CN112222584B - 一种用于超薄壁管焊接的双横向磁场磁控微束等离子弧焊缝跟踪方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种用于超薄壁管焊接的双横向磁场磁控微束等离子弧焊缝跟踪方法，能实现超薄壁管焊接的焊缝跟踪。方法采用的系统主要包括双横向磁场磁控微束等离子弧焊缝跟踪传感器、数据分析模块、跟踪控制模块、焊炬位置调节模块。该方法采用自行设计的“单次扫描五向摆动采集法”在焊接过程中进行扫描采样，扫描区域可近似看做一个直径略宽于焊缝的半圆，采样过程即为半圆形扫描区域随着焊炬一起移动，在焊炬进行焊接的同时不断地扫描焊缝并由霍尔电压传感器采集信息传递给数据分析模块，再根据半圆形扫描区域扫过的管表面上点的位置与电弧电压一一对应的跟踪原理，由数据分析模块对采集到的电压信号处理转换后就可以得到在该时刻焊炬的位置以及焊缝偏差信息，然后通过跟踪控制模块控制焊炬调节模块对焊枪位置及焊接路径进行调整，从而实现焊缝的实时跟踪。本发明将磁场技术应用于扫描采样，在提高跟踪精度的同时改善了焊缝成形，因此能获得高质量的焊缝，从而达到了提升超薄壁管性能的目的。

Description

一种用于超薄壁管焊接的双横向磁场磁控微束等离子弧焊缝 跟踪方法

技术领域

本发明涉及一种用于超薄壁管焊接的双横向磁场磁控微束等离子弧焊缝跟踪方法。

背景技术

超薄壁管指直径与壁厚之比在100以上的管材，其在许多工业部门中有着广泛的应用，可用来制造金属软管、波纹管、扭力管、热交换器的换热管、仪器仪表的谐振筒等，有时还用来在高温高压、复杂振动和交变载荷下输送各种腐蚀性介质。超波壁管分为无缝管和有缝管两种，前者采用冷轧、冷拔和旋压等生产方法加工制成，而后者则是把带材卷成圆管再使用焊接工艺制造而成。因为生产工艺的差异，无缝管的性能要优于有缝管，所以无缝管的应用范围要比有缝管更广，但是有缝管也有其独有的优势，那就是使用的焊接工艺简单、生产率高、成本低(为无缝管的50％左右)，非常适合一些对性能要求不用太高并且需求量大的场合，因此受到了国内外生产厂家的极大重视。有缝超薄壁管常用微束等离子弧焊接，这是因为微束等离子电弧是一种能量高度集中的热源，电弧经过压缩，其稳定性比自由电弧(例如氩弧)好得多，并且工作弧长可以比自由电弧长，观察焊接过程比较方便。

虽然有缝超薄壁管对性能要求不用很高，但是通过改进焊接工艺来提高其性能仍是有必要的，因为性能提高意味着能够扩展其应用范围，从而使这种工艺简单、生产率高、成本低的超薄壁管能够在原本必须使用无缝管的场合去替代无缝管，这样做可以降低生产成本，提高生产速度与生产率，对于相关生产加工具有重要意义。因为有缝管的性能与焊缝有着密切的关系，所以想要提高有缝管的性能可以考虑提高焊缝的焊接质量与改善焊缝成形，而要达到以上两点其中一个重要途径就是在焊缝跟踪方面进行改进，因此找到一种适合于超薄壁管焊接的能够获得高质量焊缝的焊缝跟踪方法，并同时设计出相应的焊缝跟踪系统是解决上述问题的关键。

电磁作用焊接技术是近年来逐渐完善的新兴技术，其以非接触的方式作用于焊接过程，可以通过电磁力影响熔池流动、电弧形态及熔滴过渡行为等方式提高焊缝性能及生产效率、改善焊缝成形及组织结晶，因此是改善焊缝成形及提高焊缝组织性能的有效方式之一。等离子弧是对自由电弧的弧柱进行强迫“压缩”，从而使能量更加集中，弧柱中气体充分电离的电弧，其由大量数量相等的正负电荷组成，所以在焊接过程中引入外加磁场可以使得等离子弧中带电粒子受到洛伦兹力的作用做相应的运动，根据这一原理可以通过磁场对等离子弧的形态与运动状态进行控制，这一技术被称为磁控等离子弧技术，利用磁控等离子弧技术可以实现等离子弧焊的焊缝跟踪。而如果把这两种技术结合起来，就可以在实现焊缝跟踪的同时提高焊缝性能、改善焊缝成形，从而得到理想的高质量焊缝。

国内外将磁场技术应用于电弧焊接的情况如下：

在国外方面：英国利物浦大学的学者研究了磁场对电弧的作用，发现在磁场作用下电弧的旋转速度会大幅增加，同时电弧的挺度也会得到增强；上世纪七、八十年代，乌克兰基辅工业大学的学者发现了外加纵向磁场可促进晶粒细化与熔池金属流动，从而提升焊缝性能。在国内方面：中国工程物理研究院的许超等人研究发现将磁场控制技术应用于焊接能够改善焊缝金属的结晶组织、提高熔敷金属的各项性能、减少襞纹出现的几率、抑制焊缝中气孔的产生等；太原工业大学的学者借助双尖角磁场将焊接电弧压缩成椭圆形并将其用于穿孔等离子焊取得了较好的焊接效果。

综上所述，国内外学者对于将磁场技术应用于电弧焊接的研究主要集中在焊缝组织性能，熔池金属流动以及磁场对电弧状态的影响等，而应用磁场技术来改进焊缝跟踪方法的研究则较少，并且没有看到有将磁场技术应用于改进超薄壁管焊缝跟踪从而提高超薄壁管性能的报道。

所以基于上述原因，本发明将电磁作用焊接技术与磁控等离子弧技术这两种磁场技术结合起来设计了一种用于超薄壁管焊接的双横向磁场磁控微束等离子弧焊缝跟踪方法，能够获得高质量的焊缝，从而提高超薄壁管性能。

发明内容

本发明的目的在于克服现有的技术不足，提高有缝超薄壁管焊缝跟踪精度与焊缝质量从而提升超薄壁管性能，为此提供一种新的超薄壁管焊接焊缝跟踪方法。

有缝超薄壁管具有使用的焊接工艺简单、生产率高、成本低的优势，在一些对性能要求不用太高并且需求量大的场合大量使用，但其缺点也很明显，因为受到本身不是很高的综合性能与较为一般的加工精度的制约，不能用于对性能与加工精度要求很高的场合。但是考虑到不同种类的无缝管的综合性能也有高有低，如果能够提高有缝管的性能使其接近甚至达到一部分无缝管的水平，就可以在一些原本必须使用无缝管的场合去替代无缝管，这样做扩展了有缝管的应用范围，降低了生产成本，提高了生产速度与生产率，对于相关生产加工具有重要意义。所以如何提高有缝管性能是使有缝管能在一些场合代替无缝管必须要解决的问题。

因为有缝管的性能与焊缝有着密切的关系，所以想要提高有缝管的性能可以考虑提高焊缝质量与改善焊缝成形，而要达到以上两点其中一个重要的途径就是在焊缝跟踪方面进行改进，因此找到一种适合于超薄壁管焊接的能够获得高质量焊缝的焊缝跟踪方法，并同时设计出相应的焊缝跟踪系统是解决上述问题的关键。

为此本发明提供了一种用于超薄壁管焊接的双横向磁场磁控微束等离子弧焊缝跟踪方法及系统，能在实现超薄壁管焊接焊缝跟踪的同时保证跟踪精度，并且获得理想的高质量焊缝从而提高超薄壁管性能。根据超薄壁管特性设计了一种能够克服传统扫描采样方法的缺点，满足超薄壁管焊缝跟踪要求的的采样方法——“单次扫描五向摆动采集法”，它通过改变两个横向磁场发生装置产生的磁场控制电弧从其左侧方向开始按逆时针顺序依次在这五个方向上来回摆动扫描焊缝进行采样，扫描区域为直径略宽于焊缝的半圆，减少了无用干扰信息的获取，能够获得良好的采样结果，并且在五个方向上扫描采样相比一般摆动电弧扫描采样的两个方向上采集到的信息更加全面，能在保证获取足够焊缝信息的同时提升跟踪精度。在采样的同时外加的横向磁场作用于熔池，细化焊缝中晶粒提高了焊缝的组织性能，并且还改变了电弧形态及热流密度分布使得焊缝成形得到改善。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：在焊接过程中，两个独立磁场发生装置中的高频交流励磁电源以与电源频率相同的频率按照特定次序分别接通或者断开，从而分别向两发生装置中各自的磁感线圈输出相互独立变化的间断非连续的高频交变励磁电流，这种电流产生了两个方向相互垂直的间断非连续的高频横向磁场。这两个磁场使位于磁场中的电弧依次受到从其左侧方向开始按逆时针顺序转过180度的五个方向上的磁场力(左右方向以焊接方向为下方向作为基准来确定)，电弧受到磁场力的作用将依次在这五个方向上来回摆动扫描焊缝。在每个方向上扫描时均为从中心起始点向外摆动的过程中进行采样，而当摆动到最外点时停止采样。因为在超薄壁管的间隙处形成的焊缝宽度很窄，所以为了得到这样的焊缝将励磁电源参数设定成了使电弧在磁场中摆动幅度很小，因此电弧每次摆动扫描焊缝的路径形状近似为一长度与宽度尺寸均很小的矩形，扫描一次得到的五个方向的扫描路径结合在一起形成的扫描区域的几何形状可以近似看成一个直径略宽于焊缝的半圆。而整个焊缝跟踪的采样过程即为半圆形扫描区域随着焊炬一起移动，在焊炬进行焊接的同时不断地扫描焊缝并由霍尔电压传感器采集信息经过滤波后传递给数据分析模块，再根据半圆形扫描区域扫过的管表面上点的位置与电弧电压一一对应的跟踪原理，由数据分析模块对采集到的电压信号处理转换后就可以得到在该时刻焊炬的位置以及焊缝偏差信息。因此随着焊接工作的持续进行，便能够连续不断地获取实时的焊炬位置以及焊缝偏差信息，并通过跟踪控制模块控制焊炬位置调节模块，相应地对焊炬位置及焊接路径进行调整，从而实现焊缝的实时跟踪。

本发明的工作原理是：由于超薄壁管表面是曲面，一般来说，在焊接过程中的某一时刻焊炬喷嘴到薄壁管曲面上的每个位置点的距离，即焊炬高度，都是不同的，而焊炬高度又与等离子弧长度相等，且等离子弧长度与其等效电阻有着明确的对应关系，等离子弧等效电阻变化会引起等离子弧电压发生变化，则每个位置对应的电弧电压也不相同，这样就把半圆形扫描区域扫过的管表面上点的位置与其电弧电压一一对应起来。又因为半圆形扫描区域的圆心对应该时刻焊炬的位置，所以确定了扫描区域扫过的管表面上点的位置就能够确定焊炬的位置。因此在采样过程中，由霍尔传感器采集扫描过程中变化的电压信号，将采集到的电弧电压信号经过滤波后输入到数据分析模块中，经过处理转换后就可以得到在该时刻焊炬的位置以及焊缝偏差信息，再根据焊炬的位置以及焊缝偏差信息由执行机构调节焊炬位置及焊接路径即可实现焊缝跟踪。

本发明的有益效果具体表现为如下几点：(1)“单次扫描五向摆动采集法”的扫描区域为半径极小的半圆，其扫描区域的有效采集区域占比与旋转电弧扫描采样方法相比提升了很多，使采集到的无用干扰信息大大减少，从而能够获得良好的采样结果；(2)“单次扫描五向摆动采集法”在五个方向上扫描采样较摆动电弧扫描采样的两个方向上采集到的信息更加全面，能在保证获取足够焊缝信息的同时提升跟踪精度，满足了超薄壁管焊缝跟踪的要求；(3)双横向磁场发生装置的分装置结构采用水冷系统与励磁系统一体化的封闭壳式设计，既达到了使铁芯与励磁线圈降温防止被烧坏的目的，同时结构合理、简单紧凑，能够节省空间与材料，降低生产成本；(4)在扫描采样阶段，将磁控等离子弧技术和电磁作用焊接技术结合起来，通过双横向高频磁场以非接触的方式作用于电弧以及焊接过程，在实现扫描采样的同时提高了焊缝组织性能并改善了焊缝成形。

附图说明

图1是本发明应用的场景。

图2是本发明采用的系统的整体结构图。

图2中：1-机械臂控制系统、2-跟踪控制模块、3-数据分析模块、4-横向磁场发生装置B的励磁电源、5-超薄壁管、6-微束等离子弧、7-传感器安装架、8-双横向磁场发生装置、9-横向磁场发生装置A的励磁电源、10-机械臂。

图3是双横向磁场磁控微束等离子弧焊缝跟踪传感器的结构示意图。

图3中：4-横向磁场发生装置B的励磁电源、9-横向磁场发生装置A的励磁电源、11-等离子焊炬、12-磁极、13-铁芯、14-进水管、15-励磁线圈、16-出水管、17-密封圈、18-胶木塞、19-等臂十字形支架、20-螺母及垫片、21-直流维弧电源、22-直流焊接电源、23-霍尔电压传感器、24-滤波器、25-分装置外壳、26-导线、27-横向磁场发生装置A、28-横向磁场发生装置B。

图4是本发明的系统工作流程图。

图5是焊缝跟踪开始时采用“单次扫描五向摆动采集法”进行一次扫描采样的过程示意组图。该示意组图为俯视视角，共五个示意图，按照a,b,c,d,e的顺序依次说明电弧在五个方向上摆动时的电弧与磁场情况。

图5中：29-焊接方向、30-电弧电流方向、31-电弧摆动方向、32-A磁场方向、33-B磁场方向。

图6是在某一焊炬对中时刻电弧摆动扫描一次得到的扫描区域示意图。

图6中：29-焊接方向、34-焊缝右侧曲面、35-焊缝左侧曲面、36-焊缝、37-扫描区域、38-间隙中心线、39-待焊接间隙。

具体实施方式

为了更好地表达整个发明的技术方案与优势，下面结合附图对本发明做进一步详细说明。

参见图1，本发明应用的场景是还未焊接的超薄壁管。此时超薄壁管上半圆柱面上有一条宽度很窄的间隙，在焊接过程中会在间隙处形成焊缝。本发明提出的方法是用于实现超薄壁管焊接的焊缝跟踪。

本发明是一种用于超薄壁管焊接的双横向磁场磁控微束等离子弧焊缝跟踪方法，该方法采用的焊缝跟踪系统如图2所示，主要包括双横向磁场磁控微束等离子弧焊缝跟踪传感器、数据分析模块3、跟踪控制模块2、焊炬位置调节模块。

双横向磁场磁控微束等离子弧焊缝跟踪传感器是该焊缝跟踪系统的核心，也是本发明实现超薄壁管焊缝跟踪与获得高质量焊缝的关键。该传感器主要由双横向磁场发生装置8、等离子焊炬11、直流维弧电源21、直流焊接电源22、霍尔电压传感器23、滤波器24组成。

该传感器的双横向磁场发生装置由两个独立的横向磁场发生装置A和B组成，其作用是产生两个能独立变化的横向磁场。如图3所示，两个横向磁场发生装置虽然结构相同，但是各自独立运转工作互不关联，安装在十字形支架19的四臂上，使两者在焊炬11四周相互垂直分布。十字形支架19形状类似于直升机螺旋桨，四臂等长，中心有一圆形通孔用于将双磁场发生装置8安装在传感器安装架7上。每个横向磁场发生装置均由两个在焊炬两侧对称分布且结构基本相同的分装置组成，其中装置A两个分装置所在直线与焊接方向平行，装置B两个分装置所在直线与焊接方向垂直。每个分装置中都有一个绕有励磁线圈15并与励磁电源4或9相连的铁芯13，铁芯13的下部连接着一个磁极12，分装置在工作时相当于磁场的一极。如图3所示，分装置的结构组成具体如下：分装置的励磁电源为高频交流电源，因为要采用“单次扫描五向摆动采集法”进行扫描采样需要提供变化频率极高的横向磁场；分装置外壳顶部有两个凸出的端部有螺纹的圆柱体，其形状及作用与螺钉相同，将他们旋入十字形支架19臂上的螺纹孔并用螺母及垫片20将穿出螺纹孔的端部固定，这样就将磁场发生装置固定在了十字形支架上；分装置外壳侧面下部与上部分别有两个与外部水箱相连并伸入外壳内部的细管，它们分别是进水管14与出水管16，作用是不断地将外部水箱中温度较低的冷却水输入装置外壳内部，并将携带着大量热量的温度较高的水从外壳中输出，通过水冷对外壳内部的铁芯13和励磁线圈15降温，另外，为了保证装置的水密性，防止漏水，两管与外壳外壁之间均有密封圈进行密封；分装置外壳的内部有两个腔室，外腔为水冷腔，储存用于水冷的水，内腔为工作腔，其内部安装着绕有励磁线圈13的铁芯15，铁芯15的上端用胶木塞18固定并且通过从胶木塞18顶端小孔中穿入的导线26与外部的励磁电源4或9连接，下端与磁极12相连并从外壳底部的孔中伸出，此外为了提高水冷效果，内腔壁采用导热性良好的材料制成。

该双横向磁场发生装置是针对本跟踪方法而特别设计的，其与一般的磁场发生装置的区别在于：一，其由两个横向磁场发生装置组成，并且为了满足“单次扫描五向摆动采集法”的磁场要求而将它们在焊炬四周相互垂直分布；二，因为本装置中的励磁电流变化频率很快，所以铁芯与励磁线圈会产生大量的热量，如果热量一直积累将会使铁芯与励磁线圈烧坏，导致磁场发生装置无法正常工作，为了避免上述情况发生，装置的结构采用水冷系统与励磁系统一体化的封闭壳式设计，既达到了使铁芯与励磁线圈降温防止被烧坏的目的，同时结构合理、简单紧凑，能够节省空间与材料，降低生产成本。

因为超薄壁管焊接常用微束等离子弧焊，本发明亦是如此，而微束等离子弧焊的电弧一般为联合弧，即转移型工作电弧与非转移型维弧共存，所以传感器中的焊炬11采用联合弧型等离子焊炬，并且焊炬11需要连接两个独立的电源来为两电弧供电。微束等离子弧焊要求电源提供的电流大小要在30A以下，因此为了满足超薄壁管焊接的需要，传感器中两电源额定工作电流均为2A。如图3所示，为了保证电弧稳定，焊接电源22与维弧电源21均采用直流，并且采用直流正接法，即焊接电源22负极接钨极，正极接超薄壁管；维弧电源21负极接钨极，正极接焊炬喷嘴。霍尔电压传感器23的作用是在电弧摆动扫描焊缝时采集包含焊缝信息的电压信号，并将电压信号传递给滤波器24进行滤波。因为需要采集位于焊炬喷嘴与超薄壁管之间的等离子弧电压，所以如图3所示，霍尔电压传感器同时与焊炬喷嘴和超薄壁管5连接。在焊接过程中有很多干扰因素会使得霍尔电压传感器23采集到的电压信号中包含许多无用的干扰杂波，这对于后续的数据分析处理极为不利，而滤波器24的作用就是消除这些杂波的影响以获得较为纯净的采样结果，再将其输入到数据分析模块3中。本发明中的滤波器24采用基于限幅平均滤波法的数字滤波器，该滤波器对周期性干扰有良好的抑制作用，平滑度高，能有效克服因偶然因素引起的脉冲干扰，能很好地满足本发明的滤波要求。

除了传感器这个核心部分，焊缝跟踪系统中的其他部分对于实现焊缝跟踪也起到了重要作用。数据分析模块3主要由单片机及其扩展电路组成，单片机选用8位AVR单片机，这是因为本发明中电弧扫描采样速度很快，短时间内采集信息量较大，所以对数据分析模块3的性能、功耗以及处理运算速度有很高的要求，应用最广泛的51单片机虽然价格便宜，但是运行速度过慢，因此无法胜任本发明中采样结果的处理转换工作，而AVR单片机具有高性能、高速度、低功耗的特点，其IO带负载能力强，相同速度下功耗最小，能完全满足本发明中采样结果的处理转换工作的要求。如图2所示，数据分析模块3的I/O输入端口与滤波器连接，I/O输出端口与跟踪控制模块连接。跟踪控制模块2包括处理器与PID控制器，负责对跟踪过程中各个模块传递过来的信息进行处理并对各个模块进行通讯协调与控制。如图2所示，跟踪控制模块2与其他各模块均为双向连接。焊炬位置调节模块包括机械臂10及其控制系统1、传感器安装架7，其中机械臂10为六自由度机械手臂，能精确地定位到三维空间上的某一点进行作业，因此如图2所示在本发明中与安装有焊炬11的传感器安装架7配合，用于焊缝跟踪过程中的实时纠偏，即将跟踪控制模块2发出的纠偏信号输入到基于PLC的机械臂控制系统，再由控制系统1控制机械臂10对焊炬位置及焊接路径进行调整；传感器安装架7为特别设计的一个钢制支架，如图2所示，外形大致为圆筒形，圆筒形主体上部凸起的部分是机械臂末端轴连接支座，连接支座穿过磁场发生装置的十字形支架19中心的圆孔，然后将机械臂末端轴插入支座顶部的安装孔中锁定，机械臂10下部在末端轴锁定后会紧紧压住十字形支架19，从而同时实现了磁场发生装置的牢靠安装以及机械臂与安装架的稳固连接；安装架主体内部为空心且用隔板分成了若干层，各层从上到下依次安装维弧电源21、焊接电源22、霍尔电压传感器23、滤波器24以及等离子焊炬11，其中等离子焊炬11没有安装在圆筒形主体内部，而是其上端部插入安装架底部的开孔并在最下隔层中固定，其余部分则竖直向下伸出。

下面将结合图4，图5，图6详细说明本发明的系统工作流程。

本发明的系统工作流程包括三个阶段，分别是跟踪准备、扫描采样、对中纠偏，每个阶段又包括若干个步骤，具体步骤如图4所示：

步骤一，操控机械臂将焊炬移动到预定的焊接起始位置，此时焊炬处于工作高度且其喷嘴口中心点位于超薄壁管待焊间隙中心线上，这样就完成了焊接开始前的起始对中。

步骤二，接通维弧电源先在钨极和喷嘴间引燃维弧，然后立即接通焊接电源由维弧在钨极和超薄壁管之间引出工作电弧，准备开始焊接。

步骤三，机械臂接收到焊接开始信号带动焊炬开始按预定轨迹进行焊接，同时两个横向磁场发生装置接收到跟踪开始信号开始工作，两装置中的高频交流励磁电源以与电源频率相同的频率按照特定次序分别接通或者断开，从而分别向两发生装置中各自的磁感线圈输出相互独立变化的间断非连续的高频交变励磁电流。

步骤四，步骤三中两个磁感线圈的电流产生了两个方向相互垂直的的高频横向磁场，这两个间断非连续存在的磁场使位于磁场中的电弧依次受到从其左侧方向开始按逆时针顺序转过180度的五个方向上的磁场力，受到磁场力的作用电弧将依次在这五个方向上来回摆动开始扫描焊缝。

步骤五，扫描区域的几何形状可以近似看成一个直径略宽于焊缝的半圆，半圆形扫描区域随着焊炬一起移动，在焊炬进行焊接的同时不断地扫描焊缝。

步骤六，在每个方向上扫描时均为从中心起始点向外摆动的过程中进行采样，而当摆动到最外点时停止采样。由霍尔电压传感器采集包含焊缝信息的电压信号，并将电压信号经过滤波器滤波后传递给数据分析模块。

步骤七，由数据分析模块对经过滤波的电压信号进行分析后可以判断出该时刻焊炬是否对中，并将电压信号处理转换成在该时刻焊炬的位置以及焊缝偏差信息，然后再把以上分析处理结果输出到跟踪控制模块。

步骤八，跟踪控制模块根据接收到的步骤七中得到的分析处理结果发出相应的纠偏信号到基于PLC的机械臂控制系统，再由机械臂控制系统控制机械臂对焊炬位置及焊接路径进行调整，从而实现焊缝的实时跟踪。

其中步骤一与步骤二为跟踪准备阶段，该阶段为焊接开始前为即将开始的焊接以及焊缝跟踪进行准备工作的阶段。焊炬处于预定焊接起始位置和完成起始对中是焊炬能够按预定轨迹开始焊接工作的先决条件，同时焊炬起始对中也是为了消除焊缝跟踪开始前的初始偏差，并且只有在电弧产生后焊接工作与焊缝跟踪才能够进行。

步骤三到步骤六为扫描采样阶段，该阶段是整个焊缝跟踪过程中最重要的一个阶段，在该阶段采用了自行设计的“单次扫描五向摆动采集法”进行扫描采样，下面将结合图5，图6对该方法进行详细说明：

当焊缝跟踪开始时，首先如图5-a所示接通磁场发生装置A中的励磁电源向其磁感线圈输出励磁电流，产生方向与焊接方向平行且相反的A横向磁场。若将焊接方向定为向下并以此为基准确定图中平面上的其他方向，则该横向磁场方向为向上。因为图中焊接电流方向为垂直纸面向外，所以由左手定则可知此时电弧受到的磁场力方向为向左，电弧也因此会在磁场力的作用下向左摆动扫描，同时霍尔电压传感器开始采样，当电弧摆动到最外点时停止采样，此时撤去磁场，电弧将在惯性的作用下向回摆动回到起始点，在回摆过程中不采样；然后如图5-b所示，再接通磁场发生装置B中的励磁电源向其磁感线圈输出励磁电流,产生方向为向左的B横向磁场，此时磁场发生装置A产生的A横向磁场也同时存在，所以在两个横向磁场的共同作用下，根据左手定则可知此时电弧受到的磁场力方向为向左下，电弧也因此会在磁场力的作用下向左下摆动扫描，同时霍尔电压传感器开始采样，当电弧摆动到最外点时停止采样，此时撤去磁场，电弧将在惯性的作用下向回摆动回到起始点，在回摆过程中不采样；因为之后的五个方向上的扫描采样与上述两个方向同理，所以便不再赘述，具体参见图5-c，图5-d以及图5-e。当电弧在五个方向上来回摆动转过180度并回到初始点后即完成了一次扫描，并形成了一个如图6所示的可以近似看成直径略宽于焊缝的半圆的扫描区域，半圆形扫描区域将随着焊炬一起移动，在焊炬进行焊接的同时不断地扫描焊缝。

上一段中提到只在向外摆动的过程中进行采样，而当摆动到最外点时停止采样，这是因为励磁电流变化频率很高，磁场改变的速度远高于焊接速度，并且电弧摆动幅度很小，因此可以忽略微乎其微的时间差，将一次扫描视为是在一瞬间完成的，所以可以认为电弧从初始点向外摆动到再回到初始点这个过程中焊炬是静止的，只是电弧在摆动，故不需要重复采样。而扫描区域为半圆形的原因是因为电弧每次摆动幅度很小，所以电弧每次摆动扫描焊缝的路径形状近似为一长度与宽度尺寸均很小的矩形，因此扫描一次得到的五个方向的扫描路径合在一起形成的扫描区域的几何形状可以近似看成一个直径略宽于焊缝的半圆。

“单次扫描五向摆动采集法”的特征在于该方法是在一次扫描中于五个方向对焊缝进行采样，这也是它与其他磁控电弧扫描采样方法在本质上的区别。传统的磁控电弧扫描采样方法主要分为旋转电弧扫描采样和摆动电弧扫描采样两种。旋转电弧扫描采样虽然扫描区域大，单次扫描能采集的焊缝信息多，但是对于超薄壁管焊缝这种很窄的焊缝来说扫描区域太大意味着采集到的无用信息会增加，故对超薄壁管焊接采用该方法很难得到良好的采样结果，同时不利于滤波器的滤波，还会增加数据分析模块进行分析处理工作的难度。而一般的摆动电弧扫描采样是让电弧左右摆动进行扫描采样，一次扫描只在两个方向上采样，单次扫描的扫描区域有限，采集到的信息不够全面，因此跟踪精度也不够高。“单次扫描五向摆动采集法”的扫描区域为直径略宽于焊缝的半圆，虽然扫描区域相比旋转电弧扫描采样减小了很多，但是有效采集区域占比提升了很多，使采集到的无用干扰信息大大减少，从而能够获得良好的采样结果，并且在五个方向上扫描采样相比摆动电弧扫描采样的两个方向上采集到的信息更加全面，能在保证获取足够焊缝信息的同时提升跟踪精度，因此该方法克服了上述两种方法的缺点，能够满足超薄壁管焊缝跟踪的要求。

另外，“单次扫描五向摆动采集法”之所以一次扫描在五个方向上采样而没有设计成在更少或者更多的方向上，原因是在电弧摆动幅度很小的条件下只需要在五个方向上采样就能以单次扫描最少的摆动次数获得良好的采样结果以及较为全面的信息，如果少于五个方向将无法形成半圆形扫描区域，采集到的信息不够全面，跟踪精度会降低，而如果多于五个方向虽然能够形成半圆形扫描区域，但是单次扫描摆动次数的增加将使得励磁电流变化频率需要相应提高，电流变化频率过高会增加磁场发生装置中元件的发热与损耗，降低其使用寿命，不利于跟踪系统装置的长期使用。

在扫描采样阶段，除了应用磁控等离子弧技术来进行扫描采样，同时也应用了电磁作用焊接技术来改善焊缝成形及提高焊缝组织性能，从而获得高质量的焊缝。在扫描采样过程中，磁场发生装置产生的两个高频横向磁场在令电弧摆动的同时会作用于熔池使熔池中的液态金属产生涡流，涡流产生的热量会改变熔池液态金属结晶过程中的传质和传热过程，细化焊缝中晶粒，提高了焊缝的组织性能。不但如此，在高频横向磁场的作用下还能降低缺陷敏感性，减少缺陷的形成，并改变电弧形态及热流密度分布使得焊缝成形得到改善。

步骤七与步骤八为对中纠偏阶段，该阶段主要是对扫描采样阶段得到的包含焊缝信息的采样结果进行分析处理，然后根据分析处理结果判断焊炬是否对中并对焊炬位置和焊接路径做出调整。该阶段有三个核心问题，分别是：如何判断是否对中？若未对中，左偏还是右偏？如何获取焊缝偏差？下面将详细阐述本发明解决这些问题的方法与原理：

一般来说，间隙两侧曲面各个位置对应的某一时刻的焊炬高度是不同的，但是存在一个特例，那就是当焊炬位于间隙正上方且焊接电弧弧焰下端点正好位于间隙的中心线上，即焊炬对中时，由于间隙两侧曲面关于间隙轴对称，所以此时分别位于间隙两侧曲面上的两个对应的对称位置到焊炬喷嘴的距离是相同的，即两个位置对应的焊炬高度是相同的，那么电弧摆动到此位置时的等效电阻与电压也是相同的。因此在这一时刻的这一次扫描过程中所采集到的五个方向上的电压信号中会出现两组两两相同的信号，如图6中所示：方向1与方向5路径上对应的对称位置到焊炬喷嘴的距离会相同，因此电弧摆动到对称位置时采集到的电压信号也是相同的，同理方向2与方向4相同，剩下的方向3采集到的电压信号的变化区间长度在5个方向中最短。

而如果方向3没有在间隙中心线上变化区间长度是不会最短的，这是由于间隙中心线是位于管圆柱面上半部分正中的一条母线，而由圆柱面性质及对称性可以得到以下结论：“在管圆柱面上半部分中，从这条母线开始往两侧延伸的曲面离该母线越远弯曲程度越大”，所以当方向3没有在间隙中心线上而是落在间隙两侧的曲面上时，方向3所在曲面距中心线距离在整个半圆扫描区域扫过的曲面中并不是最短的，因此弯曲程度也不是最小的，而曲面弯曲程度与焊炬喷嘴到曲面的距离，即等离子弧长度有关，曲面弯曲程度越大等离子弧长度越长，等离子弧长度越长就意味着电弧电压越高，采集到的电压信号变化区间长度也就会越长，因而此时方向3采集到的电压信号的变化区间长度在5个方向中不会是最短的。因为只有当焊炬对中时才会出现“五个方向采集到的信号中有两组两两相同的电压信号，并且剩下的那一个电压信号的变化区间长度在5个方向中最短”这样的采集结果，所以可以以此为依据由在该时刻扫描一次得到的采集结果判断此时焊炬是否对中。

当等离子弧弧焰下端点没有位于间隙的中心线上，也就是焊炬没有对中时，焊炬的位置有两种可能：一是焊炬位于焊缝左侧，二是焊炬位于焊缝右侧(左右方向以焊接方向为下方向作为基准来确定)。当焊炬位于左侧时，方向1与方向2上扫描过的曲面离间隙中心线的距离要比方向5与方向4上的更远，根据前面提到过的结论：“在管圆柱面上半部分中，从这条母线开始往两侧延伸的曲面离该母线越远弯曲程度越大”可知方向1与方向2上扫描过的曲面的弯曲程度要更大，所以扫过曲面的等离子弧长度就越长，电弧电压就越高，因此电弧扫描采集到的电压信号中方向1和方向2上的电压信号要分别比方向5和方向4上的高；同理当焊炬位于右侧时，方向5与方向4上扫描过的曲面离间隙中心线的距离要比方向1与方向2上的更远，电弧扫描采集到的电压信号中方向5和方向4上的电压信号也就分别比方向1和方向2上的高。这样就只要比较两组信号的大小就可以判断出焊炬左偏还是右偏。

因为当焊炬对中时两组电压信号会两两相等，此时电压信号的差值为零，焊缝偏差也为零，因此不难看出电压信号的差值实际上能够反映出焊缝偏差信息，所以我们可以找到它们之间的对应关系并编写转换程序将其写入数据分析模块中，这样只要将在某一时刻扫描采集到的电压信号输入到数据分析模块，数据分析模块运行转换程序对其进行分析转换后便可得到该时刻的焊缝偏差信息，在焊接过程中随着焊炬的移动连续不断地重复上述操作便实现了对焊缝偏差实时连续地获取。

Claims (2)

1.一种用于超薄壁管焊接的双横向磁场磁控微束等离子弧焊缝跟踪方法，其特征在于：该方法通过由双横向磁场磁控微束等离子弧焊缝跟踪传感器、数据分析模块、跟踪控制模块、焊炬位置调节模块组成的焊缝跟踪系统来实现；该系统中最核心的部分为焊缝跟踪传感器，它由等离子焊炬、直流焊接电源、直流维弧电源、霍尔电压传感器、滤波器、双横向磁场发生装置组成；焊缝跟踪传感器的最上部是双横向磁场发生装置，其中的等臂十字形支架通过中心孔与下方的圆筒形传感器安装架连接，并且将两个独立的横向磁场发生装置安装在支架四臂上，使它们在焊炬的四周相互垂直分布；而焊缝跟踪传感器的下部则是从上到下依次安装在传感器安装架内部各隔层中的直流维弧电源、直流焊接电源、霍尔电压传感器以及滤波器，直流焊接电源负极接钨极，正极接超薄壁管，直流维弧电源负极接钨极，正极接焊炬喷嘴，霍尔电压传感器同时与焊炬喷嘴和超薄壁管连接，滤波器则与霍尔电压传感器连接；滤波器下方是安装架的最下隔层，隔层底部开有圆孔，将等离子焊炬的上端部插入孔中并在最下隔层中固定，焊炬其余部分则竖直向下伸出；该方法的扫描采样方法采用“单次扫描五向摆动采集法”，其具体实施过程为：通过改变两个横向磁场发生装置产生的磁场控制电弧从电弧左侧方向开始按逆时针顺序依次在这五个方向上来回摆动扫描焊缝，每个方向上均为从中心起始点向外摆动的过程中进行采样，而当摆动到最外点时停止采样；扫描一次得到的五个方向的扫描路径结合在一起形成的扫描区域的几何形状可以近似看成一个直径略宽于焊缝的半圆，而整个焊缝跟踪的扫描采样过程即为半圆形扫描区域随着焊枪一起移动，在焊枪进行焊接的同时不断地扫描焊缝并由霍尔电压传感器采集信息传递给数据分析模块。

2.根据权利要求1所述的一种用于超薄壁管焊接的双横向磁场磁控微束等离子弧焊缝跟踪方法，其特征在于：当由“单次扫描五向摆动采集法”得到的采集结果表现为“五个方向采集到的电压信号中有两组两两相同的信号，并且剩余信号的变化区间长度在5个方向中最短”时，可以以此为依据判断焊炬在此时对中，而如若没有出现上述采集结果则焊炬未对中，此时可以根据关于焊缝中心线对称的两组方向上采集到的电压信号差来判断此时焊炬左偏还是右偏，并且将电压信号差输入到数据分析模块中经过程序分析转换后可以得到此时的焊缝偏差信息。

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