CN109128440A - 一种基于超声电弧的铝合金tig跟踪方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及了一种基于超声电弧的铝合金TIG跟踪方法，用于解决铝合金TIG单道焊熔深浅、焊接效率低、人工焊接焊缝质量差的缺点。该方法设计了小角度的二次曝光全息干涉法，利用该方法确定氧化物活性剂、氯化物活性剂、氟化物活性剂以及它们之间的混合活性剂对电弧等离子体的影响，选择聚弧效果最好的一组活性剂作为实验材，涂覆选择的活性剂并对TIG电弧同轴方向加载超声，焊接开始后，把焊接电流的波形提取出来，设计半保留滤波的包络线取值，进行跟踪，通过小角度二次曝光全息干涉法来验证该方法的可行性。本方法具有普通超声电弧复合焊接的优点，而且把超声电弧和表面活性剂融合起来。

Description

一种基于超声电弧的铝合金TIG跟踪方法

技术领域

本发明涉及了铝合金TIG自动焊焊接领域，是一种基于超声电弧的铝合金TIG跟踪方法，能对铝合金TIG焊焊接质量优化的同时，实现自动化。

背景技术

铝合金TIG焊焊接以其具有的焊接过程稳定、焊缝成形性好、焊缝组织质量高而被广泛应用，但是单道焊熔深浅、焊接效率低的缺点限制了自身的应用范围。除此之外铝合金材料的造价较高，而人工焊接的成功率总是差强人意，由于这些情况的存在，大大限制了铝合金板材的应用。

就目前来看，铝合金的各种焊接方法已经被广泛深入的研究了，但是很少有人研究铝合金焊接的自动化，而且也无法保证铝合金厚板的焊接质量与效率，一般他们在研究铝合金焊接方法的可行性，并不能实现铝合金焊接的自动化，也无法对焊缝区域进行优化，如清华大学吴敏生等人申请的专利一种基于电弧超声的钛合金焊接方法、哈尔滨工业大学范成磊等人申请的专利一种铝合金脉冲超声电弧复合焊接装置及其焊接方法和一种超声电弧复合焊接装置、他们的主要的处理目的是把超声运用到焊接中，使焊接接头的晶粒细化，提高板材的内部性能，但是这种方法对焊接铝合金的厚板来说，焊缝熔深不一定满足要求，因此不完全适用，而且他们也没有考虑到焊接自动化的方面。

在本方法中，考虑到这个问题后，决定在焊接零件的表面涂覆一层活性剂，基于超声和表面活性的协同作用可以大大提高焊缝熔深，与此同时，利用超声电弧电流的改变作为传感信号来实现铝合金焊接时焊缝的自动跟踪，而本方法的跟踪方式和南昌大学的马国红等人申请的专利铝合金自动焊双目视觉熔池监控传感器、江苏天宏自动化科技有限公司的张秋白等人申请的专利铝合金轮毂视觉识别系统相比，克服了传统的铝合金焊缝的视觉识别时的反光影响，为铝合金TIG焊焊缝跟踪提供了一种新的思路。

发明内容

为了解决上述问题，因此本发明的目的在于提供一种基于超声电弧的铝合金TIG跟踪方法，除了能够优化铝合金焊接的焊缝质量，还能够实现自动化焊接。

为了实现本发明的目的，本发明包括如下的技术方案，主要包括以下步骤：

(1)设计小角度的二次曝光全息干涉法光路，减少参考光的光程，暗箱的尺寸，在全息干板上得到清晰的干涉条纹。

(2)用小角度小角度的二次曝光全息干涉法确定氧化物活性剂、氯化物活性剂、氟化物活性剂以及它们之间的混合活性剂对电弧等离子体的影响，选择聚弧效果最好的一组活性剂作为实验材料。

(3)涂覆活性剂并对TIG电弧同轴方向加载超声，开始焊接，当电弧位置变化时，电弧自身参数相应发生变化，把电弧电流的波形提取出来，进行半保留滤波的包络线取值，电弧电流的变化反映出焊炬导电嘴至工件坡口表面距离的变化，进而根据电弧的运动形式及焊炬与工件的相对位置关系，推导出焊炬与焊缝间的相对位置偏差量，电弧参数的静态变化和动态变化都可以作为特征信号被提取出来，实现高低及水平两个方向的跟踪控制，从而实现铝合金TIG焊接的实时跟踪。

(4)通过小角度的二次曝光全息干涉法来依次判断直接在TIG、B-TIG、U-TIG、超声和表面活性剂共存的四种情况焊接时的干涉情况来验证超声和表面活性剂对TIG聚弧的积极影响，从而验证超声和表面活性剂共存可以提高TIG焊接效率。

更具体的说，在所述的一种基于超声电弧的铝合金TIG跟踪方法中，所述的小角度的二次曝光全息干涉法光路是在传统的基础之上，使参考光最终通过的扩束镜和物光最终通过的毛玻璃到达极限最小位置，并把传统的光路中的参考光和物光两部分保留下来，涉及的光学元件主要有分光镜、反射镜、扩束镜及准直透镜，为了更好地完成电弧等离子场的全息干涉度量实验，特在光路中配备了曝光快门、滤光片、衰减器、暗箱及在防震台上物光和参考光光路中央的隔断，最终把物光和参考光之间的角度由45°调整为25°。

所述的半保留滤波的包络线取值是在涂覆活性剂并对TIG电弧同轴方向加载超声，开始焊接后，当电弧位置变化时，电弧自身参数相应发生变化，把电弧电流的波形提取出来，对脉冲电流信号进行极值滤波，并对包络线数据采取半保留滤波处理，极值滤波法原理为：首先确定采样的开始点，开始点由光码盘产生的单圈脉冲决定,当单圈脉冲到来时，启动AD采样，每次AD转换完成后继续下一次采样，直至下一个单圈脉冲的到来,假定A₁、A₂、A₃……A_i为AD采样的第1个、第2个、第3个……数据值(i为采样的次数)，只保留其中的脉冲峰值和谷值，假定B₁、B₂、B₃……为整个采样周期中所有保存的脉冲峰值；C₁、C₂、C₃……为整个采样周期中所有保存的脉冲谷值，具体过程为对先采样到的A₁、A₂作比较，当A₁＜A₂，说明采样值有增大的趋势，脉冲峰值即将到来，这时丢弃X₁，比较A₂和A₃的大小，如果A₂＜A₃，说明峰值还未到达，继续把两者中的较大值与下一个数据比较，直至A_i-1＜A_i＞A_i+1，说明此时A_i就是一个电流脉冲信号范围中的脉冲峰值，保存A_i至B₁，若A_i＞A_i+1，说明采样值有减小的趋势，脉冲谷值即将到来，比较A_i+1和A_i+2的大小，如果A_i+1>A_i+2，说明谷值还未到达，继续把两者中的较小值与下一个数据比较，直到A_i-1＞A_i＜A_j+1，说明此时A_i就是一个电流脉冲信号范围中的脉冲谷值,保存A_i至C₁，此时A_i＜A_i+1，继续下一个判断，如此循环，并将接下来的峰值和谷值保存至B_i+1、C_i+1,当最先采样到的A₁、A₂是A₁＞A₂的情况时，说明首先到来的是脉冲谷值,只有当下一个单圈脉冲到来时，才能中断此电弧扫描周期的判断过程,半保留滤波处理原理为：当一个电弧扫描周期的峰值和谷值采集过程结束后，得到了脉冲峰值序列B_i和谷值序列C_i，以峰值为例,半保留滤波处理过程如下：设：B_i-B_i+1＝δ,(i为采样的次数)，若δ在允许的使用范围之内，则B_i+1保持不变，若δ超过了误差范围,则B_i+1＝B_i。

与限幅滤波法相比，半保留滤波处理没有丢弃那些幅值突然变化的样本值，代之以上一次采样的脉冲峰值或谷值，可有效抑制如图4中幅值发生突然变化的脉冲峰值和谷值，有利于得到接近图5理想包络线波形的修正包络线波形，提高脉冲电流信号的准确性，避免了样本数量减少带来的偏差精度的降低。

本发明的有益效果

本发明旨在提高7075铝合金焊接的效率和焊缝的综合性能，而且能够实现7075铝合金的全自动化焊接，经过本发明的技术方案处理过的7075铝合金TIG自动化焊接具有如下的优点。

本方法具有普通超声电弧复合焊接的优点，将电弧作为产热和超声发射机构的同时，把电弧电流的波形提取出来，当做跟踪的参数，实现铝合金TIG焊接的实时跟踪，能够提高电弧挺度，增加焊缝熔深，细化晶粒，减小熔滴尺寸，提高过渡频率，减少飞溅，实现普通焊接环境下的自动焊接，可有效减少铝合金焊接气孔及焊接裂纹等缺陷，优化焊缝组织，显著改善和提高焊接接头力学性能，并以小角度二次曝光全息干涉法验证实验结果。

附图说明

图1为本发明实施1中发明方法的过程原理图

图2为本发明实施2中小角度二次曝光全息干涉法原理图

图3为本发明实施4中一个单圈脉冲周期内的采样流程图

图4为本发明实施4中初始的包络线波形

图5为本发明实施4中理想的包络线波形

小角度二次曝光全息干涉法原理图说明如下：

1、18、20-全反射镜 2、19-扩束镜 3、8、10-准直镜 4-声电弧 5-焊母材 6-活性剂表层 7-滤光片 9、14-光快门 11-毛玻璃 12-全息干板 13-激光发生器 15-分光镜 16-隔断墙 17-滤光片

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

实施1本实验所用超声辅助电弧焊接系统主要由超声发射装置和焊接系统构成，超声发射装置主要由超声激励电源、换能器、声放大器、变幅杆和声发射端组成，超声激励电源型号为SY-2000，该电源超声激励电流能够连续调节，并可实现超声频率的自动跟踪，工作条件下最大输出功率可达到2000W；换能器选用型号为PZT-8的压电陶瓷换能器，它能将电能转换为机械能，形成超声振动，在工作状态下处于谐振模式，在端面达到最大输出振幅；焊接系统选用CORCH V21型TIG焊接电源，该焊机能够实现直流、交流以及脉冲等多种焊接方式，实验过程中采用直流正接法，引弧方式采用高频引弧。

实施2本实验所用全息实验设备主要由激光光源、防震台、光学镜组、定时曝光器和暗箱组成，全息实验选用HB1200型He-Be激光器，涉及的光学元件主要有分光镜、反射镜、扩束镜及准直透镜，为了更好地完成电弧等离子场的全息干涉度量实验，特在光路中配备了曝光快门、滤光片、衰减器、暗箱及在防震台上物光和参考光光路中央的隔断，而且把物参角由45°调整为25°，试验中曝光两次(即小角度二次曝光全息干涉法)，首次曝光在未燃电弧状态下进行，曝光完成后静置2～3AiB，等待周围环境稳定后，点燃电弧进行第二次曝光，曝光时间与首次曝光相等。

实施3用小角度二次曝光全息干涉法确定氧化物活性剂、氯化物活性剂、氟化物活性剂以及它们之间的混合活性剂对电弧等离子体的影响(全息图上条纹越亮，干涉情况越好，对电弧等离子体的影响越好)，选择聚弧效果最好的一组活性剂作为实验材料。

实施4开始焊接后，所述的半保留滤波的包络线取值是在涂覆活性剂并对TIG电弧同轴方向加载超声，开始焊接后，当电弧位置变化时，电弧自身参数相应发生变化，把电弧电流的波形提取出来，对脉冲电流信号进行极值滤波，并对包络线数据采取半保留滤波处理，极值滤波法原理为：首先确定采样的开始点，开始点由光码盘产生的单圈脉冲决定,当单圈脉冲到来时，启动AD采样，每次AD转换完成后继续下一次采样，直至下一个单圈脉冲的到来,假定A₁、A₂、A₃……A_i为BD采样的第1个、第2个、第3个……数据值(i为采样的次数)，只保留其中的脉冲峰值和谷值，假定B₁、B₂、B₃……为整个采样周期中所有保存的脉冲峰值；C₁、C₂、C₃……为整个采样周期中所有保存的脉冲谷值，具体过程为对先采样到的A₁、A₂作比较，当A₁＜A₂，说明采样值有增大的趋势，脉冲峰值即将到来，这时丢弃X₁，比较A₂和A₃的大小，如果A₂＜A₃，说明峰值还未到达，继续把两者中的较大值与下一个数据比较，直至A_i-1＜A_i＞A_i+1，说明此时A_i就是一个电流脉冲信号范围中的脉冲峰值，保存A_i至B₁，若A_i＞A_i+1，说明采样值有减小的趋势，脉冲谷值即将到来，比较A_i+1和A_i+2的大小，如果A_i+1>A_i+2，说明谷值还未到达，继续把两者中的较小值与下一个数据比较，直到A_i-1＞A_i＜A_j+1，说明此时A_i就是一个电流脉冲信号范围中的脉冲谷值,保存A_i至C₁，此时A_i＜A_i+1，继续下一个判断，如此循环，并将接下来的峰值和谷值保存至B_i+1、C_i+1,当最先采样到的A₁、A₂是A₁＞A₂的情况时，说明首先到来的是脉冲谷值,只有当下一个单圈脉冲到来时，才能中断此电弧扫描周期的判断过程,半保留滤波处理原理为：当一个电弧扫描周期的峰值和谷值采集过程结束后，得到了脉冲峰值序列B_i和谷值序列C_i，以峰值为例,半保留滤波处理过程如下：设：B_i-B_i+1＝δ,(i为采样的次数)，若δ在允许的使用范围之内，则B_i+1保持不变，若δ超过了误差范围,则B_i+1＝B_i。

与限幅滤波法相比，半保留滤波处理没有丢弃那些幅值突然变化的样本值，代之以上一次采样的脉冲峰值或谷值，可有效抑制如图4中幅值发生突然变化的脉冲峰值和谷值，有利于得到接近图5理想包络线波形的修正包络线波形，提高脉冲电流信号的准确性，避免了样本数量减少带来的偏差精度的降低。

实施5通过小角度二次曝光全息干涉法来依次判断直接在TIG、B-TIG、U-TIG、超声和表面活性剂共存的四种情况焊接时的干涉情况(全息图上条纹越亮，干涉情况越好，对电弧等离子体的影响越好)来验证超声和表面活性剂对TIG聚弧的积极影响，从而验证超声和表面活性剂共存可以提高TIG焊接效率。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.本发明涉及了一种基于超声电弧的铝合金TIG跟踪方法；其特征在于包含以下实施过程：（1）设计小角度的二次曝光全息干涉法光路，减少参考光的光程，设计小尺寸的暗箱，在全息干板上得到清晰的干涉条纹；（2）用小角度的二次曝光全息干涉法确定氧化物活性剂 、氯化物活性剂 、氟化物活性剂以及它们之间的混合活性剂对电弧等离子体的影响，选择聚弧效果最好的一组活性剂作为实验材料；（3）涂覆选择的活性剂并对TIG电弧同轴方向加载超声，开始焊接，当电弧位置变化时，电弧自身参数相应发生变化，把焊接电流的波形提取出来，进行半保留滤波的包络线取值；（4）用小角度的二次曝光全息干涉法来依次判断直接在TIG、B-TIG、U-TIG、超声和表面活性剂共存的四种情况焊接时的干涉情况来验证超声和表面活性剂对TIG聚弧的积极影响。

2.根据权利要求1一种基于超声电弧的铝合金TIG跟踪方法，其特征在于：小角度的二次曝光全息干涉法光路即使参考光最终通过的扩束镜和物光最终通过的毛玻璃到达极限最小位置，使物光和参考光之间的夹角达到最小，在保留两块全反射镜、减小暗箱尺寸的同时，得到清晰的干涉条纹。

3.根据权利要求1所述的一种基于超声电弧的铝合金TIG跟踪方法，其特征在于：半保留滤波的包络线取值就是提取电弧电流的脉冲波形，保留满足实验要求的脉冲峰值和谷值电流信号，以前一次可用的采样值作为修正值取代误差数据，得到可用波形。