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。     

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...     

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。     

基于区域生长算法激光深熔焊监测图像处理研究

根据同轴监测系统采集到的熔池和小孔的同轴视觉传感原始图像特点,分析了数字图像处理的方法并提出相应图像处理的流程。通过监测沿垂直速度方向熔池灰度分布实现了对熔宽的监测,通过对小孔顶部和底部尺寸的监测实现对熔透状态的监测。经过图像处理后的焊接区域同轴监测图像可以清晰的获得熔池轮廓及小孔尺寸,为实现焊接过程中熔池宽度和小孔的穿透状态的监测做准备。针对激光对接焊,提出焊缝跟踪的处理算法,不仅实现了焊接质量包括熔宽与熔透状态的监测,还实现焊接质量与焊缝跟踪一体化监测。     

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。     

MIG焊电弧声信号与熔透状态相关性

电弧声作为焊缝熔透状态监控的潜在源信号,对焊接过程质量控制和自动化生产的实现具有重要意义.以MIG焊平板对接射流过渡过程中产生的非平稳电弧声信号为研究对象,采用小波变换技术取得了良好的信噪分离效果,达到有效抑制噪声目的.在此基础上,通过合理地选择样本数据,从时域、频域和时频联合3个角度研究分析电弧声信号与焊缝熔透状态之间的内在相关性,发现电弧声信号能量及其频谱特性与熔透状态高度相关,其中1 500～4 500 Hz频率段信号能量的变化可准确地检测出焊接过程熔透状态的改变.结果表明利用电弧声信号进行熔透状态监控是可行的,为MIG焊接过程质量监控提供了一种廉价而有效的新途径.     

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。     

等离子弧焊接穿孔行为的声信号传感

使用高精度传声器采集穿孔型等离子弧焊接过程中的声音信号 ,围绕焊接过程中出现的“小孔效应” ,开展了等离子弧焊接熔透的声音信号传感方法的研究。结果表明 ,焊接过程中的声音信号在熔池的过渡阶段产生了剧烈的低频振动 ,与熔池的振动有关 ,说明声音信号的低频段分量中包含有熔池穿孔状态的信息。频域分析表明 ,声音信号的低频段分量 (0～ 10 0Hz) ,在熔池处于不同阶段时有明显的变化 ,熔池处于过渡阶段时其值大 ,穿孔后小 ,未穿孔时居中。据此 ,设计出了声音信号的A算法 ,用于识别焊接过程中熔池的穿孔状态 ,该算法可靠性较高 ,为等离子弧焊接熔透质量监测及闭环控制提供了前提条件     

基于卷积神经网络的GTAW熔透预测

焊接熔池信息能反映熔透状态,但建立熔池与熔透状态的关系十分困难。针对该问题,提出一种基于卷积神经网络(Convolution neural networks,CNN)的GTAW背面熔透预测模型。通过基于被动视觉的熔池二维图像采集,建立了用于CNN网络训练和测试的训练集和测试集。其次建立了CNN背面熔透预测模型,优化了学习率、batch-size、迭代次数等网络参数。研究发现:第一层卷积核尺寸为9×9,最后一层含有64个卷积核使模型在预测准确率和训练时间上综合表现达到最佳。使用训练集数据训练模型,将训练完成的模型在测试集上对背面熔透进行预测,取得了高于96%的预测准确率。通过对预测模型的特征映射进行可视化分析,模型是通过熔池边缘,反光点位置和熔池尾部等特征来预测背面熔透情况。     

钨极氩弧焊熔池动态行为和焊工调控特征信息检测与分析

深入理解熟练焊工经验和操作技能对实现复杂环境下的机器人智能化及高精度焊接具有重要理论意义和工程应用价值。然而,如何检测传感焊工与熔池交互过程中熔池动态变化特征信息是一个难题。针对该问题基于激光视觉传感原理建立动态熔池和焊工实时调控特征信息同步采集试验系统,研究熔透连续变化时焊工对熔池形态及流态的调控行为,并获得了相应的调控参数(焊接速度、焊接电流、焊接弧长)和焊枪姿态与熔池特征参数之间的关系。通过对比分析焊接规范参数与焊枪姿态调整时的熔池形态和流态变化发现:焊接速度、焊接电流和焊接弧长的调整主要是基于熔池输入能量的调控,表现出熔池形态变化剧烈,易出现焊塌缺陷,焊工调控过程呈现出单一、盲目性。焊枪姿态的调整表现出焊工对熔池形态和液态金属流动状态的多元化和指向性调控,可避免焊接缺陷的产生。     

电弧填丝增材制造过程熔滴射滴过渡特征及其对熔滴沉积成形的影响

基于脉冲GMA电弧检测了电弧填丝增材制造过程中与熔滴过渡相关的电弧电流、电弧电压和声发射信号,研究了电弧脉冲作用下的铝合金熔滴射滴过渡特征,提出了一种可对处于射滴过渡模式下的熔滴尺寸、电弧力和熔滴沉积率进行计算的方法,并分析了沉积层的成形质量特征。研究结果表明,利用检测获得的电弧电压、电弧电流信号和声发射信号可以对处于射滴过渡模式下的熔滴过渡过程及其特征进行区分。在本研究条件下,作用在过渡熔滴上的电弧力随电弧功率增加而递增。电弧力的增加将限制熔滴尺寸的增大,从而在电弧功率递增时呈现熔滴尺寸的递减和熔滴过渡频率的递增。同时,电弧功率增加,使热输入增大,射滴过渡熔滴对熔池的冲击增强,容易造成熔滴过渡形成的沉积层坍塌,从而使熔滴沉积层高度递增的趋势减缓,形成的沉积层显微组织明显粗化。     

面能量对激光—电弧复合焊接焊缝及熔滴过渡的影响

引入面能量的定义,从激光功率、电弧参数和焊接速度等方面来研究面能量的变化对焊缝熔深、熔宽、焊缝成形系数和熔滴过渡的影响,试图建立激光能量与电弧能量之间的最佳配比关系以及面能量与熔深的定量关系。采用高速摄像系统观测熔滴过渡模式和等离子体形态的变化,并采集焊接过程中的电弧和熔滴图像;利用激光共聚焦显微镜观察焊缝形貌,并测量焊缝熔宽、熔深等数据。试验研究发现:激光与电弧两热源之间存在最优匹配范围;电弧电压与焊接电流之间存在U(15 1)0.05I的关系式;焊接速度的降低与焊缝熔深的增加并非线性关系,可选择的焊接速度是一个区间,该区间内存在一个最佳的焊接速度,并对应一个最佳的面能量。因此,在具体的激光—电弧复合焊接中,需要根据板厚、接头形式等确定激光与电弧的能量参数,选择合适的面能量。     

基于视觉的机器人智能化焊接技术现状与发展

针对机器人自动焊接技术快速发展的现状,结合机器视觉技术、智能控制技术和信息技术在焊接技术领域应用的特点,归纳综合了弧焊视觉传感技术、激光接缝跟踪技术、熔池视觉形态特征传感与提取技术、熔透与熔深智能控制技术、缺陷监测及控制技术和基于网络的数字化焊接技术的研究现状,分析了激光跟踪传感器结构、熔池与接缝计算机图像处理方法、熔池视觉几何特征提取方法、熔深熔透视觉传感与判断技术、基于网络的焊接信息远程传输与品质评价技术,给出了弧焊机器人智能化和数字化焊接技术优质、高效、柔性、快速、适应性强的特点,探讨了的智能化、数字化焊接技术的主要发展方向。     

基于电弧传感器的焊缝自动跟踪系统的研究

研制电弧传感器的焊缝自动跟踪系统 ,采用具有先进性能的开关型MIG MAG脉冲焊接电源 ,将电流和电压信号同时用作传感信号 ,通过电弧的扫描 ,既实现了焊接过程的自动跟踪 ,又解决了打底焊道的熔透问题 ,大大提高了产品焊接质量。     

超声辅助MIG焊接中超声作用特性研究

超声辅助熔化极惰性气体保护(Ultrasonic assisted metal inert gas,U-MIG)焊是一种新型熔化极焊接方法,利用外加声场将相应声学效果引入焊接熔池达到改善接头性能的目的。通过试验系统化研究超声对电弧形态、熔滴过渡以及接头宏观形貌的作用规律,主要目标是更好地理解超声在不同焊接条件下的作用特点。对高速摄像采集的电弧数据进行处理,结果发现随电弧电压增加,超声对电弧的压缩效果也逐渐增大;而随送丝速度增加,焊接电流增大,电弧压缩效果减弱。针对熔滴受力特点分析,可以看出超声作用后熔滴会受到一个促进熔滴过渡的附加力作用。在焊接电流为200 A时,该附加力达到最大,约为2.8×10-3 N,继续增大焊接电流,该附加力逐渐降低。对比不同送丝速度时焊缝宏观形貌,结果显示为了获得更高的焊接效率不能无限提高送丝速度,存在一个最佳的参数匹配值。结合平面驻波理论分析,随温度增加,声辐射力逐渐减弱,这在一定程度上也会削弱附加力作用效果。利用熔池薄膜模型探讨电弧、熔滴过渡以及熔池振荡三者之间的关系,超声对电弧形态、熔滴过渡的影响均可改变熔池的振荡特性,这间接表现为接头形貌的改变。通过试验与理论分析,为U-MIG焊接方法进一步发展与应用打下坚实基础。     

基于同轴视觉监测的激光深熔焊缝熔深监测

基于激光深熔焊接过程中稳态下小孔前壁材料气化满足的能量平衡以及在同轴视觉传感监测中提取出的小孔的径向尺寸建立了小孔深度的提取迭代方程,并基于小孔的深度实现了焊缝熔深的同轴视觉传感监测。试验结果表明：工件未焊透时,焊缝熔深的监测—计算值和试验测量值具有较好的一致性,其监测误差一般不超过12％;而工件完全焊透后,焊缝熔深的监测—计算值大于工件厚度,并基于此实现了工件是否焊透的判断。研究结果表明：基于同轴视觉传感和小孔前壁材料气化能量平衡建立的激光深熔焊缝熔深提取模型,可以有效实现激光深熔焊缝熔深的监测。     

激光-电弧复合焊过程的熔滴过渡特征与受力分析

利用高速相机对高氮钢激光-电弧复合焊接过程的熔滴过渡、熔滴形态、等离子体形态进行采集与分析。采用图像处理与数学计算相结合的方法给出熔滴在电弧空间飞行时的受力大小和加速度。初步计算激光产生的金属蒸气对熔滴的反冲力的大小和分布。结果表明:熔滴呈现颗粒过渡的临界焊接电流为180 A附近;熔滴呈现射滴过渡的临界焊接电流200 A附近。激光的加入对电弧具有明显的压缩作用,在熔池表面这种压缩作用更为剧烈。通过观测和计算给出电弧焊和激光-电弧复合焊时熔滴刚脱离焊丝的加速度分别达到70 m/s~2和50 m/s~2。在实际复合焊接过程中,当熔滴落入熔池位置与激光匙孔间距为3 mm时,从激光匙孔喷发的金属蒸气对熔滴的反冲力非常小。激光的加入主要改变了电弧形态,近而改变熔滴上下表面的压力差,使得熔滴在接近熔池表面发生合并和过渡频率减慢。     

基于激光视觉的脉冲GTAW熔池振荡检测与分析

熔池振荡频率与焊缝全熔透状态有较为直接的物理对应关系,但熔池振荡频率的检测十分困难。针对该问题提出一种基于激光视觉的熔池振荡特征频率检测传感新方法。在介绍激光视觉法原理基础上,设计脉冲非熔化极气体保护焊(Gas tungsten arc welding, GTAW)熔池振荡激光视觉传感试验系统。采集反映熔池振荡变化的视频图像,提出激光特征条纹的图像处理算法,并利用Matlab软件编写相应的程序获得熔池振荡波形,利用快速傅里叶变换提取出熔池振荡特征频率。试验结果表明,激光视觉法不仅成功实现脉冲GTAW熔池振荡信号的检测传感,而且克服了已有的脉冲GTAW熔池振荡检测法不能被用于连续焊接的缺陷。软件系统能够较准确地提取出熔池振荡特征频率、处理时间为20 ms,满足熔池振荡信号的实时检测要求,为连续脉冲GTAW熔透控制奠定了基础。     

钨极氩弧焊熔透熔池塌陷倾向的预测

对钨极氩弧焊(GTAW)全熔透熔池进行受力分析,建立熔透熔池的力学模型,提出熔池塌陷的力学判据.利用所建立模型计算并讨论影响熔池塌陷的各个作用力的动态变化、大小和百分比组成,并预测钨极氩弧焊焊接不锈钢和低碳钢薄板时在不同焊接速度下的合适焊接电流范围.试验结果与理论预测相一致,验证了所建立模型的实用性.     

GMAW自动焊熔透影响因素分析及多元回归预测

GMAW自动打底焊易出现未焊透及焊漏现象,成为焊接自动化的瓶颈问题。以焊缝背面熔宽作为表征熔透状态的参考信息,探究对打底焊接质量影响较大的焊接电流、焊接速度、坡口间隙及坡口角度4个焊接工艺参数对背面熔宽的影响规律。开展GMAW打底焊接试验研究,分析背面熔宽随上述焊接参数的变化趋势。试验结果及分析表明:随着焊接电流的增大,背面熔宽呈上升趋势,熔透状态由"未熔透"过渡到"过熔透";随着焊接速度的增大,背面熔宽呈下降趋势,熔透状态由"过熔透"过渡到"未熔透";背面熔宽随着坡口间隙与坡口角度的增大而增大,过小的坡口间隙与角度易产生"未熔透"。鉴于背面熔宽随4个焊接工艺参数增加而单调增加或单调减少,采用多元线性回归方法建立4个参数与焊缝背面熔宽的数学模型,该模型通过了回归模型的拟合优度检验、整体检验及回归系数检验。通过GMAW试验对数学模型进行了验证,结果表明建立的回归模型数学表达式能够对焊缝背面熔宽尺寸进行较为准确的预测,为GMAW自动打底焊参数调节提供指导。