鋁合金TIG焊縫背面寬度的智能控制研究

撰文/首都航天機(jī)械公司 田志杰 高彥軍 許春芳 李迎

鋁合金TIG焊縫背面寬度的智能控制研究

撰文/首都航天機(jī)械公司 田志杰 高彥軍 許春芳 李迎

本文設(shè)計(jì)了一種基于激光傳感TIG焊縫背面熔寬的智能控制系統(tǒng)，獲取了采用TIG自動(dòng)焊工藝焊接的鋁合金焊縫背面形貌，通過(guò)圖像處理提取了焊縫背面寬度等特征參數(shù)，并依此參數(shù)作為輸入量，針對(duì)焊縫背面寬度的變化，實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)焊接輸入電流，實(shí)現(xiàn)焊縫背面余高、寬度的均勻一致。結(jié)果表明，采用激光傳感方式鋁合金TIG焊縫背面熔寬控制精度為±0.5mm。

一、引言

大型鋁合金結(jié)構(gòu)件的焊接中，鎢極氬弧焊接是普遍采用的方法。焊接熔池的大小、形狀和動(dòng)態(tài)變化是影響焊縫內(nèi)在質(zhì)量及外表成形好壞的主要因素，在焊接生產(chǎn)中，工件形狀尺寸、工裝散熱狀態(tài)、裝配間隙的變化、焊接位置的差異以及焊接參數(shù)的波動(dòng)等狀況常常導(dǎo)致焊縫熔透不均勻，影響產(chǎn)品的質(zhì)量可靠性和穩(wěn)定性。隨著計(jì)算機(jī)和圖像處理技術(shù)的飛速發(fā)展，利用視覺(jué)技術(shù)直接觀察熔池正面或背面，通過(guò)圖像處理獲得熔池幾何特征信息，對(duì)焊接質(zhì)量進(jìn)行閉環(huán)控制已經(jīng)成為重要的研究方向。

鋁合金TIG焊接過(guò)程是一個(gè)時(shí)變、多因素、非線性的復(fù)雜系統(tǒng)，存在強(qiáng)烈的弧光、電網(wǎng)電壓波動(dòng)、焊接工藝規(guī)范以及工件的高溫變形等因素的干擾，采用傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)難以實(shí)現(xiàn)焊縫的精確跟蹤。成像系統(tǒng)獲取的圖像由于受到多種條件的限制和隨機(jī)干擾的影響，往往不能直接在控制系統(tǒng)中使用，必須對(duì)原始圖像進(jìn)行有針對(duì)性的處理，以提取熔池和焊縫的幾何特征參數(shù)，圖像信息處理的準(zhǔn)確性對(duì)后續(xù)焊縫跟蹤控制和焊縫成形控制將產(chǎn)生決定性的影響；國(guó)內(nèi)諸多學(xué)者提出了用于實(shí)時(shí)提取焊接熔池正面幾何參數(shù)的算法和離線提取焊縫背面熔寬的攝影測(cè)量法，但是在實(shí)時(shí)提取焊縫背面特征并控制TIG焊參數(shù)研究較少。本文在鋁合金TIG無(wú)墊板懸空焊基礎(chǔ)上，開展了焊縫背面熔寬實(shí)時(shí)智能控制研究。

二、試驗(yàn)條件

1.試驗(yàn)材料

試驗(yàn)板材為6.0mm厚 2A14鋁合金，其化學(xué)成分析如表1所示。

表1 2A14母材化學(xué)成分分析

焊前將試板采用化學(xué)清洗的方式去除表面油污，佩戴潔凈帆布手套，用刮刀刮去表面氧化膜，露出金屬光澤。焊機(jī)為米勒Dynasty700變極性焊接電源，采用單面兩層TIG自動(dòng)焊工藝，第一層為無(wú)墊板的直流氦弧焊，直接將工件熔透。

2.焊接參數(shù)

主要焊接參數(shù)如表2所示。

表2 TIG焊接參數(shù)

三、激光視覺(jué)傳感控制系統(tǒng)

1．硬件組成

基于激光視覺(jué)的背面熔透控制系統(tǒng)控制過(guò)程，先通過(guò)結(jié)構(gòu)光視覺(jué)傳感器實(shí)時(shí)采集焊縫背部熔透圖像，經(jīng)PC機(jī)圖像處理程序分析，提取焊縫熔透時(shí)背部寬度、余高等特征信息，與設(shè)定值進(jìn)行比較計(jì)算，根據(jù)熔透控制模型計(jì)算需調(diào)節(jié)電流的大小，反饋給焊接電源，從而實(shí)現(xiàn)焊縫的熔透控制。圖像的實(shí)時(shí)提取分析決定了檢測(cè)精度和抗干擾能力，反饋控制策略是控制焊縫背部熔透均勻的決定性因素。

基于激光視覺(jué)的背面熔透控制系統(tǒng)主要包括以下四個(gè)部分：結(jié)構(gòu)光視覺(jué)傳感器、控制柜、液晶觸摸屏和手控盒。如圖1所示。

圖1 基于激光視覺(jué)的背面熔透控制系統(tǒng)示意圖

結(jié)構(gòu)光視覺(jué)傳感器包含一個(gè)激光條紋發(fā)射器和一個(gè)高分辨率微型CCD攝像機(jī)，如圖2所示。激光器將一束均勻紅色激光條紋投射到焊縫的背面，激光條紋打到上面會(huì)產(chǎn)生變形，這種變形的條紋會(huì)通過(guò)在傳感器內(nèi)的CCD攝像機(jī)獲取，識(shí)別處焊縫寬度和厚度方向上的信息，可以表征焊縫背部熔透的形狀。

在懸空焊接鋁合金時(shí)，激光視覺(jué)傳感器固定在焊道下方與焊槍同步運(yùn)動(dòng)的電機(jī)上，保證激光條紋在焊槍后方（焊接時(shí)焊槍行走方向?yàn)榍胺剑?～8mm，動(dòng)態(tài)檢測(cè)背部的熔透情況。

手控盒可以完全脫離工控機(jī)的液晶顯示屏界面操作，獨(dú)立完成整個(gè)焊接過(guò)程，并且可以實(shí)現(xiàn)焊接過(guò)程中的動(dòng)態(tài)調(diào)整和人工干預(yù)。手控盒主要包括九個(gè)按鈕：急停、自適應(yīng)焊接開/關(guān)、激光開/關(guān)、電流加/減及焊接開始/結(jié)束。如圖3所示。

控制柜主要由工業(yè)計(jì)算機(jī)、觸摸屏、圖像處理卡、傳感器控制卡、低通濾波器、交流繼電器、隔離模塊、PLC、D/A轉(zhuǎn)換卡、I/O卡和接線端子等組成?？赏瓿膳c視覺(jué)傳感器的通訊，采集得到視覺(jué)傳感器的信號(hào)，處理圖像，獲取焊縫背面熔寬的特征信息；根據(jù)提取的背面熔寬特征參數(shù)的值反饋控制焊接電源，自適應(yīng)調(diào)節(jié)焊接電流，與手控盒通訊，完成手控盒面板按鈕所指示的所有操作，如圖4所示。液晶顯示屏顯示程序界面參數(shù)的設(shè)置，顯示實(shí)時(shí)檢測(cè)到的焊縫背部的熔寬以及它們隨時(shí)間變化的曲線圖，還可以設(shè)置更改參數(shù)，完成焊接中的所有操作。如圖5所示。

圖2 結(jié)構(gòu)光視覺(jué)傳感器

圖3 焊接手控盒

圖4 控制柜

圖5 液晶顯示屏

2．控制原理及軟件界面

焊接熔透過(guò)程中，選擇PID控制策略。焊接熔透過(guò)程是一個(gè)熱積累的過(guò)程，只有熱量積累到一定程度才能熔透。一旦熔透后，焊接電流的變化不會(huì)使熔透寬度或熔透深度以同樣的速度而變化，即熔透對(duì)焊接電流的響應(yīng)具有一定的滯后，說(shuō)明熔透過(guò)程具有熱慣性。如何解決熱慣性是控制策略必須考慮的問(wèn)題。加之激光條紋位于焊槍后方6～8mm的位置，如何根據(jù)檢測(cè)到的焊縫熔透特征參數(shù)實(shí)現(xiàn)提前控制，也是選取控制策略要考慮的一個(gè)重要問(wèn)題。

考慮到實(shí)際焊接中過(guò)程控制的特點(diǎn)，PID控制模式中的比例項(xiàng)P能根據(jù)檢測(cè)值與設(shè)定值之間的誤差進(jìn)行迅速調(diào)節(jié)；積分項(xiàng)I可以消除靜態(tài)誤差；微分項(xiàng)D能實(shí)現(xiàn)對(duì)趨勢(shì)的控制，實(shí)現(xiàn)超前控制。PID控制器原理框圖如圖6所示。

圖6 PID控制系統(tǒng)原理框圖

PID控制器各校正環(huán)節(jié)有以下幾個(gè)作用。

◎比例環(huán)節(jié)：成比例地反映控制系統(tǒng)的偏差信號(hào)error（t），偏差一旦產(chǎn)生，控制器立即產(chǎn)生控制作用，以減小偏差。

◎積分環(huán)節(jié)：主要用于消除靜差，提高系統(tǒng)的無(wú)差度。積分作用的強(qiáng)弱取決于積分時(shí)間常數(shù)TI，TI越大，積分作用越弱，反之則越強(qiáng)。

◎微分環(huán)節(jié)：反映偏差信號(hào)的變化趨勢(shì)(變化速率)，并能在偏差信號(hào)變得太大之前，在系統(tǒng)中引入一個(gè)有效的早期修正傳號(hào)，從而加快系統(tǒng)的動(dòng)作速度，減少調(diào)節(jié)時(shí)間。

連續(xù)情況下，調(diào)節(jié)電流的增量式如下：

其中，ΔI（t）為t時(shí)刻應(yīng)調(diào)節(jié)的電流值；e（t）為t時(shí)刻檢測(cè)值與設(shè)定值之間的誤差；Kz為比例系數(shù)；Kt為積分系數(shù)；Kp為微分系數(shù)。實(shí)際控制過(guò)程中用到的卻是離散控制模型：

其中，ΔI（n）為第n個(gè)檢測(cè)值時(shí)電流的變化值；e（n）為第n個(gè)檢測(cè)值與測(cè)量值的誤差；為n個(gè)數(shù)值的誤差累計(jì)。

軟件基于Windows應(yīng)用環(huán)境，采用Visual C++作為開發(fā)平臺(tái)，基于系統(tǒng)硬件構(gòu)成，軟件功能包括：人機(jī)界面；激光的開啟關(guān)閉；激光強(qiáng)度、攝像機(jī)快門速度、圖像亮度和對(duì)比度的調(diào)節(jié)；圖像在屏幕上的實(shí)時(shí)顯示、實(shí)時(shí)采集至內(nèi)存、圖像的保存；虛擬焊接按鈕；系統(tǒng)、焊接和熔透控制等參數(shù)設(shè)置顯示界面等。

該系統(tǒng)軟件的主界面有兩個(gè)實(shí)時(shí)顯示視頻窗口，左視頻顯示窗口是激光條紋在焊接工件背部圖像的實(shí)時(shí)顯示，右視頻窗口是圖像經(jīng)過(guò)處理后并提取背部熔寬邊界和中心后圖像的實(shí)時(shí)顯示。主界面上有9個(gè)主要的虛擬按鈕，分別為：LASER OFF/ON、Save Image；WELDINGOFF/ON和AUTOOFF/ON；Parameters、Sensor、Data log、Info和Exit?？梢詫?shí)時(shí)顯示檢測(cè)值與設(shè)定值的誤差，焊接電流的變化，背部熔透寬度、余高和截面積，處理過(guò)程所用的時(shí)間，傳感器的溫度。

四、長(zhǎng)試片對(duì)接變?nèi)蹖捲囼?yàn)

為了考察熔透控制系統(tǒng)對(duì)熔寬調(diào)節(jié)的能力，設(shè)計(jì)了長(zhǎng)試片對(duì)接焊變?nèi)蹖挼脑囼?yàn)。具體的試驗(yàn)過(guò)程是：開始焊接前設(shè)定一個(gè)熔透寬度A，在焊接一段距離之后，人工干預(yù)把熔透寬度的目標(biāo)值改為A+0.5，在焊接一段距離，然后再調(diào)節(jié)熔透寬度的目標(biāo)值至A+0.5。在熔透寬度目標(biāo)值的過(guò)渡處，檢測(cè)熔透控制系統(tǒng)的反應(yīng)控制能力。

熔寬變化從6.5mm到7.5mm再到8.5mm，每段的焊接長(zhǎng)度約為400mm。焊接速度為260mm/min，電弧電壓為17V，He氣流量為10L/min。

圖7 變?nèi)蹖捲囼?yàn)焊接試片背部熔透狀況

圖8 焊接過(guò)程中熔寬變化曲線

圖7為變?nèi)蹖捲囼?yàn)焊接試片背部熔透狀況。圖8是焊接過(guò)程中熔寬變化曲線。從圖中可以看出，焊縫每一段的背部熔透均勻平滑，過(guò)渡處距離非常短，并且過(guò)渡處熔寬波動(dòng)很小，焊接過(guò)程穩(wěn)定。該系統(tǒng)對(duì)熔寬變化特別敏感，能迅速調(diào)節(jié)到期望值，并且熔寬調(diào)節(jié)過(guò)程中。熔寬控制精度可控制在±0.5mm以內(nèi)。其中目標(biāo)熔寬設(shè)置為6.5mm時(shí)，檢測(cè)的控制實(shí)際熔寬范圍在6.2～6.8mm之間，目標(biāo)熔寬設(shè)置為7.5mm時(shí)，檢測(cè)的控制實(shí)際熔寬范圍在7.2～7.6mm之間，目標(biāo)熔寬設(shè)置為8.5mm時(shí)，檢測(cè)的控制實(shí)際熔寬范圍在8.1～8.8mm之間，熔透系統(tǒng)對(duì)焊接過(guò)程中的熔寬變化敏感，調(diào)節(jié)平穩(wěn)，適應(yīng)長(zhǎng)縱縫的焊接需要，采用激光視覺(jué)傳感器進(jìn)行背面熔寬的控制，其控制精度可達(dá)到±0.5mm以內(nèi)。

五、長(zhǎng)條形鋁板氦弧對(duì)接控制試驗(yàn)

將反面熔寬預(yù)設(shè)為固定值8.0mm。圖9是反面熔寬的控制曲線及局部放大。從圖中可以看出，反面熔寬的實(shí)際值圍繞設(shè)定值8mm小范圍上下波動(dòng)?？傮w上控制精度在±0.5mm以內(nèi)。

圖9 焊接過(guò)程中熔寬變化曲線

六、結(jié)語(yǔ)

基于鋁合金TIG懸空焊工藝，對(duì)其焊縫背面的熔寬進(jìn)行智能控制，設(shè)計(jì)并開發(fā)了激光反面?zhèn)鞲腥蹖捒刂葡到y(tǒng)，包括控制柜、手控盒和圖像處理器等激光傳感器等；選擇PID控制策略，比例項(xiàng)P能根據(jù)檢測(cè)值與設(shè)定值之間的誤差進(jìn)行迅速調(diào)節(jié)，積分項(xiàng)I可以消除靜態(tài)誤差，微分項(xiàng)D能實(shí)現(xiàn)對(duì)趨勢(shì)的控制，實(shí)現(xiàn)超前控制。焊接實(shí)驗(yàn)表明，焊接過(guò)程穩(wěn)定，反映迅速，波動(dòng)小，控制軟件與硬件系統(tǒng)工作正常。

對(duì)6mm厚2A14鋁板氦弧直流對(duì)接焊進(jìn)行焊縫反面熔寬檢測(cè)與控制試驗(yàn)。實(shí)現(xiàn)鋁合金TIG焊縫背面熔寬的實(shí)時(shí)檢測(cè)與控制，控制精度為±0.5mm，實(shí)現(xiàn)焊縫背面寬度的均勻一致制造。