CN115041777A - 一种铝合金导管全位置焊接温度控制系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种铝合金导管全位置焊接温度控制系统及方法，焊接机头驱动系统与焊接机头连接，用于设定参数并控制焊接机头工作，焊接机头包括焊枪、送丝机构、旋转机构、弧长调整机构和横摆机构；焊接机头通过夹持机构固定于待焊导管上，并与导管同轴，导管固定于柔性工装上；温度采集装置固定在导管上且位于焊接机头一侧，温度采集装置上均匀分布有多个热电偶。输入工艺参数，基于熔池温度模型，获取理想熔池温度；获取当前测温数据，对数据进行融合，得到当前熔池温度；将理想熔池温度和当前熔池温度做差后，输入自适应PID模块；自适应PID模块根据输入，判断目前焊接状态并输出下一时刻的工艺参数。

Description

一种铝合金导管全位置焊接温度控制系统及方法

技术领域

本发明涉及焊接温度控制技术领域，更具体的说是涉及一种铝合金导管全位置焊接温度控制系统及方法。

背景技术

目前，铝合金导管具有密度低、比强度高等优点，是航天器管路系统常用结构零部件，其有效降低了航天器重量和能源消耗，提高了航天器有效承重。全位置焊接(All-position welding)是制造铝合金导管部组件的重要工序，可以适应导管实际工装，完成铝合金导管的焊接制造。

但是，铝合金导热能力强，熔池流动性好，焊接过程中焊接温度场变化迅速，难以维持平衡状态，熔池维度发生变化，焊接成型难以保证。手工焊接过程中，焊工通过观察熔池形貌及时调整焊接电流以及送丝量，以获得稳定的焊缝成型。然而铝合金液态和固态颜色差异小，肉眼难以分辨，手工焊接时间人力物力成本高，这些因素导致铝合金导管焊接效率低，焊接质量不稳定。全位置自动焊接是铝合金导管焊接的有效解决方案之一，具有焊接质量稳定、焊接效率高的优点。然而，全位置焊接涉及平焊、立向上焊、立向下焊、仰焊等多个焊接位置，各个位置热力状态不同，导致成型出现差异，特别是在仰焊和立向上焊位置，熔池在重力的作用下，容易发生失稳，导致大量焊接缺陷(如焊缝咬边、严重气孔等)的出现，导管产品一次合格率低，使得其在铝合金导管的实际焊接生产中具有很大的局限性。

研究发现，焊接温度场是影响铝合金导管焊缝熔池形态以及焊缝成型的关键要素，如何通过对焊接工艺参数的调节和控制实现焊接温度场的控制是获得铝合金导管全位置焊接良好焊缝成型并提高焊接合格率的决定因素。进一步地，第一步要解决的问题是如何通过数字重建不同焊接位置下熔池的温度场模型，第二步要解决的问题是如何应用上述模型对焊接过程进行焊接控制。

因此，提供了一种铝合金导管全位置焊接温度控制系统及方法，实现铝合金导管温度场模型建立并且基于该模型对铝合金导管全位置焊接过程进行控制，应用该方法进行铝合金导管全位置焊接取代手工焊接和开环自动焊接，提高铝合金导管焊接的质量和效率是本领域技术人员亟需解决的问题。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种铝合金导管全位置焊接温度控制系统及方法；通过实时监测的温度数据，实时解算出熔池的温度，并根据建立的熔池温度场模型，进行闭环控制。通过对熔池温度的实时闭环控制，能够有效地控制焊缝成型和焊接质量。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种铝合金导管全位置焊接温度控制系统，包括：焊接机头驱动系统，焊接机头，温度采集装置，柔性工装；

所述焊接机头驱动系统与所述焊接机头连接，用于设定参数并控制所述焊接机头工作，所述焊接机头包括焊枪、送丝机构、旋转机构、弧长调整机构和横摆机构；所述焊接机头通过夹持机构固定于待焊导管上，并与导管同轴，导管固定于柔性工装上；所述温度采集装置固定在导管上且位于焊接机头一侧，所述温度采集装置上均匀分布有多个热电偶。

优选的，还包括焊接电源，所述焊接电源与所述焊接机头驱动系统，所述焊接机头和所述温度采集装置供电，且所述焊接电源上设置有实时反馈模块，采集实时焊接电流及焊接电压。

优选的，所述送丝机构以给定送丝速度送丝，所述旋转机构以给定焊接焊接速度围绕导管旋转，所述弧长调整机构调整所述焊枪与导管表面的距离，所述横摆机构带动焊枪沿导管轴线移动。

优选的，所述温度采集系统包括温度采集阵列，所述温度采集阵列由两个半圆式结构组成，所述温度采集阵列外圆设有对称分布的两翼，两翼上设有沉头孔，两半圆式结构通过螺栓连接，所述两翼上还设有定位孔，通过定位销进行两半圆式结构的定位。

一种铝合金导管全位置焊接温度控制方法，包括以下步骤：

S1、输入工艺参数，基于熔池温度模型，获取理想熔池温度；

S2、获取当前测温数据，对数据进行融合，得到当前熔池温度；

S3、将理想熔池温度和当前熔池温度做差后，出入自适应PID模块；

S4、自适应PID模块根据输入，判断目前焊接状态并输出下一时刻的工艺参数。

优选的，所述步骤S1中熔池温度模型的构建过程为：

记熔池温度为T_pool，记测量点温度为T_in；同时，以相同参数作为模型的输入，获得熔池温度的估计为

而测量点的估计为

进一步抽象化上述过程可得该过程误差方程的数学表达:

解微分方程可得

e_obs＝e^(A-KC)te_obs(0)

若(A-KC)<0，则上式收敛。

优选的，所述步骤S4具体包括：

工艺参数与输出反馈相减获得参数误差，作为PID运算模块的输入，温度误差输入到误差判断模块，该模块根据温度误差数值确定合适的PID参数，并输入到PID运算，PID运算模块计算出下一时刻的参数输出并输出到执行模块。

温度采集模块采集四个位点的温度，经过数模转换传输进入数据融合模块；数据融合模块根据输入的数据计算出熔池温度的间接测量值，同时产生对四个位点温度的预估，并根据该值计算出熔池温度的预估；然后数据融合模块根据熔池温度的间接测量值和熔池温度的预估值产生熔池温度的最佳估计。

经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明公开提供了一种铝合金导管全位置焊接温度控制系统及方法；通过实时监测的温度数据，实时解算出熔池的温度，并根据建立的熔池温度场模型，进行闭环控制。通过对熔池温度的实时闭环控制，能够有效地控制焊缝成型和焊接质量。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1附图为本发明提供的控制系统整体结构示意图。

图2附图为本发明提供的温度采集阵列结构示意图。

图3附图为本发明提供的位置导管焊接控制示意图。

图4附图为本发明提供的自适应PID模块内部结构示意图。

图5附图为本发明提供的焊接机头结构示意图。

其中，1为焊机机头驱动系统，2为焊接机头，3为温度采集装置，4为柔性工装，5为导管，6为焊接电源，21为焊枪，22为送丝机构，23为旋转机构，24为弧长调整机构，25为横摆机构，31为温度采集阵列，32半圆式结构，33为沉头孔，34为螺栓，35为定位孔，36为定位销。

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。

本发明实施例公开了一种铝合金导管全位置焊接温度控制系统，包括：焊接机头驱动系统1，焊接机头2，温度采集装置3，柔性工装4；

焊接机头驱动系统1与焊接机头2连接，用于设定参数并控制焊接机头2工作，焊接机头2包括焊枪、送丝机构、旋转机构、弧长调整机构和横摆机构；焊接机头2通过夹持机构固定于待焊导管5上，并与导管5同轴，导管5固定于柔性工装4上；温度采集装置3固定在导管5上且位于焊接机头2一侧，温度采集装置3上均匀分布有多个热电偶。

为进一步优化上述技术方案，还包括焊接电源6，焊接电源6为焊接机头驱动系统1，焊接机头2和温度采集装置3供电，且焊接电源6上设置有实时反馈模块，采集实时焊接电流及焊接电压。

为进一步优化上述技术方案，送丝机构以给定送丝速度送丝，旋转机构以给定焊接焊接速度围绕导管旋转，弧长调整机构调整焊枪与导管表面的距离，横摆机构带动焊枪沿导管轴线移动。

为进一步优化上述技术方案，温度采集系统3包括温度采集阵列31，温度采集阵列由两个半圆式结构32组成，温度采集阵列31外圆设有对称分布的两翼，两翼上设有沉头孔33，两个半圆式结构32通过螺栓34连接，两翼上还设有定位孔35，通过定位销36进行两个半圆式结构32的定位。

一种铝合金导管全位置焊接温度控制方法，包括以下步骤：

S1、输入工艺参数，基于熔池温度模型，获取理想熔池温度；

S2、获取当前测温数据，对数据进行融合，得到当前熔池温度；

S3、将理想熔池温度和当前熔池温度做差后，出入自适应PID模块；

S4、自适应PID模块根据输入，判断目前焊接状态并输出下一时刻的工艺参数。

为进一步优化上述技术方案，步骤S1中熔池温度模型的构建过程为：

记熔池温度为T_pool，记测量点温度为T_in；同时，以相同参数作为模型的输入，获得熔池温度的估计为

而测量点的估计为

进一步抽象化上述过程可得该过程误差方程的数学表达:

解微分方程可得

e_obs＝e^(A-KC)te_obs(0)

若(A-KC)<0，则上式收敛。

为进一步优化上述技术方案，步骤S4具体包括：

工艺参数与输出反馈相减获得参数误差，作为PID运算模块的输入，温度误差输入到误差判断模块，该模块根据温度误差数值确定合适的PID参数，并输入到PID运算，PID运算模块计算出下一时刻的参数输出并输出到执行模块。

温度采集模块采集四个位点的温度，经过数模转换传输进入数据融合模块；数据融合模块根据输入的数据计算出熔池温度的间接测量值，同时产生对四个位点温度的预估，并根据该值计算出熔池温度的预估；然后数据融合模块根据熔池温度的间接测量值和熔池温度的预估值产生熔池温度的最佳估计。

本实施例展示了一种铝合金导管全位置焊接系统，如图1所示，包括：

焊接电源输入为380V三相电，输出为0-100A变极性基值脉冲电流+0-100A超音频脉冲电流，电源集成实时反馈模块，可以采集实时焊接电流及焊接电压。焊接电源正极通过导线连接工件(本发明中为铝合金导管)，电源负极连接钨极氩弧焊焊枪。

驱动系统与焊接电源通过RS232方式连接，MODBUS通讯协议通讯，实现设定参数、正反转，送抽丝、增大\减少弧长和焊枪左右移动功能；驱动系统与全位置焊接机头电机引出线连接，以实现对焊接机头的控制。

焊接机头实现焊接过程中的运动动作，包括钨极氩弧焊焊枪，送丝机构，旋转机构，弧长调整机构，横摆机构。钨极氩弧焊焊枪电极与焊接电源负极连接，焊枪气管与氩气瓶204连接；送丝机构可以以给定送丝速度送丝，旋转机构可以以给定焊接速度旋转，弧长调整机构可以调整焊枪钨极与导管表面的距离，横摆机构可以带动焊枪沿导管轴线左右动，以实现横摆效果。焊接机头通过夹持机构固定于待焊导管上，并与导管同轴。导管固定于全位置管焊柔性工装205上，该工装可以实现多种规格导管的夹持。

温度采集系统含有温度采集阵列，温度采集阵列由两个半圆式不锈钢结构组成，如图2所示。其内径与待焊导管外径一致，阵列内部有四个定位点，为热电偶的安装位置，必须指出地是，本实施例展示的是含有四个热电偶安装位置的工装，根据需要，可以更改为8个甚至更多热电偶安装位置的工装，与本实施例展示的工装并没有本质的区别。本发明采用K型热电偶采集温度，最大采集温度可达1300℃。热电偶通过点焊机或者高温胶等方式固定于定位点上,这样做的好处是可以保证各个测温点相对位置的一致性，同时也有利于保持和焊缝中心相对的距离。温度采集阵列外圆有对称分布的两翼，两翼上加工沉头孔，可以通过螺栓连接将温度采集阵列工装固定于导管上，同时为了保证安装精度，减少螺栓固定的误差，两翼上加工有定位孔，可以用定位销实现精确的定位。

通过采集多个点的温度来估算熔池的温度，相比于红外传感式测温，有效地减小了焊接过程中复杂的光和电磁干扰对温度采集系统的影响。而且温度采集阵列工装的结构保证了热电偶测温点位置的一致性，减少测温误差。根据实际应用需要，可以选择不同数量的热电偶，扩展性强，适合现场作业。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (8)

1.一种铝合金导管全位置焊接温度控制系统，其特征在于，包括：焊接机头驱动系统(1)，焊接机头(2)，温度采集装置(3)，柔性工装(4)；

所述焊接机头驱动系统(1)与所述焊接机头(2)连接，用于设定参数并控制所述焊接机头(2)工作，所述焊接机头(2)通过夹持机构固定于待焊导管(5)上，并与导管(5)同轴，导管(5)固定于柔性工装(4)上；所述温度采集装置(3)固定在导管(5)上且位于所述焊接机头(2)一侧，所述温度采集装置(3)上均匀分布有多个热电偶。

2.根据权利要求1所述的一种铝合金导管全位置焊接温度控制系统，其特征在于，还包括焊接电源(6)，所述焊接电源(6)为所述焊接机头驱动系统(1)，所述焊接机头(2)和所述温度采集装置(3)供电，且所述焊接电源(6)上设置有实时反馈模块，采集实时焊接电流及焊接电压。

3.根据权利要求1所述的一种铝合金导管全位置焊接温度控制系统，其特征在于，所述焊接机头(2)包括焊枪(21)、送丝机构(22)、旋转机构(23)、弧长调整机构(24)和横摆机构(25)。

4.根据权利要求3所述的一种铝合金导管全位置焊接温度控制系统，其特征在于，所述送丝机构(22)以给定送丝速度送丝，所述旋转机构(23)以给定焊接焊接速度围绕导管旋转，所述弧长调整机(24)构调整所述焊枪(21)与导管表面的距离，所述横摆机构(25)带动所述焊枪(21)沿导管轴线移动。

5.根据权利要求1所述的一种铝合金导管全位置焊接温度控制系统，其特征在于，所述温度采集系统(3)包括温度采集阵列(31)，所述温度采集阵列由两个半圆式结构(32)组成，所述温度采集阵列(31)外圆设有对称分布的两翼，两翼上设有沉头孔(33)，两个所述半圆式结构(32)通过螺栓(34)连接，所述两翼上还设有定位孔(35)，通过定位销(36)进行两个所述半圆式结构(32)的定位。

6.一种铝合金导管全位置焊接温度控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、输入工艺参数，基于熔池温度模型，获取理想熔池温度；

S2、获取当前测温数据，对数据进行融合，得到当前熔池温度；

S3、将理想熔池温度和当前熔池温度做差后，出入自适应PID模块；

S4、自适应PID模块根据输入，判断目前焊接状态并输出下一时刻的工艺参数。

7.根据权利要求5所述的一种铝合金导管全位置焊接温度控制方法，其特征在于，所述步骤S1中熔池温度模型的构建过程为：

记熔池温度为T_pool，记测量点温度为T_in；同时，以相同参数作为模型的输入，获得熔池温度的估计为

而测量点的估计为

进一步抽象化上述过程可得该过程误差方程的数学表达:

解微分方程可得

e_obs＝e^(A-KC)te_obs(0)

若(A-KC)<0，则上式收敛。

8.根据权利要求5所述的一种铝合金导管全位置焊接温度控制方法，其特征在于，所述步骤S4具体包括：

工艺参数与输出反馈相减获得参数误差，作为PID运算模块的输入，温度误差输入到误差判断模块，该模块根据温度误差数值确定合适的PID参数，并输入到PID运算，PID运算模块计算出下一时刻的参数输出并输出到执行模块。

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