一种铝钢CMT熔钎焊接过程控制方法

摘要

本发明公开了一种铝钢CMT熔钎焊接过程控制方法，包括以下步骤，在铝板和钢板焊缝区安装温度传感器，近缝区上方安装有测距传感器，测距传感器纵向以焊接速度V移动，横向以速度P往复运动，测距传感器从焊缝一端运动到另一端为一个周期，在一个周期内根据近缝区温度、焊缝宽度、余高、润湿角实时数据，判断焊接过程是否正常，调整下一个周期的焊接参数。本发明的铝钢CMT熔钎焊接过程控制方法，通过温度传感器、测距传感器实时的检测近缝区温度、焊缝宽度、余高、润湿角，调整焊接参数，避免了钎焊侧焊缝温度过高，焊接表面平整，提高了焊接质量，操作简便，便于推广与应用。

说明书

技术领域

本发明涉及一种铝钢CMT熔钎焊接过程控制方法，属于金属材料加工领域。

背景技术

目前，铝与钢的焊接工艺方法主要有电弧焊、摩擦焊、钎焊、爆炸焊、扩散焊、电 阻焊和激光焊等，可分为熔化焊、钎焊和固相焊三大类。对熔化焊来说，由于铝与钢两 种金属在固态下几乎不固溶，且热物理性能差异较大，在焊接接头内极易生成硬而脆的 Fe—Al金属间化合物，严重恶化接头的力学性能，从而使铝合金/钢熔化焊接头失去了 应用价值。对于钎焊和摩擦焊等固相连接方法来说，虽然可以得到较高的铝合金/钢接 头强度，但受工件形状和尺寸的限制，应用范围和接头形式受到了很大的限制。

因此衍生出多种工艺方法实现铝合金与钢的熔钎焊，如激光熔钎焊、TIG熔钎焊、 MIG熔钎焊、CMT熔钎焊等。激光熔钎焊能有效控制界面的反应、可以实现无钎剂的 铝台金/镀锌钢板的熔一钎焊，并得到满意的接头质量，但减小光斑以达到需要的激光 功率密度时需要提高工件的装配精度，这会增加生产成本。TIG电弧具有能量输出稳定、 成本低等优势而成为铝合金/钢熔一钎焊的有效工艺方法，但因受限于钨极温度，TIG 电弧能量输出受限，使其焊接效率相对较低。MIG焊虽然没有钨极烧损的问题，可以大 电流高速施焊，但容易产生飞溅以及高速焊接焊缝成形差、易产生咬边、驼峰焊道等缺 陷。

相比之下，CMT熔钎焊与其它工方法相比具有过程稳定、热输入低等优势，可实 现铝/钢薄板的优质连接。在确定填充材料和钎剂下，焊接热过程是接头钎焊界面金属 间化合物层的决定性因素，决定着界面各种金属间化合物的生长、形态及分布。目前采 用离线数值模拟技术与工艺试验相结合的方法，深入分析铝合金与钢熔一钎焊接热过 程，这对促进铝合金与钢熔一钎焊技术的应用具有意义，但是这仅仅是离线分析技术， 缺乏相应焊接过程中的热和焊缝表面成形反馈控制技术。

因此寻找一种有效的铝钢CMT熔钎焊接过程控制方法、避免钎焊侧焊缝温度过高、 焊缝表面成形恶化，成为了一个新的重要任务。

发明内容

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种铝钢CMT熔钎焊接 过程控制方法，避免钎焊侧焊缝温度过高，实时方便。

技术方案：为解决上述技术问题，本发明的一种铝钢CMT熔钎焊接过程控制方法， 其特征在于，包括以下步骤：

在钢板侧近缝区安装温度传感器，在近缝区上方安装有测距传感器，测距传感器纵 向以焊接速度V移动，横向以速度P往复运动，测距传感器从焊缝一端运动到另一端为 一个周期，在一个周期内根据近缝区温度、焊缝宽度、余高、润湿角实时数据，判断焊 接过程是否正常，调整下一个周期的焊接参数；

当焊接过程处于正常状态，则维持当前焊接参数不变；

当润湿角小于0度，认为焊缝填充不足，需减小焊接电流、焊接速度，焊接电压维 持不变；

当润湿角大于20度时，如果焊接温度正常，并且焊接过程处于不正常状态、焊缝 余高过高时，则加快焊接速度、提高焊接电压；

当润湿角大于20度时，如果焊接温度偏高，并且焊接过程处于亚正常状态，则加 快焊接速度、减小焊接电流；当余高与焊缝宽度比值大于A，焊接过程处于不正常状态、 则中止焊接；

当润湿角大于20度时，如果焊接温度偏低，并且焊接过程处于亚正常状态，则减 小焊接速度或增大焊接电流；当比值大于A，则认为焊缝余高过高，减小焊接速度的同 时增大焊接电流。

作为优选，所述焊接过程是否正常，根据以下判断：

(1)当近缝区温度处于区间[770，800]时，认为焊接温度正常；

(2)当近缝区温度大于800时，认为温度偏高；

(3)当近缝区温度小于770时，认为温度偏低；

(4)当润湿角在区间[0，20度]、焊接温度正常，认为焊接过程处于正常的状态；

(5)当润湿角小于0度，认为焊缝填充不足，需调整焊接参数；

(6)当润湿角大于20度时，如焊接温度正常，则继续判断余高与焊缝宽度比值， 当比值小于或等于A时，认为焊接过程仍处于正常状态；当比值大于A，则认为处于不 正常状态、焊缝余高过高，需调整焊接参数；

(7)当润湿角大于20度时，如焊接温度偏高，则继续判断余高与焊缝宽度比值， 当比值小于或等于A时，认为焊接过程处于亚正常状态，焊接工艺存在可调节余量，需 调整焊接参数；当比值大于A，则认为处于不正常状态、焊缝余高过高，在钎料选择或 焊前准备方面存在问题，可考虑中止焊接；

(8)当润湿角大于20度时，如焊接温度偏低，则继续判断余高与焊缝宽度比值， 当比值小于或等于A时，认为焊接过程处于亚正常状态，焊接工艺存在可调节余量，需 调整焊接参数；当比值大于A，则认为处于不正常状态、焊缝余高过高，需调整焊接参 数。

作为优选，所述比值A的范围[2,6]。

作为优选，所述焊缝宽度为，ts为测距传感器与焊缝一边边沿交汇的时刻，tD为 测距传感器与焊缝另一边边沿交汇的时刻。

作为优选，所述焊缝余高为在[ts，t_D]时间范围内，H-h(t)进行排序，获得的最大 值就是焊缝余高，H为测距传感器距离铝板或钢板上表面的距离，h(t)为测距传感器实 时测量焊缝上表面的距离。

作为优选，所述润湿角θ＝arctan(K1/K2)，其中，t_D时刻的导数K1、K2， K1＝d(H-h(t))/dt，K2＝d(P(t))/dt。

作为优选，所述V的调节范围[80mm/min,100mm/min]，P＝600mm/min，焊接电压调 节范围[12V,15V]，焊接电流调节范围[80，120A]。

焊缝宽度、余高计算方法：

当测距传感器在平行于被焊工件的平面上，只是沿着垂直于焊接方向往复移动， 则测距传感器扫描焊缝表面所经过的路径MD将处于焊缝的横截面上，M点、D点为扫描 路径上焊缝与工件的交接点，同时扫描得出测距传感器与被焊工件之间H、测距传感器 与焊缝表面之间的距离h。设H为事先设置的恒定值，则当测距传感器沿着垂直于焊接 方向上移动时，对应时刻t的横截面上焊缝表面所处点的高度为H-h(t)，显然该值是变 化的。

当测距传感器以焊接速度V、往复移动速度为P进行运动时，MD上各点在X轴坐标 为：P·t；由于测距传感器与焊枪在焊接方向上同步运行，测距传感器往复扫描焊缝 表面所经过的路径将不再处于焊缝的横截面上，而是近似一个螺旋线SD，S点、D点为 扫描路径上焊缝与工件的交接点。可见，不能根据曲线SD来计算焊缝余高、焊缝宽 度、润湿角。将SD上各点垂直投影至经过D点的横截面，S点的投影为M点，由于SD上各 点的Z轴坐标值没有改变，则对应投影各点构成的曲线MD，其上各点Z轴坐标值也没有改 变；因此在扫描速度足够快的前提条件下，可由扫描路径上各点Z轴坐标值近似构成焊 缝横截面各点的高度值。

根据H-h(t)的值可知，当t变化时，该值也在变化。随着时间变化，对该值进行记 录并形成H-h(t)的原始数据序列{f(t)}，则对{f(t)}进行高斯小波变换，利用一阶导数提 取该值变化的突变点。该小波变换核心算法如下所示：

$W_N^{\left(1\right)}f\left(t\right)=f*{\psi }_N^{\left(1\right)}\left(t\right)=f*(N-\frac{\mathrm{d\theta }}{\mathrm{dt}})\left(t\right)=N\frac{d}{\mathrm{dt}}(f*{\theta }_N)\left(t\right)---\left(1\right)$

$\theta \left(t\right)=e^{{-t}^2/2}/\sqrt{2\pi }---\left(2\right)$

由傅立叶变换可知，小波变换可认为是函数f(t)在尺度N下由θ(t)平滑后 再取一阶导数；θ_N(t)表示θ(t)在尺度因子N下的伸缩序列。

小波变换核心算法作用如下：

当N较小时，用θ_N(t)对{f(t)}平滑的结果对{f(t)}的突变位置影响不大；当N较大 时，则此平滑过程会将{f(t)}的一些细小的突变削去，只剩下大尺寸的突变。由此可 知，当小波函数可看作平滑函数θ_N(t)的一阶导数时，信号小波变换模的局部极值点对 应信号的突变点(或边缘)。当测距传感器扫描焊缝时，扫描路径上焊缝与工件的交接 点将出现高度突变，从而确定焊缝宽度的方法如下：

由于原始数据序列{f(t)}的一阶导数局部极值点对应原信号的突变点边缘，则根据 其高斯小波变换后的一阶导数的局部极值可计算出S点、D点所处时刻t_s、t_D，从而根 据测距传感器在这两个时刻的焊缝横向位置，可确定焊缝宽度为|P×t_s-P×t_D|。

进一步，在[t_s，t_D]时间范围内，对原始数据序列{f(t)}进行排序，获得的最大值 就是焊缝余高。

焊缝润湿角计算：

H-h(t)代表了焊缝高度方向变化情况，P(t)代表了宽度方向的位置变化情况， H-h(t)、P(t)的同一时刻的两点组成了横截面上余高各点的坐标。

随着时间变化，对这两个数值组成的序列进行曲线拟合，分别求出t_D时刻的导数 K1、K2：

K1＝|h(t_D)-h(t_D-T)|/dT  (3)

K2＝|P(t_D)-P(t_D-T)|/dT  (4)

上式中，T为采样周期。显然，润湿角θ＝arctan(K1/K2)。

有益效果：本发明的铝钢CMT熔钎焊接过程控制方法，通过温度传感器、测距传 感器实时的检测近缝区温度、焊缝宽度、余高、润湿角，调整焊接参数，避免了钎焊侧 焊缝温度过高，焊接表面平整，提高了焊接质量，操作简便，便于推广与应用。

附图说明

图1为测距传感器沿着垂直于焊接方向往复移动示意图；

图2为测距传感器同时以焊接速度V、往复移动速度P移动示意图；

图3为润湿角示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作更进一步的说明。

如图1至图3所示，当对4mm厚、材料为5083铝合金和EH136钢进行焊接时，对钢板3 侧近缝区(离焊缝2中心10mm)的温度进行检测，并同时使用测距传感器1扫描焊缝2， 该测距传感器1沿焊缝2纵向以焊接速度V移动，沿着焊缝2横向以速度P往复移动，移动 幅度大于焊缝2宽度；设定V的调节范围[80mm/min,100mm/min]，P＝600mm/min，近缝区 温度范围[T1，T2]为[770，800]，焊接电压调节范围[12V,15V]，焊接电流调节范围 [80，120A]，设定余高与焊缝2宽度比值A＝6；高斯小波变换方法中的尺度因子N为1。

本发明可使用以下公开技术：所使用的测距传感器1可采用激光测距仪、超声波测 距仪来实现、往复运动装置可采用现成的电机装置实现、近缝区温度检测可使用热电偶 测温进行检测。

如图1所示，一种铝钢CMT熔钎焊接过程控制方法如下：根据焊缝2近缝区温度、焊 缝2宽度、余高、润湿角等实时数据。根据H-h(t)的一阶导数的局部极值可计算出S点、 D点所处时刻t_s、t_D，从而根据测距传感器1在这两个时刻的焊缝2横向位置，可确定焊 缝2宽度为|P×t_s-P×t_D|；在[t_s，t_D]时间范围内，对数值序列H-h(t)进行排序，获得的 最大值就是焊缝2余高；在[t_s，t_D]时间范围内，分别对数值序列H-h(t)、P(t)进行曲 线拟合，并计算两序列组成曲线在t_D时刻的一阶导数之比，即可求得润湿角的正切值， 对该值进行反正切运算，即可求得润湿角。测距传感器1从焊缝2的左端运动右端或者从 右端移动到左端为一个周期，在这个周期内根据检测的焊缝2近缝区温度、焊缝2宽度、 余高、润湿角,判断焊接过程是否正常，在下一个周期进行调整。

判断焊接过程是否正常，当焊接过程处于正常状态，则维持当前焊接参数不变；当 润湿角小于0度，认为焊缝2填充不足，需减小焊接电流、焊接速度，焊接电压维持不 变；当润湿角大于20度时，如果焊接温度正常，并且焊接过程处于不正常状态、焊缝2 余高过高时，则加快焊接速度、提高焊接电压；当润湿角大于20度时，如果焊接温度 偏高，并且焊接过程处于亚正常状态，则加快焊接速度、减小焊接电流；当比值大于A， 焊接过程处于不正常状态、则中止焊接；当润湿角大于20度时，如果焊接温度偏低， 并且焊接过程处于亚正常状态，则减小焊接速度或增大焊接电流；当比值大于A，则认 为焊缝2余高过高，减小焊接速度的同时增大焊接电流。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员 来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也 应视为本发明的保护范围。