CN111203620B - 一种应用于窄间隙焊接控制焊枪摆动模式的磁控等离子弧焊焊接控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及公开了一种应用于窄间隙焊接控制焊枪摆动模式的磁控等离子弧焊焊接控制方法，该方法主要由磁控可调摆动模式窄间隙焊枪和脉冲信号发生器组成的窄间隙焊接控制系统实现。使用磁控可调摆动模式窄间隙焊枪附带的相位式激光测距传感器、CCD图像传感器、电弧传感器对焊缝层次、位置及熔池形态进行智能监控与测算，结合电压传感器、比较器进行分析比较，综合判定焊枪临近侧壁后，调节励磁装置，使磁控可调摆动模式窄间隙焊枪按照设定摆动模式及轨迹进行焊接，解决窄间隙焊接侧壁熔合情况不佳的问题并实现多层多道焊焊道规划。

Description

一种应用于窄间隙焊接控制焊枪摆动模式的磁控等离子弧焊 焊接控制方法

技术领域

本发明属于焊接自动化技术领域，尤其是涉及一种应用于窄间隙焊接控制焊枪摆动模式的磁控等离子弧焊焊接控制方法。

背景技术

由美国Battelle研究所开发的窄间隙焊接是一种高效节能的焊接技术，可以大幅度减小焊缝的横截面积，降低焊缝金属的填充量，通过较小线能量实现较高的生产效率，具有热输入量小，熔池冷却速度快，焊缝组织细小，韧性高等优点，并且“板厚效应”明显，即板厚越大，成本节约效果越显著。故在国内外大型结构的中厚板焊接上得到越来越广泛的应用，在核电、航天、造船、桥梁、建筑等领域有着广阔的应用前景。

侧壁熔合是窄间隙焊接过程中面临的问题之一，而磁控电弧可以在一定程度上解决侧壁未熔合，施加的磁场形式有横向磁场、纵向磁场、旋转磁场、尖角磁场等。由适当调节磁场强度、磁场频率，使在窄间隙焊接中得到足够的侧壁熔深成为现实。

窄间隙焊接的焊接坡口深而窄，通常采用多层单道焊或多层多道焊，两侧壁角度小、焊缝狭窄对电弧摆动精度控制要求严格，从而提高对电弧信号的提取和偏差的识别以及焊层、焊道的规划难度。提出并研究新的窄间隙焊缝坡口特征的检测和识别方法，开发适用于复杂工况的窄间隙智能焊接系统，对提升焊缝质量并推广其在重大结构件焊接中的应用，意义重大。

发明内容

本发明的目的是克服上述窄间隙焊接过程中的难点，提供一种应用于窄间隙焊接控制焊枪摆动模式的磁控等离子弧焊焊接控制方法，得到侧壁熔透的窄间隙焊缝并对焊层、焊道进行实时监控与规划。

本发明的目的通过以下技术方案实现：

该焊接控制方法主要由磁控可调摆动模式窄间隙焊枪、脉冲信号发生器、弧焊电源、焊接电压传感器、比较器组成的窄间隙焊接控制系统实现。该方法使用的磁控可调摆动模式窄间隙焊枪整体结构呈扁平状，因此可以自由进出窄间隙焊缝，通过焊枪附带的相位式激光测距传感器、电弧传感器、CCD图像传感器对当前所焊焊缝层次、位置及熔池形态进行智能监控，根据所得的焊缝信息实现窄间隙焊接多层多道焊的路径规划。首先判断磁控可调摆动模式窄间隙焊枪是否临近侧壁，然后通过上位机显示，反馈给脉冲信号发生器，通过调节励磁装置的脉冲信号的幅度、宽度，调整焊枪在即将到达侧壁时的等离子弧运动轨迹，解决窄间隙焊接侧壁熔合情况不佳的问题。

其中判断磁控可调摆动模式窄间隙焊枪是否临近侧壁的步骤如下：

步骤1：相位式激光测距传感器的预判

首先通过调制信号对发射光波的光强进行调制,利用测定调制光波往返于被测距离的相位差,间接计算出两侧壁和焊缝底部夹角处与焊枪之间的距离R。

焊枪在侧壁A、B间进行来回的周期摆动，可计算得A、B两侧壁和焊缝底部夹角处与相位式激光测距传感器的距离R₁、R₂，R₁＞R₂时，焊枪处于坡口中心线右边，即焊枪向右运动；R₁＝R₂时，焊枪处于坡口中心线处；R₁＜R₂时，焊枪处于坡口中心线左边，即焊枪向左运动。通过步骤1可以得知焊枪移动的方向以及与侧壁之间的距离，预判焊枪是否临近侧壁。

步骤2：电弧传感器的跟踪

在焊枪摆动对窄间隙坡口进行焊接时，在摆动到两端和中央，由于电弧长度发生变化，焊接电流强度也随之变化，电弧传感器可检测到焊接电流的变化，进而可计算出喷嘴到工件之间的距离l，得到的l采用积分比较法对摆动左右区间的弧长积分大小判断偏差。

在经过步骤1后，可知焊枪移动的方向，由摆动电弧传感器原理可知，电弧在喷嘴与侧壁垂直连线处的弧长是最小的，在喷嘴与侧壁拐角连线处的弧长是最大的。在进行多道焊时，以焊枪的中心线为界，对左右两边分别采集相同数目的弧长并累加后相减，得出反映焊缝偏移情况的信号，焊枪在坡口中间位置进行焊接，左右采集相同数目的弧长，累加后相减得其差值为零，即S_L＝S_R(S为对采取一定数目弧长的积分，在图中可表现为边缘点连线与坐标轴所围成面积大小)，焊枪摆动焊接至侧壁，会慢慢出现S_L≠S_R的现象。通过步骤2可进一步判断焊枪是否临近侧壁。

步骤3：电弧电压信号的比较

焊枪在侧壁A、B间进行一个来回的周期摆动，通过焊接电压传感器对电弧电压大小进行实时采集，得到一个最大电压值，因电弧电压主要由电弧长度来决定。电弧在窄间隙焊接过程中，电弧电压大小与电弧的有效长度成正比，电弧长度在侧壁和焊缝底部夹角处与喷嘴连线处最长，即电弧电压值最大，将得到的最大电压值预先设置为电压U_max。

通过焊接电压传感器对实时焊接电压的采集，比较器对采集电压U_t与U_max的比较，判断磁控可调摆动模式窄间隙焊枪是否临近侧壁。

综合上述步骤1、2、3，可判断磁控可调摆动模式窄间隙焊枪是否临近侧壁。

在判定焊枪临近侧壁后，经由上位机显示，反馈给脉冲信号发生器，改变磁场强度使电弧摆动幅度为起始焊枪摆动幅度的1/2，通过单片机和脉冲信号发生芯片调节励磁装置的脉冲信号的幅度、宽度与周期，控制等离子弧运动轨迹，将焊枪摆动调节为一进一停一退、迅速一进一停一退的模式，使焊接电弧实现在侧壁短暂停留，然后沿相反焊接方向退到焊缝的L/8处(单道焊缝焊宽为L)，再迅速沿原焊接方向进到侧壁短暂停留，紧接着回到焊缝中心点O所在直线进行下一道焊缝的焊接，以上过程可保证焊缝在两侧壁熔透。

窄间隙焊接多采用多层多道焊，首先对第一层几道焊缝的进行焊高测量，如h₁、h₂、…、h_n，求其均值

得到

后，采用相同的焊接工艺参数进行焊接，侧壁总高为H，每层之间的焊缝堆叠预留余量1mm，由相位式激光测距传感器可得当前待施焊缝层的垂直高度h′,进而求得当前待焊层层次，按已定焊道规范进行焊接。

通过CCD图像传感器对焊缝图像的获取，进行滤波处理，并对焊缝边缘采用一个基于边缘邻域平均值的算子进行增强边缘运算，用最大类间方差法来选定阈值，梯度幅值超过阈值的点为边缘点，并选用遗传算法计算类间方差法的最优阈值。同时为了进行焊缝边缘识别，对图像进行细化。便于更加清晰观察每道焊缝的平直度，及时对焊缝偏差进行矫正，得到良好的窄间隙多层多道焊焊缝。

本发明的有益效果是：本发明提出一种应用于窄间隙焊接控制焊枪摆动模式的磁控等离子弧焊焊接控制方法，该方法主要由磁控可调摆动模式窄间隙焊枪和脉冲信号发生器组成的窄间隙焊接控制系统实现。使用的磁控可调摆动模式窄间隙焊枪附带有相位式激光测距传感器、电弧传感器、CCD图像传感器，并结合由单片机和脉冲信号发生芯片组成的脉冲信号发生器，更加灵敏、准确、方便调控焊接系统，解决窄间隙焊接侧壁熔合问题，并对多层多道焊进行预期焊道规划与检测。

附图说明

图1磁控可调摆动模式窄间隙焊枪装置示意图

图2窄间隙焊缝坡口图

图3发明实施流程图

图4焊枪路径规划图

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。

本发明提出一种应用于窄间隙焊接控制焊枪摆动模式的磁控等离子弧焊焊接控制方法，该焊接控制方法主要由磁控可调摆动模式窄间隙焊枪、脉冲信号发生器、弧焊电源组成的窄间隙焊接控制系统实现。该方法使用的磁控可调摆动模式窄间隙焊枪装置示意图见图1，整体结构呈扁平状，而窄间隙焊缝坡口形状多为具有极小坡口面角度的I形、V形，或U形等对称形状，如图2所示，因此可以自由进出窄间隙焊缝，通过焊枪附带的相位式激光测距传感器、电弧传感器、CCD图像传感器对当前所焊焊缝层次、位置及熔池形态进行智能监控，根据所得的焊缝信息实现窄间隙焊接多层多道焊的路径规划。该方法使用的脉冲信号发生器由单片机和脉冲信号发生芯片组成，以此产生不同波形并对其频率、幅度进行控制。首先判断磁控可调摆动模式窄间隙焊枪是否临近侧壁，然后通过上位机显示，反馈给脉冲信号发生器，通过调节励磁装置的脉冲信号的频率、幅度，调整焊枪在即将到达侧壁时的等离子弧运动轨迹，解决窄间隙焊接侧壁熔合情况不佳的问题，本发明适用于具有极小坡口面角度的I形、V形，或U形等对称形状坡口窄间隙焊缝，整体实施流程见图3。

判断磁控可调摆动模式窄间隙焊枪是否临近侧壁的步骤如下：

步骤1：相位式激光测距传感器的监测

首先通过调制信号对发射光波的光强进行调制,利用测定调制光波往返于被测距离的相位差,间接计算出侧壁和焊缝底部夹角处与焊枪之间的距离R。主要计算公式如下：

其中：c为调制光的传播速度；t为调制光在待测距离往返所需要的时间；φ为调制光在距离为2R上的相位差；f为调制光的频率；λ为调制光的波长。

焊枪在侧壁A、B间进行来回的周期摆动，可以测得A、B两侧壁和焊缝底部夹角处与相位式激光测距传感器的距离R₁、R₂，R₁＞R₂时，焊枪处于坡口中心线右边，即焊枪向右运动；R₁＝R₂时，焊枪处于坡口中心线处；R₁＜R₂时，焊枪处于坡口中心线左边，即焊枪向左运动。对换而言之，通过步骤1可以得知焊枪移动的方向以及与侧壁之间的距离，预判焊枪是否临近侧壁。

步骤2：电弧传感器的跟踪

在焊枪摆动对窄间隙坡口进行焊接时，在摆动两端和中央，由于电弧长度发生变化，焊接电流强度也随之变化，电弧传感器可检测到焊接电流的变化，进而可计算出喷嘴到工件之间的距离l，得到的l采用积分比较法对摆动左右区间的弧长积分大小判断偏差。

在经过步骤1后，可知焊枪移动的方向，当焊枪向右移动时，由摆动电弧传感器原理可知，电弧在喷嘴与侧壁垂直连线处的弧长是最小的，在喷嘴与侧壁拐角连线处的弧长是最大的。在向右进行多道焊时，以焊枪的中心线为界，对左右两边分别采集相同数目的弧长并累加后相减，得出反映焊缝偏移情况的信号，焊枪在坡口中间位置进行焊接，左右采集相同数目的弧长，累加后相减得其差值为零，即S_L＝S_R(S为对采取一定数目弧长的积分，在图中可表现为边缘点连线所围成面积大小)，焊枪向右摆动焊接至侧壁，会出现S_L≠S_R的现象。

通过以上偏差提取算法把焊枪中心线左右偏差提取作比较，可进一步判断焊枪是否临近侧壁。

步骤3：电弧电压信号的比较

焊枪在侧壁A、B间进行一个来回的周期摆动，通过焊接电压传感器对电弧电压大小进行实时采集，得到一个最大电压值，因电弧沿其长度方向分为三个区域：阳极区、阴极区与弧柱区。阴极区与阳极区的宽度几乎可忽略不计，故电弧长度可以视为近似等于弧柱区的长度。沿电弧长度方向的电位分布不均匀，在阳极区与阴极区电位分布曲线斜率很大，而在弧柱区电位分布曲线则较平缓，总的电弧电压U可表示如下：

U＝U_x+U_y+U_z

其中：U_x为阴极压降；U_y为阳极压降；U_z为弧柱压降。

因为阳极压降基本不变可视为常数，阴极压降在一定条件下基本上也是固定的数值，弧柱压降则在一定气体介质下与弧柱长度成正比，即电弧电压主要由电弧长度来决定，电弧长，电弧电压高，反之则低。电弧在窄间隙焊接过程中，电弧电压大小与电弧的有效长度成正比，电弧长度在侧壁和焊缝底部夹角处与喷嘴连线处最长，即电弧电压值最大，将得到的最大电压值预先设置为电压U_max。

通过焊接电压传感器对实时焊接电压的采集，比较器对采集电压U_t与U_max的比较，判断磁控可调摆动模式窄间隙焊枪是否临近侧壁。

综合上述步骤1、2、3，可判断磁控可调摆动模式窄间隙焊枪是否临近侧壁。

在判定焊枪临近侧壁后，经由上位机显示，反馈给脉冲信号发生器，改变磁场强度使焊枪摆动幅度为起始焊枪摆动幅度的1/2，通过单片机和脉冲信号发生芯片调节励磁装置的脉冲信号的频率，控制等离子弧运动轨迹，将焊枪摆动调节为一进一停一退、迅速一进一停一退的模式，使焊接电弧实现在侧壁A短暂停留，然后沿相反焊接方向退到焊缝的L/8处(单道焊缝焊宽为L)，再迅速沿原焊接方向进到侧壁A短暂停留，即按“q→p→p′→q′→q″→p″走完行程，其中q、q′、q″在空间位置上代表同一点，p、p′、p″在空间位置上代表同一点，代表不同时刻同一位置点，见图4。紧接着回到焊缝中心点O所在直线进行下一道焊缝的焊接，以上过程可改善侧壁A的熔透状况，当焊枪运动到侧壁B时，进行相同的焊接路径规划，以此保证焊缝在两侧壁熔透。

窄间隙焊接多采用多层多道焊，首先对第一层几道焊缝的进行焊高测量，如h₁、h₂、…、h_n，求其均值

公式如下：

得到

后，采用相同的焊接工艺参数进行焊接，侧壁总高为H，每层之间的焊缝堆叠预留余量1mm，由相位式激光测距传感器可得当前待施焊缝层的垂直高度h′,可求得当前待焊层层次，按已定焊道规范进行焊接。

通过CCD图像传感器对焊缝图像的获取，进行滤波处理，并对焊缝边缘采用一个基于边缘邻域平均值的算子进行增强边缘运算，其算子如下：

g(x，y)＝[f(x-2，y)+f(x-1，y)-f(x+1，y)-f(x+2，y)]/2

其中：f(x,y)为坐标(x,y)像素点的灰度值；g(x,y)为输出。

图像经过边缘增强运算后，采取最大类间方差法来选定阈值，梯度幅值超过阈值的点为边缘点，最大类间方差法的主要运算公式如下：

ω₁＝1-ω₀

σ_B＝ω₀(μ₀-μ_T)²+ω₁(μ₁-μ_T)²

其中：P(i)为灰度值i的概率；ω₀、ω₁分别为目标、背景的概率；μ₀、μ₁、μ_T分别为目标、背景、图像的灰度平均值；σ_T为图像的方差；σ_B为类间方差；η为阈值选择函数。

用图像的梯度幅值取代上述公式中的灰度值，梯度图像分为非边缘与边缘两类，求取边缘阈值，并选用遗传算法计算类间方差法的最优阈值。同时为了进行焊缝边缘识别，得到单像素的边缘，须在边缘检测的基础上对图像进行细化。便于更加清晰看清每道焊缝的平直，及时对焊缝偏差进行矫正，得到良好的窄间隙多层多道焊焊缝。

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的若干改进，都视为本发明的保护范围。

Claims (1)

1.一种应用于窄间隙焊接控制焊枪摆动模式的磁控等离子弧焊焊接控制方法，其特征在于：该控制方法主要由磁控可调电弧摆动模式窄间隙焊枪、脉冲信号发生器、弧焊电源、焊接电压传感器、比较器组成的窄间隙焊接控制系统实现，首先判断焊枪是否临近侧壁，其步骤如下：

步骤1：焊枪附带的相位式激光测距传感器的预判，首先通过调制信号对发射光波的光强进行调制，利用测定调制光往返于被测距离的相位差，间接计算出两侧壁焊缝底部夹角处与焊枪之间的距离R，计算公式如下：

，其中：c为调制光的传播速度；t为调制光在待测距离往返所需要的时间；φ为调制光在距离为2R上的相位差；f为调制光的频率；λ为调制光的波长；

焊枪在侧壁A、B间进行来回的周期摆动，可计算得A、B两侧壁和焊缝底部夹角处与相位式激光测距传感器的距离R₁、R₂，R₁＞R₂时，焊枪处于坡口中心线右边，即焊枪向右运动，R₁＝R₂时，焊枪处于坡口中心线处，R₁＜R₂时，焊枪处于坡口中心线左边，即焊枪向左运动，通过步骤1可以得知焊枪移动的方向以及与侧壁之间的距离，预判焊枪是否临近侧壁；

步骤2：焊枪附带的电弧传感器的跟踪，在焊枪摆动对窄间隙坡口进行焊接时，在摆动到两端和中央，由于电弧长度发生变化，焊接电流强度也随之变化，电弧传感器可检测到焊接电流的变化，进而可计算出喷嘴到工件之间的距离L，得到的L采用积分比较法对摆动左右区间的弧长积分大小判断偏差，在进行多道焊时，以焊枪的中心线为界，对左右两边分别采集相同数目的弧长并累加后相减，得出反映焊缝偏移情况的信号，焊枪在坡口中间位置进行焊接，左右采集相同数目的弧长，累加后相减得其差值为零，即S_L＝S_R，S为对采取一定数目弧长的积分，在图中可表现为边缘点连线与坐标轴所围成面积大小，焊枪摆动焊接至侧壁，会慢慢出现S_L≠S_R的现象，通过步骤2可进一步判断焊枪是否临近侧壁；

步骤3：电弧电压信号的比较，焊枪在侧壁A、B间进行一个来回的周期摆动，通过焊接电压传感器对电弧电压大小进行实时采集，得到一个最大电压值，因电弧沿其长度方向分为三个区域：阳极区、阴极区与弧柱区，阴极区与阳极区的宽度几乎可忽略不计，故电弧长度可以视为近似等于弧柱区的长度，沿电弧长度方向的电位分布不均匀，在阳极区与阴极区电位分布曲线斜率很大，而在弧柱区电位分布曲线则较平缓，总的电弧电压U可表示如下：

，其中U_x为阴极压降，U_y为阳极压降，U_z为弧柱压降；因为阳极压降基本不变可视为常数，阴极压降在一定条件下基本上也是固定的数值，弧柱压降则在一定气体介质下与弧柱长度成正比，即电弧电压主要由电弧长度来决定，电弧长，电弧电压高，反之则低；电弧在窄间隙焊接过程中，电弧电压大小与电弧的有效长度成正比，电弧长度在侧壁和焊缝底部夹角处与喷嘴连线处最长，即电弧电压值最大，将得到的最大电压值预先设置为电压U_max；通过焊接电压传感器对实时焊接电压的采集，比较器对采集电压U_t与U_max的比较，判断焊枪是否临近侧壁；

综合上述步骤1、2、3，在判定焊枪临近侧壁后，经由上位机显示并反馈给脉冲信号发生器，改变磁场强度使电弧摆动幅度为起始电弧摆动幅度的1/2，将焊枪摆动调节为一进一停一退、迅速一进一停一退的模式，使焊接电弧实现在侧壁短暂停留，然后沿相反焊接方向退到单道焊缝焊宽的八分之一处，再迅速沿原焊接方向进到侧壁并短暂停留，紧接着回到焊缝中心点O所在直线进行下一道焊缝的焊接，当焊枪运动到另一侧壁时，进行相同的焊接路径规划，以此保证焊缝在两侧壁熔透。

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