CN106238867A - 一种施加自适应平峰脉冲信号窄间隙焊接控制系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及公开了一种施加自适应平峰脉冲信号窄间隙焊接控制系统及方法，用于改善窄间隙侧壁熔合不良的焊接状态，该窄间隙焊接控制系统由智能摆动调节器、自适应侧壁熔合控制器、窄间隙功放电路、平峰波形电路、励磁装置、弧焊电源、电子式电流互感器、变频功率传感器等部分组成。该方法的主要特征是：在窄间隙焊接过程中，利用电子式电流互感器和变频功率传感器对焊接电弧信号进行采样，采用智能摆动调节器和自适应侧壁熔合控制器对输出的数据信号进行处理、分析和调控，实现智能化窄间隙侧壁熔合。

Description

一种施加自适应平峰脉冲信号窄间隙焊接控制系统及方法

技术领域

本发明涉及一种施加自适应平峰脉冲信号窄间隙焊接控制系统及方法。

背景技术

随着中国制造2025的提出，焊接技术的要求也在逐步提高，要使市场竞争力得到有效提高，当务之急是提高焊接的自动化和智能化。窄间隙焊接在厚板、超厚板焊接金属结构的应用也愈来愈广泛，特别是造船、核电、锅炉等行业对厚板、厚管、超厚板需求越来越多，随着焊接结构的大型化，要求得到越来越良好的焊接接头性能。而窄间隙焊接时，因焊接线能量小、熔敷效率高、焊接接头性能强等特点，但对厚管、厚板进行窄间隙焊接时，往往会出现坡口侧壁未熔合问题。

目前针对侧壁融合的问题，常用窄间隙焊接方法有以下几种：一、双丝焊接时，焊丝分别朝向两侧壁；二、单丝焊接时，坡口内的焊枪偏摆；三、弯曲焊丝并沿中心轴轴向旋转；四、通过波浪曲线焊丝焊接；五、通过麻花弯曲焊丝焊接；而以上方法解决焊缝侧壁熔合不良的问题，均通过机械运动部件来改变焊丝的形状或者是焊丝的运动形态，在焊接过程中，智能化和自动化不高，极易造成机械部件磨损，机械过热、噪音过大，寿命过短等问题。

发明内容

本发明的目的是解决窄间隙焊接中所出现的侧壁熔合不良的问题，改善窄间隙焊接质量，提高窄间隙焊接效率，提出一种施加自适应平峰脉冲信号窄间隙焊接控制系统及方法。

本发明的目的是通过如下的技术方案来实现的：如图1所示，施加自适应平峰脉冲信号的窄间隙焊接系统由智能摆动调节器、自适应侧壁熔合控制器、窄间隙功放电路、平峰波形电路、励磁装置、弧焊电源、电子式电流互感器、变频功率传感器等部分组成，利用电子式电流互感器和变频功率传感器对输出信号进行检测和采集数据；根据采集信号，通过智能摆动调节器和自适应侧壁熔合控制器的处理、分析，然后智能地调节励磁装置的平峰脉冲信号，实现窄间隙侧壁熔合。

智能摆动调节器包括智能信号处理模块、智能摆动调节模块和反馈模块；通过智能信号处理模块实时对摆动电弧信号进行半周期采样处理，采用加速度变化率法实时检测位于窄间隙侧壁的摆动电弧，当电弧未摆动至Ⅱ或Ⅲ处时，利用智能摆动调节模块对窄间隙功放电路进行调节，实现平峰电压脉冲信号的实时变化，一旦脉冲信号的改变，会影响电弧的摆动，通过反馈模块作用于智能摆动调节模块，形成闭环调节方式，最终保证电弧稳定地摆动至窄间隙侧壁Ⅱ或Ⅲ处。

自适应侧壁熔合控制器包括功率补偿模块、线能量处理模块、线能量采样分析模块以及自适应侧壁熔合控制模块；通过功率补偿模块、线能量处理模块对变频功率传感器的输出信号进行功率补偿、信号处理，输送至线能量采样分析模块进行侧壁Ⅱ或Ⅲ处区域的八分之一采样分析，利用自适应侧壁熔合控制模块对平峰波形电路进行智能控制，最终控制摆动电弧的热输入能量达到窄间隙侧壁熔合的要求，达到窄间隙侧壁熔合的目的。

窄间隙焊接时，焊接电弧受到平峰磁场的洛伦磁力作用而平峰式摆动，首先利用电子式电流互感器采集电流信号，系统通过处理得到加速度斜率和设置阈值后，根据加速度斜率最大值的连续对比，识别电弧是否摆动至窄间隙侧壁Ⅱ和Ⅲ处，如未到达，则智能摆动调节器连续调节平峰电压脉冲信号，使摆动电弧稳定地摆动至窄间隙侧壁；反之，则跳出闭环反馈调节，即利用变频功率传感器采集的功率信号，根据焊接线能量比值判断侧壁热输入量是否满足侧壁熔合条件，如未达到要求，则通过自适应侧壁熔合控制器控制平峰时间脉冲信号，使摆动电弧输入至侧壁的热输入能量快速满足侧壁熔合条件，当下一次半周期电流信号的到达时，重复上述步骤，直至系统每次调控都满足侧壁熔合条件，达到窄间隙焊接侧壁熔合。

由于电弧是等离子体，因此它将受到外界磁场对其的作用力。当磁场磁力线垂直通过电弧轴线且平行于焊接方向时，此时加的是横向磁场，由此产生摆动电弧，而磁场是有变化的电场所产生，励磁装置在通有变化的电流信号时，能够得到变化的电场，采用麦克斯韦方程对磁场中的电弧进行分析，可以得到焊接电弧在磁场中的受力和运动情况，具体麦克斯韦方程组形式如下：

$\▿\×E+\frac{dB}{dt}=0$

$\▿\×H-\frac{dD}{dt}=J$

$\▿\·B=0$

$\▿\·D=\mathrm{\ρ}$

两个辅助方程

J＝σE B＝μH

其中各物理参数如下：E为电场强度矢量，单位为V/m；B为磁通密度矢量，单位为Wb/m²；H为磁场强度矢量，单位为A/m；D为电位移矢量，单位为C/m²；J为传导电流密度矢量，单位为A/m²；ρ为电荷体密度，单位为C/m³；σ为磁导率；μ为电导率。

焊接电弧在受到外加磁场的作用下发生偏转，带电量为q的电荷以速度V进入磁场，磁场将对电荷q产生相应的洛仑兹力，使其发生偏转，公式如下：

$F=m\frac{dV}{dt}=q(V\×B)$

其中：m为电荷的质量，单位为C；V为电荷的运动速度，单位为m/s；B为磁感应强度向量，单位为T。综上分析可知，电弧在横向磁场的作用下将产生偏转行为，当施加交替变换方向的磁场时电弧产生同频率的摆动行为，故施加如图4中的平峰波形M，位于0-t1段时，电弧从起始位置向左摆动(规定U大于0为左)，电弧摆动最高点为U1，位于t1-t2段时，因不产生磁场，电弧瞬间停止摆动，位于t2-t3段时，再次受到变化的磁场作用，摆动电弧向左摆动，即从最高点U1往回摆动；而位于t3-t4段，除了电弧摆动方向与前面相反之外，即刚开始摆动方向为右，随后摆动方向为左，其他和0-t3的摆动形态一样。

窄间隙焊接侧壁熔合的实施步骤如下：

步骤1：电弧摆动的调节

当电弧受到平峰信号所产生的变化磁场的作用时，电弧会左右摆动而扫描到窄间隙，首先根据图6所示的窄间隙扫描坡口示意图，将扫描周期分为四部分，分别为Ⅰ→Ⅱ(右摆动)、Ⅱ→Ⅰ(左摆动)、Ⅰ→Ⅲ(左摆动)、Ⅲ→Ⅰ(右摆动)；当摆动电弧扫描到Ⅱ、Ⅲ区域时，会导致焊接电流波形出现异常现象，因此根据该特点，采用加速度变化率法来判断摆动电弧是否到达窄间隙侧壁Ⅱ，Ⅲ区域，其方法如下：

当窄间隙焊接时，电弧将从Ⅰ摆动X至Ⅱ，接着摆回到Ⅰ，然后继续摆动Y至Ⅲ，接着从Ⅲ摆动至Ⅰ，这将形成一个周期信号，经过滤波放大处理后，首先对X和Y进行均匀的2N-1等份分解，得到x₁，x₂，…，x_2n-1,x_2n和y₁，y₂，…，y_2n-1，y_2n等4N个数据和每个等份所对应的时间和等4T个数据，其次计算出电流的斜率分别得到和 等2N个数据，然后分别依次计算出X加速度变化率a_x和Y加速度变化率a_y得出摆动电弧到达左右侧壁的位置，其具体形式如下表示：

电流斜率为：

$k_T^x=\frac{\mathrm{\Δ}X}{\mathrm{\Δ}T},k_T^y=\frac{\mathrm{\Δ}Y}{\mathrm{\Δ}T}$

即：

$k_n^y=(X_{2n}-X_{2n-1})/(T_{y_{2n}}-T_{y_{2n-1}})$

电流斜率的时间为：

$T_{a_n}^x=T_{x_{2n-1}}+(T_{x_{2n}}-T_{x_{2n-1}})/2$

$T_{a_n}^y=T_{y_{2n-1}}+(T_{y_{2n}}-T_{y_{2n-1}})/2$

其加速度为:

$a_x=\frac{{\mathrm{\Δk}}_T^x}{{\mathrm{\ΔT}}_a^x},a_y=\frac{{\mathrm{\Δk}}_T^y}{{\mathrm{\ΔT}}_a^y}$

即：

$a_{y_1}=\frac{k_2^y-k_1^y}{T_{a_2}^y-T_{a_1}^y},a_{y_2}=\frac{k_3^y-k_2^y}{T_{a_3}^y-T_{a_2}^y},...,a_{y_{n-2}}=\frac{k_{n-1}^y-k_{n-2}^y}{T_{a_{n-1}}^y-T_{a_{n-2}}^y},a_{y_{n-1}}=\frac{k_n^y-k_{n-1}^y}{T_{a_n}^y-T_{a_{n-1}}^y}$

加速度变化率为：

${\mathrm{\Δa}}_{x_n}=a_{x_n}-a_{x_{n+1}},{\mathrm{\Δa}}_{y_n}=a_{y_n}-a_{y_{n+1}}$

即：

${\mathrm{\Δa}}_{x_1}=a_{x_1}-a_{x_2},{\mathrm{\Δa}}_{x_2}=a_{x_2}-a_{x_3},...,{\mathrm{\Δa}}_{x_{n-3}}=a_{x_{n-3}}-a_{x_{n-2}},{\mathrm{\Δa}}_{x_{n-2}}=a_{x_{n-2}}-a_{x_{n-1}}$

${\mathrm{\Δa}}_{y_1}=a_{y_1}-a_{y_2},{\mathrm{\Δa}}_{y_2}=a_{y_2}-a_{y_3},...,{\mathrm{\Δa}}_{y_{n-3}}=a_{y_{n-3}}-a_{y_{n-2}},{\mathrm{\Δa}}_{y_{n-2}}=a_{y_{n-2}}-a_{y_{n-1}}$

将和分别依次进行最大值比较法，得到最大值并连续判断两个和是否出现减少的趋势，如若是，则证明电弧已摆动至窄间隙侧壁Ⅱ、Ⅲ处，如若不是，则通过智能摆动调节器中的智能调节模块来调节图4中平峰波形M，快速地转变为平峰波形N，即：提高平峰电压脉冲信号的最大值，使U1快速变成U2，改变电弧的摆动，继续采样X和Y，重新计算判断是否到达侧壁Ⅱ、Ⅲ处，通过反馈模块反馈于智能调节模块，使其调节窄间隙功放电路，形成闭环调节，如图4所示，如摆动电弧仍然未到达侧壁Ⅱ、Ⅲ处，重复调节图4中平峰波形N，直至最终使电弧稳定地摆动至窄间隙侧壁。

步骤2：侧壁热输入量的控制

当电弧已摆动至窄间隙侧壁时，通过变频功率传感器对窄间隙侧壁Ⅱ、Ⅲ位置区域的八分之一进行信号采集，并作为输出信号输出至自适应侧壁熔合控制器，首先通过功率补偿模块补偿输出信号的损耗，再经由线能量处理模块进行信号处理，然后对处理后的输出信号均匀采样2N个数据，得到E₁，E₂，…，E_n-1，E_n等N个线能量数据和相对应的时间，分别为β₁，β₂，…，β_n-1，β_n，β_n+1等N+1个时间数据，经过利用线能量的总能量w_E与标准的焊接线能量标准值的总能量相商，得出线能量比值d，其具体形式如下所示：

焊接线能量是指熔焊时，由焊接热源输入给单位长度焊缝的能量。焊接线能量的计算过程如下：

功率补偿：

P＝χ×Po

其中：P为补偿后的功率，单位为J/s；χ为功率补偿因子；Po为电弧功率，单位为J/s。

有效热功率：

P_η＝η×P＝ηχPo

其中：P_η为有效热功率，单位为J/s；η为有效功率系数，焊条电弧焊为0.74～0.87、埋弧焊为0.77～0.90、交流钨极氩弧焊为0.68～0.85、直流钨极氩弧焊为0.78～0.85，无特别说明时，取中间值。

焊接线能量：

E＝P_η/v

其中：E为焊接线能量，单位为J/cm；v为焊接速度cm/s。

焊接线能量比值：

其中：d为焊接线能量比值；为标准焊接线能量。

侧壁熔合条件：

d≤1-ε

根据窄间隙坡口形状、尺寸、工件侧壁的厚度、焊接工艺标准、焊接环境、焊接方法得出所有适用窄间隙焊接下各个不同焊接线能量标准值和误差参数值ε，在正常的焊接状态下，根据不同的工件，设置不同的焊接线能量参考值误差参数值ε，然后判断d是否满足窄间隙侧壁熔合条件，如若不满足条件，则通过自适应侧壁熔合控制模块快速控制图5中的平峰波形M为平峰波形Q，即：增加平峰时间脉冲信号，使t3快速改变成t4，并根据判断是否满足预定侧壁熔合条件，如仍然未满足条件，再次控制图5中平峰时间脉冲信号，提高侧壁热输入量，直至最终达到侧壁熔合。

本发明的有益效果是：本发明提出一种施加自适应平峰脉冲信号窄间隙焊接控制系统及方法，该系统是由智能摆动调节器、自适应侧壁熔合控制器、窄间隙功放电路、平峰波形电路、励磁装置、弧焊电源、电子式电流互感器、变频功率传感器等部分组成；采用智能摆动调节器调节窄间隙功放电路与自适应侧壁熔合控制器控制平峰波形发生电路相结合，共同改变平峰脉冲信号，最终通过励磁装置控制电弧的摆动，达到窄间隙焊接中侧壁熔合不良的目的。

附图说明

图1为本发明的系统原理示意图

图2为本发明闭环反馈调节示意图

图3为本发明系统控制流程图

图4为本发明平峰电压U脉冲信号变化图

图5为本发明平峰时间t脉冲信号变化图

图6为本发明窄间隙扫描坡口示意图

图中：1-窄间隙焊枪，2-U型坡口，3-摆动电弧

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细的描述。

实施例1，参见图1，本发明提出一种施加自适应平峰脉冲信号窄间隙焊接控制系统及方法，该系统是由智能摆动调节器、自适应侧壁熔合控制器、窄间隙功放电路、平峰波形电路、励磁装置、弧焊电源、电子式电流互感器、变频功率传感器等组成，该方法利用电子式电流互感器和变频功率传感器对输出信号进行检测和采集数据；根据采集信号，通过智能摆动调节器和自适应侧壁熔合控制器的处理、分析，然后智能地调节励磁装置的平峰脉冲信号，实现窄间隙侧壁熔合。

所述的智能摆动调节器包括智能信号处理模块、智能摆动调节模块和反馈模块；通过智能信号处理模块实时对摆动电弧信号进行半周期采样处理，采用加速度变化率法实时检测位于窄间隙侧壁的摆动电弧，当电弧未摆动至Ⅱ或Ⅲ处时，利用智能摆动调节模块对窄间隙功放电路进行调节，实现平峰电压脉冲信号的实时变化，一旦脉冲信号的改变，会影响电弧的摆动，通过反馈模块作用于智能摆动调节模块，形成闭环调节方式，最终保证电弧稳定地摆动至窄间隙侧壁Ⅱ或Ⅲ处。

所述的自适应侧壁熔合控制器包括功率补偿模块、线能量处理模块、线能量采样分析模块以及自适应侧壁熔合控制模块；通过功率补偿模块、线能量处理模块对变频功率传感器的输出信号进行功率补偿、信号处理，输送至线能量采样分析模块进行侧壁Ⅱ或Ⅲ处区域的八分之一采样分析，利用自适应侧壁熔合控制模块对平峰波形电路进行智能控制，最终控制摆动电弧的热输入能量达到窄间隙侧壁熔合的要求，达到窄间隙侧壁熔合的目的。

所述的窄间隙焊接时，焊接电弧受到平峰磁场的洛伦磁力作用而平峰式摆动，首先利用电子式电流互感器采集电流信号，系统通过处理得到加速度斜率和设置阈值后，根据加速度斜率最大值的连续对比，识别电弧是否摆动至窄间隙侧壁Ⅱ和Ⅲ处，如未到达，则智能摆动调节器连续调节平峰电压脉冲信号，使摆动电弧稳定地摆动至窄间隙侧壁；反之，则跳出闭环反馈调节，即利用变频功率传感器采集的功率信号，根据焊接线能量比值判断侧壁热输入量是否满足侧壁熔合条件，如未达到要求，则通过自适应侧壁熔合控制器控制平峰时间脉冲信号，使摆动电弧输入至侧壁的热输入能量快速满足侧壁熔合条件，当下一次半周期电流信号的到达时，重复上述步骤，直至系统每次调控都满足侧壁熔合条件，达到窄间隙焊接侧壁熔合。

由于电弧是等离子体，因此它将受到外界磁场对其的作用力。当磁场磁力线垂直通过电弧轴线且平行于焊接方向时，此时加的是横向磁场，由此产生摆动电弧，而磁场是有变化的电场所产生，励磁装置在通有变化的电流信号时，能够得到变化的电场，采用麦克斯韦方程对磁场中的电弧进行分析，可以得到焊接电弧在磁场中的受力和运动情况，具体麦克斯韦方程组形式如下：

$\▿\×E+\frac{dB}{dt}=0$

$\▿\×H-\frac{dD}{dt}=J$

$\▿\·B=0$

$\▿\·D=\mathrm{\ρ}$

两个辅助方程

J＝σE B＝μH

其中各物理参数如下：E为电场强度矢量，单位为V/m；B为磁通密度矢量，单位为Wb/m²；H为磁场强度矢量，单位为A/m；D为电位移矢量，单位为C/m²；J为传导电流密度矢量，单位为A/m²；ρ为电荷体密度，单位为C/m³；σ为磁导率；μ为电导率。

焊接电弧在受到外加磁场的作用下发生偏转，带电量为q的电荷以速度V进入磁场，磁场将对电荷q产生相应的洛仑兹力，使其发生偏转，公式如下：

$F=m\frac{dV}{dt}=q(V\×B)$

其中：m为电荷的质量，单位为C；V为电荷的运动速度，单位为m/s；B为磁感应强度向量，单位为T。综上分析可知，电弧在横向磁场的作用下将产生偏转行为，当施加交替变换方向的磁场时电弧产生同频率的摆动行为，故施加如图4中的平峰波形M，位于0-t1段时，电弧从起始位置向左摆动(规定U大于0为左)，电弧摆动最高点为U1，位于t1-t2段时，因不产生磁场，电弧瞬间停止摆动，位于t2-t3段时，再次受到变化的磁场作用，摆动电弧向左摆动，即从最高点U1往回摆动；而位于t3-t4段，除了电弧摆动方向与前面相反之外，即刚开始摆动方向为右，随后摆动方向为左，其他和0-t3的摆动形态一样。

当电弧受到平峰信号所产生的变化磁场的作用时，电弧会左右摆动而扫描到窄间隙，首先根据图6所示的窄间隙扫描坡口示意图，将扫描周期分为四部分，分别为Ⅰ→Ⅱ(右摆动)、Ⅱ→Ⅰ(左摆动)、Ⅰ→Ⅲ(左摆动)、Ⅲ→Ⅰ(右摆动)；当摆动电弧扫描到Ⅱ、Ⅲ区域时，会导致焊接电流波形出现异常现象，因此根据该特点，采用加速度变化率法来判断摆动电弧是否到达窄间隙侧壁Ⅱ，Ⅲ区域，其方法如下：

当窄间隙焊接时，电弧将从Ⅰ摆动X至Ⅱ，接着摆回到Ⅰ，然后继续摆动Y至Ⅲ，接着从Ⅲ摆动至Ⅰ，这将形成一个周期信号，经过滤波放大处理后，首先对X和Y进行均匀的2N-1等份分解，得到x₁，x₂，…，x_2n-1,x_2n和y₁，y₂，…，y_2n-1，y_2n等4N个数据和每个等份所对应的时间和等4T个数据，其次计算出电流的斜率分别得到和 等2N个数据，然后分别依次计算出X加速度变化率a_x和Y加速度变化率a_y得出摆动电弧到达左右侧壁的位置，其具体形式如下表示：

电流斜率为：

$k_T^x=\frac{\mathrm{\Δ}X}{\mathrm{\Δ}T},k_T^y=\frac{\mathrm{\Δ}Y}{\mathrm{\Δ}T}$

即：

$k_n^y=(X_{2n}-X_{2n-1})/(T_{y_{2n}}-T_{y_{2n-1}})$

电流斜率的时间为：

$T_{a_n}^x=T_{x_{2n-1}}+(T_{x_{2n}}-T_{x_{2n-1}})/2$

$T_{a_n}^y=T_{y_{2n-1}}+(T_{y_{2n}}-T_{y_{2n-1}})/2$

其加速度为:

$a_x=\frac{{\mathrm{\Δk}}_T^x}{{\mathrm{\ΔT}}_a^x},a_y=\frac{{\mathrm{\Δk}}_T^y}{{\mathrm{\ΔT}}_a^y}$

即：

$a_{y_1}=\frac{k_2^y-k_1^y}{T_{a_2}^y-T_{a_1}^y},a_{y_2}=\frac{k_3^y-k_2^y}{T_{a_3}^y-T_{a_2}^y},...,a_{y_{n-2}}=\frac{k_{n-1}^y-k_{n-2}^y}{T_{a_{n-1}}^y-T_{a_{n-2}}^y},a_{y_{n-1}}=\frac{k_n^y-k_{n-1}^y}{T_{a_n}^y-T_{a_{n-1}}^y}$

加速度变化率为：

${\mathrm{\Δa}}_{x_n}=a_{x_n}-a_{x_{n+1}},{\mathrm{\Δa}}_{y_n}=a_{y_n}-a_{y_{n+1}}$

即：

${\mathrm{\Δa}}_{x_1}=a_{x_1}-a_{x_2},{\mathrm{\Δa}}_{x_2}=a_{x_2}-a_{x_3},...,{\mathrm{\Δa}}_{x_{n-3}}=a_{x_{n-3}}-a_{x_{n-2}},{\mathrm{\Δa}}_{x_{n-2}}=a_{x_{n-2}}-a_{x_{n-1}}$

${\mathrm{\Δa}}_{y_1}=a_{y_1}-a_{y_2},{\mathrm{\Δa}}_{y_2}=a_{y_2}-a_{y_3},...,{\mathrm{\Δa}}_{y_{n-3}}=a_{y_{n-3}}-a_{y_{n-2}},{\mathrm{\Δa}}_{y_{n-2}}=a_{y_{n-2}}-a_{y_{n-1}}$

将和分别依次进行最大值比较法，得到最大值并连续判断两个和是否出现减少的趋势，如若是，则证明电弧已摆动至窄间隙侧壁Ⅱ、Ⅲ处，如若不是，则通过智能摆动调节器中的智能调节模块来调节图4中平峰波形M，快速地转变为平峰波形N，即：提高平峰电压脉冲信号的最大值，使U1快速变成U2，改变电弧的摆动，继续采样X和Y，重新计算判断是否到达侧壁Ⅱ、Ⅲ处，通过反馈模块反馈于智能调节模块，使其调节窄间隙功放电路，形成闭环反馈调节，如图3所示，如摆动电弧仍然未到达侧壁Ⅱ、Ⅲ处，重复调节图4中平峰波形N，直至最终使电弧稳定地摆动至窄间隙侧壁。

实施例2，当电弧已摆动至窄间隙侧壁时，通过变频功率传感器对侧壁Ⅱ、Ⅲ位置区域的八分之一进行信号采集，并作为输出信号输出至自适应侧壁熔合控制器，首先通过功率补偿模块补偿输出信号的损耗，再经由线能量处理模块进行信号处理，然后对处理后的输出信号均匀采样2N个数据，得到E₁，E₂，…，E_n-1，E_n等N个线能量数据和相对应的时间，分别为t₁，t₂，…，t_n-1，t_n，t_n+1等N+1个时间数据，经过利用线能量的总能量w_E与标准的焊接线能量标准值的总能量相商，得出线能量比值d，其具体形式如下所示：

焊接线能量是指熔焊时，由焊接热源输入给单位长度焊缝的能量。焊接线能量的计算过程如下：

功率补偿：

P＝χ×Po

其中：P为补偿后的功率，单位为J/s；χ为功率补偿因子；Po为电弧功率，单位为J/s。

有效热功率：

P_η＝η×P＝ηχPo

其中：P_η为有效热功率，单位为J/s；η为有效功率系数，焊条电弧焊为0.74～0.87、埋弧焊为0.77～0.90、交流钨极氩弧焊为0.68～0.85、直流钨极氩弧焊为0.78～0.85，无特别说明时，取中间值。

焊接线能量：

E＝P_η/v

其中：E为焊接线能量，单位为J/cm；v为焊接速度cm/s。

焊接线能量比值d：

其中：d为焊接线能量比值；为标准焊接线能量。

侧壁熔合条件：

d≤1-ε

根据窄间隙坡口形状、尺寸、工件侧壁的厚度、焊接工艺标准、焊接环境、焊接方法得出所有适用窄间隙焊接下各个不同焊接线能量标准值和误差参数值ε，在正常的焊接状态下，根据不同的工件，设置不同的焊接线能量参考值误差参数值ε，然后判断d是否满足窄间隙侧壁熔合条件，如若不满足条件，则通过自适应侧壁熔合控制模块快速控制图5中的平峰波形M为平峰波形Q，即：增加平峰时间脉冲信号，使t3快速改变成t4，并根据判断是否满足预定侧壁熔合条件，如仍然未满足条件，再次控制图5中平峰时间脉冲信号，提高侧壁热输入量，直至最终达到侧壁熔合条件。

实施例3，本发明同样适用于所有具有U型坡口的任何窄间隙焊接方法的焊接。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，在不脱离本发明原理的前提下所作出的若干改进，都视为本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种施加自适应平峰波形信号窄间隙焊接控制系统及方法，其特征是：该系统由智能摆动调节器、自适应侧壁熔合控制器、窄间隙功放电路、平峰波形电路、励磁装置、弧焊电源、电子式电流互感器、变频功率传感器等部分组成，该方法利用电子式电流互感器和变频功率传感器对输出信号进行检测和采集；根据采集信号，通过智能摆动调节器和自适应侧壁熔合控制器的处理、分析，然后智能地调节励磁装置的平峰脉冲信号，解决窄间隙侧壁熔合不良的问题。

2.根据权利要求1所述一种施加自适应平峰脉冲信号窄间隙焊接控制系统及方法，其特征是：智能摆动调节器包括智能信号处理模块、智能摆动调节模块和反馈模块；通过智能信号处理模块实时对摆动电弧信号进行半周期采样处理，采用加速度变化率法实时检测位于窄间隙侧壁的摆动电弧，当电弧未摆动至Ⅱ或Ⅲ处时，利用智能摆动调节模块对窄间隙功放电路智能调节，实现平峰电压脉冲信号的实时变化，一旦脉冲信号的改变，会影响电弧的摆动，通过反馈模块作用于智能摆动调节模块，形成闭环调节方式，最终保证电弧稳定地摆动至窄间隙侧壁Ⅱ或Ⅲ处。

3.根据权利要求1所述一种施加自适应平峰脉冲信号窄间隙焊接控制系统及方法，其特征是：自适应侧壁熔合控制器包括功率补偿模块、线能量处理模块、线能量采样分析模块以及自适应侧壁熔合控制模块；通过功率补偿模块、线能量处理模块对变频功率传感器的输出信号进行功率补偿、信号处理，输送至线能量采样分析模块进行侧壁Ⅱ或Ⅲ处区域的八分之一采样分析，利用自适应侧壁熔合控制模块对平峰波形电路进行进行控制，最终控制摆动电弧的热输入能量达到窄间隙侧壁熔合的要求，达到窄间隙侧壁熔合的目的。

4.根据权利要求1所述一种施加自适应平峰脉冲信号窄间隙焊接控制系统及方法，其特征是：窄间隙焊接时，焊接电弧受到平峰磁场的洛伦磁力作用而平峰式摆动，首先利用电子式电流互感器采集电流信号，系统通过处理得到加速度斜率和设置阈值后，根据加速度斜率最大值的连续对比，识别电弧是否摆动至窄间隙侧壁Ⅱ和Ⅲ处，如未到达，则智能摆动调节器连续调节平峰电压脉冲信号，使摆动电弧稳定地摆动至窄间隙侧壁；反之，则跳出闭环反馈调节，即利用变频功率传感器采集的功率信号，根据焊接线能量比值判断侧壁热输入量是否满足侧壁熔合条件，如未达到要求，则通过自适应侧壁熔合控制器控制平峰时间脉冲信号，使摆动电弧输入至侧壁的热输入能量快速满足侧壁熔合条件，当下一次半周期电流信号的到达时，重复上述步骤，直至系统每次调控都满足侧壁熔合条件，达到窄间隙焊接侧壁熔合。