CN112621005B - 一种有效改善变极性等离子弧非对称焊缝的控制方法和装置 - Google Patents

一种有效改善变极性等离子弧非对称焊缝的控制方法和装置 Download PDF

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Abstract

一种有效改善变极性等离子弧非对称焊缝的控制方法和装置，属于焊接质量控制方法领域。在连续穿孔焊接过程中，通过配备的焊缝熔池追踪识别器和高速摄像同步追踪并显示小孔熔池背部形貌特征；所述小孔背部形貌特征包括焊缝背部凝固褶和同时凝固线，根据预设合格焊缝质量背部凝固褶的误差范围，实时比对当前焊接状况下背部凝固褶的特征参数，若当前焊接过程中背部凝固褶及凝固等温线在误差范围内，则继续焊接；若焊接过程中背部凝固褶及凝固等温线超过预设的误差范围，则实时反馈凝固褶的形貌特征以调节传质行为避免焊缝非对称，从而改善焊缝成形质量。

Description

一种有效改善变极性等离子弧非对称焊缝的控制方法和装置
技术领域
本发明属于焊接质量控制方法领域，尤其涉及一种有效改善变极性等离子弧非对称焊缝的控制方法和装置。
背景技术
变极性穿孔等离子弧焊是针对铝合金而开发的新型高效的焊接方法，其较高的能量密度分布在焊接过程中能够穿透工件形成贯穿整个工件厚度方向的小孔熔池。同时在反极性工作模式下的阴极斑点能够有效满足工件熔化、清除表面氧化膜以及排出焊接接头内气孔同时进行的情况下，最大限度地降低钨电极的烧损，有效且高效的实现铝合金中厚板单面焊双面成形。
在变极性等离子弧焊接过程中，小孔熔池作为其最为复杂的变量，对于焊接质量、焊接效率和焊接速度都有着重要的影响。尤其是焊缝背部形成过程中凝固的等温线控制着焊缝是否为对称的焊缝。焊缝成形质量与焊缝是否为非对称焊缝有着直接的联系；非对称焊缝会造成焊缝两侧应力分布不均导致焊缝抗拉强度等力学性能分布不对称，严重制约了焊缝的质量。目前国内外大量学者对等离子弧的穿孔熔池行为进行研究，表明焊接电流，离子气流量，焊接速度，送丝量等都对小孔背面形态有着重要的联系。截至目前，大多数的研究还集中在对小孔熔池形貌的控制，还没有提出针对焊缝背部凝固褶(凝固等温线)的研究。控制焊缝背部凝固褶的特征形貌是获得良好焊接质量的重要控制方法。根据前期大量试验证明，焊缝背部凝固褶与焊接方向垂直时所得的焊缝质量最高，因此本方法提出通过配备的焊缝熔池追踪识别器和高速摄像同步追踪并显示小孔熔池背部形貌特征，并在焊接过程中实时反馈并调节传质位置，使凝固褶特征处于预设的合格质量的特征误差范围之内。
本发明质量控制方法及装置通过焊接数据实时反馈并调节系统，实现焊接焊缝背面凝固褶特征的监控与控制，该质量控制方法不仅能对焊接过程信号的实时监控，且能对传质行为进行实时调节控制。既改善了对传统等离子弧焊背面成形质量及特征观察的盲区，又能对焊接质量进行在线监控并反馈控制，避免只能在焊接结束后才能观察焊接质量的缺陷，从而可以极大地提高焊接和生产效率，实现高质、高效变极性等离子弧焊接。
发明内容
本发明目的在于克服现有变极性等离子弧焊接在线质量控制及调节的不足，提出一种有效改善变极性等离子弧非对称焊缝的控制方法和装置，在传统穿孔等离子焊接的基础上配备焊缝熔池追踪识别器和高速摄像，通过实时反馈凝固褶的形貌特征以调节传质行为避免焊缝非对称，以改善焊缝成形质量，提高焊接产品合格率及生产效率。
一种有效改善变极性等离子弧非对称焊缝的控制方法和装置，原理是在连续穿孔焊接过程中，通过配备的焊缝熔池追踪识别器和高速摄像同步追踪并显示小孔熔池背部形貌特征，焊缝熔池追踪识别器和高速摄像跟随等离子焊枪同步移动，保证焊枪与高速摄像在同一条轴线；通过反馈焊缝背部凝固褶的特征形貌实时调整传质行为的变极性等离子焊接质量控制方法。
为了达到上述目的，本发明采用如下的技术方案：
一种有效改善变极性等离子弧非对称焊缝的控制装置，包括：变极性等离子弧弧焊接电源及控制系统(1)、传质系统(21)、焊丝(22)、焊缝熔池追踪识别器(24)、摄像监控系统(23)、监控系统与焊接系统的同步固定装置(20)、焊缝背部凝固褶特征检测上位机(6)，其中焊缝熔池追踪识别器(24)和摄像监控系统(23)固定在一起位于焊接工件背部焊缝处，用于实时监控焊缝背部凝固褶，等离子焊枪(13)位于焊接工件正面，用于焊缝的焊接；摄像监控系统与等离子焊枪(13)固定于同步固定装置(20)的两端，采用同步固定装置(20)将摄像监控系统与等离子焊枪(13)固定连接在一起，确保焊接过程中穿孔熔池形态以及焊缝背部凝固褶处在视觉观察范围之内；变极性等离子弧弧焊接电源及控制系统(1)、等离子弧焊枪(13)、电极(11)、冷却铜喷嘴(12)、离子气瓶(7)、保护气瓶(9)，构成焊接控制系统，电极(11)的四周为同轴的冷却铜喷嘴(12)，电极(11)与冷却铜喷嘴(12)之间的空隙为离子气通道，经由变极性等离子弧弧焊接电源及控制系统(1)、离子气表(8)与离子气气瓶(氩)(7)连接；高速摄像监控系统(23)与焊缝背部凝固褶特征检测上位机(6)连接，焊缝熔池追踪识别器(24)、高速摄像监控系统(23)、焊缝背部凝固褶特征检测上位机(6)，构成信息采集、监控及反馈调节系统；传质系统(21)、焊丝(22)和等离子弧焊枪(13)配套使用，焊缝熔池追踪识别器(24)、高速摄像监控系统(23)、监控系统与焊接系统的同步装置(20)、等离子弧焊枪(13)、传质系统(21)和焊丝(22)组成同步运动系统，进行同步运动。根据预设合格焊缝质量背部凝固褶的误差范围，实时比对当前焊接状况下背部凝固褶的特征参数，若当前焊接过程中背部凝固褶及凝固等温线在误差范围内，则继续焊接；若焊接过程中背部凝固褶及凝固等温线超过预设的误差范围，则通过焊缝背部凝固褶特征检测上位机(6)中的计算机软件系统发送相应信号至传质系统及变极性等离子弧焊接电源及控制系统(1)以做出相应的动作，使当前焊接过程中背部凝固褶及凝固等温线回归至误差范围内，以保证正常焊接。
焊缝背部凝固褶特征检测上位机(6)中设有信号处理单元。
本发明还提供一种有效改善变极性等离子弧非对称焊缝的控制方法和装置，包括以下步骤：
(1)设置合格焊接成形质量的小孔背部凝固褶的形貌特征、标准尺寸范围、误差范围；
(2)连续焊接过程中实时监控穿孔熔池状态以及焊缝凝固褶的特征形貌；
(3)比对实时采集的凝固褶特征与步骤(1)所述标准尺寸范围，判断正在进行的焊接成形特征是否在所述(1)的误差范围内；
(4)如若监控中的凝固褶特征在标准范围之内，继续执行步骤(2)；如监控中的凝固褶特征超过标准范围之外，判断向左偏还是向右偏，并反馈信号至焊接装置，发出相应信号以实时调节传质位置，继续执行步骤(2)。
本发明的基于一种有效改善变极性等离子弧非对称焊缝的控制方法和装置，用于改善变极性等离子弧连续焊接状态下的焊缝成形质量，提高焊接产品合格率，以提高生产效率。在实时焊接过程监控焊缝背部成形凝固褶及凝固等温线，通过高速摄像成像系统与计算机软件配合监控上述参量的形貌特征，并实时反馈至传质控制器和变极性等离子弧焊接电源及控制器，以修正当前焊缝背部凝固褶及凝固等温线行为的质量控制方法。
与现有技术相比，本发明方法的优点如下：
1、与传统变极性等离子焊接质量控制方法相比，本发明不仅可以在线监控焊接过程，实时比对焊缝背部成形凝固褶及凝固等温线的形貌特征，最显著的特征是在线实时反馈焊缝背部凝固行为信息，使传质调节器做出相应动作控制焊缝背部凝固特征。
2、与传统质量控制方法相比，本发明能够实现焊接过程焊缝质量的在线监控并调节，从而克服传统等离子焊接质量只能事后控制的缺陷，解决依靠停弧验证焊接质量方式的时间浪费、效率低下的问题。
3、本发明中的变极性等离子焊接质量控制方法，通过预设合格焊缝质量背部凝固褶的误差范围，实时比对当前焊接状况下背部凝固褶的特征参数，若当前焊接过程中背部凝固褶及凝固等温线在误差范围内，则继续焊接；若焊接过程中背部凝固褶及凝固等温线超过预设的误差范围，则实时反馈凝固褶的形貌特征以调节传质行为避免焊缝非对称。
附图说明
图1是焊接变极性等离子弧质量控制方法的整体工作示意图。
图2是变极性等离子弧焊接质量控制及反馈调节工作示意图。
图中：1、变极性等离子焊接电源及控制系统，2、冷却喷嘴通道，3、离子气通道，4、钨电极通道，5、保护器通道，6、焊缝背部凝固褶特征检测上位机，7、离子气气瓶(氩)，8、离子气表，9、保护气气瓶(氩)，10、保护器表，11、钨电极，12、冷却铜喷嘴，13、等离子弧焊枪，14、等离子弧，15、焊缝，16、焊缝背部，17、焊缝正面，18、小孔熔池，19、焊接工件，20、同步固定装置，21、传质系统，22、焊丝，23、摄像监控系统，24、焊缝熔池追踪识别器，25、信号处理单元，26、焊接方向。
具体实施方式
以下参考附图具体地说明本发明实施方法，但本发明并不限于以下实施例。
如图1所示，本发明提供一种有效改善变极性等离子弧非对称焊缝的控制方法和装置，主要包括变极性等离子弧弧焊接及控制系统(1)、传质系统(21)、焊丝(22)、焊缝熔池追踪识别器(24)、高速摄像监控系统(23)、监控系统与焊接系统的同步装置(20)、焊缝背部凝固褶特征检测上位机(6)，焊缝熔池追踪识别器(24)和高速摄像监控系统(23)与等离子弧焊枪(13)同轴固定。变极性等离子弧弧焊接及控制系统(1)、等离子弧焊枪(13)、电极(11)、冷却铜喷嘴(12)、离子气瓶(7)、保护气瓶(9)，构成焊接控制系统，等离子弧焊枪(13)、电极(11)、冷却铜喷嘴(12)配套使用；焊缝熔池追踪识别器(24)、高速摄像监控系统(23)、焊缝背部凝固褶特征检测上位机(6)，构成信息采集、监控及反馈调节系统；焊缝熔池追踪识别器(24)、高速摄像监控系统(23)、监控系统与焊接系统的同步装置(20)、等离子弧焊枪(13)、传质系统(21)和焊丝(22)组成同步运动系统。在连续穿孔焊接过程中，实时监控焊缝背部成形褶的形貌特征，当其超过预设误差范围，及时反馈调节信号至变极性等离子弧弧焊接及控制系统(1)以调节传质系统(21)使背部凝固褶特征回归于预设的误差范围之内。
本发明还提供一种有效改善变极性等离子弧非对称焊缝的控制方法和装置，包括以下步骤：
(1)设置合格焊接成形质量的小孔背部凝固褶的形貌特征及误差范围；
(2)连续焊接过程中实时监控穿孔熔池状态以及焊缝凝固褶的特征形貌；；
(3)比对实时采集的凝固褶特征与所述(1)标准尺寸范围，判断正在进行的焊接成形特征是否在所述(1)的误差范围内；
(4)如若监控中的凝固褶特征在标准范围之内，继续执行步骤(2)；如监控中的凝固褶特征超过标准范围之外，判断向左偏还是向右偏，并反馈信号至焊接装置，发出相应信号以实时调节传质位置，继续执行步骤(2)。
进一步，所述步骤(1)中合格焊接质量的背部凝固褶的形貌特征为提前预定。
进一步，所述步骤(4)所述步骤(2)中监控焊缝凝固褶为计算机软件Labview图像窗口接收到高速摄像实时传输的图像信号。
实施例1：
首先，将焊接工件19与相匹配的焊丝22准备就绪，送出焊丝位置与焊接方向平行，且与压缩喷嘴12轴心在同一水平面，另调节焊缝熔池追踪识别器24和高速摄像监控系统23与等离子焊枪13分别固定于同步固定装置20的两端，确保焊接过程中穿孔熔池形态以及焊缝背部凝固褶处在视觉观察范围之内。打开保护气、离子气，确保焊接时等离子弧焊枪13及其他必需的气路和水路正确连接。接通变极性等离子焊接电源及控制系统1，按照变极性穿孔等离子要求，预先送出保护气与离子气，通过高频起直流维弧，待维弧稳定后预热工件19，然后起等离子主弧14，观察工业PC的监控软件，当观察到穿孔熔池后，同时触发同步固定装置20、传质系统21，通过计算机软件实时监控焊缝背部成形褶与预设标准比对。
如图1和2所示，焊接过程中，设置合格焊接成形质量的小孔背部凝固褶的形貌特征及误差范围；在连续焊接过程中实时监控穿孔熔池状态以及焊缝凝固褶的特征形貌；比对实时采集的凝固褶特征与所述标准尺寸范围，判断正在进行的焊接成形特征是否在所述的误差范围内；如若监控中的凝固褶特征在标准范围之内，继续焊接；如监控中的凝固褶特征超过标准范围之外，判断向左偏还是向右偏，并反馈信号至焊接装置，发出相应信号以实时调节传质位置，待监控中的凝固褶特征在标准范围之内后继续焊接。

Claims (4)

1.一种有效改善变极性等离子弧非对称焊缝的控制装置，其特征在于，包括：变极性等离子弧弧焊接电源及控制系统(1)、传质系统(21)、焊丝(22)、焊缝熔池追踪识别器(24)、摄像监控系统(23)、监控系统与焊接系统的同步固定装置(20)、焊缝背部凝固褶特征检测上位机(6)，其中焊缝熔池追踪识别器(24)和摄像监控系统(23)固定在一起位于焊接工件背部焊缝处，用于实时监控焊缝背部凝固褶，等离子弧焊枪(13)位于焊接工件正面，用于焊缝的焊接；摄像监控系统与等离子弧焊枪(13)固定于同步固定装置(20)的两端，采用同步固定装置(20)将摄像监控系统与等离子弧焊枪(13)固定连接在一起，确保焊接过程中穿孔熔池形态以及焊缝背部凝固褶处在视觉观察范围之内；变极性等离子弧弧焊接电源及控制系统(1)、等离子弧焊枪(13)、电极(11)、冷却铜喷嘴(12)、离子气瓶(7)、保护气瓶(9)，构成焊接控制系统，电极(11)的四周为同轴的冷却铜喷嘴(12)，电极(11)与冷却铜喷嘴(12)之间的空隙为离子气通道，经由变极性等离子弧弧焊接电源及控制系统(1)、离子气表（8）与离子气瓶（7）连接；高速摄像监控系统(23)与焊缝背部凝固褶特征检测上位机(6)连接，焊缝熔池追踪识别器(24)、高速摄像监控系统(23)、焊缝背部凝固褶特征检测上位机(6)，构成信息采集、监控及反馈调节系统；传质系统(21)、焊丝(22)和等离子弧焊枪(13)配套使用，焊缝熔池追踪识别器(24)、高速摄像监控系统(23)、监控系统与焊接系统的同步固定装置(20)、等离子弧焊枪(13)、传质系统(21)和焊丝(22)组成同步运动系统，进行同步运动。
2.按照权利要求1所述的一种有效改善变极性等离子弧非对称焊缝的控制装置，其特征在于，焊缝背部凝固褶特征检测上位机(6)中计算机软件系统设有信号处理单元。
3.按照权利要求1所述的一种有效改善变极性等离子弧非对称焊缝的控制装置，其特征在于，根据预设合格焊缝质量背部凝固褶的误差范围，实时比对当前焊接状况下背部凝固褶的特征参数，若当前焊接过程中背部凝固褶及凝固等温线在误差范围内，则继续焊接；若焊接过程中背部凝固褶及凝固等温线超过预设的误差范围，则通过焊缝背部凝固褶特征检测上位机(6)中的计算机软件系统发送相应信号至传质系统及变极性等离子弧弧焊接电源及控制系统(1)以做出相应的动作，使当前焊接过程中背部凝固褶及凝固等温线回归至误差范围内，以保证正常焊接。
4.采用权利要求1-3任一项所述的控制装置有效改善变极性等离子弧非对称焊缝的控制方法，包括以下步骤：
（1）设置合格焊接成形质量的小孔背部凝固褶的形貌特征、标准尺寸范围、误差范围；
（2）连续焊接过程中实时监控穿孔熔池状态以及焊缝凝固褶的特征形貌；
（3）比对实时采集的凝固褶特征与步骤（1）所述标准尺寸范围，判断正在进行的焊接成形特征是否在所述（1）的误差范围内；
（4）如若监控中的凝固褶特征在标准范围之内，继续执行步骤（2）；如监控中的凝固褶特征超过标准范围之外，判断向左偏还是向右偏，并反馈信号至焊接装置，发出相应信号以实时调节传质位置，继续执行步骤（2）。
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