CN117283094B - 一种可自动追踪以及施加超声辅助的焊接系统 - Google Patents
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Abstract
本发明属于焊接技术领域，是一种可自动追踪以及施加超声辅助的焊接系统，包括焊机、焊枪、主控单元以及超声随焊装置，所述超声随焊装置包括随焊控制单元、移动车体、视觉识别摄像头、激光测距仪以及超声施加系统，所述随焊控制单元与主控单元通讯实现数据传递，由主控单元基于焊缝图像以及焊点与焊枪的位置信息确定焊点位置，同时基于移动车体移动速度得到焊接速度，并通过随焊控制单元向移动车体以及超声施加系统下发指令使移动车体追踪焊缝运动、使超声施加系统调整至超声施加位置。本系统能够监管、辅助焊接人员进行手动焊接作业，且能够自动施加超声辅助，从而提高手工焊接效率和焊接质量。
Description
技术领域
本发明主要涉及焊接相关技术领域，具体是一种可自动追踪以及施加超声辅助的焊接系统。
背景技术
在现有焊接技术中，手工氩弧焊是一种最常见的焊接方法。然而在焊接过程中，对于工件的焊接质量主要取决于操作人员的技术以及熟练程度，使得焊接质量难以保障。且在现实生活中，部分焊接工作人员为了快速完成任务或者减少工作量，并未按照生产要求所规定的电流和电压、速度、温度等条件来焊接，导致手工焊接未严格按照工艺规范执行。
超声辅助焊接通过超声波的振动能量可以细化焊缝微观组织、减小孔隙尺寸，提高金属界面的接触性，这可以有效地提高焊接的强度和质量。现有焊接过程中通过施加超声辅助焊接的方式已成为常态，然而在手工焊接过中，超声的施加十分不便，严重影响焊接人员的工作效率，而采用自动化机器超声辅助焊接则具有极高的成本。此外，人工焊接所使用的设备成本较低，但在超声辅助焊接过程中，超声功率的施加大小对焊接接头的寿命影响极大，多数操作人员并不了解合理的超声施加范围，容易得不偿失，导致焊接质量难以把控。故而有必要设计一种对焊接人员友好、方便焊接人员实现标准化、高效化操作的焊接系统。
发明内容
为解决目前技术的不足，本发明结合现有技术，从实际应用出发，提供一种可自动追踪以及施加超声辅助的焊接系统，其能够监管、辅助焊接人员进行手动焊接作业，且能够自动施加超声辅助，从而提高手工焊接效率和焊接质量。
本发明的技术方案如下：
一种可自动追踪以及施加超声辅助的焊接系统，包括焊机、焊枪、主控单元以及超声随焊装置，
所述超声随焊装置包括随焊控制单元、移动车体、视觉识别摄像头、激光测距仪以及超声施加系统，所述移动车体配置有可行走以及转向的车轮；
所述视觉识别摄像头用于采集焊缝图像并发送至随焊控制单元，所述激光测距仪用于测量焊点与焊枪的位置并发送至随焊控制单元，所述随焊控制单元与主控单元通讯实现数据传递，由主控单元基于焊缝图像以及焊点与焊枪的位置信息确定焊点位置，同时基于移动车体移动速度得到焊接速度，并通过随焊控制单元向移动车体以及超声施加系统下发指令使移动车体追踪焊缝运动、使超声施加系统调整至超声施加位置；
所述主控单元包括显示模块、输入模块、数据处理模块以及数据存储模块，所述输入模块用于输入焊接工艺参数，主控单元与随焊控制单元、焊机之间通过通讯模块数据交互，所述数据处理模块用于对焊接工艺参数进行处理，通过通讯模块将指令发送至焊机使焊机依据设定的焊接工艺参数运行，数据处理模块还用于基于焊接工艺参数与数据存储模块交互获取对应焊接工艺参数下最优的超声施加功率，并将指令发送至随焊控制单元，随焊控制单元基于下发的指令控制超声施加系统以最优的超声施加功率对焊接中的焊件施加随焊超声，所述显示模块用于显示焊机、随焊控制单元参数信息。通过焊机焊枪实现工件的焊接，通过主控单元实现系统的主要计算和控制，通过超声随焊装置实现焊缝的自动跟踪以及最优超声功率的施加，从而保证整体的焊接质量。
进一步，所述移动车体配置四个连接驱动电机以及减速机的麦克纳姆轮，随焊控制单元基于焊点的位置控制各车轮的转速，当超声随焊装置距离焊点到达设定值后，超声随焊装置将不再靠近，且保持焊点与超声随焊装置的距离和夹角不变进入自动跟踪状态，此时超声施加系统工作对焊件施加超声。移动车体通过配置的麦克纳姆轮以及相应的驱动电机、减速机能够在主控单元指令下实现自动行走以及转向，从而可以快捷方便的完成对焊缝的追踪。
进一步，所述视觉识别摄像头包括左右摄像头，主控单元基于左右摄像头发送的焊缝图像进行灰度化处理、滤波、形态学处理、边缘提取、焊缝平面化、给目标物体赋坐标值、焊点轮廓提取、以焊点的最大面积中心为焊点原点，之后与激光测距仪测量焊点与焊枪的位置进行数据融合得到焊点位置。通过双目识别摄像头，保障对焊缝的精确识别，从而可以准确计算出焊点的位置，为焊缝的自动追踪提供基础。
进一步，所述超声施加系统包括角度调整组件、旋转组件以及超声振子；所述超声振子安装于角度调整组件的小臂上，所述角度调整组件安装于旋转组件上，旋转组件安装于移动车体上，由角度调整组件、旋转组件调整超声振子位置，由超声振子施加超声。通过自动化的调整方式，方便超声施加系统中超声振子的位置调整，以将超声精准的施加到焊点位置。
进一步，所述的焊接工艺参数包括焊接电流、焊接电压、焊接材料、焊接速度以及焊接温度参数。在焊接工艺过程中，焊接电流、焊接电压、焊接材料、焊接速度以及焊接温度参数是最主要、最常用的焊接参数组成，在焊接电流、焊接电压、焊接材料、焊接速度以及焊接温度参数确定的情况下，即可计算出所需施加的最优超声功率。
进一步，所述超声随焊装置还包括红外温度传感器，红外温度传感器用于测量焊缝处温度。通过设置的红外温度传感器，对焊缝处的温度进行测量，在焊缝处温度超出设定阈值时，系统可发出报警信号以提醒焊接人员。
进一步，所述主控单元或超声随焊装置还包括报警模块，在实际焊接工艺参数不符合输入焊接工艺参数时，发出报警信号。
进一步，所述数据存储模块内存储有不同焊接工艺参数下对应的最优超声施加功率值，其中最优超声施加功率值获取方法如下：
S1、根据焊接材料，确定一组或几组最优的焊接电流、焊接电压、焊接速度以及焊接温度参数值；
S2、构建特定焊接材料、对应焊接电流、焊接电压、焊接速度以及焊接温度参数下基于超声输入功率的焊接接头寿命预测模型；
S3、基于焊接接头寿命预测模型建立超声功率与焊接接头寿命之间的拟合关系式，通过拟合关系式，得到最大焊接接头疲劳寿命值对应的超声功率值，该超声功率值为最优超声施加功率值。
进一步，焊接接头寿命预测模型建立方法如下：
S21、对特定焊接材料、对应焊接电流、焊接电压、焊接速度以及焊接温度参数下开展不同功率下焊接试验，得到超声功率与平均孔隙尺寸的关系式如下：（1）
式中，为不同功率下的平均孔隙尺寸，P x为超声功率，A1、A2和A3分别为拟合参数；
用广义帕累托（GP）分布函数对接头孔隙数据进行评估，在某一超声功率下孔隙尺寸累积分布函数的表达式可表示为： （2）
式中，为孔隙尺寸；/>为形状参数；/>为尺度参数，其值大于0；μ为阀值，焊接接头的孔隙尺寸大于阀值，则，焊接接头的最大孔隙尺寸可以表示为：（3）
S22、测量不同超声输入功率下焊缝区的晶粒尺寸，基于多项式拟合得到超声输入功率与微观组织平均尺寸之间的关系，既：（4）
式中，为焊缝区的平均微观组织尺寸，B1、B2和B3分别为拟合参数；
S23、开展不同超声功率下接头超高周疲劳试验，获得相应S-N曲线，得到校正应力公式： (5)
式中，
为拟合参数；σ max-c表示校正后的最大应力；/>为对接头施加的最大应力；为同一批次试样下的孔隙尺寸平均值。进一步，提出一个无量纲的疲劳参数λ，其被定义为：/> (6)
其中，H表示诱发失效的缺陷深度，结合式(5)和(6)，重新构建与应力幅值有关的应力校正系数如下：(7)
式中，S和t均为与材料相关的修正因子，此时，校正应力可以分别表示为：(8)
式中，对接头施加应力幅值，且/>，R为应力比；/>为校正后的应力幅值。
单个滑移带在每个循环载荷下的应变能增量ΔU可表示为：(9)
式中，ν为泊松比；k为位错滑移阻力；Δτ为局部平均剪切应力范围；为剪切模量；/>为微组织尺寸，储存在单位面积内的总应变能U可表示为：/> (10)
中，W S表示滑移带单位面积内断裂能。假设当循环次数达到时，由位错累积过程导致的总应变能恰好达到断裂能阈值，由此可建立由此可建立疲劳寿命的公式，如下： (11)
式中，表示为当超声功率为P x下的接头疲劳寿命；考虑裂纹长度c的W S可由下式给出：/>(12)
式中，h表示滑移带宽度；结合式(11)与(12)，并引入与累积应变能以及不可逆滑移度有关的疲劳寿命指数β，则疲劳预测寿命的改进模型可以表示为： (13)
当不均匀组织（FGA）完全被滑移带所覆盖时，裂纹长度c可以通过FGA尺寸与/>的差值表示，此外，基于八面体剪切应力屈服准则，单轴拉压应力中的/>可通过应力幅值表示为：/> (14)
式中，为应力幅值范围，另外，在FGA形成过程中，/>可以被认为是临界剪切应力，并可通过疲劳极限/>表示为：/> (15)
用GP分布下评估的最大孔隙尺寸来替代孔隙尺寸，微观组织尺寸由公式（4）来替代，进一步结合与缺陷特征有关的校正应力，最终可以得到基于超声输入功率的寿命预测模型，表达式如下：/>（16）
式中，σ w-c表示由校正S-N数据得到的疲劳极限。
对于寿命预测模型，以位错法为基础，虑及超声功率、位错滑移带长度、最大气孔尺寸、疲劳寿命指数等构建可靠性评估模型，预测结果大部分位于三倍寿命线内，预测精度较高。
进一步，焊接接头寿命预测模型得到若干组不同功率值对应的焊接接头疲劳寿命建立超声功率与/>之间的拟合关系式如下：（17）
式中，C1、C2、C3、C4、C5、C6分别为拟合参数，通过拟合关系式得到特定焊接材料、对应焊接电流、焊接电压、焊接速度以及焊接温度参数下的最优超声施加功率值。
本发明的有益效果：
1、本系统能够对焊接操作人员作业过程进行实时监控，包括焊接电流、电压、速度、温度等，在焊接工艺不符合设定值时能够进行报警，一方面实现了焊接操作人员的监管，保障了手工焊接可以严格按照工艺规范执行，另一方面对操作人员具有警示、提醒作用，提高操作人员工作效率，保障焊接质量。
2、本系统通过设置的自动随焊装置，能够在焊接过程中对焊缝进行自动追踪，从而自动施加超声辅助，焊接作业人员在作业过程中只需要专注焊接即可，因此对焊接人员技术要求低。
3、本系统随焊装置结构设计运动平稳，能够进准识别焊点位置、精准自主跟踪，相对于自动焊接机器人，随焊装置结构简单、成本更加低廉，同时随焊装置作为独立的单元设计，便于使用和维护。
4、本系统能够根据焊接工艺参数自动调整施加的超声功率，从而保障焊接接头的使用寿命，避免因焊接操作人员技术不过关而不知如何合理施加超声辅助的问题。
5、本系统通过搭建的焊接接头预测模型，能够精准计算出所需施加超声功率大小，通过理论与实践经验的有效结合，保障了系统能够在焊接人员作业过程中自动施加最优的辅助超声功率，从而保障焊接质量。
附图说明
图1为本发明焊接系统功能模块图。
图2为超声随焊装置相关结构示意图。
图3为基于双目视觉的图像处理流程图。
图4为超声辅助焊接设备的速度控制流程示意图。
图5为超声随焊装置焊机流程图。
图6为最优超声功率的计算流程图。
图7为应力水平为300 MPa下钛合金焊接接头疲劳寿命与超声功率之间关系图。
具体实施方式
结合附图和具体实施例，对本发明作进一步说明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所限定的范围。
本发明实施例提供一种可自动追踪以及施加超声辅助的焊接系统，主要用于辅助作业人员完成焊接工作。
参考图1所述，为本实施例的焊接系统功能模块图。整个焊接系统主要包括焊机、主控单元以及超声随焊装置三部分结构，焊机又包括了焊枪以及气瓶等。
本实施例的主控单元作为主要计算和控制单元，与焊机以及超声随焊装置之间实现实时的数据交互。主控单元主要包括显示模块、输入模块、数据处理模块以及数据存储模块，
在主控单元中，输入模块用于输入焊接工艺参数，在焊接前期，焊接人员通过用户名和密码登录到系统中，可以在系统中选择自己的焊接模式以及焊接参数，焊接参数主要包括焊接电流、焊接电压、焊接速度以及焊接温度参数值。在具体实施方式中，以上参数主要基于所要焊接的材料以及焊接环境确定，实际焊接参数设定过程中，是基于经验或给出的焊接参考表，选择相应焊接材料下对应的常用焊接电流、焊接电压、焊接速度以及焊接温度参数值。
显示模块主要用于显示焊机以及超声随焊装置的一些参数以及报警信号类型等。
数据处理模块主要用于对焊接工艺参数进行处理，主控单元通过与焊机进行通讯，将设定的焊接参数发送至焊机，使焊机依据设定的焊接工艺参数运行。数据处理模块还用于对随焊控制单元所采集的数据进行处理和分析，从而使超声随焊装置能够跟随焊缝实现自动行走和跟踪，同时，数据处理模块还可对焊接工艺参数进行分析处理，通过与数据存储模块交互，得到设定的焊接参数下，最优的超声功率施加值，从而控制超声随焊装置朝向焊缝处自动施加最优功率值。
在主控单元中还可以设置报警模块，当实际焊接参数与所设定的焊接参数差值大于设定阈值时，报警模块发出报警信号，给作业人员提示。
在本实施例中，主控单元需要运行图像处理、运动控制算法等，因此对运算能力要求较高。可选用英伟达公司推出的Jeston Nano开发套件作为主控制器。该套件采用了四核64位ARM CPU和128核集成NVIDIA GPU，不仅运算能力能够满足控制系统需求，且结构紧凑，适合用在小型平台上，其次用于该套件的JetPack 4.2 SDK提供了基于Ubuntu 18.04的完整桌面Linux环境，极大地方便了基于ROS的控制系统的开发。Jeston Nano开发套件具有四个USB3.0接口以及一个RJ45接口，其中RJ45接口通过网线与路由器连接，用于与远程控制PC的通信，两个USB3.0接口与工业摄像头进行连接，用于焊缝熔池图像的采集，另需一个USB3.0接口通过USB转TTL电平转换模块与MCU进行通信，用于传输指令信息。
本实施例的超声随焊装置作为本设计的重点，主要包括随焊控制单元、移动车体、视觉识别摄像头、激光测距仪以及超声施加系统等。
参考图2所示，为本实施例的超声随焊装置相关结构示意图。
其中对于移动车体1，移动车体1配置有可行走以及转向的车轮。经由主控单元计算，由随焊控制单元与移动车体1数据交互，控制移动车体1的焊缝跟踪运动。在本实施例中，移动车体主要由驱动电机、减速机、车轮等组成。驱动电机通过螺栓连接的结构与车架箱体连接，减速机输入端与驱动电机轴过盈配合连接，减速机安装座通过轴端盖与车架箱体相连接固定，减速机输出轴通过转接轴与车轮连接固定，四个车轮全部选用麦克纳姆轮全向轮，实现了随焊装置行进过程中的移动平稳以及前进方向自由调整。在视觉和激光测距识别定位后获得的焊点与随焊装置的距离和夹角作为输出，采用PID控制算法经运动学模型可得各轮的转速控制随焊装置接近焊点，当距离焊点到达设定值后，随焊装置将不再靠近，进入自动跟踪状态，其中PID控制器将距离误差作为输入用于随焊装置线速度计算、夹角误差作为输入用于随焊装置角速度计算，由运动学方程计算获得4个全方位轮的转速，由此还可得出焊接过程中焊枪的移动速度。通过对移动车体的控制，能够使得移动车体1进行焊缝的自动追踪，如此使得超声随焊装置能够自行移动和跟踪焊缝，焊接人员只需专注焊接即可，而无需分心考虑超声施加问题。
因，本实施例的超声随焊装置能够实现焊缝的自动追踪，因此需要识别模块识别出焊缝的具体位置。本实施例的焊缝识别采用视觉识别配合激光测距的方式能够精确定位焊缝的位置。
具体的，经实践验证，采用单目视觉通过HAAR级联分类训练器识别焊点的方法，存在受环境光干扰存在识别错误的情况发生，另外单目视觉无法精确定位焊点距离，给准确施加超声带来了一定困难。故，本实施例采用双目视觉定位的方法。在移动车体1上配置双目视觉识别摄像头2以及激光测距仪3，视觉识别摄像头2采用HF867-720工业摄像头采集焊缝图像，该设备具有清晰度高、噪声低、分辨率高、免驱等优点，摄像头使用的是80度广角无畸变自动对焦镜头，光圈、亮度以及曝光度等均可调节，其采集到图像的最大像素为1280（H）×720(V)，完全满足像素要求，该摄像头使用USB接口与Jeston Nano连接进行图像传输，在特种环境下运行稳定、可靠性高，能满足实际工况需求，在摄像头安装深色滤光片，很大程度上去除了环境光的烦扰。
参考图3所述，为基于双目视觉的图像处理流程图。随焊装置采用双目视觉定位的手段，左右两个视觉识别摄像头2的图像依次经灰度化处理、滤波、形态学处理后提取边缘，并将焊缝平面化，获取目标物体的坐标位置，考虑焊点处轮廓最大，将最大面积的轮廓作为焊点轮廓，提取重心作为焊点位置，然后，激光测距仪3可以通过激光束来测量焊缝的距离和高度等信息，将视觉识别装置获取到的物体坐标和激光测距仪测量到的距离信息进行数据融合，并输出相关数据同时，根据激光测距仪3的测量以及两个视觉识别摄像头2的图像匹配后按照三角原理计算确定焊枪焊点的准确位置，在焊点位置确定后，即可移动车体1实现焊点的自动追踪。
参考图4所示，为超声辅助焊接设备的速度控制流程示意图，在焊缝自动追踪过程中，实时检测随焊装置与焊枪的距离是否在规定范围之内，超出范围则发出报警信号，不超出范围说明随焊装置正常实时跟踪。
在对于焊点位置采集过程中，图像的处理以及焊点的确定主要通过主控单元完成，视觉识别摄像头2以及激光测距仪3得到的数据传输至主控单元，经主控单元分析处理得到焊点的准确位置，由主控单元反馈至移动车体1，控制移动车体1自动跟踪。
本实施例的超声施加系统主要用于在焊接作业过程中，自动的朝向焊点位置施加超声辅助。因，移动车体1能够实现焊点位置的自动追踪，故而该超声施加系统能够准确的朝向焊点处施加超声辅助。超声辅助系统主要由超声振子4、角度调整装置5、旋转装置6等组成。
超声振子4固定于角度调整装置5的小臂上，然后角度调整装置5与旋转装置6连接，旋转装置6与移动车体1车厢后部车架固定连接。通过控制旋转装置6以及角度调节装置5来实现超声辅助装置与焊缝所需施加超生的位置之间的调节，同时还可调整超声振子4角度，保证超声振子4变幅杆端面与母材平行接触，以及实现超声辅助装置施加的力的大小调节，接触压力过大会限制超声振子4振动大大降低超声振动的传递效率，也会对设备造成较大的损坏，而接触压力过小会导致超声工具头变幅杆与母材不能良好接触，降低超声传递效率。
超声功率的施加大小会直接影响到焊接的质量，在本实施例中，超声功率的施加值为自动施加。其原理主要是在焊接人员确定好焊接材料时，会根据焊接经验或指导表格选择一组合适的焊接电流、焊接电压、焊接速度以及焊接温度，在确定好上述焊接参数后，主控单元的数据存储模块存储了上述焊接参数对应的最优施加功率值，故而主控单元可将该最优施加功率值传输至超声振子4上，从而控制超声振子4对焊缝处施加该最优超声功率值。
对于本实施例所提供的焊接系统，能够实现焊缝自动追踪、超声功率自动施加、焊接参数自动监测等，能够保障手工焊接或机器焊接过程中的焊接质量，使用本系统的焊接流程可参考图5所示。
本发明实施例还提供一种最优超声施加功率的计算方法，通过该计算方法，能够得到对应焊接材料、焊接电流、焊接电压、焊接速度以及焊接温度参数下的最优超声施加功率，从而保障焊接接头的质量，最优超声功率的计算流程如图6所示。主要步骤如下：
针对某一焊接材料，在焊接电压、电流及焊接速度、焊接温度一定的前提下，开展不同超声功率下焊接试验。之后，基于SR-μCT仪器对不同焊接工艺下焊接接头中孔隙尺寸进行测量，得到不同功率下孔隙数据，基于多项式拟合，可以得到超声功率与平均孔隙尺寸的关系式为 （1）
式中，为不同功率下的平均孔隙尺寸，P x为超声功率，A1、A2和A3分别为拟合参数。
进一步地，为预测不同超声功率下的最大气孔尺寸，采用广义帕累托（GP）分布函数对接头孔隙数据进行评估，假设不同超声功率下焊接接头的孔隙尺寸均服从三参数广义帕累托分布，则在某一超声功率下孔隙尺寸累积分布函数的表达式可表示为：（2）
式中，为孔隙尺寸；/>为形状参数；/>为尺度参数，其值大于0；μ为阀值，其中，焊接接头的孔隙尺寸大于阀值。因此，焊接接头的最大孔隙尺寸可以表示为：（3）
为了进一步明确超声输入功率与微观组织尺寸的关系，利用蔡司倒置金相显微镜（Axio Vert.A1）对不同超声输入功率下的焊缝区金相试样进行观测，而后利用图形处理软件ImageJ测量不同超声输入功率下焊缝区的晶粒尺寸。同理，基于多项式拟合可以得到超声输入功率与微观组织平均尺寸之间的关系，既：（4）
式中，为焊缝区的平均微观组织尺寸，B1、B2和B3分别为拟合参数。
开展不同超声功率下接头超高周疲劳试验，获得相应S-N曲线。虑及缺陷尺寸对于局部应力的影响，校正应力公式被提出，既： (5)
式中，为拟合参数；σ max-c表示校正后的最大应力；/>为对接头施加的最大应力；/>为同一批次试样下的孔隙尺寸平均值。为进一步考虑缺陷深度和尺寸在焊接接头疲劳失效过程中的共同作用机制，在此提出了一个无量纲的疲劳参数λ，其被定义为：/> (6)
其中，H表示诱发失效的缺陷深度。结合式(5)和(6)，可以重新构建与应力幅值有关的应力校正系数如下： (7)
式中，S和t均为与材料相关的修正因子。所以，校正应力可以分别表示为： (8)
式中，对接头施加应力幅值，且/> R为应力比；为校正后的应力幅值。
循环载荷可以导致材料中的晶粒沿滑移带发生塑性流动，然而这一过程会受到晶界的阻碍，从而使得位错在晶粒内发生堆积，并伴随不断加剧的局部应力集中和位错堆积效应。直至累积畸变能达到临界值，微裂纹才得以在滑移带处萌生。
其中，单个滑移带在每个循环载荷下的应变能增量ΔU可表示为：(9)
式中，ν为泊松比；k为位错滑移阻力；Δτ为局部平均剪切应力范围；为剪切模量；/>为微观组织尺寸。储存在单位面积内的总应变能U可表示为：/> (10)
其中，W S表示滑移带单位面积内断裂能。假设当循环次数达到时，由位错累积过程导致的总应变能恰好达到断裂能阈值，由此可建立与疲劳寿命和超声功率有关的公式如下：/> (11)
式中，表示为当超声功率为P x下的接头疲劳寿命；然而，并非所有的位错滑移都在裂纹萌生过程中起到实质作用。有效位错滑移还与裂纹长度密切相关。因此，考虑裂纹长度c的W S可由下式给出：/> (12)
式中，h表示滑移带宽度，通常被视为拟合参数以有效提高试验数据与寿命模型之间的匹配度；结合式(11)与(12)，并引入与累积应变能以及不可逆滑移度有关的疲劳寿命指数β，则疲劳预测寿命的改进模型可以表示为：(13)
当不均匀组织（FGA）完全被滑移带所覆盖时，裂纹长度c可以通过FGA尺寸与/>的差值表示。此外，基于八面体剪切应力屈服准则，单轴拉压应力中的Δτ可通过应力幅值表示为：/>(14)
另外，为应力幅值范围，另外，在FGA形成过程中，/>可以被认为是临界剪切应力，并可通过疲劳极限/>表示为：/> (15)
由于孔隙尺寸对焊接接头疲劳寿命的影响较大，为了使构建的模型预测更加准确，采用GP分布下评估的最大孔隙尺寸来替代孔隙尺寸，微观组织尺寸l由公式（4）来替代，进一步结合与缺陷特征有关的校正应力，最终可以得到基于超声输入功率的寿命预测模型，表达式如下：（16）
式中，σ w-c示由校正S-N数据得到的疲劳极限，在任一应力水平下，基于公式（16），求得不同超声功率下焊接接头疲劳寿命那么就可以建立超声功率与/>之间的关系。可用下式表示：/> (17)
式中，C1、C2、C3 、C4、 C5 、C6分别为拟合参数。
通过比较可知，当值取最大时，焊接接头可靠性越高。即通过公式（17），可反求获得某一种材料在一组或几组最优焊接电流、焊接电压、焊接速度以及焊接临界报警温度下的最优超声功率值，进一步地，将该焊接参数下，最优超声功率值存储到控制单元，主控单元再将指令下达到随焊控制单元，通过超声辅助系统施加相应的超声功率即可。
以钛合金为例，当应力水平为300 MPa时，钛合金焊接接头疲劳寿命与超声功率之间关系如图7所示。
基于试验数据，结合最小二乘法拟合公式（17），可得到超声功率与之间的关系，如下所示：/> (18)
最佳功率为1800 W。
Claims (7)
1.一种可自动追踪以及施加超声辅助的焊接系统，包括焊机、焊枪、主控单元以及超声随焊装置，其特征在于，
所述超声随焊装置包括随焊控制单元、移动车体、视觉识别摄像头、激光测距仪以及超声施加系统，所述移动车体配置有可行走以及转向的车轮；
所述视觉识别摄像头用于采集焊缝图像并发送至随焊控制单元，所述激光测距仪用于测量焊点与焊枪的位置并发送至随焊控制单元，所述随焊控制单元与主控单元通讯实现数据传递，由主控单元基于焊缝图像、焊点与焊枪的位置信息确定焊点位置，同时基于移动车体移动速度得到焊接速度，并通过随焊控制单元向移动车体以及超声施加系统下发指令使移动车体追踪焊缝运动、使超声施加系统调整至超声施加位置；
所述主控单元包括显示模块、输入模块、数据处理模块以及数据存储模块，所述输入模块用于输入焊接工艺参数，主控单元与随焊控制单元、焊机之间通过通讯模块数据交互，所述数据处理模块用于对焊接工艺参数进行处理，通过通讯模块将指令发送至焊机使焊机依据设定的焊接工艺参数运行，数据处理模块还用于基于焊接工艺参数与数据存储模块交互获取对应焊接工艺参数下最优的超声施加功率，并将指令发送至随焊控制单元，随焊控制单元基于下发的指令控制超声施加系统以最优的超声施加功率对焊接中的焊件施加随焊超声，所述显示模块用于显示焊机、随焊控制单元参数信息；
所述的焊接工艺参数包括焊接电流、焊接电压、焊接材料、焊接速度以及焊接温度参数值；
所述数据存储模块内存储有不同焊接工艺参数下对应的最优超声施加功率值，其中最优超声施加功率值获取方法如下：
S1、根据焊接材料，确定一组或几组最优的焊接电流、焊接电压、焊接速度以及焊接温度参数值；
S2、构建特定焊接材料、对应焊接电流、焊接电压、焊接速度以及焊接温度参数值下基于超声输入功率的焊接接头寿命预测模型；
S3、基于焊接接头寿命预测模型建立超声功率与焊接接头寿命之间的拟合关系式，通过拟合关系式，得到最大焊接接头疲劳寿命值对应的超声功率值，该超声功率值为最优超声施加功率值；
其中，步骤S2中，焊接接头寿命预测模型建立方法如下：
S21、对特定焊接材料、对应焊接电流、焊接电压、焊接速度以及焊接温度参数开展不同功率下焊接试验，得到超声功率与平均孔隙尺寸的关系式如下：（1）
式中，为不同功率下的平均孔隙尺寸，P x为超声功率，A1、A2和A3分别为拟合参数；
采用广义帕累托（GP）分布函数对接头孔隙数据进行评估，在某一超声功率下孔隙尺寸累积分布函数的表达式可表示为： （2）
式中，为孔隙尺寸；/>为形状参数；/>为尺度参数，其值大于0；μ为孔隙阀值，焊接接头的孔隙尺寸大于阀值，则，焊接接头的最大孔隙尺寸可以表示为：3）
S22、测量不同超声输入功率下焊缝区的晶粒尺寸，基于多项式拟合得到超声输入功率与微观组织平均尺寸之间的关系，既：（4）
式中，为焊缝区的平均微观组织尺寸，B1、B2和B3分别为拟合参数；
S23、开展不同超声功率下接头超高周疲劳试验，获得相应S-N曲线，得到校正应力公式： (5)
式中，为拟合参数；σ max-c表示校正后的最大应力；σ max为对接头施加的最大应力；为同一批次试样下的孔隙尺寸平均值，进一步，提出一个无量纲的疲劳参数λ，其被定义为/>(6)
其中，H表示诱发失效的缺陷深度，结合式(5)和(6)，重新构建与应力幅值有关的应力校正系数如下：(7)
式中，S和t均为与材料相关的修正因子，此时，校正应力可以分别表示为： (8)
式中，对接头施加应力幅值，且/> R为应力比；/>为校正后的应力幅值；
单个滑移带在每个循环载荷下的应变能增量ΔU可表示为：(9)
式中，ν为泊松比；k为位错滑移阻力；Δτ为局部平均剪切应力范围；为剪切模量；/>为微观组织尺寸；储存在单位面积内的总应变能U可表示为：/> (10)
其中，W S表示滑移带单位面积内断裂能，假设当循环次数达到时，由位错累积过程导致的总应变能恰好达到断裂能阈值，由此可建立疲劳寿命的公式，如下： (11)
式中，表示为当超声功率为P x下的接头疲劳寿命；考虑裂纹长度c的W S可由下式给出：(12)
式中，h表示滑移带宽度；结合式(11)与(12)，并引入与累积应变能以及不可逆滑移度有关的疲劳寿命指数β，则疲劳预测寿命的改进模型可以表示为： (13)
当不均匀组织（FGA）完全被滑移带所覆盖时，裂纹长度c可以通过FGA尺寸与的差值表示，此外，基于八面体剪切应力屈服准则，单轴拉压应力中的/>可通过应力幅值/>表示为：/>(14)
式中，为应力幅值范围；另外，在FGA形成过程中，/>可以被认为是临界剪切应力，并可通过疲劳极限/>表示为：/> (15)
采用GP分布下评估的最大孔隙尺寸来替代孔隙尺寸，微观组织尺寸由公式（4）来替代，进一步结合与缺陷特征有关的校正应力，最终可以得到基于超声输入功率的寿命预测模型，表达式如下：/>（16）
式中，σ w-c表示由校正S-N数据得到的疲劳极限。
2.根据权利要求1所述的可自动追踪以及施加超声辅助的焊接系统，其特征在于，所述移动车体配置四个连接驱动电机以及减速机的麦克纳姆轮，随焊控制单元基于焊点的位置控制各车轮的转速，当超声随焊装置距离焊点到达设定值后，超声随焊装置将不再靠近，且保持焊点与超声随焊装置的距离和夹角不变，进入自动跟踪状态，此时超声施加系统工作，对焊件施加超声。
3.根据权利要求1所述的可自动追踪以及施加超声辅助的焊接系统，其特征在于，所述视觉识别摄像头包括左右摄像头，主控单元基于左右摄像头发送的焊缝图像进行灰度化处理、滤波、形态学处理、边缘提取、焊缝平面化、给目标物体赋坐标值、焊点轮廓提取、以焊点的最大面积中心为焊点原点，之后与激光测距仪测量焊点与焊枪的位置进行数据融合得到焊点位置。
4.根据权利要求1所述的可自动追踪以及施加超声辅助的焊接系统，其特征在于，所述超声施加系统包括角度调整组件、旋转组件以及超声振子；
所述超声振子安装于角度调整组件的小臂上，所述角度调整组件安装于旋转组件上，旋转组件安装于移动车体上，由角度调整组件、旋转组件调整超声振子位置，由超声振子施加超声。
5.根据权利要求1所述的可自动追踪以及施加超声辅助的焊接系统，其特征在于，所述超声随焊装置还包括红外温度传感器，红外温度传感器用于测量焊缝处温度。
6.根据权利要求5所述的可自动追踪以及施加超声辅助的焊接系统，其特征在于，所述主控单元或超声随焊装置还包括报警模块，在实际焊接工艺参数不符合输入焊接工艺参数时，发出报警信号。
7.根据权利要求1所述的可自动追踪以及施加超声辅助的焊接系统，其特征在于，步骤S3中，焊接接头寿命预测模型得到若干组不同功率值对应的焊接接头疲劳寿命，建立超声功率与/>之间的拟合关系式如下：/>（17）
式中，C1、C2、C3、C4、C5、C6分别为拟合参数，通过拟合关系式得到特定焊接材料、对应焊接电流、焊接电压、焊接速度以及焊接温度参数下的最优超声施加功率值。
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