基于熔池振蕩的GTAW熔透實時傳感與控制

顧玉芬　席保龍　李春凱　石玗　代悅　丁彬

摘要：熔透控制是焊接過程控制領(lǐng)域的一個重要發(fā)展方向，其核心難點(diǎn)在于獲取表征焊縫熔透狀態(tài)的特征信息。針對傳統(tǒng)熔透檢測方法存在魯棒性低、實時性差的問題，提出了一種激光光電轉(zhuǎn)換方法。該方法可實現(xiàn)對GTAW熔池振蕩頻率的實時提取。利用熔池從未熔透到熔透的振蕩頻率的變化特征，設(shè)計了步進(jìn)焊接條件下的熔透控制算法，對不同散熱條件及不同錯邊量的工件進(jìn)行熔透控制試驗。結(jié)果表明：該測量方法能夠?qū)崿F(xiàn)對焊接過程中熔池振蕩頻率的實時傳感，且控制算法對散熱條件和錯邊量等因素具有較強(qiáng)的魯棒性，控制效果良好，最終獲得焊縫的正、反面熔寬均勻一致、連續(xù)性好。

關(guān)鍵詞：激光光電法;GTAW;熔透實時檢測;熔透控制

中圖分類號：TG444+.74 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1001-2303（2020）12-0005-04

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2020.12.02

0 前言

熔透狀態(tài)是焊接質(zhì)量和焊縫力學(xué)性能的重要指標(biāo)之一，重大的結(jié)構(gòu)件為確保焊接質(zhì)量對焊縫熔透狀態(tài)提出了極為嚴(yán)格的要求。因此，實現(xiàn)熔透狀態(tài)的實時檢測與控制對于確保焊縫質(zhì)量具有重要的意義。

實現(xiàn)焊縫熔透控制的關(guān)鍵在于如何獲取反映熔透狀態(tài)的特征信息。當(dāng)前，熔透檢測的方法主要有視覺法、溫度場法、弧壓法、熔池振蕩法等。研究發(fā)現(xiàn)[1-2]，熔池正面熔寬和熔池三維形貌都與焊縫熔深或熔透存在一定相關(guān)性。文獻(xiàn)[3-4]采用一種小功率激光視覺熔池三維形貌的測量方法，成功獲取了熔池自由表面形貌特征信息;但因熔池表面形貌特征與焊縫熔透之間缺乏明確的物理對應(yīng)關(guān)系，所建立的數(shù)學(xué)模型存在不確定性，還存在一定的物理問題需進(jìn)一步解決。文獻(xiàn)[5]通過紅外傳感器得到了熔池正面溫度場分布。雖然熔池溫度場能夠較為直接地反映熔池尺寸、熔透狀態(tài)、熔池內(nèi)部金屬流動等信息，但由于實際施焊中熔池表面被強(qiáng)烈的弧光所籠罩，造成熔池表面溫度場的傳感精度低、穩(wěn)定性差，只適用于熔池邊緣的低溫區(qū)域。文獻(xiàn)[6-7]利用電弧弧壓信號從未熔透到熔透發(fā)生突變這一特點(diǎn)，用于TIG焊熔透實時檢測與控制。但該電信號在實際施焊過程中容易受到外界雜波信號的干擾，導(dǎo)致這種傳感方法的穩(wěn)定性與可靠性較差。文獻(xiàn)[8]采用熔池振蕩法通過熔池自振蕩頻率與熔池尺寸、熔透狀態(tài)等熔池物理行為之間的物理關(guān)系，可以得到不同的熔透狀態(tài)。然而由于焊接熔池體積小且熔池表面振蕩幅度極其微弱，導(dǎo)致所提取的熔池振蕩信息精度低、魯棒性差。

綜上分析，熔透信息的表征與測量是焊縫熔透狀態(tài)進(jìn)行實時測量和控制所面臨的難題，因此提出了一種激光光電轉(zhuǎn)換的方法。該方法具有信噪比高、信號處理簡單、實時性好等特點(diǎn)。在定點(diǎn)和步進(jìn)焊接條件下，分析了從未熔透到熔透過程中熔池振蕩頻率的變化規(guī)律，獲取熔透特征信號，從而進(jìn)行熔透狀態(tài)的實時檢測與控制。在設(shè)計好的焊接熔透控制算法下，進(jìn)行304不銹鋼平板堆焊和對接焊在不同散熱條件及不同錯邊量下的熔透控制，最終獲得了成形良好的焊縫。這證明了該測量方法與熔透控制算法具有良好的實時性、可靠性及穩(wěn)定性。

1 測量原理與實驗系統(tǒng)

1.1 測量原理

激光光電轉(zhuǎn)換方法原理如圖1所示。將激光器發(fā)出的五線結(jié)構(gòu)激光條紋投射在熔池表面，利用液態(tài)熔池表面類似鏡面的特性，經(jīng)熔池表面反射且放大的激光條紋射進(jìn)光電傳感器的暗室中;由于激光反射條紋形態(tài)與液態(tài)熔池的表面形狀具有一定的光學(xué)對應(yīng)關(guān)系，在不同自由表面振蕩狀態(tài)下，激光條紋亮度積分值也隨之同步發(fā)生變化;且光電傳感器輸入的光信號與輸出轉(zhuǎn)化的電信號具有良好的對應(yīng)關(guān)系，于是將實時采集的電信號進(jìn)行快速傅立葉變換即可得到熔池振蕩頻率。

1.2 實驗系統(tǒng)

TIG全熔透實時檢測與控制的實驗系統(tǒng)如圖2所示。該系統(tǒng)主要包括波長為 670 nm、半寬帶10 nm的500 mW五線結(jié)構(gòu)光激光器，中心波長為 670 mm 半寬為 10 nm 的窄帶濾光片，裝有硅光電池陣列的暗室，PCI-6221 的數(shù)據(jù)采集卡，計算機(jī)，鎢極氬弧焊焊機(jī)及配套裝置，步進(jìn)機(jī)構(gòu)等。暗室在xOz面內(nèi)，并與水平面垂直，距離工件與焊槍分別為10 mm和50 mm。激光器在yOz面內(nèi)，與水平面夾角為30°。在該幾何參數(shù)下，反射激光條紋可以全部進(jìn)入裝有硅光電池的暗室中，可獲得準(zhǔn)確的熔池振蕩信號。

2 控制算法與工藝參數(shù)及閾值確定

2.1 控制算法

基于LabVIEW軟件平臺開發(fā)的控制算法如下：

第一步：對光電傳感器實時獲取的每個脈沖周期內(nèi)基值階段的熔池振蕩電信號進(jìn)行快速傅里葉變換，并獲取熔池振蕩頻率fi的特征值。

第二步：獲取熔池振蕩頻率變化率K。即通過每相鄰兩個脈沖信號的熔池振蕩頻率作差（該周期與前一周期），同時將Δf與脈沖周期Δt作比得到頻率變化率，表示為K=Δf/Δt。

第三步：若控制程序檢測到頻率變化率大于設(shè)置的閾值頻率變化率時（即K>Kc），說明熔池狀態(tài)進(jìn)入了臨界熔透，則控制信號給出下一個周期的脈沖峰值電流轉(zhuǎn)換為基值電流，同時控制行走機(jī)構(gòu)向前步進(jìn);若K<Kc時，熔池為未熔透或過熔透。

第四步：比較該周期的頻率特征值fi與預(yù)設(shè)閾值F。若fi<F時，熔池為過熔透，則控制信號給出下一個周期的脈沖峰值電流轉(zhuǎn)換為基值電流，同時控制行走機(jī)構(gòu)向前步進(jìn);若fi>F時，則熔池為未熔透，控制信號給出下一個周期的脈沖峰值電流繼續(xù)保持不變，使其接近臨界熔透狀態(tài)。

前進(jìn)一個步距在下一個焊點(diǎn)施焊時，工作電流進(jìn)行自動反饋調(diào)節(jié)，由基值電流轉(zhuǎn)換為脈沖電流。整個焊接過程，在T時間內(nèi)重復(fù)上述四個步驟，直至焊接結(jié)束。以此實現(xiàn)對定點(diǎn)焊或步進(jìn)焊接條件下的熔透狀態(tài)的實時檢測和控制。整個熔透控制算法流程如圖3所示。

2.2 工藝參數(shù)及閾值確定

在搭建好的平臺上進(jìn)行定點(diǎn)脈沖TIG平板堆焊全熔透實時檢測與控制的工藝實驗，母材為304不銹鋼，尺寸100 mm×50 mm×3 mm，鎢極直徑2.4 mm，保護(hù)氣體流量8 L/min。脈沖TIG焊接工藝參數(shù)如表1所示。通過實驗數(shù)據(jù)分析得到熔透控制的兩個閾值參數(shù)，閾值Kc=27 Hz/s如圖4所示，閾值F=50 Hz如圖5所示。

3 實驗驗證及分析

根據(jù)上述平板堆焊得到了閾值Kc和閾值F，然后按照控制算法預(yù)設(shè)參數(shù)：峰值電流Ip，峰值時間tp，基值電流Ib，基值時間tb，占空比σ，氣流量L，一個焊點(diǎn)作用的時間ti，總焊接時間T等;施焊方式為步進(jìn)焊接且步距為3 mm，具體試驗參數(shù)見表1;最后進(jìn)行了不同散熱條件和錯邊量下的熔透控制試驗。

3.1 不同散熱條件對熔透控制影響

304不銹鋼鋼板啞鈴型的工件在不同散熱條件下獲得的平板堆焊焊縫熔透反饋控制試驗結(jié)果如圖6所示。當(dāng)工件變窄導(dǎo)致散熱能力變差，熔透所需熱量變少，減少焊接時間;當(dāng)工件變寬、散熱良好時，延長焊接時間，使其達(dá)到熔透。在閉環(huán)、開環(huán)控制的對比試驗中，相同工件且各點(diǎn)采用相同的施焊時間驗證不同散熱條件下熔透控制算法的自適應(yīng)能力。在施焊過程中，控制算法使每一個焊點(diǎn)需完成相應(yīng)的加熱時間，不能出現(xiàn)延遲現(xiàn)象。由圖6可知，采用激光光電法閉環(huán)反饋控制的工件焊縫正、反面熔寬均勻一致、連續(xù)性好，在變化的散熱條件下焊縫不均勻度在約7%以下。而開環(huán)控制結(jié)果顯示，因散熱條件不同，導(dǎo)致實際控制的頻率及頻率變化率參數(shù)與預(yù)設(shè)閾值出現(xiàn)較大的偏差，焊縫背面成形連續(xù)性較差，不均勻度最大約為20%。通過閉環(huán)控制與開環(huán)控制對比試驗，證明該控制算法對散熱變化具有較強(qiáng)的適應(yīng)能力，熔透控制效果良好。

3.2 不同錯邊量對熔透控制的影響

對接焊且錯邊量分別為0.5 mm、1 mm、1.5 mm得到的熔透控制結(jié)果如圖7所示。當(dāng)錯邊量為0.5 mm時，獲得的焊縫正、反面熔寬均勻一致，連續(xù)性好;當(dāng)錯邊量為1 mm時，焊縫正、反面熔寬基本上均勻一致、連續(xù)性較好，未出現(xiàn)焊穿現(xiàn)象。但錯邊量達(dá)到1.5 mm時，獲得的焊縫連續(xù)性差，出現(xiàn)未熔合和焊穿現(xiàn)象。在錯邊量較大時，豎直位置上較低工件的熔池體積遠(yuǎn)低于較高工件，且兩邊工件的熔池未熔合、成形差，最后導(dǎo)致焊點(diǎn)焊穿，這是因為熔池振蕩頻率不僅與熔池金屬密度有關(guān)，還與熔池邊界尺寸有關(guān)。在不同錯邊量的控制實驗中，采用相同的控制判據(jù)條件下，因?qū)嶋H控制參數(shù)與預(yù)設(shè)閾值參數(shù)存在偏差，當(dāng)錯邊量不超過板厚的40%時，雖然會導(dǎo)致全熔透尺寸略有增加，但仍可獲得連續(xù)性好的焊縫，且正、反面熔寬85%以上均勻一致，沒有出現(xiàn)焊縫未熔合及背面焊穿現(xiàn)象。該控制算法能夠?qū)崿F(xiàn)熔透控制。因此，基于激光光電法熔透控制算法對一定范圍內(nèi)的錯邊量具有較好的適應(yīng)性，控制效果良好。

4 結(jié)論

（1）TIG焊接條件下采用激光光電法實時提取熔池振蕩頻率，根據(jù)熔透狀態(tài)從未熔透轉(zhuǎn)變?yōu)槿弁笗r熔池振蕩頻率數(shù)值會出現(xiàn)突變現(xiàn)象，利用熔池振蕩頻率與熔透狀態(tài)存在明確的物理對應(yīng)關(guān)系，設(shè)計了定點(diǎn)和步進(jìn)焊接條件下的熔透控制算法。

（2）對不同散熱條件及不同錯邊量的工件進(jìn)行熔透控制試驗。結(jié)果表明：在不同散熱條件、錯邊量不超過板厚的40%時，該測量方法和控制算法具有較強(qiáng)的魯棒性，控制效果良好，最終獲得的焊縫正、反面熔寬均勻一致、連續(xù)性好。

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收稿日期：2020-09-03

基金項目：國家自然科學(xué)資助項目（51765037）;甘肅省引導(dǎo)科技創(chuàng)新發(fā)展專項基金項目（2019ZX-08）;甘肅省基礎(chǔ)研究創(chuàng)新群體（17JR5RA107）;省部共建有色金屬先進(jìn)加工與再利用國家重點(diǎn)實驗室開放課題（SKLAB02019009）

作者簡介：顧玉芬（1975— ），女，碩士，副教授，主要從事新材料制備、異種金屬連接及接頭性能的研究。E-mail：guyf@lut.cn。