CN115365610A - 基于磁控摆动gtaw电弧传感的管板拼接焊缝跟踪方法 - Google Patents

基于磁控摆动gtaw电弧传感的管板拼接焊缝跟踪方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于磁控摆动GTAW电弧传感的管板拼接焊缝跟踪方法。针对管板拼接焊缝难以实现电弧焊缝跟踪的难题，本发明公开一种基于磁控摆动GTAW电弧传感的管板拼接焊缝跟踪方法。首先，在焊接前利用焊枪姿态检测方法确保焊枪与焊缝法向平行；然后，焊接过程中利用基于磁控摆动GTAW电弧传感的控弧方法控制电弧摆动；最后，焊缝跟踪过程中利用基于磁控摆动GTAW电弧传感的管板拼接焊缝跟踪偏差获取方法获取焊缝跟踪偏差。

Description

基于磁控摆动GTAW电弧传感的管板拼接焊缝跟踪方法
技术领域
本发明涉及焊缝跟踪领域，是一种基于磁控摆动GTAW电弧传感的管板拼接焊缝跟踪方法。
技术背景
管板拼接焊缝大量存在于锅炉、核电建设、工程机械等领域的散热器焊接中，目前主要通过焊接工人手工GTAW(非熔化极气体保护焊)焊接完成，严重限制了焊接效率和质量，实现其自动焊接是提高焊接效率和质量的有效途径。磁控摆动电弧焊缝跟踪方法具有非接触、实时性好、电弧摆动灵活等诸多优点，针对磁控摆动电弧焊缝跟踪传感器国内外学者进行了较多的研究，但是仍然存在较多难点影响磁控摆动焊缝跟踪技术的发展。
目前基于电弧的焊缝跟踪方法只针对对称坡口的焊缝，难以实现非对称坡口焊缝的实时跟踪，管板拼接焊缝为典型的非对称焊缝。针对这些问题，本发明公开了一种基于磁控摆动GTAW电弧传感的管板拼接焊缝跟踪方法。
发明内容
一种基于磁控摆动GTAW电弧传感的管板拼接焊缝跟踪方法，用于管板拼接焊缝跟踪，其特征在于：在焊接前，利用焊枪姿态检测方法确保焊枪与焊缝法向平行，利用管板拼接励磁电流标定方法确保电弧在圆管上扫描的弦长与平板上扫描的距离相等；焊接过程中利用基于磁控摆动GTAW电弧传感的控弧方法控制电弧摆动；焊接开始时，焊缝跟踪控制器记录基准焊缝偏差值；焊缝跟踪过程中，利用基于磁控摆动GTAW电弧传感的管板拼接焊缝跟踪偏差获取方法获取焊缝跟踪偏差。基于磁控摆动GTAW电弧传感的管板拼接焊缝跟踪方法流程如图1所述。
在焊接前利用焊枪姿态检测方法确保焊枪与焊缝法向平行；所述的焊枪姿态检测方法，利用焊枪姿态检测电弧扫描方法控制电弧扫描焊缝平板并利用焊枪姿态角计算方法获取焊枪姿态角；所述的焊枪姿态检测电弧扫描方法通过控制焊枪姿态检测励磁电流的大小实现，所述的焊枪姿态检测励磁电流控制电弧向右摆动扫描焊缝平板并使Vs＝Vf；所述的Vs为电弧开始扫描焊缝平板时的起始焊接电压；所述的Vf为电弧摆动到最右边时的焊接电压；所述的焊枪姿态角计算方法通过Vs和Vm计算得出；所述的Vm为电弧扫描焊缝平板过程中的最小焊接电压。
焊接过程中，利用基于磁控摆动GTAW电弧传感的控弧方法控制电弧摆动；所述的基于磁控摆动GTAW电弧传感的控弧方法通过控制电弧摆动到最左端时的电弧长度实现电弧在焊缝圆管上扫描过的弦长与电弧在焊缝平板上扫描过的长度相等；电弧摆动到最左端的弧长的控制通过控制励磁线圈的励磁电流的大小实现。
焊接开始时，基于磁控摆动GTAW电弧传感的管板拼接焊缝跟踪控制器记录基准焊缝偏差值；所述的基准焊缝偏差是当磁场控制电弧向右侧摆动时焊缝跟踪控制器获取的100个焊接电压的和与磁场控制电弧向左侧摆动时焊缝跟踪控制器获取的100个焊接电压的和的差值。
焊缝跟踪过程中，利用基于磁控摆动GTAW电弧传感的管板拼接焊缝跟踪偏差获取方法获取焊缝跟踪偏差并调节焊缝偏差；所述的焊缝跟踪偏差为实时焊缝偏差与基准焊缝偏差之差，若焊缝跟踪偏差大于0则焊枪右偏，若焊缝跟踪偏差小于0则焊枪左偏；所述的实时焊缝偏差为焊缝跟踪过程中当磁场控制电弧向右侧摆动时焊缝跟踪控制器获取的100个焊接电压的和与磁场控制电弧向左侧摆动时焊缝跟踪控制器获取的100个焊接电压的和的差值。
发明的有益效果：
本发明涉及一种基于磁控摆动GTAW电弧传感的管板拼接焊缝跟踪方法。在焊接前，利用焊枪姿态检测方法确保焊枪与焊缝法向平行，利用管板拼接励磁电流标定方法确保电弧在圆管上扫描的弦长与平板上扫描的距离相等；焊接过程中利用基于磁控摆动GTAW电弧传感的控弧方法控制电弧摆动；焊接开始时，焊缝跟踪控制器记录基准焊缝偏差值；焊缝跟踪过程中，利用基于磁控摆动GTAW电弧传感的管板拼接焊缝跟踪偏差获取方法获取焊缝跟踪偏差。本发明克服了目前磁控电弧焊缝跟踪方法难以实现管板拼接焊缝实时跟踪的难题。
附图说明
图1为基于磁控摆动GTAW电弧传感的管板拼接焊缝跟踪方法流程图。
图2为焊枪姿态检测方法原理图。
图中：1-圆管；2-电弧开始扫描工件平板时的起始电弧；3-励磁线圈；4-GTAW焊枪；5-电弧与工件平板垂直状态；6-工件平板；7-电弧摆动到最右边时的状态；Ls为电弧开始扫描工件平板时的起始电弧长度；Lm为电弧与工件平板垂直状态时的电弧长度；Lf为电弧摆动到最右边时的电弧长度；β为焊枪姿态角。
图3为基于磁控摆动GTAW电弧传感的管板拼接控弧方法原理图
图中：1-圆管；2-电弧摆动到最左边时的状态；3-电弧摆动到焊缝中间位置(电弧长度最长)时的状态；4-电弧摆动到最右边时的状态；R为圆管的半径；γ为电弧在圆管上扫描过的弦长所对应的圆周角；ε为电弧扫描到焊缝中间位置时与电弧所扫描过的圆管的弦的夹角；Sl为电弧在圆管上扫描过的弦长；Sr为电弧在平板上扫描过的长度；αl为电弧摆动到最左边时的弧长；αm为电弧摆动到焊缝中间位置(电弧长度最长)时的弧长；αr为电弧摆动到最右边时的电弧长度。
具体实施方式
为了更好地表达发明的技术方案与有益效果，下面结合附图和实施案例对本发明做进一步详细说明。本发明的实施方式不限于此。
步骤1：焊枪姿态检测
在焊接前利用焊枪姿态检测方法确保焊枪与焊缝法向平行，如图2所述。所述的焊枪姿态检测方法，利用焊枪姿态检测电弧扫描方法控制电弧扫描工件平板并利用焊枪姿态角计算方法获取焊枪姿态角；所述的焊枪姿态检测电弧扫描方法通过控制励磁电流的大小实现。焊枪姿态检测励磁电流控制电弧向右摆动过程中基于磁控摆动GTAW电弧传感的管板拼接焊缝跟踪控制器通过电压传感器实时获取并记录焊接电压，当Vs＝Vf时关闭励磁电流；所述的Vs为电弧开始扫描焊缝平板时的起始焊接电压；所述的Vf为电弧摆动到最右边时的焊接电压；所述的焊枪姿态角计算方法通过Vs和Vm计算得出；所述的Vm为电弧扫描工件平板过程中的最小焊接电压。焊枪姿态角β通过式(1)、(2)计算。
Figure BDA0003819074930000031
Lm＝f(Vm) (2)
Ls＝f(Vs) (3)
其中f()为焊接电压与电弧长度的函数关系；Ls为电弧开始扫描工件平板时的起始电弧长度；Lm为电弧与工件平板垂直状态时的电弧长；通过实验数据拟合得出。
步骤2：基于磁控摆动GTAW电弧传感的管板拼接控弧方法
焊接过程中，利用基于磁控摆动GTAW电弧传感的管板拼接控弧方法控制电弧摆动；所述的基于磁控摆动GTAW电弧传感的控弧方法通过控制电弧摆动到最左端时的电弧长度实现电弧在焊缝圆管上扫描过的弦长与电弧在焊缝平板上扫描过的长度相等，即控制图3中Sl＝Sr；电弧摆动到最左端时弧长通过式(4)、(5)、(6)计算。电弧摆动到最左端时的弧长检测值αls通过式(7)获取。当满足αl＝αls时实现了基于磁控摆动GTAW电弧传感的管板拼接控弧的目的；当αl＞αls时，须增大左摆磁场强度；当αl＜αls时须减小左摆磁场强度。
Figure BDA0003819074930000032
Figure BDA0003819074930000033
αl＝Sl 2+αm 2-2Slαm cosε (6)
式中：R为圆管的半径；γ为电弧在圆管上扫描过的弦长所对应的圆周角；ε为电弧扫描到焊缝中间位置时与电弧所扫描过的圆管的弦的夹角；Sl为电弧在圆管上扫描过的弦长；Sr为电弧在平板上扫描过的长度；αl为电弧摆动到最左边时的弧长；αm为电弧摆动到焊缝中间位置(电弧长度最长)时的弧长；αr为电弧摆动到最右边时的电弧长度。
αls＝f(Vls) (7)
式中：αls为电弧摆动到最左端时的弧长检测值；f()为焊接电压与电弧长度的函数关系；Vls为为电弧摆动到最左端时的焊接电压。
步骤3：记录基准焊缝偏差值
焊接开始时，基于磁控摆动GTAW电弧传感的管板拼接焊缝跟踪控制器记录基准焊缝偏差值；所述的基准焊缝偏差是当磁场控制电弧向右侧摆动时焊缝跟踪控制器获取的100个焊接电压的和与磁场控制电弧向左侧摆动时焊缝跟踪控制器获取的100个焊接电压的和的差值。基准焊缝偏差值通过式(8)计算。
Figure BDA0003819074930000041
式中：Estd为基准焊缝偏差值；i为焊接电压采样顺序；Vri为磁场控制电弧向右侧摆动时焊缝跟踪控制器获取的i个焊接电压；Vli为磁场控制电弧向左侧摆动时焊缝跟踪控制器获取的i个焊接电压。
步骤4：获取焊缝跟踪偏差
焊缝跟踪过程中，利用基于磁控摆动GTAW电弧传感的管板拼接焊缝跟踪偏差获取方法获取焊缝跟踪偏差并调节焊缝偏差；所述的焊缝跟踪偏差为实时焊缝偏差与基准焊缝偏差之差，通过式(10)计算，若焊缝跟踪偏差大于0则焊枪右偏，若焊缝跟踪偏差小于0则焊枪左偏；所述的实时焊缝偏差为焊缝跟踪过程中当磁场控制电弧向右侧摆动时焊缝跟踪控制器获取的100个焊接电压的和与磁场控制电弧向左侧摆动时焊缝跟踪控制器获取的100个焊接电压的和的差值，实时焊缝偏差通过式(9)计算。
Figure BDA0003819074930000042
式中：Ert为实时焊缝偏差；i为焊接电压采样顺序；Vtri为焊缝跟踪过程中当磁场控制电弧向右侧摆动时焊缝跟踪控制器获取的i个焊接电压；Vtli为焊缝跟踪过程中当磁场控制电弧向左侧摆动时焊缝跟踪控制器获取的i个焊接电压。
E＝Ert-Estd (10)
式中：E为焊缝跟踪偏差；Estd为基准焊缝偏差值；Ert为实时焊缝偏差。

Claims (5)

1.一种基于磁控摆动GTAW电弧传感的管板拼接焊缝跟踪方法，用于管板拼接焊缝跟踪，其特征在于：在焊接前，利用焊枪姿态检测方法确保焊枪与焊缝法向平行；焊接过程中利用基于磁控摆动GTAW电弧传感的控弧方法控制电弧摆动；焊接开始时，焊缝跟踪控制器记录基准焊缝偏差值；焊缝跟踪过程中利用基于磁控摆动GTAW电弧传感的管板拼接焊缝跟踪偏差获取方法获取焊缝跟踪偏差。
2.根据权利要求1所述的一种基于磁控摆动GTAW电弧传感的管板拼接焊缝跟踪方法，其特征在于：所述的焊枪姿态检测方法，利用焊枪姿态检测电弧扫描方法控制电弧扫描焊缝平板并利用焊枪姿态角计算方法获取焊枪姿态角；所述的焊枪姿态检测电弧扫描方法通过控制焊枪姿态检测励磁电流的大小实现，所述的焊枪姿态检测励磁电流控制电弧向右摆动扫描焊缝平板并使Vs＝Vf；所述的Vs为电弧开始扫描焊缝平板时的起始焊接电压；所述的Vf为电弧摆动到最右边时的焊接电压；所述的焊枪姿态角计算方法通过Vs和Vm计算得出；所述的Vm为电弧扫描焊缝平板过程中的最小焊接电压。
3.根据权利要求1所述的一种基于磁控摆动GTAW电弧传感的管板拼接焊缝跟踪方法，其特征在于：焊接过程中，利用基于磁控摆动GTAW电弧传感的控弧方法控制电弧摆动；所述的基于磁控摆动GTAW电弧传感的控弧方法通过控制电弧摆动到最左端时的电弧长度实现电弧在焊缝圆管上扫描过的弦长与电弧在焊缝平板上扫描过的长度相等，电弧摆动到最左端的弧长的控制通过控制右摆励磁电流的大小实现。
4.根据权利要求1所述的一种基于磁控摆动GTAW电弧传感的管板拼接焊缝跟踪方法，其特征在于：焊接开始时，基于磁控摆动GTAW电弧传感的管板拼接焊缝跟踪控制器记录基准焊缝偏差值；所述的基准焊缝偏差是当磁场控制电弧向右侧摆动时焊缝跟踪控制器获取的100个焊接电压的和与磁场控制电弧向左侧摆动时焊缝跟踪控制器获取的100个焊接电压的和的差值。
5.根据权利要求1所述的一种基于磁控摆动GTAW电弧传感的管板拼接焊缝跟踪方法，其特征在于：焊缝跟踪过程中，利用基于磁控摆动GTAW电弧传感的管板拼接焊缝跟踪偏差获取方法获取焊缝跟踪偏差并调节焊缝跟踪偏差；所述的焊缝跟踪偏差为实时焊缝偏差与基准焊缝偏差之差，若焊缝跟踪偏差大于0则焊枪右偏，若焊缝跟踪偏差小于0则焊枪左偏；所述的实时焊缝偏差为焊缝跟踪过程中当磁场控制电弧向右侧摆动时焊缝跟踪控制器获取的100个焊接电压的和与磁场控制电弧向左侧摆动时焊缝跟踪控制器获取的100个焊接电压的和的差值。
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