CN114029588A - 气体保护焊接工艺参数自动调节系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了气体保护焊接工艺参数自动调节系统，属于气体保护焊技术领域。本发明通过工艺参数标定模块标定气体保护焊工艺参数的标定范围，无需工人在焊接前不断的根据自身的经验调试，极大的节省了时间和工作效率，减少浪费；焊接监控系统，在气体保护焊接的过程中不断的监控焊接过程；焊缝跟踪单元，焊接过程中实时改变焊枪位置保证其始终位于焊缝处，焊缝跟踪单元在满足实时性的要求下，极大的提高精准度，处理输入的图像为二值化图像也极大的减少了计算量，降低对于硬件的要求；基于熔池监控单元对于熔池的监控，参数优化选择模块基于判定原则调整工艺参数，减少因为焊接监控系统因为数据波动和数据噪声导致错误判定。
Description
技术领域
本发明涉及气体保护焊技术领域，具体为气体保护焊接工艺参数自动调节系统。
背景技术
气体保护焊是将焊接过程机械化和自动化，气体保护焊生产效率高、焊接质量高且稳定，减少材料和能量的损耗与浪费，同时极大的改善了焊接工的劳动条件，不再需要大量的工人直面焊接造成的污染，气体保护焊机已广泛应用在塑料、汽车制造业、金属加工、五金家电、钢构、压力容器、机械加工制造、造船、航天等领域；
目前气体保护焊接开始前，都需要人工根据现场情况设置焊接工艺参数，然后根据焊接结果进行调整，反复的进行调试试验后才能得出比较实用的工艺参数，这一过程很考验工人的能力和经验储备，严重限制了气体保护焊的使用和推广；另一方面，焊接生产过程中使用不合适的焊接工艺参数，或产生焊接不合格，或者会严重的损伤焊接接头的塑韧性，焊接接头难以保证其强度。
发明内容
本发明的目的在于提供气体保护焊接工艺参数自动调节系统，以解决上述背景技术中提出的问题。
为了解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：气体保护焊接工艺参数自动调节系统，该系统包括工艺参数标定模块、焊接监控系统、参数优化选择模块；
所述工艺参数标定模块构建气体保护焊工艺参数的标定范围，基于标定参数开始焊接，所述焊接监控系统实时监控焊接过程，所述参数优化模块基于焊接监控系统实时调整焊接参数和焊接路径，当实时参数与标定参数出现巨大冲突，所述参数优化选择模块输出最终判定。
所述工艺参数标定模块根据材质、厚度、等自动计算优化参数范围，然后根据公开的焊接数据库、公司焊接工艺评定、焊接工艺规程等适应参数调整；
所述工艺参数计算具体步骤如下：
S101：根据钢材的化学成分、力学性能、马氏体开始转变点、熔敷金属扩散氢含量、板厚或结构刚性、计算预热温度；
所述预热温度与材料的碳含量、抗拉强度值、马氏体开始转变点、延伸率、常温冲击值有关，还与熔敷金属的扩散氢含量、结构刚性有关：
其中，T0表示预热温度，σt表示材料的标准抗拉强度限值，Ms表示材料的马氏体开始转变点，Ceq表示碳当量，[H]表示测定的扩散氢含量，δ表示板厚，δs表示材料的常温标准延伸率下限值，Ah表示材料的常温标准冲击韧性下限值，a表示一个常数，a为固定阈值；
根据实际应用，调整预热温度区间，当T0≤100℃时，可以不预热；当100℃<T0≤200℃时，需要预热；当200℃<T0≤300℃时，焊接时除要采用预热外，还要严格控制层间温度和焊接线能量；当T0>300℃时，焊接时除要采用预热、控制层间温度和焊接能量外，焊接时必须进行跟踪消氢处理或焊后热处理；
S102：根据预热温度计算层间温度，所述层间温度以预热温度为基础，根据预热温度的不同，当预热温度小于300℃，系数取0.8，当预热温度大于300℃，系数取0.9；
S103：根据钢材的化学成分、力学性能、熔敷金属扩散氢含、板厚或结构刚性、焊接方法、钢材种类、接头或焊缝形式、预热温度等条件、计算焊缝熔合线处的最短冷却时间；
S104：根据最短冷却时间计算最长冷却时间，最长冷却时间不大于60秒；
S105：根据传热条件、预热温度、焊接方法、钢材种类、板厚和冷却时间，计算焊接线能量；
S106：根据所得焊接线能量、核对临界板厚；
S107：核对焊接线能量；
S108：根据板厚、接头或焊缝形式、焊接方法、焊接位置、焊条直径等，将焊接线能量分解成焊接电流、电弧电压和焊接速度；
S109：根据预热温度、计算紧急后热消氢处理的温度；
S110：根据钢材钢号和焊后热处理种类,确定焊后热处理温度和保温时间；
S111：根据以上计算，拟出焊接工艺参数；
S112：根据拟定的焊接工艺参数进行焊接性试验和焊接工艺评定，以验证焊接工艺参数的正确性。
所述焊接监控系统包括焊缝跟踪单元和熔池监控单元，所述焊缝跟踪单元，焊接过程中实时改变焊枪位置保证其始终位于焊缝处，同时所述熔池监控单元实时监控焊接区域正面熔池；
所述焊缝跟踪单元以YOLO网络为框架，输入为二值化图像，分割焊缝存在区域，剔除图像噪声，基于灰度重心法提取并输出焊缝位置，所述焊缝跟踪单元通过Steger算法对弧形、随机、间断、齿形光条提取光条纹中心点并利用最小二乘法拟合获取光条纹中心线，将以上四种条纹中心线图像作为训练集；
所述焊缝跟踪单元损失函数：
其中，
表示对象出现在单元格i中，
表示在单元格i中第j的回归框的预测器为该预测“负责”，
表示在单元格i中第j的回归框中不存在对象，λcoord表示增加回归框的坐标预测值的损失参数，λnoodj表示减少不包含对象的bounding box的置信度的损失参数；
基于灰度重心法，第v列的灰度重心坐标为p(xv,v)计算公式：
其中，I(u,v)表示在u行v列的像素灰度值；
现有的焊缝跟踪单元大多通过Steger算法，Steger算法精度高，但是计算复杂，计算量大，难以满足实时性的要求，灰度重心法计算简单，但是对噪声敏感，同时因为对于噪声敏感使其最终计算精度较低；所述焊缝跟踪单元基于YOLO获得焊缝存在区域，通过灰度重心法输出焊缝位置，不仅可以满足实时性的要求，同时由于YOLO分割图像时剔除了图像噪声，极大的提高了最终焊缝输出的精确度。
所述熔池监控单元获取正面熔池图像，运用图像处理方法监控坡口、熔池形状，判断熔池状态是否焊透，当填充金属的熔滴加入熔池时，熔池表面下降且面积有所扩张，则表示熔池焊透；当填充金属的熔滴加入熔池时，熔池表面不下沉，则表示尚未焊透，所述熔池监控单元输出当前熔池信息到参数优化选择模块作为系统识别标准来调整焊接工艺参数；
正常状态的熔池金属会发生旋转，气体保护效果不良或焊接电流过小就不发生旋转；填充金属的熔滴加入熔池时，熔池表面将升高，随着电弧热量向熔池下方传递，母材被熔化；熔透时，重力作用使熔池下沉，熔池表面下降且面积有所扩张；若不下沉表明尚未熔透；若下沉过多，出现凹陷，表明焊缝背面已焊透；
所述参数优化选择模块根据输入的熔池信息调整焊接工艺参数，焊枪摆动时，熔池以摆到另一边时，这一边已凝固做为调节摆动速度和焊接速度的依据，后道熔池必须压在前面一个焊波2/3以上，以此调节焊接速度；如果后道熔池必须压在前面一个焊波不满2/3，则，调低焊接速度；如果后道熔池必须压在前面一个焊波超过2/3，则调高焊接速度；熔孔大小以融化两侧坡口钝边并熔入每侧坡口0.5--1mm为依据；
所述参数优化选择模块基于工艺参数标定模块为基础调节摆动速度和焊接速度，所述焊接工艺参数的二次调节不超出工艺参数标定模块值的范围；
对于大型工件，在起始阶段进入平稳期后，参数趋于稳定，监控设备自动减低监视频率，保持焊接过程持续稳定；
操作界面可录制产品名称、编号等，每条焊缝焊接工艺即时参数可传输至电脑保存，以便分析焊接质量。
与现有技术相比，本发明所达到的有益效果是：本系统通过工艺参数标定模块标定气体保护焊工艺参数的标定范围，无需工人在焊接前不断的根据自身的经验调试，极大的节省了时间和工作效率，减少浪费；同时基于焊接监控系统，在气体保护焊接的过程中不断的监控焊接过程，焊缝跟踪单元基于YOLO算法，在满足实时性的要求下，极大的提高了算法精准度，处理输入的图像为二值化图像也极大的减少了计算量，减小对于硬件的要求；基于熔池监控单元对于熔池的监控，参数优化选择模块基于判定原则调整工艺参数，减少因为焊接监控系统因为数据波动和数据噪声导致错误判定；本系统，从不同的维度限定调节工艺参数，保证工艺参数的准确度，提高焊接质量，减少调试浪费。
附图说明
附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：
图1是本发明气体保护焊接工艺参数自动调节系统的流程示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1，本发明提供技术方案：气体保护焊接工艺参数自动调节系统，该系统包括工艺参数标定模块、焊接监控系统、参数优化选择模块；
工艺参数标定模块构建气体保护焊工艺参数的标定范围，基于标定参数开始焊接，焊接监控系统实时监控焊接过程，参数优化模块基于焊接监控系统实时调整焊接参数和焊接路径，当实时参数与标定参数出现巨大冲突，参数优化选择模块输出最终判定。
工艺参数标定模块根据材质、厚度、等自动计算优化参数范围，然后根据公开的焊接数据库、公司焊接工艺评定、焊接工艺规程等适应参数调整；
工艺参数计算具体步骤如下：
S101：根据钢材的化学成分、力学性能、马氏体开始转变点、熔敷金属扩散氢含量、板厚或结构刚性、计算预热温度；
预热温度与材料的碳含量、抗拉强度值、马氏体开始转变点、延伸率、常温冲击值有关，还与熔敷金属的扩散氢含量、结构刚性有关：
其中，T0表示预热温度，σt表示材料的标准抗拉强度限值，Ms表示材料的马氏体开始转变点，Ceq表示碳当量，[H]表示测定的扩散氢含量，δ表示板厚，δs表示材料的常温标准延伸率下限值，Ah表示材料的常温标准冲击韧性下限值，a表示一个常数，a为固定阈值；
根据实际应用，调整预热温度区间，当T0≤100℃时，可以不预热；当100℃<T0≤200℃时，需要预热；当200℃<T0≤300℃时，焊接时除要采用预热外，还要严格控制层间温度和焊接线能量；当T0>300℃时，焊接时除要采用预热、控制层间温度和焊接能量外，焊接时必须进行跟踪消氢处理或焊后热处理；
S102：根据预热温度计算层间温度，层间温度以预热温度为基础，根据预热温度的不同，当预热温度小于300℃，系数取0.8，当预热温度大于300℃，系数取0.9；
S103：根据钢材的化学成分、力学性能、熔敷金属扩散氢含、板厚或结构刚性、焊接方法、钢材种类、接头或焊缝形式、预热温度等条件、计算焊缝熔合线处的最短冷却时间；
S104：根据最短冷却时间计算最长冷却时间，最长冷却时间不大于60秒；
S105：根据传热条件、预热温度、焊接方法、钢材种类、板厚和冷却时间，计算焊接线能量；
S106：根据所得焊接线能量、核对临界板厚；
S107：核对焊接线能量；
S108：根据板厚、接头或焊缝形式、焊接方法、焊接位置、焊条直径等，将焊接线能量分解成焊接电流、电弧电压和焊接速度；
S109：根据预热温度、计算紧急后热消氢处理的温度；
S110：根据钢材钢号和焊后热处理种类,确定焊后热处理温度和保温时间；
S111：根据以上计算，拟出焊接工艺参数；
S112：根据拟定的焊接工艺参数进行焊接性试验和焊接工艺评定，以验证焊接工艺参数的正确性。
焊接监控系统包括焊缝跟踪单元和熔池监控单元，焊缝跟踪单元，焊接过程中实时改变焊枪位置保证其始终位于焊缝处，同时熔池监控单元实时监控焊接区域正面熔池；
焊缝跟踪单元以YOLO网络为框架，输入为二值化图像，分割焊缝存在区域，剔除图像噪声，基于灰度重心法提取并输出焊缝位置，焊缝跟踪单元通过Steger算法对弧形、随机、间断、齿形光条提取光条纹中心点并利用最小二乘法拟合获取光条纹中心线，将以上四种条纹中心线图像作为训练集；
焊缝跟踪单元损失函数：
其中，
表示对象出现在单元格i中，
表示在单元格i中第j的回归框的预测器为该预测“负责”，
表示在单元格i中第j的回归框中不存在对象，λcoord表示增加回归框的坐标预测值的损失参数，λnoodj表示减少不包含对象的bounding box的置信度的损失参数；
基于灰度重心法，第v列的灰度重心坐标为p(xv,v)计算公式：
其中，I(u,v)表示在u行v列的像素灰度值；
现有的焊缝跟踪单元大多通过Steger算法，Steger算法精度高，但是计算复杂，计算量大，难以满足实时性的要求，灰度重心法计算简单，但是对噪声敏感，同时因为对于噪声敏感使其最终计算精度较低；焊缝跟踪单元基于YOLO获得焊缝存在区域，通过灰度重心法输出焊缝位置，不仅可以满足实时性的要求，同时由于YOLO分割图像时剔除了图像噪声，极大的提高了最终焊缝输出的精确度。
熔池监控单元获取正面熔池图像，运用图像处理方法监控坡口、熔池形状，判断熔池状态是否焊透，当填充金属的熔滴加入熔池时，熔池表面下降且面积有所扩张，则表示熔池焊透；当填充金属的熔滴加入熔池时，熔池表面不下沉，则表示尚未焊透，熔池监控单元输出当前熔池信息到参数优化选择模块作为系统识别标准来调整焊接工艺参数；
正常状态的熔池金属会发生旋转，气体保护效果不良或焊接电流过小就不发生旋转；填充金属的熔滴加入熔池时，熔池表面将升高，随着电弧热量向熔池下方传递，母材被熔化；熔透时，重力作用使熔池下沉，熔池表面下降且面积有所扩张；若不下沉表明尚未熔透；若下沉过多，出现凹陷，表明焊缝背面已焊透；
参数优化选择模块根据输入的熔池信息调整焊接工艺参数，焊枪摆动时，熔池以摆到另一边时，这一边已凝固做为调节摆动速度和焊接速度的依据，后道熔池必须压在前面一个焊波2/3以上，以此调节焊接速度；如果后道熔池必须压在前面一个焊波不满2/3，则，调低焊接速度；如果后道熔池必须压在前面一个焊波超过2/3，则调高焊接速度；熔孔大小以融化两侧坡口钝边并熔入每侧坡口0.5--1mm为依据；
第二层焊接时，监控后道熔池必须压在前面一个焊波2/3以上，以此调节焊接速度和摆动速度，同时监控焊接参数，调节好设备进行填充层的焊接，其操作与焊打底层相同；焊接时焊枪可做圆弧之字形的横向摆动，并在坡口两侧稍做停留；在试件右端开始焊接，注意熔池两侧熔合情况，保证焊道表面平整并且稍下凹，填充层的焊道焊完后应比焊件表面低1.0--1.5mm，以免坡口边缘熔化，导致盖面层产生咬边或焊偏现象；
盖面层的焊接参数调节好设备，在试件右端开始焊接，操作与填充层相同；焊枪摆动幅度应超过坡口边缘1--1.5mm，须尽可能保持焊接速度均匀，熄弧时须填满弧坑。
参数优化选择模块基于工艺参数标定模块为基础调节摆动速度和焊接速度，焊接工艺参数的二次调节不超出工艺参数标定模块值的范围；
当焊接大型工件，在起始阶段进入平稳期后，参数趋于稳定，监控设备自动减低监视频率，保持焊接过程持续稳定；由于工件随着焊接不断积累热量，对于小型工件，必须不断监控计算才能焊出合格美观的焊缝；而对于大型工件，在起始阶段进入平稳期后，参数趋于稳定，监控设备自动减低监视频率，在保证焊接过程的平稳度时，减小系统的工作量。
操作界面可录制产品名称、编号等，每条焊缝焊接工艺即时参数可传输至电脑保存，以便分析焊接质量。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。
最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.气体保护焊接工艺参数自动调节系统，其特征在于：该系统包括工艺参数标定模块、焊接监控系统、参数优化选择模块；
所述工艺参数标定模块构建气体保护焊工艺参数的标定范围，基于标定参数开始焊接，所述焊接监控系统实时监控焊接过程，所述参数优化模块基于焊接监控系统实时调整焊接参数和焊接路径，当实时参数与标定参数出现巨大冲突，所述参数优化选择模块输出最终判定。
2.根据权利要求1所述的气体保护焊接工艺参数自动调节系统，其特征在于：所述工艺参数标定模块根据材质、厚度、等自动计算优化参数范围，然后根据公开的焊接数据库、公司焊接工艺评定、焊接工艺规程等适应参数调整；
所述工艺参数计算具体步骤如下：
S101：根据钢材的化学成分、力学性能、马氏体开始转变点、熔敷金属扩散氢含量、板厚或结构刚性、计算预热温度；
所述预热温度与材料的碳含量、抗拉强度值、马氏体开始转变点、延伸率、常温冲击值有关，还与熔敷金属的扩散氢含量、结构刚性有关：
其中，T0表示预热温度，σt表示材料的标准抗拉强度限值，Ms表示材料的马氏体开始转变点，Ceq表示碳当量，[H]表示测定的扩散氢含量，δ表示板厚，δs表示材料的常温标准延伸率下限值，Ah表示材料的常温标准冲击韧性下限值，a表示一个常数，a为固定阈值；
根据实际应用，调整预热温度区间，当T0≤100℃时，可以不预热；当100℃＜T0≤200℃时，需要预热；当200℃＜T0≤300℃时，焊接时除要采用预热外，还要严格控制层间温度和焊接线能量；当T0＞300℃时，焊接时除要采用预热、控制层间温度和焊接能量外，焊接时必须进行跟踪消氢处理或焊后热处理；
S102：根据预热温度计算层间温度，所述层间温度以预热温度为基础，根据预热温度的不同，当预热温度小于300℃，系数取0.8，当预热温度大于300℃，系数取0.9；
S103：根据钢材的化学成分、力学性能、熔敷金属扩散氢含、板厚或结构刚性、焊接方法、钢材种类、接头或焊缝形式、预热温度等条件、计算焊缝熔合线处的最短冷却时间；
S104：根据最短冷却时间计算最长冷却时间，最长冷却时间不大于60秒；
S105：根据传热条件、预热温度、焊接方法、钢材种类、板厚和冷却时间，计算焊接线能量；
S106：根据所得焊接线能量、核对临界板厚；
S107：核对焊接线能量；
S108：根据板厚、接头或焊缝形式、焊接方法、焊接位置、焊条直径等，将焊接线能量分解成焊接电流、电弧电压和焊接速度；
S109：根据预热温度、计算紧急后热消氢处理的温度；
S110：根据钢材钢号和焊后热处理种类,确定焊后热处理温度和保温时间；
S111：根据以上计算，拟出焊接工艺参数；
S112：根据拟定的焊接工艺参数进行焊接性试验和焊接工艺评定，以验证焊接工艺参数的正确性。
3.根据权利要求2所述的气体保护焊接工艺参数自动调节系统，其特征在于：所述焊接监控系统包括焊缝跟踪单元和熔池监控单元，所述焊缝跟踪单元，焊接过程中实时改变焊枪位置保证其始终位于焊缝处，同时所述熔池监控单元实时监控焊接区域正面熔池。
4.根据权利要求3所述的气体保护焊接工艺参数自动调节系统，其特征在于：所述焊缝跟踪单元以YOLO网络为框架，输入为二值化图像，分割焊缝存在区域，剔除图像噪声，基于灰度重心法提取并输出焊缝位置，所述焊缝跟踪单元通过Steger算法对弧形、随机、间断、齿形光条提取光条纹中心点并利用最小二乘法拟合获取光条纹中心线，将以上四种条纹中心线图像作为训练集；
所述焊缝跟踪单元损失函数：
其中，
表示对象出现在单元格i中，
表示在单元格i中第j的回归框的预测器为该预测“负责”，
表示在单元格i中第j的回归框中不存在对象，λcoord表示增加回归框的坐标预测值的损失参数，λnoodj表示减少不包含对象的bounding box的置信度的损失参数；
基于灰度重心法，第v列的灰度重心坐标为p(xv,v)计算公式：
其中，I(u,v)表示在u行v列的像素灰度值。
5.根据权利要求4所述的气体保护焊接工艺参数自动调节系统，其特征在于：所述熔池监控单元获取正面熔池图像，运用图像处理方法监控坡口、熔池形状，判断熔池状态是否焊透，当填充金属的熔滴加入熔池时，熔池表面下降且面积有所扩张，则表示熔池焊透；当填充金属的熔滴加入熔池时，熔池表面不下沉，则表示尚未焊透，所述熔池监控单元输出当前熔池信息到参数优化选择模块作为系统识别标准来调整焊接工艺参数。
6.根据权利要求5所述的气体保护焊接工艺参数自动调节系统，其特征在于：所述参数优化选择模块根据输入的熔池信息调整焊接工艺参数，焊枪摆动时，熔池以摆到另一边时，这一边已凝固做为调节摆动速度和焊接速度的依据，后道熔池必须压在前面一个焊波2/3以上，以此调节焊接速度；如果后道熔池必须压在前面一个焊波不满2/3，则，调低焊接速度；如果后道熔池必须压在前面一个焊波超过2/3，则调高焊接速度；熔孔大小以融化两侧坡口钝边并熔入每侧坡口0.5--1mm为依据。
7.根据权利要求6所述的气体保护焊接工艺参数自动调节系统，其特征在于：所述参数优化选择模块基于工艺参数标定模块为基础调节摆动速度和焊接速度，所述焊接工艺参数的二次调节不超出工艺参数标定模块值的范围。
8.根据权利要求7所述的气体保护焊接工艺参数自动调节系统，其特征在于：当焊接大型工件，在起始阶段进入平稳期后，参数趋于稳定，监控设备自动减低监视频率，保持焊接过程持续稳定。
9.根据权利要求8所述的气体保护焊接工艺参数自动调节系统，其特征在于：操作界面可录制产品名称、编号等，每条焊缝焊接工艺即时参数可传输至电脑保存，以便分析焊接质量。
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