窄間隙焊縫偏差的脈沖電弧傳感檢測方法
【專利摘要】本發明公開一種窄間隙焊縫偏差的脈沖電弧傳感檢測方法，使脈沖電弧在窄間隙坡口內作擺動或往復式圓弧形搖動，并在窄間隙坡口內形成坡口左側壁停留區間、由坡口左側壁向右側壁運動區間、坡口右側壁停留區間、由坡口右側壁向左側壁運動區間，通過電流傳感器檢測脈沖電弧的電流信號，計算機根據脈沖電弧停留區間信號提取脈沖電弧電流頻率信號，并分別計算脈沖電弧在坡口左側壁停留期間的平均脈沖電流頻率和在坡口右側壁停留期間的平均脈沖電流頻率和求差，根據差值的大小和正負判斷實際焊縫偏差的大小和方向；本發明在對電弧電流信號采樣時僅檢測脈沖電弧電流信號的頻率值，焊縫偏差檢測算法簡單，響應速度快，檢測精度高。
【專利說明】窄間隙焊縫偏差的脈沖電弧傳感檢測方法
【技術領域】
[0001]本發明屬于焊接【技術領域】，特指一種窄間隙焊縫偏差的脈沖電弧傳感檢測方法，尤其涉及搖動式和擺動式窄間隙脈沖電弧焊接的焊縫偏差檢測。
【背景技術】
[0002]窄間隙電弧焊是一種適用于金屬厚板的高效高質量焊接方法，能夠大幅減少焊縫截面積，降低焊接熱輸入，提高焊接效率和焊接接頭性能。窄間隙電弧焊接方法有直流電弧焊工藝和脈沖電弧焊工藝之分，其中脈沖電弧焊工藝可明顯提高電弧挺度和焊接過程穩定性，減低焊接熱輸入，特別適用于高強鋼和空間位置的焊接場合。
[0003]窄間隙電弧焊方法雖然在厚板焊接中優勢明顯，但也有其自身的技術難點。一是，為了獲得足夠的坡口側壁熔透，需要采用特殊的焊接設備和電弧運動控制技術，如:利用脈沖電流、電弧搖動、電弧擺動、電弧旋轉、多絲多電極等工藝技術，可以較好地解決窄間隙焊接時坡口側壁不易熔合的問題；二是，為了保證焊接坡口兩側獲得均勻的熔透，需要保證焊炬與焊縫中心的對中，也就是要解決焊縫跟蹤問題，而焊縫偏差傳感檢測又是焊縫跟蹤技術之關鍵。
[0004]焊縫偏差的傳感檢測方法，常用的有三大類:機械接觸式、視覺式和電弧傳感式。其中，電弧傳感方法利用電弧自身作為傳感器，通過一定算法直接從焊接電弧電信號(電弧電流或電弧電壓)中提取反映焊炬與焊縫中心偏差的信息，具有非接觸、低成本、在焊接區域不需要附加傳感裝置、不受弧光和飛濺干擾等突出優點，受到了特別的關注。
[0005]針對直流電弧焊接工藝，基于積分差值法的焊縫偏差電弧傳感檢測方法較為有效。如:王加友等在“窄間隙焊縫跟蹤電弧傳感方法及特性研究”(江蘇科技大學學報(自然科學版)，2007年第6期)一文中，提出了一種針對高速旋轉電弧焊接工藝的窄間隙焊縫跟蹤電弧傳感檢測方法，其通過計算電弧旋轉中心前點兩側一定區域內電弧電流信號的積分差值，能夠有效地檢測出焊縫偏差。但是，對于脈沖電弧焊接工藝來說，難以保證在電弧運動軌跡中點兩側的電弧電流脈沖狀態完全一致，使得電弧到達坡口左右兩側壁時的電弧電流脈沖狀態可能不同(可能處于脈沖峰值電流期、也可能處于基值電流期)，導致即使在相同焊縫偏差下，每次檢測到的相同特定區間電弧電流的積分差值可能差別較大，從而引起較大檢測誤差，因此積分差值法一般不適合脈沖電弧傳感檢測的場合。
[0006]為了提高焊縫偏差的脈沖電弧傳感檢測精度，尹力在其碩士學位論文《旋轉電弧脈沖GMAW焊焊縫跟蹤系統的研究》(湘潭大學碩士學位論文，2007年5月)中，提出了一種包絡線取值法，其通過對脈沖電流信號進行提取包絡線處理，獲取包絡線脈沖電流峰值和谷值，并結合有限削波處理，來提取V形坡口的焊縫偏差信息。其缺點是:需要通過A/D轉換對整個電弧電流信號進行采樣，計算程序復雜，檢測時間長，檢測的實時性和精度都會受到影響；而且，僅適用于旋轉電弧的V形坡口焊接場合，不適用于電弧在坡口兩側有停留的搖動(或擺動)電弧窄間隙焊接。
【發明內容】

[0007]針對現有焊縫偏差電弧傳感檢測技術存在的不足，本發明提出一種適用性強、檢測精度高、實時性好的窄間隙焊縫偏差的脈沖電弧傳感檢測方法，以便為脈沖電弧窄間隙焊接過程監測和焊縫自動跟蹤控制提供實時可靠的信息。
[0008]本發明提出的窄間隙焊縫偏差的脈沖電弧傳感檢測方法的技術方案是:使脈沖電弧在窄間隙坡口內作擺動或往復式圓弧形搖動，并在窄間隙坡口內形成坡口左側壁停留區間、由坡口左側壁向右側壁運動區間、坡口右側壁停留區間、由坡口右側壁向左側壁運動區間，包括以下步驟:
①通過電流傳感器檢測脈沖電弧的電流信號ia,并在對該信號進行硬件濾波和脈沖整形等預處理后，直接送入計算機；
②計算機根據脈沖電弧停留區間信號提取脈沖電弧電流頻率信號，并分別計算脈沖電弧在坡口左側壁停留期間的平均脈沖電流頻率A和在坡口右側壁停留期間的平均脈沖電流頻率4，求差得到焊縫偏差傳感信號值AFs;Fl-Fr ；
③根據焊縫偏差傳感信號值AFs的正負判斷實際焊縫偏差JZ的方向，當J > O時焊縫右偏，當J & < O時焊縫左偏，當J Fs=O時焊縫無偏差；根據預先建立的焊縫偏差傳感信號值AFs的大小與實際焊縫偏差之間的近似線性關系，經輸出轉換(15)后求得實際焊縫偏差J Z的大小。
[0009]本發明與現有技術相比，其優點和有益效果是:
I)適用性強。本發明適用于搖動電弧和擺動電弧的窄間隙脈沖焊接，對于I形、U形、V形底的窄間隙坡口具有良好的適應性。而且，本發明還適用于任何具有對成性坡口的非窄間隙脈沖焊接場合。
[0010]2)響應速度快。本發明在對電弧電流信號采樣時，僅檢測脈沖電弧電流信號的頻率值，不需要A/D轉換環節，而且焊縫偏差檢測算法簡單，不涉及復雜繁瑣的數據處理，提高了焊縫偏差檢測的實時性。
[0011]3)檢測精度高。本發明通過計算特定電弧運動區間內的平均脈沖頻率差值來檢測焊縫偏差，在求取平均脈沖頻率時僅計算完整電流脈沖的頻率值，消除了電弧剛到達坡口左右側壁時電流脈沖狀態不一致對檢測精度的影響。
[0012]下面結合附圖對本發明作進一步詳細說明。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0013]圖1為窄間隙脈沖焊接系統原理框圖；其中，圖1 (a)為搖動電弧窄間隙焊接系統原理圖，圖1 (b)為擺動電弧窄間隙焊接原理圖。
[0014]圖2為電弧搖動(或擺動)過程中電弧電流的脈沖波形和瞬時脈沖頻率變化示意圖；其中，圖2 Ca)為電弧電流瞬時脈沖頻率變化示意圖，圖2 (b)為電弧電流脈沖波形變化示意圖。
[0015]圖3為焊縫偏差的電弧電流平均脈沖頻率檢測方法原理圖；其中，圖3 (a)表示焊縫無偏差情形的原理圖，圖3 (b)表示焊縫右偏情形的原理圖。
[0016]圖4為焊縫偏差檢測系統框圖。
[0017]圖5為不同焊縫偏差下電弧電流瞬時脈沖頻率變化圖；其中，圖5 (a)表示電弧搖動過程中電弧電流瞬時脈沖頻率變化情況圖，圖5 (b)表示電弧搖動區間與電機控制信號之間的相位關系圖。
[0018]圖6為脈沖電弧傳感器的輸入/輸出特性圖。
[0019]圖1中:1 一熔池；2—電弧；3—窄間隙坡口 ；4一導電嘴；5—導電桿；6—焊絲；7—饋電及轉動裝置；8—送絲輪；9一脈沖焊接電源；10—圓弧形搖動軌跡；11 一電流傳感器；ia 一脈沖電弧電流。
[0020]圖2中:/；一電弧電流瞬時脈沖頻率Za—電弧在坡口左側停留開始一電弧在坡口左側停留結束Wa—電弧在坡口右側停留開始一電弧在坡口右側停留結束Ws—電弧搖動(或擺動)中心一時間 。
[0021]圖3中，Z7—電弧電流平均脈沖頻率；G—電弧在坡口左側停留區間的平均脈沖頻率Fl和電弧在坡口右側停留區間的平均脈沖頻率Fr的差值。
[0022]圖4中，12—信號預處理；13—計算機；14一電弧停留區間信號；15—輸出轉換；^X一焊縫偏差；
圖5中，DIR一電機轉動方向信號，CP一電機運行狀態信號。
【具體實施方式】
[0023]如圖1 (a)所示，焊絲6經過折彎導電桿5后從導電嘴4的中心孔送出，脈沖焊接電源9通過饋電及轉動裝置7為焊接電弧2供電；焊接過程中，饋電及轉動裝置7驅動折彎導電桿5和導電嘴4，帶動電弧2在窄間隙焊接坡口 3內作一定半徑的圓弧形10搖動，形成焊接熔池1，實現搖動電弧窄間隙脈沖焊接，同時通過霍爾電流傳感器11檢測脈沖電弧電流i3。另外，采用擺動機構可以使焊接電弧2在坡口 3內產生直線式或鐘擺式擺動(圖1(b)所示為直線式擺動)，實現擺動電弧窄間隙脈沖電弧焊接。
[0024]在上述搖動電弧或擺動電弧焊接過程中，為了使窄間隙坡口 3的兩側壁得到足夠熱輸入，需要讓電弧2在坡口 3的兩側壁處作一定時間停留。相應地，電弧運動區間由四部分構成，即:坡口左側壁停留區間(簡稱左側停留)、由坡口左側向右側運動區間、坡口右側壁停留區間(簡稱右側停留)、由坡口右側向左側運動區間。所述脈沖焊接電源9采用基于PFM (脈沖頻率調制)控制法的平特性等速送絲脈沖電源，在焊接過程中，脈沖峰值電流、基值電流和峰值電流持續時間保持一定，通過實時調芐基值電流持續時間來改變平均電弧電流，以實現脈沖電弧的自調節作用，保持電弧穩定性。相應地，當電弧2在焊接坡口 3內搖動(或擺動)時，電弧弧長的周期性變化，會引起脈沖電弧的基值電流持續時間變化，繼而引起脈沖電流頻率和平均電弧電流的變化。
[0025]如圖2 (a)所示，在焊縫無偏差情況(如圖中實線波形所示)下，當電弧在坡口左側壁處開始停留(對應4點)時，理論上講，此時電弧弧長最短，相應地基值電流持續時間也變得最短，電弧電流的瞬時脈沖頻率/；出現最大值，此后隨著電弧2在坡口 3左側壁停留時間的增長，在脈沖電弧2的自身調節作用下，電弧弧長逐漸恢復變長，瞬時脈沖頻率/；相應變小；當電弧2結束在坡口 3左側壁處的停留(對應總點)，并從坡口 3左側壁向右側壁運動(對應4一&區間)過程中，在坡口中心附近由于電弧壓力的作用使得熔池液面出現下凹，電弧弧長最長，脈沖電弧2的基值電流持續時間也最長，相應地電弧電流瞬時脈沖頻率/；出現最小值；對于對成性坡口來說，當電弧2運動至坡口 3右側壁停留區間iRb—Re區間)時，脈沖電流瞬時脈沖頻率/；的變化規律，與電弧2在坡口 3左側壁停留Ub—Le區間)時的類似。也就是說，當電弧2處在坡口 3的左右側停留區間時，基值電流的平均持續時間較短、平均脈沖頻率較高，當電弧2處在運動區間內時，基值電流的平均持續時間則較長、平均脈沖頻率相應較低，如圖2 (b)所示。在焊縫出現偏差情況下，如焊縫相對于焊炬出現右偏差時(見圖2 (a)中虛線波形所示)，由于此時焊炬中心偏向坡口左側，因此電弧電流瞬時脈沖頻率/；出現了 “左高右低”的變化趨勢；如果焊縫相對于焊炬出現左偏差，那么電弧電流瞬時脈沖頻率/；的變化趨勢與焊縫右偏時相反。
[0026]根據圖2所示的電弧電流瞬時脈沖頻率/；變化趨勢圖可知，焊縫偏差與電弧電流脈沖頻率變化之間存在關聯性。經過分析，所提出的窄間隙焊縫偏差檢測方法原理如圖3所示。在焊縫無偏差情況(如圖3 (a)所示)下，電弧2在坡口 3左側停留區間(忍一4區間)的平均脈沖頻率值巧，與電弧2在坡口 3右側停留區間—疋區間)的平均脈沖頻率值&相等，即其差值AFs=Fl-Fr=Q ;當焊縫出現右偏差時，電弧在一個運動周期不同區間內的平均脈沖頻率Z7變化趨勢如圖3 (b)所示，相應地AFs;Fl-Fr > O ;依次類推，當焊縫出現左偏差時，AFs=Fl-Fr < O。也就是說，通過計算AFs就可以檢測出焊縫偏差。
[0027]實現上述檢測方法的檢測系統原理，如圖4所示。焊接過程中，電流傳感器11實時檢測脈沖電弧電流i3，經過硬件濾波和脈沖整形等信號預處理12后，直接送入計算機13進行處理。計算機13根據電弧停留區間信號14，通過常用的軟件判別方式，即所謂的軟件開關方式，對電弧電流脈沖頻率采樣信號進行分區，分別計算出電弧在坡口左側和右側停留期內的平均脈沖頻率G和&，并以其差值J &作為焊縫偏差傳感信號；最后，利用事先建立的焊縫偏差傳感信號與焊縫偏差之間的近似線性關系，經過輸出變換15后得到實際焊縫偏差當O時，表示焊縫左偏；當JZ=O時，表示焊縫無偏差(焊炬對中)；當O時，則表示焊縫右偏。所述平均脈沖頻率G和&，可以在電弧的一個運動周期內獲得，也可以為在連續21個電弧運動周期內相應平均脈沖頻率的平均值。圖4所示檢測方法，在對電弧電流信號采樣時，僅檢測脈沖電弧電流信號的頻率值，不需要A/D轉換環節，而且焊縫偏差檢測算法簡單，不涉及復雜繁瑣的數據處理，提高了焊縫偏差檢測的實時性。該方法適用于搖動電弧和擺動電弧的窄間隙脈沖焊接，還可推廣應用于任何具有對成性坡口的非窄間隙脈沖焊接場合。
[0028]對于采用電機作為轉動裝置的搖動式或擺動式電弧焊炬，可根據電機運行狀態信號和電機轉動方向信號，方便地判別圖4中所述的電弧停留區間，具體方法為:當電機運行狀態信號為非脈沖波時，即電機停止轉動時，若電機轉動方向信號為低(或高)電平，則表不電弧處在坡口左側壁停留區間，此時電弧停留區間信號14輸出為低(或高)電平；若電機轉動方向信號反相時，則表示電弧處在坡口右側壁停留區間，此時電弧停留區間信號14輸出相反電平信號。
[0029]在圖4中，所述平均脈沖頻率值的計算方法有兩種(以A計算為例):第一種計算方法是:當電弧2處在坡口 3左側停留區間(對應于圖3中的4一匕區間)時，計算機從在該區間出現的第一個電弧電流脈沖信號的上升沿(或下降沿)開始計時，至最后一個完整的電弧電流脈沖出現時停止計時，并計算電流脈沖個數，最后用脈沖個數除以所經歷的時間長度，求得平均脈沖電流頻率值6。第二種計算方法是:當電弧2處在坡口 3左側停留區間(對應于圖3中的忍一4區間)時，從在該區間出現的第一個電弧電流脈沖信號的上升沿(或下降沿)開始，計算機逐個記錄每個完整的電弧電流脈沖周期長度，并計算出對應的瞬時脈沖頻率值/;，最后從所有瞬時脈沖頻率值中剔除最大值和最小值后，再由剩余的瞬時脈沖頻率值求得平均脈沖電流頻率值6。如上所述，在求取平均脈沖頻率時僅計算完整電流脈沖的頻率值，可消除電弧剛到達坡口左右側壁時電流脈沖狀態不一致對檢測精度的影響。平均脈沖頻率值&的計算方法與A計算方法類同，不再贅述。
[0030]下面提供本發明的實施例:
圖5所示為不同焊縫偏差下電弧電流瞬時脈沖頻率/；的實際測量例，其中圖5 (a)為電弧搖動過程中電弧電流瞬時脈沖頻率的變化圖，圖5 (b)為電弧搖動區間與電機控制信號之間的相位關系。試驗條件包括:采用脈沖直流反接，富氬保護氣(Ar-20%C02)流量為40L/min ;平均焊接電流300A,平均電弧電壓26V,送絲速度9.5m/min,焊炬高度18mm,焊接速度203mm/min ;電弧搖動頻率2.5Hz，電弧搖動角度68°，電弧在坡口左右側壁處各停留IOOms ;低碳鋼母材，I型坡口間隙為12mm，焊絲牌號為ER49-1、直徑1.2mm ;焊縫偏差設置為五個等級:焊縫左偏1.0mm、焊縫左偏0.5mm、焊縫無偏差、焊縫右偏0.5mm、焊縫右偏1.0mm。電弧在一個搖動周期內，經歷了四個運動區間:左側停留區間(Za—匕區間)、由左側壁向右側壁運動區間Ue-Rb區間)、右側停留區間iRb—Re區間)、由右側壁向左側壁運動區間(兄一Za區間)，在上述搖動參數條件下這四個運動區間的長度各為100ms。
[0031]由圖5 (a)可以看:無論焊縫偏差大小，電弧電流瞬時脈沖頻率/；的變化曲線都具有良好的周期性，其變化周期與電弧搖動周期相同。當焊縫無偏差時，電弧2在坡口 3左側和右側停留期間(分別對應于忍一4區間和慫一兄區間)內的電流脈沖頻率曲線的形狀幾乎一致，且電弧2在搖動區間(對應于4一慫區間、兄一Za區間)內的電流脈沖頻率值要小于電弧2在坡口 3側壁停留期間的電流脈沖頻率值；當焊縫存在偏差時，電弧2在坡口 3左側和右側停留區間內的電流脈沖頻率曲線的形狀及變化幅值存在差異，而且電弧2在焊炬偏向側停留期間(焊縫左偏時對應于A—兄區間、焊縫右偏時對應于Za—4區間)內的電流脈沖頻率值，要大于在焊炬偏離側停留期間(焊縫左偏時對應于A—4區間、焊縫右偏時對應于A—兄區間)內的電流脈沖頻率值，并且這種差異性隨焊縫偏差的增大而變大。以上試驗結果表明，焊縫偏差與特定區間內電弧電流脈沖頻率差異值之間存在相互關聯性，也就是說，通過計算特定區間內電弧電流脈沖頻率差值來檢測焊縫偏差是可行的。
[0032]在圖5 (b)中，DIR為電機轉動方向信號，CP為電機運行狀態信號。根據DIR信號和CP信號，可以方便地區分電弧停留的不同區間。可見，當反映電機運行狀態的CP信號為非脈沖波時(即電機停止轉動時)，同時反映電機運行狀態的DIR信號為低電平時，電弧2處在坡口 3左側停留區間(即4一4區間)；當反映電機運行狀態的CP信號為高電平時，電弧2處在坡口 3右側停留區間(即慫一兄區間)。當然，單純根據圖5 (b)中反映電機轉動方向的CP信號，也可以準確區分電弧停留的不同區間。可見，當反映電機轉動方向的CP信號由高電平轉換為低電平時，由此向前的相當于一個側壁停留時間長度的區間即為電弧2在坡口 3右側停留區間iRb—Re區間);當反映電機轉動方向的CP信號由低電平轉換為高電平時，由此向前的相當于一個側壁停留時間長度的區間即為電弧2在坡口 3左側停留區間(.Lb一Le 區間)。
[0033]所得到的搖動電弧傳感器的輸入/輸出特性，如圖6所示。這里，焊縫偏差的負值表示左偏，焊縫偏差的正值表示右偏，值為相鄰兩個搖動周期內的平均值。可見，當焊縫偏差j X在±1.0mm范圍內變化時，所求得的電弧電流平均脈沖頻率差值J大約在±17Hz范圍內變化，而且在與之間存在著良好的線性關系。因此，所提出的脈沖電弧傳感方法不僅檢測精度和靈敏度高，而且傳感輸出特性曲線線性度好。
【權利要求】
1.一種窄間隙焊縫偏差的脈沖電弧傳感檢測方法，使脈沖電弧(2)在窄間隙坡口(3)內作擺動或往復式圓弧形搖動，并在窄間隙坡口(3)內形成坡口左側壁停留區間、由坡口左側壁向右側壁運動區間、坡口右側壁停留區間、由坡口右側壁向左側壁運動區間，其特征在于包括以下步驟: ①通過電流傳感器(10)檢測脈沖電弧(2)的電流信號ia,并在對該信號進行硬件濾波和脈沖整形等預處理(12)后，直接送入計算機(13)； ②計算機(13)根據脈沖電弧停留區間信號(14)提取脈沖電弧電流頻率信號，并分別計算脈沖電弧(2 )在坡口左側壁停留期間的平均脈沖電流頻率A和在坡口右側壁停留期間的平均脈沖電流頻率&，求差得到焊縫偏差傳感信號值Δfs=fl-fr ； ③根據焊縫偏差傳感信號值AFs的正負判斷實際焊縫偏差JZ的方向，當ΔFs> O時焊縫右偏，當ΔFs < O時焊縫左偏，當ΔFs=O時焊縫無偏差；根據預先建立的焊縫偏差傳感信號值ΔFs的大小與實際焊縫偏差之間的近似線性關系，經輸出轉換(15)后求得實際焊縫偏差Δx的大小。
2.根據權利要求1所述的窄間隙焊縫偏差的脈沖電弧傳感檢測方法，其特征在于:步驟②中，脈沖電弧(2)處在窄間隙坡口( 3)的左、右側壁停留區間時，所述平均脈沖電流頻率Fl、Fr的計算方法有兩種: 第一種計算方法是:計算機(13)從在對應的側壁停留區間出現的第一個電弧電流脈沖信號的上升沿或下降沿開始計時，至最后一個完整的電弧電流脈沖出現時停止計時，并計算電流脈沖個數，用脈沖個數除以所經歷的時間長度，求得對應的平均脈沖電流頻率6、Fs-, 第二種計算方法是:從在對應的側壁停留區間出現的第一個電弧電流脈沖信號的上升沿或下降沿開始，計算機(13)逐個記錄每個完整的電弧電流脈沖周期長度，并計算出對應的瞬時脈沖頻率值，最后從所有瞬時脈沖頻率值中剔除最大值和最小值后，再由剩余的瞬時脈沖頻率值求得平均脈沖電流頻率Fl、Fr。
3.根據權利要求1所述的窄間隙焊縫偏差的脈沖電弧傳感檢測方法，其特征在于:步驟②中，所述平均脈沖電流頻率Fl、Fr，可以是在電弧的一個運動周期內獲得，也可以是在連續2~4個電弧運動周期內相應平均脈沖電流頻率的平均值。
4.根據權利要求1所述的窄間隙焊縫偏差的脈沖電弧傳感檢測方法，其特征在于:步驟②中，當電機驅動脈沖電弧(2)在窄間隙坡口(3)內作擺動或往復式圓弧形搖動時，根據電機運行狀態信號和轉動方向信號來判別電弧停留區間的方法是:當電機運行狀態信號為非脈沖波的停止轉動狀態時，根據電機轉動方向信號為低電平或高電平來判斷脈沖電弧(2)是處在窄間隙坡口(3)的左側壁停留區間還是右側壁停留區間。
【文檔編號】B23K9/09GK103447662SQ201310361899
【公開日】2013年12月18日 申請日期:2013年8月20日 優先權日:2013年8月20日
【發明者】王加友, 張蔚華, 朱杰, 馬超群, 黎文航 申請人:江蘇科技大學