变极性等离子弧焊接熔透信息的检测与分析

通过对铝合金3003变极性等离子弧穿孔立焊熔池振荡行为的研究,发现熔池振荡频率与焊接熔透之间的内在规律。在变极性电流的作用下,焊接熔池产生振荡,可以通过对电弧电压频谱分析获得熔池固有振荡频率。分别建立变极性等离子弧穿孔立焊未熔透及完全熔透熔池模型,并分析焊接电流的变化对熔池固有振荡频率的影响,发现焊接电流大小对其影响很小,可以忽略。为了验证该模型的准确性,进行理论与实测分析,结果表明,理论值与实测值相吻合。熔池固有振荡频率主要取决于熔池宽度、深度及材料密度等参数,而其他焊接参数对其没有直接影响。因此,熔池振荡频率可间接反映焊接熔透信息,为焊接质量自动控制提供了理论支持。     

受控脉冲穿孔等离子弧焊接控制系统

穿孔等离子弧焊接过程中存在的一些问题制约了该工艺在现代工业中的推广和应用,如焊接工艺合理参数区间窄,可调裕度小,导致焊接过程中小孔的稳定性较差等。熔池的小孔行为是直接影响焊接过程稳定性和接头质量的关键因素,为拓展合理工艺参数范围,提高焊接过程稳定性和焊缝质量,研制出受控脉冲穿孔等离子弧焊接控制系统。基于简易测试装置,实时采集焊接过程中的尾焰电压信号,可靠描述焊缝熔池穿孔与否以及小孔尺寸;采用受控脉冲穿孔的控制策略,适时调整峰值电流和基值电流的作用时间,使得小孔一直处于"准稳态"。实现"一脉一孔",但脉冲时间和基值电流并不固定,取决于每个脉冲过程小孔的建立时间和存在时间;保证穿孔,使小孔尺寸在预定值附近波动,并防止烧穿的发生;大幅拓展穿孔等离子弧焊接合理工艺参数区间。工艺试验结果表明,当工件散热条件和厚度发生变化时,控制系统能够迅速做出调节,运行稳定可靠,控制效果显著。     

基于视觉传感的GMAW熔透状态预测

熔透信息的实时获取是实现打底焊接自动化的关键环节之一,通过熔池形状特征预测熔透状态可为熔透信息的有效提取提供参考。鉴于焊工通过视觉观察熔池正面形状特征来对熔透状态进行实时判断,建立基于GMAW的双目视觉传感焊接试验系统。在不同焊接电流及焊接速度下开展打底焊接试验,在焊接过程中实时同步采集熔池正面与背面图像。基于熔池图像特点结合成熟的图像处理算法,提取熔池正面二维与三维形状特征参数以及背面熔宽信息,作为训练样本,以熔池正面形状特征参数作为输入量,以背面熔宽作为输出量。通过BP算法对神经网络进行训练,建立熔透状态预测模型,分析熔池正面形状特征参数与背面熔宽之间的映射关系。采用Garson算法计算出每个形状特征参数对于背面熔宽的权重系数。通过GMAW打底焊试验对熔透状态预测模型进行了验证,试验结果表明,建立的BP神经网络模型可以有效地预测焊缝的熔透状态。     

变极性等离子弧立焊穿孔熔池的稳定建立

改进焊接工艺控制时序,编制起弧系统控制平台及信号采集程序。采用改进的起弧系统对2219铝合金和LF6铝合金薄板及中厚板进行变极性等离子弧立焊工艺试验,利用红外线测温仪检测起弧过程中焊接熔池区域附近的点随预热时间的温度变化,并把该曲线上的临界温度作为检测穿孔熔池是否形成的标志,计算机根据穿孔时刻的临界温度控制焊件行走的使能信号。研究表明：改进的起弧系统能够简化设备操作,提高自动化程度与工作效率；在穿孔形成的瞬间,检测点的温度有一个从高到低的突变过程(穿孔前的瞬间温度达到临界值),而且对于同一检测点,多次测量得到的临界温度基本稳定：起弧阶段向主焊接阶段过渡稳定,能够实现穿孔熔池的稳定建立,从而验证改进的起弧控制系统的可行性及可靠性。     

考虑小孔后向偏移的等离子弧焊接热过程模型

在穿孔等离子弧焊接过程中,背面小孔中心相对于焊枪轴线存在一定的偏移。深入研究小孔孔道后向偏移时所涉及的熔池与小孔瞬态演变行为和传热过程,对于优化以背面小孔中心偏移量为控制参数的控制方法,保证焊缝成形质量具有重要意义和实用价值。针对穿孔等离子弧焊接中小孔的形成特点,建立随小孔形状动态调整的组合式体积热源模型,并在热源模型中引入热源中心向后偏移的参量,间接反映背面小孔后向偏移对穿孔等离子弧焊接热过程的影响。在小孔形状方程中,增加等离子流后推力,间接描述等离子流对熔池流体的后推作用。利用建立的三维瞬态熔池与小孔的数学模型,分析等离子弧焊接过程中温度场和小孔形状的瞬时演变过程。将工件背面小孔形状尺寸和穿孔时间等模拟结果与试验结果进行对比,两者基本吻合,对所建立的数学模型进行验证。     

熔透状态识别预测与控制技术研究现状

焊接过程中,熔透是保证焊缝质量的前提,实时监控焊缝熔透状态对实现自动化焊接和保证焊接质量具有重要的工程意义。在焊接过程中,可以通过分析熔池动态特征参数、焊接电参数、电弧声信号等识别预测熔透状态,从而实现控制熔透。近几年来,国内外专家学者在焊缝熔透方面取得了大量的研究成果。本文综述了较前沿的基于学习模型、数学建模、神经网络以及以电弧声信号为研究对象的熔透识别预测及控制的研究现状。     

新型柔性变极性等离子弧铝合金横焊技术研究

针对中厚板铝合金横向焊接的技术需求和瓶颈问题,开展变极性等离子弧穿孔横焊技术的研究。以8 mm厚铝合金板为研究对象,进行常规变极性等离子弧穿孔横焊试验,发现横焊穿孔熔池很难建立。通过横焊穿孔熔池受力计算、熔化金属流动分析,探究问题产生的原因。推导出熔池背面小孔临界半径与表面张力、电弧力和重力之间的关系式。当受力状态满足关系式时,小孔熔池才能闭合、形成焊缝。依据上述理论,提出柔性变极性等离子弧。该电弧在保证穿孔前提下,通过降低电弧压力,增大小孔临界半径,促进了穿孔熔池的稳定建立。利用该技术实现了8 mm板厚2219铝合金的穿孔横向焊接,接头成形优良。焊前预热和表面氧化膜刮削可大幅度降低横焊接头气孔缺陷。     

连续脉冲GTAW不同熔透状态熔池振荡频率特征及分析

熔池振荡频率与熔池尺寸具有直接物理对应关系,但常规弧压、弧光方法很难实现连续焊接振荡频率提取。提出一种激光视觉测量方法用于连续焊接振荡频率检测。对连续焊接条件下部分、临界及全熔透状态下的熔池振荡激光条纹进行采集,通过图像处理算法提取不同熔透状态下的频率特征,并从激光条纹变化形态、熔池表面振荡和液态金属内部流动对不同频率特征进行分析。结果表明,激光视觉法能够精确检测熔池表面金属轴向及横向的流动;在部分和全熔透状态下熔池表面及内部金属以单一模式进行振荡,存在单一特征频率;在临界熔透状态下由于熔池约束条件的变化,使其表面振荡及内部金属振荡具有部分和全熔透的振荡特征,表现出两种特征频率;不同熔透状态的振荡频率特征可为精确检测不同熔透状态提供依据。     

基于焊缝熔透检测的机器人深熔K-TIG焊接系统

开发了一套基于熔透检测的机器人深熔锁孔非熔化极惰性气体保护焊接(Keyhole tungsten inert gas, K-TIG)系统,实现焊接高度(Contact tip-to-work distance, CTWD)自动调节与熔透状态的在线检测。利用电弧电压与焊接高度的对应关系,通过弧压传感器实时采集电弧电压信号并换算成焊接高度值,然后将实际高度值与预设高度值之间的差值经由过程控制对象连接与嵌入协议(OLE for process control, OPC)通信系统反馈给机器人控制系统,从而控制机器人实现焊接高度的自动调节。同时,构建了熔透检测系统,使用电荷耦合器件(Charge coupled device, CCD)相机采集熔池与小孔图像,从中提取熔池-小孔特征,并建立熔池-小孔特征与熔透状态之间的相关性,在此基础上建立识别熔透状态的反向传播(Back propagation, BP)神经网络,实现不同焊接高度下熔透状态的间接检测,最后根据该检测结果得到最佳的焊接高度。经过试验验证,整个系统可靠稳定,能准确检测焊缝的熔透程度,并实现焊接高度自动调节,从而提高了焊接质量。     

穿孔型双面电弧焊的传热与小孔形成

建立了穿孔型双面电弧焊小孔形态和传热的数学模型,考虑了作用于熔池上的各种力学因素,并采用帖体曲线坐标系处理复杂的熔池表面和小孔与熔池的边界。计算结果表明,熔透是穿孔的必要条件,熔透之后穿孔的速度远远大于熔透之前的。随着板厚的增加,熔透和穿孔所需的时间增加,并且熔透到穿孔的时间间隔也增大,但熔池的最小跨距变化不大,熔池的最小跨距可作为小孔建立的评价指标。小孔的形成使得焊接能量更加集中于电弧中心线附近,从而可以采用较小的焊接热输入,不开坡口一次焊透焊件。     

Experimental sensing of the keyhole exit deviation from the torch axis in plasma arc welding

Sensing the dynamic behavior of the keyhole is of great significance to control and ensure the process quality and the resultant weld quality in plasma arc welding (PAW). Usually, the keyhole size is used as the geometric features describing the keyhole status. In this study, it is first found that the keyhole exit is displaced in the direction opposite to the welding direction even at the low welding speed during the PAW process. To examine the correlation of the keyhole exit deviation and the process parameters, the developed cost-effective vision sensor is used to observe the keyhole exit at the backside of the stainless steel workpieces with medium thickness. Based on the pre-processing and calibration of the captured sequential images of the keyhole, both the keyhole geometry and its position relative to the torch axis are determined under different test conditions. It is found that the deviation distance of the keyhole exit from the torch axis takes a larger value at first, then drops, and finally gets a fixed level, as the keyhole undergoes the initial blind stage, the unstable stage, and the quasi-steady stage. The effects of the main process parameters (welding current, welding speed, and plasma gas flow rate) on the deviation distance and the sizes of the keyhole exit are quantitatively analyzed. It is found that the deviation distance of the keyhole exit varies more obviously than the keyhole size as the welding process parameters changes within the appropriate ranges. The distortion of the thermal field on the workpiece due to the motion of the plasma arc and the inclination of the front keyhole wall are the main reason of the deviation occurrence.     

等离子弧焊匙孔对电弧物理特性影响规律的研究

匙孔是等离子弧焊的重要特征。建立等离子弧焊电弧数值模型,对比分析含匙孔和不考虑匙孔的两种情况下,电弧温度场、流场、电磁场等物理特性的差异性,揭示匙孔对等离子弧物理特性的影响规律。采用光谱诊断方法计算电弧温度分布,从而验证模拟结果。数值模拟研究结果表明,匙孔的出现,导致电弧体积增大,弧柱区平均电流密度下降,从而导致电弧最高温度降低约2 400 K,等离子体最大流速从437 m/s降低到349 m/s。匙孔直径沿匙孔深度方向减小,对电弧产生附加的机械压缩作用,使匙孔底部电弧的温度和速度上升。数值模拟与光谱诊断获取的轴线上温度大小及变化规律相接近,证明电弧数值模型的可靠性,也说明建立等离子弧数值模型时,应当考虑匙孔的影响。     

System identification of controlled pulse keyhole plasma arc welding process

The development of closed-loop control systems is one of the most effective ways to improve the stability of the keyhole status during keyhole plasma arc welding (K-PAW). Due to the disadvantages of the "one-pulse-one-keyhole" technology based on the conventional square current waveform, the controlled pulse welding current waveform is newly applied to control the keyhole open and close periodically. In order to realize the real-time control on the keyhole behavior with this advanced current waveform, welding experiments and system identification are conducted based on the classical control theory. One complete welding cycle can be divided into 3 periods. The keyhole establishing time is the most important time variable, which determines the keyhole behavior and welding process stability. At the same time, the averaged efflux plasma arc voltage during one pulse cycle can reflect the real keyhole dimension and status in a real-time manner. Therefore, two single-input-single-output (SISO) systems are proposed, in which keyhole establishing time and keyhole average dimension are taken as the system controlled variables respectively. Welding experiments are designed with the peak current varying randomly. Experiments show that the keyhole establishing time changes in an opposite direction to the varied peak current, and the averaged efflux plasma arc voltage varies with the same trend as the peak current. Based on the least squares technique and F test of classical system identification, second order difference equation for keyhole establishing time/peak current system and first order difference equation for keyhole average dimension/peak current system are obtained. It is proved that the calculated data by the two mathematical expressions are well matched with the measured data. The proposed research provides mathematical expressions and theoretical analysis to develop closed-loop systems for the controlled pulse K-PAW.     

低功率脉冲激光-电弧复合热源高效焊接过程中的“匙孔”行为研究

激光-电弧复合热源焊接技术由于具有焊接熔深大、效率高、质量好等优点而受到广泛关注。采用低功率脉冲激光-钨极惰性气体保护(Tungsten inert gas,TIG)焊电弧复合热源技术进行镁合金板材的焊接,研究激光脉冲作用消失之后的等离子体行为和激光"匙孔"行为。在上述试验结果的指导下优化工艺参数,对比研究采用单独激光焊、TIG电弧焊和复合热源焊这三种方法实现镁合金板材对接焊相同效果时焊接效率的差异。研究结果表明,激光"匙孔"和"匙孔"等离子体的形成是实现复合热源高效焊接的前提条件,恰当的工艺参数可以使得激光"匙孔"维持稳定的开口状态,这种状态提高了电弧的稳定性和能量密度,延长了镁等离子体的恢复时间,因此能够提高复合热源的焊接效率。达到相同焊接效果时复合热源的焊接效率分别达到单独激光焊接效率的7.14倍和单独TIG电弧焊接效率的4.29倍。     

不锈钢等离子弧焊熔池小孔行为的弧光传感研究

针对不锈钢穿孔等离子弧焊过程,熔池小孔的特征行为与弧光光谱辐射强度之间的关系进行了光谱试验研究。随着小孔的形成与闭合,弧光光谱辐射强度产生了形似于负脉冲信号的显著跃变,该跃变信号对于预测小孔的形成和闭合是极为有利的,而且通过检测敏感谱线的辐射强度可以优化传感信号品质。     

穿孔等离子弧焊发展历史与现状

阐述穿孔等离子弧焊的工艺特点和技术优势,回顾其４０多年的发展历史及在应用发展过程中存在的主要问题与解决的途径和方法。介绍几种在等离子弧焊基础上派生的新工艺和新技术。     

穿孔等离子弧焊正面弧光传感技术研究

小孔的稳定性是影响穿孔等离子弧焊焊接过程稳定性及接头质量的重要因素。在等离子弧发射光谱分析的研究基础上,研制了轻便实用的弧光传感器,采用普通光电器件和滤光镜片替代赘重昂贵的光谱分析系统,可以捕捉到表征小孔特征状态的信号。介绍了弧光传感器的组成、物理模型及信号特征。     

Interaction between laser-induced plasma/vapor and arc plasma during fiber laser-MIG hybrid welding

Hybrid plasma is an important physical phenomenon in fiber laser-MIG hybrid welding. It greatly affects the stability of the process, the quality of the weld, and the efficiency of energy coupling. In this paper, clear and direct proofs of these characteristics are presented through high-speed video images. Spectroscopic analysis is used to describe the characterization of hybrid plasma. The hybrid plasma forms a curved channel between the welding wire and the keyhole during the fiber laser-MIG hybrid welding process. The curved channel is composed of two parts. The laser-induced plasma/vapor expands due to the combined effect of the laser and the MIG arc, forming an ionization duct, which is one part of the curved channel. The resistance of the duct is smaller than that of other locations because of the rise in electrical conductivity. Consequently, the electrical arc is guided through the duct to the surface of the material, which is the other part of the curved channel. The spectral intensities of metal elements in laser-MIG hybrid welding are much stronger than those in MIG-only welding, whereas the spectral intensities of shielding gas element in laser-MIG hybrid welding are much weaker.