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中厚板多层多道焊优化技术研究
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《焊接技术杂志》2016年第三期
大型结构件中厚板的焊接，结构复杂，焊道层数多。进行焊道优化，降低结构件的数值模拟计算量，是该领域研究的关键技术之一。利用MARC软件对中厚板多层多道焊焊接过程进行模拟，为提高工程计算效率，对多层多道焊进行简化，经分析得到了中厚板多层多道焊时取样点的变形计算结果与试验结果吻合较好。结果表明，兼顾计算效率和模拟实际工程的可行性，焊道优化模拟在大型结构件的焊接中是十分必要而且可实现的。
多层多道焊；中厚板；焊道优化；数值模拟
中厚板焊接是工程机械领域的一个核心技术工艺。焊接质量的好坏不仅影响后序机加工、装配的精度、工件的使用性能，还影响工程机械产品的使用寿命和可靠性［1］。因此，工程机械制造领域中，应用了多种方法来保证焊缝质量，且会在焊后对焊缝进行全面检测。由于结构件体积庞大，焊接工艺繁杂多变，焊接过程控制困难，目前常用的焊缝质量保证手段往往既费时又费力。随着焊接数值模拟技术日新月异，其在工程机械领域的应用成为必然趋势。然而实际模拟中厚板多层多道焊，前处理工程巨大，后处理计算量大，降低结构件数值模拟计算量、提高计算效率是该领域研究的关键技术之一［2］。结构件尺寸较大，结构复杂，采用多层多道焊模拟实际工况，造成有限元建模网格数在百万级别，无论是从硬件还是软件简化参数设置，都需要数月才能获得分析结果，这在工程实际应用中是不能接受的。壳单元能有效减少计算量，但精度无法保证。鉴于此，笔者提出对中厚板焊道进行等效简化［3］（以下称焊道优化技术），即采用等效的方法近似模拟实际结构件变形。该技术曾用等效热源方式来解决，但并未在大型结构件的模拟中推广应用［4］。在此借助MARC软件，采用双椭球热源模型，考虑焊缝的实际形状，将3层6道焊缝分别处理为2层3道焊和单层单道焊，得到了不同板厚T形焊的熔池热源形貌，将所得结果与实际测量数据对比分析，验证有限元计算的有效性，为进一步研究大型结构件数值模拟提供参考。
1有限元模型建立
大型结构件的分析，限于计算机水平以及实际生产应用，分析应有侧重点，在此对关键位置进行分析。试验截取大型结构件典型T形接头，模拟结构件自由状态下焊接。焊接试样几何尺寸如图1所示。
1．1焊接工艺参数试件材料为Q690D钢，采用CO2气体保护焊方法焊接，焊丝采用SLD－70，钢板开45°坡口，焊接工艺参数见表1。
1．2网格模型建立分别对单层、双层、3层T形接头焊接模型进行网格划分。为有效控制网格数量，减小计算量，网格划分原则按照近焊道网格密，远离焊道位置疏，中间采用过渡网格过渡，获得网格模型如图2所示。
1．3热源模型焊接热源具有不均匀性，稳弧之后呈现局部集中、瞬时等特点，忽略实际焊接中焊接路径、填充量、焊接速度等因素，建立恰当反映实际焊接的热源模型。双椭球热源充分考虑了焊接过程中热源前端温度陡变、后端温度变化比较慢的特点，适合于CO2焊接的热源形式［4］。通过线切割、打磨焊接试样，获得热源熔池形貌，并分别对其焊高、熔宽、熔深及热影响区进行测量，获得其热源参数，并据此对网格模型进行校准，判断其热影响区网格的疏密是否满足计算精度要求。由于无法准确测量每条焊缝的截面尺寸，因而需要修正每条焊缝的热源形状参数。热源加载方式分为功率和温度加载。在焊接时，采用功率加载时，焊接工艺参数匹配与熔池形貌尺寸存在差异性，且会造成效率降低。采用温度加载方式，在引弧和熄弧处未达到稳弧，温度不稳定。在此采用功率加载方式，功率系数取0．8。测试计算模型，反复调整每条焊缝的双椭球热源形状的参数，使获得单层、双层、3层焊接头熔合线与实际T形接头的熔合线一致［6］，如图3所示。同时相应调整功率，使熔合线温度在熔点附近［1］，参数见表2。为与实际相接近，热电偶对稳弧后的熔池温度进行测量。无纸记录仪实时记录数据，并绘制温度随时间变化曲线。通过多次焊接测量试验，获得加载温度。试验多次获得焊接热循环曲线，如图4所示。
1．4边界条件边界条件主要考虑两个方面：热交换与拘束情况。热交换主要是考虑热辐射和对流方式。在模拟过程中采用等效散热系数进行计算。对拘束条件而言，考虑到现场焊接无工装夹具，因此只对其整体位移较小处进行约束。假设3个方向均采用零位移约束，限制模型的刚体位移，但约束过大。相比较三点约束［7］而言，其模型分析过程中，总会出现一个点位移为0，与实际情况不符，影响局部模型的计算结果。为模拟其自由焊接工况，在此采用以下力学边界条件：宽度方向在对称面下表面选择2个节点，用来限制y向位移，而不影响纵向收缩变形；通过焊缝背面沿焊缝长度方向节点来限制z向位移，而不影响横向收缩。
2仿真结果与试验结果
2．1焊接变形模拟结果与分析在此在相同的约束条件下，通过模拟不同焊道层数模型的焊接过程，研究分析立板和底板的变形量随距离变化情况［8］。（1）沿焊接方向x轴负方向，提取底板AB点之间z方向焊接变形量与测量结果进行对比分析，获得单层、双层、3层焊接模拟结果与实测结果对比曲线，如图5所示。由图5可知，从整体变化趋势来看z方向的变形量、模拟结果与实际焊接相吻合，引弧和熄弧处的焊接变形较大。与熄弧处相比，引弧处由于先焊，相当于增大了该处的刚度，同时其温度最先开始降低，因此引弧处的变形量会更大。单焊道变形量与实际结果偏差较大，误差率达44％；双层焊的误差率约15％；模拟3层焊与实际偏差控制在10％。同时，沿AB方向变形量小于模拟结果。由于测量时选取平面基准与数值模型中理论平面基准不同。实际测量的基准平面因为焊后变形和重力作用，与理论基准平面成负夹角。焊道简化后，焊接变形量明显增大，主要影响因素是焊接热源。实际焊接过程中，熔池在重力作用下流向开坡口一侧，使得开坡口一侧的热影响区大于坡口背面的热影响区。相对3层焊，焊道简化后的双椭球的横截面积在开坡口一侧要大，获得模拟结果偏大。（2）沿着焊接方向x轴负方向，提取底板CD点之间z方向焊接变形量与测量结果进行对比分析，获得对比结果曲线，如图6所示。由图6可知，在z方向的变形量最大位置发生在引弧和熄弧位置，同时起弧位置比收弧位置变形量大。整体变形趋势出现一定震荡，主要与数值结果均偏小有关。单焊道变形量与实际结果偏差较大，误差率为28％左右。双层焊与实际偏差为14％左右。3层焊与实际偏差为9％左右。因为其变形量比AB边变形量明显降低，其误差率对预测焊接变形及指导实际生产的意义不大。（3）沿着焊接方向x轴负方向，提取立板EF点之间y方向焊接变形量与测量结果进行对比分析，获得结果曲线，如图7所示。由图7可知，y方向上的整体变形量均较大，且变形趋势较为平缓，引弧和熄弧处的变形量相差仅为0．15mm。3层焊的变形量与实际偏差较小，误差率在8％左右，单焊道变形量与实际结果偏差较大，误差率达到32％。双层焊的误差率控制在14％左右。该位置的变形也是实际生产中重点关注的位置，通过采用合理工艺和参数的优化，有效控制其变形量是解决生产中问题的关键。同时，沿CD方向和EF方向变形量大于模拟结果。由于实际测量和模拟仿真选取基准不同。因焊后变形和重力作用，与理论基准平面成正夹角。焊道简化后，焊接变形量明显增大，主要影响因素是焊接热源。实际焊接过程中，熔池在重力作用下流向有坡口一侧，使得坡口一侧热影响区小于坡口背侧热影响区。相对于3层焊，焊道简化后的双椭球横截面积在开坡口一侧要小，获得的模拟结果偏小。综上所述，焊接变形最大的位置在立板自由边位置EF处，底板焊接变形最大的位置位于开坡口焊接一侧，变形量明显大于坡口朝向的背侧，在双层和3层焊接过程中，打底焊会预先给模型一个预制刚度，使整个构件向内部收缩，立板相对于底板，其约束较小，变形量较大。引弧位置的焊接变形大于收弧位置的焊接变形。3层焊仿真结果与实际焊接数值误差控制在10％以内。双层焊在变形量较大的位置处，变形误差率控制在15％以内。单道焊与实际焊接结果相差较大，不足以指导现场生产。
2．2焊接模拟计算时间分析在保证模拟实际焊接工况，并得到结果的基础上，分别获得单层、双层、3层焊模拟计算时间。考虑散热时间，单层焊的计算时间为19372．85s，双层焊计算时间为21553．3s，3层焊的计算时间为26830．86s。从提高计算效率来考虑，采用焊道优化技术后，双层焊节约1/5时间，单道焊节约1/4时间。兼顾计算精度，虽然单道焊计算效率很高，但与实际结果偏差较大。双层焊满足工程机械领域计算精度要求，而且节约了大量的分析时间。从理论上分析，采用焊道优化技术，在大型结构件上百条焊道模拟计算时，节约时间将达40％，对焊接模拟将带来重大实用价值，极大地提高了模拟效率，在焊接模拟领域具有重大的使用价值。
（1）建立了大型结构件多层多道焊接简化的数学模型，与工程机械现场生产环境相贴合，实现了大型结构件计算的可能性及有效性，为下一步优化工作做准备。（2）T形接头焊接变形最大的位置发生在带有坡口的立板自由边，未开坡口底板的焊接变形量相对较小，位于开坡口焊接一侧，变形量明显大于坡口背侧一边，在引弧处焊接变形量小于收弧处。（3）3层6道焊简化为2层3道焊，焊接变形量的误差能控制在15％内，在保证生产效率的同时，预测现场加工余量，指导现场大型结构件的焊接；单道焊的计算误差较大，不能预测焊接变形情况。（4）在工程机械领域，大型结构件的焊接模拟结果与实测结果相比，误差控制在20％以内就可认为满足现场焊接变形预测的要求，因此，中厚板的3道焊优化为2道焊进行焊接仿真是有效可行的。（5）在满足现场焊接变形量预测要求的基础上，从计算时间方面分析，采用焊道优化技术后，计算时间节约了20％。在应用大型结构件分析时，理论上计算时间将节约40％，这对焊接数值模拟仿真的推广应用具有重大意义。
参考文献：
［1］田锡唐．焊接结构［M］．北京：机械工业出版社，1982．
［2］蔡志鹏．大型结构焊接变形数值模拟的研究与应用［D］．北京：清华大学，2001．
［3］陈建波，罗宇，龙哲．大型复杂结构焊接变形热弹塑性有限元分析［J］．焊接学报，）：69－72．
［4］董志波，魏艳红，刘仁培，等．不锈钢焊接温度场的三维数值模拟［J］．焊接学报，）：9－14．
［5］MSC．MarcUser’sManual［Z］.VolumeA，Chapter6．
［6］陈家权，肖顺湖，吴刚，等．焊接过程数值模拟热源模式的比较［J］．焊接技术，）：9－11．
［7］邓德安，清岛祥一．焊接顺序对厚板焊接残余应力分布的影响［J］．焊接学报，）：55－58．
［8］汤小红，王琳，陈玉玲，等．焊接层数对焊接残余应力和变形的影响［J］．焊接技术，）：5－8.
作者：房元斌 雪梅 张华清 孙波 占小红 单位：江苏徐州工程机械研究院 徐工集团道路机械分公司 南京航空航天大学
焊接技术杂志责任编辑：杨雪&&&&阅读：人次
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厚板焊接时，不允许一道焊完，每次焊一层，分为几次把坡口填满，一般分为打底焊道、填充焊道、盖面焊道等，这叫多层；同时因坡口较宽，每层一道不能完全覆盖，就是多道焊。
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专利名称基于摆动电弧的多层多道焊焊缝跟踪系统及识别方法
技术领域本发明属于焊接自动控制技术领域，具体涉及一种基于摆动电弧的多层多道焊焊缝跟踪系统及识别方法。
背景技术焊缝跟踪技术是实现焊接自动化的重要研究方向。对于厚板的开坡口焊接，由于坡口加工与装配尺寸及位置误差等影响，采用精确的焊缝跟踪技术进行多层多道焊接是保证其焊接质量的关键。基于电弧传感器与视觉传感器的焊缝跟踪技术是目前研究与应用的主流，在对有单层焊缝工件的焊接过程中可以达到良好的跟踪效果，而对于厚板的多层多道焊，在第一道焊缝焊完之后，焊接接头形式往往已发生改变，焊缝偏差识别一直是一个难点，目前其在国内的应用还不能达到令人满意的程度。在欧美发达国家，针对于厚板焊接的焊缝跟踪通常采用基于CCD传感器(电荷藕合器件图像传感器)的视觉跟踪法。采用CCD传感器虽然控制精度比较高，但成本也高，易受弧光干扰影响，对多层多道焊接的图像识别处理还存在不少困难，只能用于变形不大的直线焊缝自动跟踪。目前，基于电弧传感器的焊缝自动跟踪技术在薄板焊接中的应用已比较成熟，但针对厚壁结构焊接的研究和应用未见报道。电弧传感技术包括旋转电弧扫描和摆动电弧扫描两种方式旋转电弧传感器虽然不需要附加设备，控制精度比较高，但其体积大，结构复杂，造价较高，安装到焊接机器人或焊接小车上直接影响焊枪移动的灵活性，也在某种程度上限制焊枪的姿态和到达某些工位的可能性；摆动电弧传感方式其特点主要是焊枪摆动扫描幅度较容易调整，传感器结构简单紧凑，另一方面，焊枪在焊接过程中摆动，可以增加焊道宽度，降低焊层厚度，有利于改善焊接宽度不均匀的焊缝、提高焊缝金属的力学性能和增进焊道表面美观度。对于需要大幅度摆动焊接且焊缝形式多样的厚板多层多道焊而言，摆动电弧传感器更容易实现。
本发明的第一个目的在于针对目前难以实现厚板多层多道焊焊缝自动跟踪的问题，提供一种基于摆动电弧的多层多道焊焊缝跟踪系统。本发明的第一个目的是通过如下的技术方案来实现的该基于摆动电弧的多层多道焊焊缝跟踪系统，主要用于厚板V型坡口多层多道焊焊接，它包括焊接小车、焊枪及与焊枪连接的送丝机；它还包括安装于焊接小车上的立式主滑架，安装于主滑架上的倾角调节机构，安装于倾角调节机构上、并安装有焊枪的摆动器；所述摆动器包括左右滑架和高低调节滑块，左右滑架安装于倾角调节机构上，高低 调节滑块安装于左右滑架上，焊枪竖直安装于高低调节滑块上，横向的左右滑架与竖向的高低调节滑块构成十字架形；霍尔传感器连接于待焊母材与焊接电源之间，其信号输出端与控制器连接；焊接电源与送丝机连接，控制器与驱动器连接，驱动器与驱动主滑架、左右滑架和高低调节滑块的步进电机连接，驱动器还与驱动焊接小车和倾角调节机构的电机连接；控制器通过霍尔传感器传来的电信号作出运算处理求得焊缝偏差信息，并发出指令控制驱动器来驱动各电机协调动作进行焊枪的调节，从而实现焊枪的焊缝自动跟踪控制。
更进一步，所述控制器包括一安装有焊缝跟踪系统软件的单片机。本发明的第二个目的在于提供上述基于摆动电弧的多层多道焊焊缝跟踪系统的识别方法，该方法是焊接开始后，首先在摆动器的驱动下，焊枪对V型焊接坡口进行横向摆动扫描，由霍尔传感器将检测到的焊接电流信号和定位脉冲信号一起送到控制器进行软件处理和运算，求得焊缝偏差信息，由摆动器执行焊枪焊缝偏差调节，从而实现焊缝自动跟踪焊接。更具体地说，所述求得焊缝偏差信息首先是采用坡口面积比较法对焊缝形状进行自动识别，如果左右两侧面积不相等，则焊缝形状不对称，判断为典型的多层多道焊的r型焊缝；如果左右两侧面积相等，则焊缝形状对称，判断为典型的多层多道焊的了型焊缝；针对焊缝形状自动识别后的r型和。型两种焊缝形状，再分别采用同侧积分法和斜率加权积分法二种焊缝偏差提取方法。所述同侧积分法为
假定焊枪起始位置位于焊枪摆动中心，并向右侧开始平摆，在最初几个摆动扫描周期内，对传感器在不同位置的输出焊接电流值采样后进行离散积分运算后求均值，将该值作为基准值与焊枪在摆动中心右侧每次往返摆动的半个周期内的电流积分平均值进行比较，即可求得焊枪偏差大小与方向。 所述斜率加权积分法为
在电弧摆动扫描周期内，由I型焊缝侧边的斜率A的绝对值大小决定该点电流信号的采样值的权重4越大的区间，焊接电流采样值权重越大；在一个摆动周期内，对焊枪中心左右两侧电流信号的采样按*的绝对值大小进行加权后再求差值，即可得到焊枪对T型焊缝中心偏差的大小与方向。本发明的焊枪安装在摆动器上，摆动器通过倾角调节机构安装在主滑架上。在焊接过程中，在摆动器的驱动下，焊枪对焊缝坡口进行摆动扫描，焊枪与工件之间的相对位置的改变将直接导致弧长发生变化，而弧长的变化会引起电弧电流、电弧电压等电弧参数发生变化。霍尔传感器将检测到的焊接电流信号和定位脉冲信号一起送到控制器进行软件处理和运算，求得焊缝偏差信息，由摆动器执行焊缝偏差调节，实现焊缝自动跟踪，完成自动化焊接。本发明的工作过程如下
在多层多道焊焊接过程中，焊缝跟踪系统的控制器驱动左右滑架上的步进电机，使摆动器带动安装在高低滑块上的焊枪，在焊缝上方沿左右滑架方向进行横摆。在焊枪横摆扫描焊缝的过程中，由霍尔电流传感器输出焊接电流信号至焊缝跟踪系统的控制器，控制器对变化的焊接电流信号进行采样分析与处理，完成对焊缝偏差信号的提取。对于左右滑架方向上的焊缝偏差，由焊缝跟踪系统的控制器发出指令控制驱动器来驱动左右滑架上的步进电机进行纠偏调节，使焊枪在每一个横摆扫描周期的起始点都维持在焊缝的中心，此过程称为焊缝对中；对于焊枪中心轴方向的焊缝偏差，由焊缝跟踪系统的控制器发出指令控制驱动器来驱动高低滑块上的步进电机进行纠偏调节，使焊枪在每一个横摆扫描周期的起始点都维持在焊缝上方沿焊枪中心轴方向的适合焊接的位置。左右滑架与高低滑块在对多层多道焊的每一道焊缝的焊接时都是相互垂直的，也因此别称之“十字滑架”。综合上述，在多层多道焊中，控制器在焊接完每道焊缝后，根据下一道焊缝的空间位置，通过控制左右滑架上的步进电机来调节摆动器在该焊缝初始的摆动中心，并通过控制主滑架上的步进电机来调节焊枪对该焊缝的初始距离；根据下一道焊缝的焊接角度的需要，通过控制倾角调节机构的角位移来调节左右滑架与主滑架之间的角度。整个系统执行机构的调节是通过控制器发出指令控制驱动器，从而驱动步进电机、倾角调节机构的电机以及控制焊接小车行走的电机协同完成的，其协同工作方式通过对控制器的软件编程实现。以多层多道焊中！■型焊缝的焊接跟踪为例，由于该类焊缝可视为角焊缝，焊枪需要调节一定的角度进行施焊。该过程由倾角调节机构实现。由于左右滑架安装在倾角调节机构上，而倾角调节机构安装在主滑架上，因此，控制器根据r型焊缝焊接的需要发出指令控制驱动器来驱动倾角调节机构，使其转动时带动整个十字滑架的转动，焊枪因此相对于铅垂方向发生角度的改变。控制器根据多层多道焊中不同层数焊缝焊接的空间位置的需要发出指令控制驱动器来驱动左右滑架上的步进电机，从而调整摆动器在焊接时的初始摆动中心；发出指令控制驱动器来驱动主滑架上的步进电机，从而调整摆动器在焊接时的初始高度。本发明可以有效解决厚板V型坡口多层多道焊中对不同形式的焊接接头跟踪困难的问题，算法简单且易实现。本发明的有益效果是利用了摆动电弧的精确性高和摆幅调整灵活的特性，并且针对V型坡口多层多道焊提出了一种自动识别焊缝形状的坡口面积比较法和二种典型形状焊缝的偏差识别方法，大大提高了 V型坡口多层多道焊焊缝扫描的准确性。实际焊接工艺试验证明本发明的焊缝跟踪精度高、运行稳定可靠、实用性强，可广泛应用于厚板焊接的弧焊机器人或自动跟踪专机系统中，同时为弧焊机器人焊接厚板实现多层多道焊的焊缝自动跟踪提供理论依据。
图I是本发明焊缝跟踪系统的结构示意框图。图2是图I的原理结构示意框图。图3是实际焊缝简化后的V型焊缝的截面图。图4是实际焊缝简化后的r型焊缝的截面图。图5是实际焊缝简化后的T型焊缝的截面图。图6是坡口面积比较法的工作流程框图。图7、图8是同侧积分法的计算示意图。图9是斜率加权积分法的计算示意图。
图10是本发明多层多道焊焊缝识别方法的应用实例的工作流程框图。
具体实施例方式下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细的描述。
参见图1，本实施例包括安装于焊接小车4上的立式主滑架9，倾角调节机构12安装于主滑架9上，安装于倾角调节机构12上、并安装有焊枪I的摆动器6。摆动器6由左右滑架10和高低调节滑块11组成。由图可见，左右滑架10安装于倾角调节机构12上，高低调节滑块11安装于左右滑 架10上，焊枪I竖直安装于高低调节滑块11上，横向的左右滑架10与竖向的高低调节滑块11构成十字架形。霍尔传感器5安装于焊接电源2与待焊母材13的连接导线上，其信号输出端与控制器7连接，焊接电源2与送丝机3连接，送丝机3与焊枪I连接，焊枪I上装有焊丝17。控制器7与驱动器8连接，驱动器8与分别驱动主滑架9、左右滑架10和高低调节滑块11的步进电机14、步进电机15、步进电机16连接，驱动器8还与驱动焊接小车4和倾角电机12的电机连接。本实施例中，控制器7包括一个安装有焊缝跟踪系统软件的单片机。图2所示是本发明焊缝跟踪系统的原理结构示意框图，其中，执行机构表示主滑架、倾角调节机构、焊接小车以及驱动它们的电机。从图I中可见，焊枪I安装在摆动器6的高低调节滑块11上。摆动器6的左右滑架10安装在倾角调节机构12上，倾角调节机构12安装在主滑架9上，主滑架9固定在焊接小车4上，并且通过倾角调节机构12的调节使摆动器6带动焊枪I始终在在水平与竖直两个方向对焊缝坡口进行扫描，通过霍尔传感器5检测不同扫描位置的电弧电流信号，将电弧电流信号输入控制器7进行软件处理和运算，求得焊缝偏差信息后对驱动器8发出指令，由驱动器8驱动摆动器6与主滑架9上的步进电机执行焊缝偏差调节，实现焊缝自动跟足示，完成自动化焊接。参见图2，焊接时，焊接小车沿着焊缝移动，同时摆动器带动焊枪对焊缝坡口进行扫描，焊枪与工件之间的相对位置会使弧长发生变化，而弧长的变化会引起电弧电流发生变化。霍尔传感器将检测到的焊接电流信号和定位脉冲信号经过硬件滤波电路信号处理，将干扰信号滤除并将有效信号提取和放大之后一起输入到控制器进行软件处理和运算，求得焊缝偏差信息，控制器根据偏差信息输出控制指令到驱动器，由摆动器与执行机构一起执行焊缝偏差调节，实现焊缝自动跟踪。因此，摆动器是焊缝跟踪系统的重要组成部分。为了实现基于摆动电弧的厚板V型坡口多层多道焊的焊缝自动跟踪，需要首先对多层多道焊中的二种典型焊缝形状进行识别，在系统自动判断出焊缝形状之后，再选择相应的焊缝偏差信号提取方案。为了识别这二种不同的焊缝形状，针对焊接电流波形特点，结合机器人焊道规划，提出了一种焊缝形状自识别的方法一坡口面积比较法，并分别针对r型和T型两种焊缝提出了同侧积分法与斜率加权积分法二种焊缝偏差提取方法。在厚壁结构件的焊接过程中，第一道焊缝为V型焊缝，图3所示是实际焊缝简化后的V型焊缝的截面图，第一道焊缝采用单层焊常用的左右积分差值法实现焊缝偏差信号的识别与提取。从第二道焊缝起，以后的焊缝均采用坡口面积比较法对焊缝的形状进行自动识别，图6所示是坡口面积比较法的工作流程框图。该方法基本原理为在焊枪对准T型焊缝中心的情况下，以焊枪扫描中心为分界线，若将左右两侧电流信号分别进行离散积分之后求差值，由于f型焊缝在理论上左右对称，且在一个周期内，焊接电流前半周期的信号波形与后半周期近似相同，因此该差值很小；然而，在形状不对称的r型焊缝中，在一个周期内，焊接电流前半周期的信号波形与后半周期差距较大，若以同样的方式求得的差值较大。通过判断差值的值，可以区别r型与！型这两种焊缝。图4所示是实际焊缝简化后的r型焊缝的截面图，图5所示是实际焊缝简化后的T型焊缝的截面图。由于r型焊缝是一种不对称的接头形式，不能直接应用传统的左右积分差值法提取焊缝偏差，本发明针对这种焊缝形式提出一种改进的左右积分差值法即同侧积分法。参见图7、图8，是同侧积分法的计算示意图，图中的4为焊枪对中无偏移时的电弧电流信号曲 线，^和/2分别为焊枪右偏移与左偏移时情况，s.表示电弧摆动前半周期内的电流积分值。根据！■型焊缝的电弧电流曲线特征可以发现，在前半周期内Sm1 &，而在
电弧摆动扫描的后半周期中，规律与前半周期相反，但对比不如前半周期鲜明，故选择前半周期为电流采样区间。同侧积分法的检测原理是假定焊枪起始位置位于焊枪摆动中心，并向右侧开始平摆，在最初几个摆动扫描周期内，对传感器在不同位置的输出焊接电流值2采样后进行离散积分运算后求均值，得到iW，将该值作为基准值与焊枪在摆动中心右侧每次往返摆动的半个周期内的电流积分平均值7 进行比较，即可求得焊枪偏差大小与方向。同侧积分法的电流积分公式可以表示成为
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式中，P表不摆动扫描前半个周期内电流积分值总和，〃表不摆动扫描周期内电流积分值总和&表示摆动扫描周期内的第个点采集的电弧电流值。当6&0时焊枪左偏；当6&0
时焊枪右偏 ，当A=O时表明焊枪对中。在两侧边均为曲面的T型焊缝中，由于越远离焊缝中心的位置的弧长变化率较小，相应的焊接电流信号变化较小。在焊接过程中其表面也相对更易受到热变形等一些难以预测因素的影响而发生形变。对于信号提取而言，靠近焊缝中心位置的信号幅值大、干扰小，采样数据相对更重要，因此，本发明提出了一种斜率加权积分法用于T型焊缝的偏差信号提取。斜率加权积分法的检测原理为在电弧摆动扫描周期内，由T型焊缝侧边的斜率1的绝对值大小决定该点电流信号的采样值的权重4越大的区间，焊接电流采样值权重越大，图9所示是斜率加权积分法的计算示意图，图中Y1点采样值大于i2点采样值的权重。在一个摆动周期内，对焊枪中心左右两侧电流信号的采样按.t的绝对值大小进行加权后再求差值，即可得到焊枪对T型焊缝中心偏差的大小与方向。由于在T型焊缝中，通常越靠近焊缝中心的采样点所对应侧边曲面的斜率越大，该方法增加了靠近焊缝中心位置的采样数据的权重，降低了远离焊缝中心位置的采样数据的权重。通过该方法能够使电弧传感系统对此类焊缝偏差信号的提取更加精确有效。斜率加权积分法的电流积分公式可以表示成为
1.一种基于摆动电弧的多层多道焊焊缝跟踪系统，主要用于厚板V型坡口多层多道焊焊接，它包括焊接小车、焊枪及与焊枪连接的送丝机；其特征在于它还包括安装于焊接小车上的立式主滑架，安装于主滑架上的倾角调节机构，安装于倾角调节机构上、并安装有焊枪的摆动器；所述摆动器包括左右滑架和高低调节滑块，左右滑架安装于倾角调节机构上，高低调节滑块安装于左右滑架上，焊枪竖直安装于高低调节滑块上，横向的左右滑架与竖向的高低调节滑块构成十字架形；霍尔传感器连接于待焊母材与焊接电源之间，其信号输出端与控制器连接；焊接电源与送丝机连接，控制器与驱动器连接，驱动器与驱动主滑架、左右滑架和高低调节滑块的步进电机连接，驱动器还与驱动焊接小车和倾角调节机构的电机连接；控制器通过霍尔传感器传来的电信号作出运算处理求得焊缝偏差信息，并发出指 令控制驱动器来驱动各电机协调动作进行焊枪的调节，从而实现焊枪的焊缝自动跟踪控制。
2.根据权利要求I所述的基于摆动电弧的多层多道焊焊缝跟踪系统，其特征在于所述控制器包括一安装有焊缝跟踪系统软件的单片机。
3.—种如权利要求I所述基于摆动电弧的多层多道焊焊缝跟踪系统的识别方法，其特征在于焊接开始后，首先在摆动器的驱动下，焊枪对V型焊接坡口进行横向摆动扫描，由霍尔传感器将检测到的焊接电流信号和定位脉冲信号一起送到控制器进行软件处理和运算，求得焊缝偏差信息，由摆动器执行焊枪焊缝偏差调节，从而实现焊缝自动跟踪焊接。
4.根据权利要求3所述的基于摆动电弧的多层多道焊焊缝跟踪系统的识别方法，其特征在于所述求得焊缝偏差信息首先是采用坡口面积比较法对焊缝形状进行自动识别，如果左右两侧面积不相等，则焊缝形状不对称，判断为典型的多层多道焊的r型焊缝；如果左右两侧面积相等，则焊缝形状对称，判断为典型的多层多道焊的型焊缝；针对焊缝形状自动识别后的r型和型两种焊缝形状，再分别采用同侧积分法和斜率加权积分法二种焊缝偏差提取方法。
5.根据权利要求4所述的基于摆动电弧的多层多道焊焊缝跟踪系统的识别方法，其特征在于所述同侧积分法为
假定焊枪起始位置位于焊枪摆动中心，并向右侧开始平摆，在最初几个摆动扫描周期内，对传感器在不同位置的输出焊接电流值采样后进行离散积分运算后求均值，将该值作为基准值与焊枪在摆动中心右侧每次往返摆动的半个周期内的电流积分平均值进行比较，即可求得焊枪偏差大小与方向。
6.根据权利要求4所述的基于摆动电弧的多层多道焊焊缝跟踪系统的识别方法，其特征在于所述斜率加权积分法为
在电弧摆动扫描周期内，由型焊缝侧边的斜率的绝对值大小决定该点电流信号的采样值的权重越大的区间，焊接电流采样值权重越大；在一个摆动周期内，对焊枪中心左右两侧电流信号的采样按的绝对值大小进行加权后再求差值，即可得到焊枪对T型焊缝中心偏差的大小与方向。
本发明公开了一种基于摆动电弧的多层多道焊焊缝跟踪系统及识别方法。本发明的焊缝跟踪系统由焊枪、焊接电源、送丝机、焊接小车、摆动器、驱动器、控制器、霍尔电流传感器和主滑架等组成。在焊接过程中，在摆动器的驱动下，焊枪对焊缝坡口进行摆动扫描，焊枪与工件之间的相对位置的改变将直接导致弧长发生变化，而弧长的变化会引起电弧电流、电弧电压等电弧参数发生变化。霍尔电流传感器将检测到的焊接电流信号和定位脉冲信号一起送到控制器，在按一定的运算规则自动判断出焊缝形状之后，选择相应的焊缝偏差信号提取方案进行处理，求得焊缝偏差信息，由摆动器执行焊缝偏差调节，实现焊缝自动跟踪，完成自动化焊接。
文档编号B23K9/127GKSQ
公开日日 申请日期日 优先权日日
发明者李湘文, 杨学道, 洪宇翔, 洪波, 言俊光, 阳佳旺 申请人:湘潭大学