焊接方案有效合理。本发明所采用的工艺方法和装置自动化程度高，能够在对焊缝形貌精确控制的同时，大大提高生产效率。

Claims (6)

1.一种直缝埋弧焊自动控制焊缝形貌的装置，包括前后依次设置的焊枪(1)和刮渣装置(2)，其特征在于：所述的焊枪(1)前端设置有第一图像采集系统(4)，刮渣装置(2)的后端设置有第二图像采集系统(5)，本装置还设置有数据处理系统(3)，第一图像采集系统(4)和第二图像采集系统(5)均与数据处理系统(3)输入端相连接，数据处理系统(3)输出端分别与焊枪(1)和刮渣装置(2)连接。
2.根据权利要求1所述的一种直缝埋弧焊自动控制焊缝形貌的装置，其特征在于：所述的第一图像采集系统(4)和第二图像采集系统(5)均为激光视觉传感器，激光视觉传感器包括CCD摄像机和激光发射器，且CCD摄像机镜头前设有光学滤片器。
3.如权利要求1所述装置涉及的一种直缝埋弧焊自动控制焊缝形貌的工艺方法，其特征在于，所述的第一图像采集系统(4)和第二图像采集系统(5)分别进行焊前坡口(6)图像和焊后焊缝(7)图像的采集并传送至数据处理系统(3)进行处理，数据处理系统(3)根据预设的焊接参数数据库选取最优的焊接工艺参数，最终实现直缝埋弧焊焊缝形貌的控制，所述的工艺方法包括以下步骤：
a、设置焊接参数数据库；
b、第一图像采集系统(4)采集焊前坡口(6)图像，并将图像传送至数据处理系统(3)，数据处理系统(3)对焊前坡口(6)图像进行处理并建立坡口形状的数学模型；
c、针对焊前坡口(6)的形状，根据焊接参数数据库优化焊枪(1)的焊接工艺参数，焊枪(1)完成对坡口焊接操作；
d、刮渣装置(2)对焊接后的焊缝进行刮渣操作；
e、第二图像采集系统(5)采集焊后焊缝(7)图像，并将图像传送至数据处理系统(3)，数据处理系统(3)对焊后焊缝(7)图像进行处理得到焊缝形貌的外观参数；
f、数据处理系统(3)将焊后焊缝(7)的外观参数与焊接参数数据库中储存的外观参数进行对比、分析，最后得出最佳的焊缝形貌及相对应的焊接工艺参数。
4.根据权利要求3所述的一种直缝埋弧焊自动控制焊缝形貌的工艺方法，其特征在于：所述的焊接参数数据库由焊接基本情况、焊接质量参数、焊接工艺参数、焊缝形貌图像及形貌数学模型四个数据子库构成，所述的焊接基本情况子库按照生产焊接中的管线钢实际情况，包含材质、板厚、生产机组、生产管号、焊丝牌号及焊丝直径的基本参数；焊接质量参数子库包括焊缝的熔深、熔宽、余高、融合量及焊偏量的基本参数；焊接工艺参数子库收录实际焊接生产中工艺参数，包括焊接电压、焊接电流、送丝速度及焊接速度；焊缝形貌图像及形貌数学模型子库收录焊缝形貌及数学模型方程。
5.根据权利要求3所述的一种直缝埋弧焊自动控制焊缝形貌的工艺方法，其特征在于：所述的外观参数包括熔深、熔宽、余高、融合量及焊偏量。
6.根据权利要求3所述的一种直缝埋弧焊自动控制焊缝形貌的工艺方法，其特征在于：所述的焊接工艺参数包括焊接电流、焊接电压、送丝速度及焊接速度。
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Denomination of invention: A device for automatically controlling weld morphology of longitudinal submerged arc welding and its process method

Effective date of registration: 20220128

Granted publication date: 20180417

Pledgee: China Construction Bank Corporation Yanshan sub branch

Pledgor: HEBEI CANG HAI NUCLEAR EQUIPMENT TECHNOLOGY Co.,Ltd.

Registration number: Y2022110000028

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