CN113275688B - 红外温度及影像视觉双重探测控制的感应加热铝钎焊方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及铝件钎焊技术领域,尤其是一种红外温度及影像视觉双重探测控制的感应加热铝钎焊方法,本方法采用高频感应加热方法对待焊接铝件进行加热,同时采用红外温度探测和CCD影像视觉探测两种方式同时对钎焊区域进行温度监控,以控制高频感应加热时间,实现对高频感应铝件焊接温度进行准确控制,达到最佳焊接温度后及时断开感应加热电流,保证良好的焊接状态和焊接质量,实现工艺稳定、高质量合格率的生产控制要求。
Description
技术领域
本发明涉及铝件钎焊技术领域,尤其是一种红外温度及影像视觉双重探测控制的感应加热铝钎焊方法。
背景技术
钎焊是常用的材料连接方法之一,它使用低熔点金属材料做钎料,将零件和钎料加热到钎料熔化,利用液态钎料润湿母材、填充接头间隙并与母材相互溶解和扩散,随后液态钎料结晶凝固,从而实现零件的连接。钎焊变形小,接头光滑美观,适合焊接精密、复杂和由不同材料组成的构件。钎焊不熔化母材,对母材没有破坏,且不需要对焊件施加压力,焊接应力小。由于钎焊的优点很多,应用比较广泛。
通常人工钎焊通过操作者视觉观察焊接状态,来控制焊机温度和加热时间,但人工操作不适合产品的批量生产。为提高生产效率并保证焊接质量的稳定性,在高频感应焊机上应用红外测温装置来控制焊接过程,由于红外测温装置测量温度值误差较大,而且焊接区域临近最佳焊接温度时温度变化较快,红外测温装置来不及反馈探测的信号,控制系统反应延迟,焊接区域过热导致产品的钎缝表面或内部出现气孔,钎缝表面有凹坑或烧缺,甚至出现过烧,焊缝形状粗糙发黑等质量问题,产品合格率低。
发明内容
为了克服现有的高频感应焊机焊接温度控制系统不够灵敏,出现误判或反馈延迟导致的钎缝表面不良甚至过烧的质量问题及产品合格率低的问题,本发明提供了一种红外温度及影像视觉双重探测控制的感应加热铝钎焊方法。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是:一种红外温度及影像视觉双重探测控制的感应加热铝钎焊方法,包括高频感应焊机、PLC控制器、定位工装、夹持工装、红外测温器、CCD影像系统、铝块及铝管,所述高频感应焊机、定位工装和红外测温器均固定在工作台上,所述夹持工装通过支架固定在定位工装的正上方,所述铝块和铝管通过定位工装和夹持工装分别固定在焊接位置,高频感应焊机设有感应线圈,且位于铝块的上方,所述红外测温器设置于焊接区域的侧方,所述红外测温器的探测位置为铝块侧边的测温点81,所述CCD影像系统通过支架固定于焊接区域的斜上方,所述PLC控制器分别与高频感应焊机、红外测温器和CCD影像系统通讯相连,采用高频感应加热方法对待焊接铝件进行加热,同时采用红外温度探测和CCD影像视觉探测两种方式同时对钎焊区域进行温度监控,以控制高频感应加热时间,具体包括以下步骤:
S1,通过定位工装和夹持工装分别固定待焊接铝块和铝管,放置焊料,所述PLC控制器内存储有用以判断红外测温器探测的温度是否发生突变的设定值,和用以判断焊接区域是否完成焊接的影像变化的设定状态,启动高频感应焊机,PLC控制器控制高频感应焊机根据设定参数开始对待焊接铝件进行加热;
S2,红外测温器探测焊接区域红外发射率,并将数据传输给PLC控制器,监测红外发射率发生突变的时间点;
S3,CCD影像系统连续高频率扫描拍摄焊接区域影像,与初始图像进行比对,并将逻辑信号传输至PLC控制器;
S4,PLC控制器判断红外测温器探测的红外发射率发生突变,或PLC控制器判断CCD影像系统探测的焊接区域的影像变化达到设定状态时,PLC控制器断开高频感应加热电流,停止感应加热,完成焊接操作。
本发明中,CCD影像系统检测收到采集图像、处理图像、系统判定到系统执行有一定的延迟,不能单独作为焊接温度控制信号来源。由于红外测温器测量铝件的实时温度受影响因素比较多,实际测量温度的精度不能满足焊接控制需求,这里对探测的温度变化情况进行监控。在热电偶测试温度试验中,经反复试验确认,在感应加热铝钎焊达到最佳钎焊温度时,红外测温器测得的温度有突变信号,通过捕捉临近最佳钎焊温度时零件温度的特殊变化信息,作为焊接区域温度控制信号,通过PLC控制器控制感应电流,从而防止感应加热时间过长导致焊缝过烧不良。红外测温器对温度突变捕捉响应速度要灵敏,但是实际使用中红外测温检测温度突变有概率检测不到信号,需要加人CCD影像系统进行辅助。采用CCD影像系统控制,通过前期批量采集焊丝熔化后的影像图片,并存入CCD影响控制系统,供后期对比判断使用。在焊接时通过CCD影像系统连续高频率扫描拍摄焊丝影像,与预存图片对比焊丝影像状态,判断焊丝是否融化。当CCD影像系统先采集并判定焊丝熔化信号,传输逻辑信号至PLC控制器,断开高频感应加热电流。利用红外温度及影像视觉双重探测控制,提高焊接铝件的焊接温度控制准确度,进一步提高产品焊接合格率。
在仅使用红外测温器监测焊接区域温度进行焊接温度控制,产品合格率约85%左右。在采用红外测温器监测焊接区域温度突变的方式进行焊接温度控制,产品合格率能达到95%左右,仍不能够满足生产要求。通过利用红外温度及影像视觉双重探测控制,测试产品焊接合格率达到99%。
根据本发明的另一个实施例,进一步包括,步骤S1中高频感应焊机的设定参数中感应电流设置为梯度电流,第一梯度75A,持续10s,第二梯度75A,持续10s,第三梯度75A,持续9s,第四梯度55A,持续6s,第五梯度45A,持续5s。通过梯度电流设置,降低焊接区域平稳升温时温度时间曲线的曲率,提高发射率突变的识别度。
根据本发明的另一个实施例,进一步包括,步骤S2中红外测温器实时探测焊接区域红外发射率,转换为温度数值后传输给PLC控制器,PLC控制器将温度数值变化模拟为温度时间曲线,当0.2s内平均温度变化值达到设定值时,判断发射率发生突变,PLC控制器控制断开高频感应加热电流。
根据本发明的另一个实施例,进一步包括,步骤S3中CCD影像系统设置于焊接区域的斜上方,且正对焊接区域设置有照明灯。通过优化CCD影像系统的拍摄角度,采集更大范围内焊丝的图像,同时保证焊接区域亮度合适,提高CCD影像系统捕捉焊丝熔化信号的准确率。
本发明的有益效果是,实现对高频感应铝件焊接温度进行准确控制,达到最佳焊接温度后及时断开感应加热电流,保证良好的焊接状态和焊接质量,实现工艺稳定、高质量合格率的生产控制要求。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1是本发明的逻辑控制图;
图2是本发明中焊接装置的布置示意图;
图3是图2中X处放大图;
图4是焊接工艺控制人机界面;
图5是梯度电流设置界面;
图6是温度时间曲线示意图。
图中1、高频感应焊机,11、感应线圈,2、PLC控制器,3、定位工装,31、避让口,4、夹持工装,5、红外测温器,6、CCD影像系统,7、铝管,8、铝块,81、测温点,9、照明灯,10、焊接工艺控制人机界面。
具体实施方式
如图1-3是本发明的逻辑控制图和焊接装置的布置示意图,一种红外温度及影像视觉双重探测控制的感应加热铝钎焊方法,包括高频感应焊机1、PLC控制器2、定位工装3、夹持工装4、红外测温器5、CCD影像系统6、铝块8及铝管7,所述高频感应焊机1、定位工装3和红外测温器5均固定在工作台上,所述夹持工装4通过支架固定在定位工装3的正上方,所述铝块8和铝管7通过定位工装3和夹持工装4分别固定在焊接位置,高频感应焊机1设有感应线圈11,且位于铝块8的上方,所述红外测温器5设置于焊接区域的侧方,所述红外测温器5的探测位置为铝块8侧边的测温点81,所述CCD影像系统6通过支架固定于焊接区域的斜上方,所述PLC控制器2分别与高频感应焊机1、红外测温器5和CCD影像系统6通讯相连,采用高频感应加热方法对待焊接铝件进行加热,同时采用红外温度探测和CCD影像视觉探测两种方式同时对钎焊区域进行温度监控,以控制高频感应加热时间,具体包括以下步骤:
S1,通过定位工装3和夹持工装4分别固定待焊接铝块8和铝管7,放置焊料,所述PLC控制器2内存储有用以判断红外测温器5探测的温度是否发生突变的设定值,和用以判断焊接区域是否完成焊接的影像变化的设定状态,启动高频感应焊机1,PLC控制器2控制高频感应焊机1根据设定参数开始对待焊接铝件进行加热;
S2,红外测温器5探测焊接区域红外发射率,并将数据传输给PLC控制器2,监测红外发射率发生突变的时间点;
S3,CCD影像系统6连续高频率扫描拍摄焊接区域影像,与初始图像进行比对,并将逻辑信号传输至PLC控制器2;
S4,PLC控制器2判断红外测温器5探测的红外发射率发生突变,或PLC控制器2判断CCD影像系统6探测的焊接区域的影像变化达到设定状态时,PLC控制器2断开高频感应加热电流,停止感应加热,完成焊接操作。
PLC控制器2控制高频感应焊机1对产品进行感应加热焊接,红外测温器5监控产品的温度并实施反馈温度到PLC控制器2,同时CCD影像系统6对产品进行视觉监控,并将焊丝熔化信号转化为逻辑信号反馈给PLC控制器2,红外测温器5或CCD影像系统6任一检测到设定信号,都可以触发PLC控制器2断开高频感应焊机1的电流,完成焊接操作。所有操作和设置都可以通过与PLC控制器2连接的焊接工艺控制人机界面10进行操作。
焊接测试工件的铝块8和铝管7为铝制材料,铝的熔点600℃-620℃。根据红外测温器相关图表查询可知,铝件的发射率为0.2-0.3,选用的红外测温器5型号为基恩士HT-F50CK,额定探测温度范围0-1350℃,发射率可调范围0.1-1.99,可满足铝件的焊接温度和发射率的检测。
铝管7的直径10mm,壁厚1.25mm,铝块8上开设有与铝管7匹配的孔。铝块8的焊缝处放置焊丝和焊膏,定位工装3靠近红外测温器5一侧设有避让口31。
根据热电偶测试,铝块8侧面的测温点81的温度低于450℃时焊丝熔化不均匀,温度高于550℃时焊缝存在过烧现象。反复测试证明,在460℃-480℃之间对铝件进行焊接,焊丝熔化瞬间的铺展较均匀,焊缝自然吸收焊液,焊缝外观无气孔且饱满。当焊丝熔化瞬间,铝块8的测温点81处发射率明显变化,显示温度每秒升高150℃左右,即发射率发生突变。
如图4为焊接工艺控制人机界面10。
优选的,步骤S1中高频感应焊机1的设定参数中感应电流设置为梯度电流,第一梯度75A,持续10s,第二梯度75A,持续10s,第三梯度75A,持续9s,第四梯度55A,持续6s,第五梯度45A,持续5s。
如图5是梯度电流电流设置界面。
优选的,步骤S2中红外测温器5实时探测焊接区域红外发射率,转换为温度数值后传输给PLC控制器2,PLC控制器2将测得的温度数据模拟为温度时间曲线,当0.2s内平均温度变化值达到设定值时,判断发射率发生突变,PLC控制器2控制断开高频感应加热电流。
感应加热开始前30s,测温点81温度稳定提升,设置PLC控制器2从第30s开始分析温度数据。
如图6是根据温度数据模拟的温度时间曲线示意图,PLC控制器监控开始前7s温度每秒上升约10℃,当温度变化速度达到150-200℃/s并持续0.2s时,PLC控制器2判断达到发射率发生突变,PLC控制器2控制断开高频感应加热电流。
优选的,步骤S3中CCD影像系统6设置于焊接区域的斜上方,且正对焊接区域设置有照明灯9。
采用本发明中红外温度及影像视觉双重探测控制的感应加热铝钎焊方法进行焊接测试过程中,全面检测焊缝外观,并对焊接铝件成品进行性能测试,包括φ10铝管拉脱力大于3140N的拉脱测试,显微镜钎焊内部宏观金相试验检测焊接深度和焊接缺陷,及充水加压大于12Mpa的压力爆破试验,从各项试验结果显示来看,均满足焊接的外观要求及性能实验要求。共计加工测试304件,合格301件,不合格3件,其中一件焊接缺陷为焊丝未完全融化,其中两件为有轻微气孔,产品测试合格率99%。
以上说明对本发明而言只是说明性的,而非限制性的,本领域普通技术人员理解,在不脱离所附权利要求所限定的精神和范围的情况下,可做出许多修改、变化或等效,但都将落入本发明的保护范围内。
Claims (4)
1.一种红外温度及影像视觉双重探测控制的感应加热铝钎焊方法,其特征是,包括高频感应焊机(1)、PLC控制器(2)、定位工装(3)、夹持工装(4)、红外测温器(5)、CCD影像系统(6)、铝块(8)及铝管(7),所述高频感应焊机(1)、定位工装(3)和红外测温器(5)均固定在工作台上,所述夹持工装(4)通过支架固定在定位工装(3)的正上方,所述铝块(8)和铝管(7)通过定位工装(3)和夹持工装(4)分别固定在焊接位置,高频感应焊机(1)设有感应线圈(11),且位于铝块(8)的上方,所述红外测温器(5)设置于焊接区域的侧方,所述红外测温器(5)的探测位置为铝块(8)侧边的测温点(81),所述CCD影像系统(6)通过支架固定于焊接区域的斜上方,所述PLC控制器(2)分别与高频感应焊机(1)、红外测温器(5)和CCD影像系统(6)通讯相连,采用高频感应加热方法对待焊接铝件进行加热,同时采用红外温度探测和CCD影像视觉探测两种方式同时对钎焊区域进行温度监控,以控制高频感应加热时间,具体包括以下步骤:
S1,通过定位工装(3)和夹持工装(4)分别固定待焊接铝块(8)和铝管(7),放置焊料,所述PLC控制器(2)内存储有用以判断红外测温器(5)探测的温度是否发生突变的设定值,和用以判断焊接区域是否完成焊接的影像变化的设定状态,启动高频感应焊机(1),PLC控制器(2)控制高频感应焊机(1)根据设定参数开始对待焊接铝件进行加热;
S2,红外测温器(5)探测焊接区域红外发射率,并将数据传输给PLC控制器(2),监测红外发射率发生突变的时间点;
S3,CCD影像系统(6)连续高频率扫描拍摄焊接区域影像,与初始图像进行比对,并将逻辑信号传输至PLC控制器(2);
S4,PLC控制器(2)判断红外测温器(5)探测的红外发射率发生突变,或PLC控制器(2)判断CCD影像系统(6)探测的焊接区域的影像变化达到设定状态时,PLC控制器(2)断开高频感应加热电流,停止感应加热,完成焊接操作。
2.根据权利要求1所述的一种红外温度及影像视觉双重探测控制的感应加热铝钎焊方法,其特征是,步骤S1中高频感应焊机(1)的设定参数中感应电流设置为梯度电流,第一梯度75A,持续10s,第二梯度75A,持续10s,第三梯度75A,持续9s,第四梯度55A,持续6s,第五梯度45A,持续5s。
3.根据权利要求1所述的一种红外温度及影像视觉双重探测控制的感应加热铝钎焊方法,其特征是,步骤S2中红外测温器(5)实时探测焊接区域红外发射率,转换为温度数值后传输给PLC控制器(2),PLC控制器(2)将温度数值变化模拟为温度时间曲线,当0.2s内平均温度变化值达到设定值时,判断发射率发生突变,PLC控制器(2)控制断开高频感应加热电流。
4.根据权利要求1所述的一种红外温度及影像视觉双重探测控制的感应加热铝钎焊方法,其特征是,步骤S3中CCD影像系统(6)设置于焊接区域的斜上方,且正对焊接区域设置有照明灯(9)。
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