受控脉冲等离子弧焊接熔池-小孔的同步检测与控制

摘要

穿孔等离子弧焊接过程中，实现稳定穿孔的工艺参数范围较窄。为解决这一问题，研发出受控脉冲穿孔等离子弧焊接工艺，拓宽了其应用范围。为了更好地实施受控脉冲穿孔等离子弧焊接的控制策略，需要同时对熔池和小孔进行视觉检测。但是，原有检测系统只检测小孔，不足以充分描述小孔与熔池动态耦合变化过程的细节。本研究采用视觉传感方法同步获取工件背面的小孔和熔池图像，同时观测不同工艺条件下熔池和小孔的动态变化过程。这对于研发新型的等离子弧焊接控制系统、优化焊接工艺、拓宽等离子弧焊接的工艺参数范围，都具有重要的理论意义和工程实用价值。
　　搭建了双传感器测试系统，使用外触发控制CCD相机和红外热像仪同步拍摄等离子弧焊接背面小孔及其背面温度场。基于图像标定和空间坐标转换，将小孔和温度场图像进行融合，在同一坐标系下获得了带有小孔图像的背面温度图像。开展了基于热电偶测温的背面温度场标定和背面图像灰度分析，建立了灰度值和温度值的关系，并从温度场中提取了含有小孔的熔池形状与尺寸。
　　基于等离子弧光谱分析和CCD相机成像原理，选取用合适的近红外窄带滤光片，只用单一CCD相机同时拍摄出工件背面的熔池和小孔图像。该传感系统可以在不加背光的情况下，对受控脉冲等离子弧焊接一个完整脉冲周期内的工件背面小孔和熔池图像进行采集:在脉冲电流峰值阶段，小孔形成，同时测试工件背面熔池与小孔的尺寸与位置信息;在基值电流阶段，小孔闭合，也可清晰地检测熔池尺寸与位置的动态变化信息。
　　在不同焊接工艺参数下，观察和分析了等离子弧形态及其对焊接过程的影响。根据熔池和小孔形态，等离子弧焊接可以被定义为以下6个阶段:未穿孔阶段、不稳定小孔阶段、小孔长大阶段、熔池长大阶段、准稳态阶段和熄弧后的凝固与冷却阶段。在等离子弧焊接过程中，小孔位于熔池前部，小孔前壁处的液态金属层非常薄，小孔所处的位置决定了熔池的位置。小孔和熔池的热状态在时间上存在差异，小孔状态稳定之后，熔池才进入准稳态。在工件背面，相对于焊枪轴线，存在小孔位置偏移和背面熔池热场偏移。当焊接热输入恒定时，小孔的初始产生位置决定了熔池最宽处的位置。
　　在受控脉冲等离子弧焊接时，使用单一CCD视觉传感系统拍摄一个完整周期内熔池和小孔的图像。通过灰体红外辐射理论分析图像并设计图像处理算法，成功提取出穿孔和盲孔两种情况下的小孔和熔池边界。在一个脉冲周期内，熔池-小孔尺寸和位置是动态变化的，而且相互影响。在每一个脉冲周期内，初始小孔的位置决定了在该脉冲周期内熔池最宽处的位置。小孔初始产生位置与熔池相交或包含于熔池内部时，相邻脉冲的熔池可实现良好搭接。因此，通过检测熔池前沿的位置和初始小孔的位置关系，可以在线判断相邻脉冲内焊接熔池是否良好搭接。
　　以同步检测的背面小孔面积和熔池位置为反馈量、峰值电流和峰值作用时间为控制量，研制了基于模糊控制的受控脉冲穿孔等离子弧焊接系统。设计了平板-小孔控制、平板-小孔熔池控制、变厚度工件-小孔熔池控制、变焊接速度-小孔熔池控制的工艺试验，对焊接控制实际效果进行测试。控制实验表明:当引入熔池位置控制时，可有效改善不锈钢板厚板焊接时背面焊缝的连续性问题;当工件厚度或焊接速度发生改变时，系统可以根据反馈的背面小孔面积和熔池位置及时调整峰值电流大小及其作用时间。控制系统运行稳定，背面熔池有效搭接，熔深熔宽均匀，焊缝成形良好。

目录

声明

摘要

主要符号表

第1章 前言

1．1 选题意义

1．2 等离子弧焊工艺

1．2．1 等离子体

1．2．2 等离子弧焊接工艺

1．2．3 等离子弧焊接工艺的改进

1．3 等离子弧焊接的数值模拟

1．4 穿孔等离子弧焊接过程检测

1．4．1 等离子弧焊接过程熔池小孔状态检测

1．4．2 等离子弧焊接过程熔池小孔形态检测

1．5 穿孔等离子弧焊接过程控制

1．6 存在的问题

1．7 本文主要研究内容

第2章 背面小孔及周围温度场的视觉检测

2．1 实验系统结构

2．2 等离子弧焊焊机的控制

2．2．1 焊接电流的控制

2．2．2 焊接速度的控制

2．2．3 离子气流量的控制

2．3 多信息采集系统

2．3．1 电参数采集系统

2．3．2 温度场检测系统

2．3．3 视觉传感系统

2．3．4 多信息同步采集的实现

2．4 熔池小孔以及周围温度场的同步检测

2．4．1 测试系统配置

2．4．2 测试系统的标定

2．5 实验工艺参数

2．6 等离子弧焊接背面小孔周围温度场的检测与分析

2．6．1 背面小孔周围温度场的拍摄

2．6．2 背面小孔和周围温度场融合

2．6．3 背面小孔周围温度场的标定

2．7 本章小结

第3章 基于单一传感器的背面小孔与熔池同步检测

3．1 单一CCD传感系统

3．1．1 等离子弧尾焰的光谱分析

3．1．2 CCD相机的近红外拍摄

3．1．3 滤光系统的设计

3．1．4 背面图像的拍摄

3．1．5 图像信号改善

3．1．6 背面拍摄系统安置

3．2 实验工艺参数

3．3 小孔与熔池的拍摄和提取

3．3．1 背面小孔熔池图像拍摄

3．3．2 背面小孔熔池图像分析

3．3．3 背面小孔熔池图像处理和边界提取

3．4 背面熔池小孔的验证

3．4．1 激光辅助光源拍摄

3．4．2 熔宽验证

3．5 本章小结

第4章 背面熔池-小孔随工艺条件的变化

4．1 等离子弧形态与焊接参数的关系

4．1．1 实验工艺参数

4．1．2 等离子弧电压与焊接参数的关系

4．1．3 等离子形态检测

4．2 背面小孔-熔池的分析

4．2．1 焊接试验参数

4．2．2 小孔和熔池的结构组成

4．2．3 背面熔池小孔的演变过程

4．3 焊接工艺参数对小孔和熔池的影响

4．4 焊接热输入对小孔熔池偏移的影响

4．4．1 背面小孔和熔池位置的偏移

4．4．2 背面小孔热场偏移的影响

4．5 本章小结

第5章 受控脉冲穿孔过程中的小孔-熔池同步检测

5．1 受控脉冲穿孔焊接策略

5．2 受控脉冲穿孔PAW背面小孔-熔池的检测

5．2．1 工艺参数

5．2．2 受控脉冲穿孔等离子弧焊接过程分析

5．2．3 图像处理

5．2．4 小孔和熔池的尺寸变化

5．2．5 小孔偏移和热场偏移

5．2．6 熔池搭接计算

5．3 波形参数对受控脉冲PAW影响分析

5．4 本章小结

第6章 受控脉冲穿孔焊接的模糊控制

6．1 模糊控制逻辑

6．2 模糊控制系统的设计

6．2．1 输入量和输出量的模糊化

6．2．2 确定模糊控制规则

6．2．3 模糊控制表的建立

6．2．4 模糊值的精确化

6．3 受控脉冲等离子弧焊接的过程控制

6．3．1 工艺参数

6．3．2 基于小孔面积的反馈控制

6．3．3 基于小孔-熔池的反馈控制

6．4 本章小结

第7章 结论

参考文献

致谢

攻读博士学位期间已发表和撰写的论文

攻读博士学位期间参与的科研项目