焊缝成形传感与控制

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1、焊缝成形传感与控制0序言随着机械、电力和材料等行业的发展，焊接技术正在成为一种覆盖面越来越广、科技性越来越高、生产中越来越重要的金属热加工技术。现代化生产对焊接技术提出了进一步提高效率，优化质量，改善劳动条件的要求，焊接智能化就是焊接工作者顺应这种要求的具体体现。我国虽然已经成为“制造业大国”，但距“制造技术大国”还相去甚远，尤其是焊接自动化、机械化程度远远落后于工业发达国家，如美国、日本、德国等。因此，发展和应用新型焊接自动化技术对我国国民经济将起到巨大的作用。在实际生产中，由于各种因素的影响，实际

2、的焊接条件不可能像理想状态那样一成不变。例如，强烈的弧光辐射、高温、烟尘、飞溅、坡口状况、加工误差、装夹精度、表面状态和工件热变形等影响会使焊炬偏离焊缝，从而造成焊缝成形、焊缝组织性能、焊缝力学性能等几方面焊接质量指标的下降甚至失败。在焊接条件存在这种不可避免的变化的情况下，实现焊接自动化与智能化的根本困难在于实现对焊接熔池动态行为，如熔池的尺寸、熔深、熔透及焊缝成形的实时检测与有效控制。只有弧焊机器人能够实时检测出焊缝偏差，并调整焊接路径和焊接参数，才能保证焊接质量的可靠性。为了使得机器人在焊接过程

3、中能实时地检测出焊缝的实际位置，焊缝成形传感与控制技术是其中的关键。同时，电弧焊是涉及材料、冶金、物理化学变化等多种因素交互作用的非线性复杂过程，焊接质量与焊接工艺的多参数有关，焊缝成形等质量控制是非常困难的。经典与现代这些参数的作用相互关联，既有动态过程的耦合，又有静态效果的重叠。对于焊接动态过程这样的多变量、非线性、时变且含有诸多不确定因素和约束条件的复杂对象，采用基于精确数学建模方法，难以得到有效的可控制模型，决定了对焊接熔池的动态变化亦即对焊接熔宽、熔透和焊接过程控制理论所提供的控制器设计方法

4、。由于是基于线性系统假设的，并不适用于焊接过程的复杂性。随着近年来科学技术和研究理论的发展，先进传感方法和智能控制方法越来越广泛地应用于焊接过程控制中。1焊缝成形的特点1.1焊缝成形的概念无论是手工电弧焊、非熔化极气体保护焊、熔化极气体保护焊还是埋弧焊，其焊缝成形原理大同小异，都是电弧作为热源熔化焊丝与母材，在电弧力、重力、表面张力作用下，熔化的焊丝和母材在焊件上形成一个具有一定形状和尺寸的液态熔池。随着熔热源的移动，熔池向前运动，并在电弧后形成凝固的焊缝。在实际焊接生产中为了更好地量化表征焊缝成形的

5、质量，除了焊缝的几何形状（二维信息和三维信息，如图1所示），人们还制定了一些焊缝成形的相关系数作为更细致的评价标准，如焊缝形状系数、焊缝余高系数和熔合比。其中，H为熔深，B为熔宽，a为余高，L为熔池长度焊缝形状系数Φ：焊缝余高系数ψ：熔合比γ：（焊缝中母材金属所占的面积与焊缝总面积的比值）图1熔池及焊缝的描述1.2焊缝成形及其传感的影响因素通过《电弧焊基础》[1]课程的学习，我们已经知道在熔池和焊缝的形成过程中：（1）熔池的体积主要由电弧的热作用决定；（2）熔池的形状主要由电弧对熔池的作用力及熔滴对熔

6、池的冲击力决定；（3）不同焊接位置下重力及表面张力起的作用不同。2焊缝成形传感技术上面提及的电弧焊本身的特殊性，对焊缝成形传感提出了更高的要求，因为弧光强烈并伴随着飞溅和高温，背面熔池的传感又不可达。为了研究传感正面熔池信息，来间接反映熔透，目前已经发展了多项涉及声学、力学和光学的传感技术。2.1常用的焊缝成形传感与检测技术2.1.1熔池振荡频率法焊接熔池中存在振荡现象是70年代开始逐渐引起人们注意的一种焊接电弧现象。最初人们是为弄清焊缝表面纹波的均匀性及其对焊缝冶金质量影响来研究这个熔池动力学问题的

7、。80年代以后人们进一步发现这一现象可以间接的用来检测熔池熔透量。进入90年代，包括美国和英国在内的很多国家的科研机构研究表明：熔池振荡频率实时检测能够成为电弧焊熔深自适应控制的新思路和新方法。（1）熔池振荡传感的物理学原理物理学已经证明，有放置在一个固体容器中的任何液态物体，当液面受外力冲击时，液面将产生振荡和波动。如果液态物质种类一定，则液面的振荡频率只与液态物体的体积有关（与液态物体的体积成反比），也就是说当液态物体的体积一定时，则此液面的振荡频率也是一定的。这时，此振荡频率称为该体积液态物体的

8、固有振荡频率，也称自然振荡频率。因此，人们可以通过受激振荡的液面自然振荡频率推算出某容器中液态物体的体积。而熔池振荡频率法，正是利用液体受激产生振荡的物理现象以及其中液体体积和振荡频率的关系，来实现正面实时检测焊缝熔深或熔透情况的。（2）焊接熔池的振荡模式和频率特征为了探明焊接熔池的振荡形态及其规律性，首先要对焊接熔池的振荡进行了大量观测分析。图2、图3分别为静态、移动焊接熔池的振荡模式[2]。图2静态焊接熔池的振荡模式+表示焊接熔池表面在电弧压力方向的