鋁合金TIG 焊接熔池狀態(tài)多傳感器數(shù)據(jù)協(xié)同感知算法

張琨，鄒宗軒，劉燁，劉政軍

(1.沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué),沈陽(yáng),110870；2.School of Electrical Engineering and Computer Science,Oregon State University,Corvallis,OR 97331,USA)

0 序言

基于信息物理傳感網(wǎng)絡(luò)和焊接過(guò)程中信息交互的鋁合金鎢極惰性氣體保護(hù)電弧焊(tungsten inert gas arc welding，TIG 焊)新焊接理論，是推動(dòng)焊接技術(shù)向基于數(shù)字應(yīng)用的更高階段智能化拓展的重要理論基礎(chǔ)和技術(shù)關(guān)鍵[1-3].

目前，焊接過(guò)程智能化及焊接過(guò)程控制、焊接過(guò)程動(dòng)態(tài)評(píng)估技術(shù)，是國(guó)內(nèi)外相關(guān)領(lǐng)域研究熱點(diǎn)之一.黃健康等人[4]、劉政軍等人[5]和Mugada 等人[6]針對(duì)鋁合金TIG 焊接工藝過(guò)程，研究了基于ABAQUS 數(shù)值仿真的焊縫溫度場(chǎng)分布特性及其對(duì)應(yīng)的熔池形貌特征，提出了基于熔池特性數(shù)值仿真的焊接工藝和焊接質(zhì)量?jī)?yōu)化方法.Azarniya 等人[7]、Kumar 等人[8]和He 等人[9]設(shè)計(jì)了TIG 焊過(guò)程中焊縫熔池在超聲作用下的變化特性的試驗(yàn)檢測(cè)方法，提出了通過(guò)焊接過(guò)程超聲能量控制焊縫形態(tài)及其組織性能的TIG 焊控制機(jī)理與方法.Sardarmehni 等人[10]、Zeng 等人[11]和Huang 等人[12]采用激光反射成像在TIG 焊接過(guò)程中對(duì)熔池的反射圖像采集方法及圖像特征與焊縫熔池特征間關(guān)系進(jìn)行了研究，提出了一種基于實(shí)時(shí)激光成像的焊接過(guò)程熔池特性的在線監(jiān)測(cè)與評(píng)估方法；Li 等人[13]和Chen 等人[14]針對(duì)焊接過(guò)程中焊接參數(shù)的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)控制與焊接質(zhì)量間關(guān)系進(jìn)行了研究，建立了基于焊接參數(shù)動(dòng)態(tài)優(yōu)化的焊縫特征與焊接質(zhì)量?jī)?yōu)化控制好方法.

針對(duì)鋁合金TIG 焊過(guò)程熔池三維參數(shù)的變化狀態(tài)在線辨識(shí)和感知問(wèn)題，構(gòu)建了基于控制、通信和計(jì)算于一體化的焊接過(guò)程信息物理融合智能控制系統(tǒng)，包括焊接工藝參數(shù)和焊接過(guò)程狀態(tài)表征參數(shù)的實(shí)時(shí)傳感、采集、處理、傳輸、控制與數(shù)據(jù)融合等過(guò)程.為構(gòu)建焊接過(guò)程信息物理融合系統(tǒng)，部署了針對(duì)TIG 焊工藝和焊接過(guò)程的多個(gè)紅外溫度、電弧形態(tài)、焊接速度(位置)和焊接能量傳感器，并基于多類型、多數(shù)量傳感器間的數(shù)據(jù)異步異構(gòu)特性，研究了基于數(shù)據(jù)協(xié)同的熔池物理參數(shù)狀態(tài)感知算法，建立基于信息物理融合的熔池狀態(tài)感知模型和算法.最后，針對(duì)7 075 超硬鋁合金TIG 焊過(guò)程進(jìn)行熔池參數(shù)在線測(cè)量與辨識(shí)試驗(yàn)，采用信息物理融合系統(tǒng)及熔池狀態(tài)感知算法進(jìn)行了焊接控制試驗(yàn)，能夠?qū)附舆^(guò)程中的熔池參數(shù)進(jìn)行準(zhǔn)確的實(shí)時(shí)計(jì)算.

1 TIG 焊信息物理熔池感知策略

1.1 TIG 焊信息物理融合架構(gòu)

考慮由靜態(tài)傳感器、動(dòng)態(tài)傳感器和全局能量傳感器構(gòu)成的TIG 焊信息物理融合系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示，其各部分功能如下.

圖1 TIG 焊過(guò)程熔池狀態(tài)感知信息物理融合架構(gòu)Fig.1 Fusion architecture of molten pool state-aware cyber-physical fusion in TIG welding process

(1)紅外溫度傳感器、電弧形態(tài)傳感器.這兩種傳感器，可以看作是靜態(tài)傳感器，因?yàn)橐环矫嫘枰獎(jiǎng)討B(tài)跟蹤并反映電弧和熔池在空間上的移動(dòng)，另一方面其安裝位置又是固定的.紅外溫度傳感器置于焊件上方，電弧形態(tài)傳感器置于焊接電弧水平位置.針對(duì)某一焊件的焊接過(guò)程，可以設(shè)置多個(gè)紅外溫度傳感器和電弧形態(tài)傳感器，主要作用是協(xié)助電弧能量傳感器對(duì)熔池所注入能量狀態(tài)的監(jiān)測(cè)和計(jì)算.

(2)電弧能量傳感器.為全局能量傳感器，與焊接電源相連，可通過(guò)紅外溫度傳感器和電弧形態(tài)傳感器的協(xié)助獲取熔池輸入能量狀態(tài)信息，但受噪聲因素影響，其狀態(tài)信息與紅外溫度傳感器和電弧形態(tài)傳感器不一定同步，主要作用是通過(guò)信息物理融合獲取焊接過(guò)程中焊槍位置傳感器所對(duì)應(yīng)焊接位置的能量輸入信息.

(3)焊接位置傳感器.為動(dòng)態(tài)傳感器，由焊槍上方的焊接速度傳感器、焊接位置傳感器及焊件下方與焊槍同步運(yùn)動(dòng)的高精度紅外溫度傳感器構(gòu)成.其作用是與靜態(tài)的電弧能量傳感器協(xié)同，通過(guò)對(duì)整個(gè)焊接進(jìn)程的定位與能量輸入狀態(tài)計(jì)算，對(duì)焊槍所處位置熔池長(zhǎng)度、寬度、深度進(jìn)行感知和計(jì)算.由于焊接位置傳感配置了焊件下方的紅外傳感元件，在焊接過(guò)程中可以直接獲取熔池深度信息.

1.2 熔池狀態(tài)描述參數(shù)與感知策略

根據(jù)TIG 焊接過(guò)程焊槍及電弧在焊件焊縫中的運(yùn)動(dòng)特性，提出熔池狀態(tài)描述的3 自由度方程.設(shè)vle，vwd，vdp分別表示動(dòng)態(tài)熔池在長(zhǎng)度、寬度、深度偏移上的變化速度，則熔池狀態(tài)變化的動(dòng)力學(xué)模型為

式中：mle，mwd，mdp分別表示某時(shí)刻熔池在長(zhǎng)度、寬度、深度變化的阻力；v為修正系數(shù)；k為時(shí)間；Fle，F(xiàn)wd，F(xiàn)dp分別表示焊槍運(yùn)動(dòng)伴與電弧能量輸入對(duì)熔池長(zhǎng)度、寬度、深度3 個(gè)維度變化施加的推力；W表示氬氣的壓力；ρ1為焊件密度為3 個(gè)維度上的熔池變化推力系數(shù).

各阻力大小與焊件密度、熔池密度等密切相關(guān)，其計(jì)算公式如式(2)所示.

式中：mi為熔池在第i個(gè)維度上的阻力；Rc為焊件的抗壓強(qiáng)度；a和 μ為輔助修正系數(shù)；lc為焊接長(zhǎng)度；D為焊槍與焊件接觸處的寬度；h為焊件的厚度；g為重力加速度；ρw為熔池的密度；A1，A2，A3為輔助參數(shù).

由式(1)可知，TIG 焊過(guò)程中，在一個(gè)傳感器的測(cè)量時(shí)間間隔內(nèi)，焊件焊縫在焊槍電弧作用下形成熔池的三維參數(shù)可描述為

式中：Xk為k時(shí)刻熔池焊件焊縫的三維參數(shù)矩陣；xle,ywd,zdp分別表示熔池焊件焊縫坐標(biāo)系中長(zhǎng)度、寬度、深度3 個(gè)方向的參數(shù).

結(jié)合式(1)和式(3)，可得熔池狀態(tài)在焊接過(guò)程中動(dòng)態(tài)演化模型為

式中：Xk為預(yù)測(cè)值；f為描述k-1與k兩時(shí)刻熔池狀態(tài)之間關(guān)系的函數(shù)；為高斯白噪聲.其協(xié)方差為

式中：Qtdk為協(xié)方差；E為期望函數(shù).

2 熔池狀態(tài)傳感器異步數(shù)據(jù)協(xié)同模型

根據(jù)靜態(tài)、動(dòng)態(tài)和能量傳感器實(shí)現(xiàn)焊接過(guò)程中實(shí)時(shí)熔池狀態(tài)的感知，首先要構(gòu)建各傳感器間數(shù)據(jù)交互的異步數(shù)據(jù)特征與熔池狀態(tài)間的對(duì)應(yīng)關(guān)系模型；其次，建立熔池狀態(tài)參數(shù)的多維傳感器協(xié)同感知問(wèn)題，并根據(jù)式(4)的熔池狀態(tài)在焊接過(guò)程中動(dòng)態(tài)演化模型，建立基于無(wú)跡卡爾曼濾波的協(xié)同感知算法，以實(shí)現(xiàn)熔池焊縫參數(shù) (xle,ywd)的準(zhǔn)確感知；最后，根據(jù)焊接位置傳感器，即動(dòng)態(tài)傳感器中位于焊件下方的紅外傳感器所測(cè)得的紅外溫度數(shù)據(jù)，結(jié)合熔池焊縫長(zhǎng)寬參數(shù)(xle,ywd)、熔池能量輸入?yún)?shù)，即可對(duì)熔池焊縫深度zdp進(jìn)行計(jì)算.

由于動(dòng)態(tài)傳感器配置在焊件下方的紅外傳感器所測(cè)量的熔池深度zdp(k)與其它傳感器測(cè)量數(shù)據(jù)所計(jì)算的 (xle,ywd,zdp)應(yīng)該是一致的，但同時(shí)考慮到各類傳感器之間的數(shù)據(jù)異構(gòu)與異步特性，建立熔池深度與熔池狀態(tài)參數(shù)測(cè)量數(shù)據(jù)間關(guān)系如式(6)所示.

式中：Zdp(k)為 熔池深度矩陣；hlwd為熔池深度與長(zhǎng)寬間關(guān)系函數(shù)；nle(k)為 零均值測(cè)量噪聲.hlwd的計(jì)算關(guān)系式為

式中：drs,n，drm,n分別為動(dòng)態(tài)傳感器與靜態(tài)傳感器節(jié)點(diǎn)s、靜態(tài)傳感器節(jié)點(diǎn)n與靜態(tài)傳感器節(jié)點(diǎn)m之間熔池狀態(tài)傳感和采集后數(shù)據(jù)間的差異修正量.

式中：xle,s，xle,m，xle,n為靜態(tài)傳感器節(jié)點(diǎn)s，m，n的熔池長(zhǎng)度參數(shù)；ywd,s，ywd,m，ywd,n為靜態(tài)傳感器節(jié)點(diǎn)s，m，n的熔池寬度參數(shù).

3 熔池狀態(tài)感知算法

通過(guò)多維傳感器數(shù)據(jù)估計(jì)出最接近實(shí)時(shí)焊接過(guò)程中實(shí)際情況的熔池長(zhǎng)寬參數(shù)，則在k時(shí)刻動(dòng)態(tài)傳感器處，在給定的置信區(qū)間和方差下，以Zk為深度的熔池長(zhǎng)寬深三維參數(shù)感知結(jié)果的計(jì)算步驟如下.

(1)在k=1時(shí)，對(duì)熔池長(zhǎng)寬深參數(shù)進(jìn)行初始化.

(2)基于上一時(shí)刻，即k-1時(shí)刻計(jì)算出的熔池焊縫長(zhǎng)寬深參數(shù)Xk-1及其誤差協(xié)方差矩陣Pk-1，選擇熔池焊縫長(zhǎng)寬深狀態(tài)的Sigma 點(diǎn)如下.

(3)由式(4)的焊接過(guò)程熔池狀態(tài)動(dòng)態(tài)演化模型，計(jì)算下一時(shí)刻熔池狀態(tài)參數(shù)的預(yù)測(cè)值

式中：0≤α ≤1,β=2.

由式(10)對(duì)熔池焊縫長(zhǎng)度、寬度、深度狀態(tài)進(jìn)行第二次Sigma 取點(diǎn).

由式(6)計(jì)算熔池長(zhǎng)度、寬度、深度測(cè)量值的無(wú)跡變換.

式中：Zdp,j,k|k-1為熔池深度計(jì)算值Zdp,k-1的第j列；是熔池深度的估計(jì)值.

(4)熔池焊縫長(zhǎng)度、寬度、深度測(cè)量協(xié)方差矩陣和熔池焊縫長(zhǎng)度、寬度、深度值測(cè)量交互協(xié)方差矩陣更新為

(5)通過(guò)以下更新規(guī)則來(lái)更新焊接過(guò)程中熔池焊縫長(zhǎng)度、寬度、深度實(shí)時(shí)算法的卡爾曼增益、協(xié)方差和估計(jì)狀態(tài).

4 試驗(yàn)結(jié)果與分析

試板加工尺寸為250 mm × 75 mm × 5 mm，V 形坡口角度為60°，背部采用開(kāi)槽銅墊板，母材采用AA7075 試板，其成分如表1 所示[15].試驗(yàn)采用母材切條作為焊接材料，切條為2 mm × 2 mm.焊接過(guò)程信息物理傳感系統(tǒng)配置原理如圖1 所示，在焊臺(tái)兩側(cè)分別布置位于焊縫斜上方的ZTP-148SR 型紅外探測(cè)器4 個(gè)；位于焊槍水平位置的AAFD-DU-M7 型電弧傳感器電弧傳感器4 個(gè)；在焊接電源上布置1 個(gè)TLI4970D050T5XUMA1 型電流傳感器；在焊槍上部署1 個(gè)LSTR8050 型運(yùn)動(dòng)及位置傳感器，并與焊臺(tái)下方與焊接位置對(duì)應(yīng)的紅外傳感器1 個(gè)，共同構(gòu)成動(dòng)態(tài)傳感器.

表1 母材的主要化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)Table 1 Chemical composition of base metal

設(shè)計(jì)兩組試驗(yàn)方案，并在試驗(yàn)過(guò)程中對(duì)熔池參數(shù)進(jìn)行感知計(jì)算，兩組試驗(yàn)焊接工藝參數(shù)如表2所示.

表2 焊接工藝參數(shù)Table 2 Welding process paramenters

針對(duì)兩種工藝參數(shù)方案，分別進(jìn)行10 組試驗(yàn)，對(duì)焊縫三維熔池參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)狀態(tài)感知，并將感知結(jié)果與焊接結(jié)束后的焊縫實(shí)際測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比.圖2 和圖3 分別為兩種方案下焊接試驗(yàn)后的焊縫正面和橫截面形貌.

圖2 焊件焊縫正面形貌Fig.2 Front view appearance of weldment weld.(a) plan 1;(b) plan 2

圖3 焊縫橫截面形貌Fig.3 Cross-section appearance of the weld.(a) plan 1;(b) plan 2

在實(shí)際的焊接工程應(yīng)用中，對(duì)于焊件焊接質(zhì)量的控制與評(píng)價(jià)主要關(guān)注的是焊縫寬度、焊縫高度和焊接深度.而在焊接過(guò)程中，通過(guò)靜態(tài)、動(dòng)態(tài)傳感器間的數(shù)據(jù)協(xié)同，根據(jù)焊接速度、能量輸入和熔池溫度分布能夠從信息物理融合角度對(duì)熔池的三維狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)辨識(shí).因此，針對(duì)焊接后焊縫特征的測(cè)量主要還是針對(duì)焊縫寬度和焊縫深度兩個(gè)維度進(jìn)行.焊接過(guò)程中對(duì)熔池狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)感知的目的，也是要根據(jù)熔池參數(shù)實(shí)時(shí)狀態(tài)的準(zhǔn)確感知來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)焊接過(guò)程的智能控制，以獲得較為理想的焊縫寬度和焊縫高度.

圖4 和圖5 為焊接過(guò)程中的熔池狀態(tài)感知計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)焊縫的寬度與深度對(duì)比情況.由圖6可見(jiàn)，兩種方案下焊接過(guò)程中的熔池狀態(tài)感知結(jié)果與焊接結(jié)束后的焊件測(cè)量結(jié)果間的誤差基本在10%以內(nèi).

圖4 熔池狀態(tài)感知計(jì)算與實(shí)測(cè)結(jié)果的焊縫寬度對(duì)比Fig.4 Comparison of weld width calculated by molten pool state perception and measured results.(a) plan 1;(b) plan 2

圖5 熔池狀態(tài)感知計(jì)算與實(shí)測(cè)結(jié)果的焊縫深度對(duì)比Fig.5 Comparison of weld depth calculated by molten pool state perception and measured results.(a) plan 1;(b) plan 2

圖6 熔池參數(shù)狀態(tài)感知誤差特性Fig.6 Error characteristics of molten pool parameter situation awareness.(a) plan 1;(b) plan 2

5 結(jié)論

(1)針對(duì)鋁合金TIG 焊過(guò)程中狀態(tài)感知問(wèn)題，提出了基于紅外溫度傳感器、能量輸入傳感器、焊接位置傳感器等的多傳感器實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的焊縫熔池狀態(tài)參數(shù)信息物理數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)方法.該方法能夠?qū)㈦娀『腿鄢乜臻g的移動(dòng)數(shù)據(jù)、熔池輸入能量狀態(tài)數(shù)據(jù)、焊接位置數(shù)據(jù)等多種異構(gòu)數(shù)據(jù)進(jìn)行協(xié)同處理，能夠有效減弱多種傳感器采集參數(shù)的噪聲.

(2)基于熔池狀態(tài)與焊接能量輸入、熔池溫度分布、焊接速度等物信息物理特征之間關(guān)系，提出了一種基于多傳感器數(shù)據(jù)協(xié)同的熔池狀態(tài)感知算法.該算法能夠根據(jù)TIG 焊過(guò)程焊槍及電弧在焊件焊縫中的運(yùn)動(dòng)特性實(shí)時(shí)計(jì)算熔池焊縫長(zhǎng)度、寬度、深度三維參數(shù)結(jié)果，誤差可以控制在0.4 mm 以內(nèi)，且該算法的響應(yīng)時(shí)間在0.3 s 內(nèi)，可以較好地適應(yīng)工程需要.

(3)以7 075 超硬鋁合金TIG 焊試驗(yàn)為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)了2 組工藝參數(shù)下的焊接試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明，基于多傳感器數(shù)據(jù)協(xié)同的TIG 焊過(guò)程熔池狀態(tài)感知算法，對(duì)焊縫寬度和焊縫高度的計(jì)算誤差可以控制在10%以內(nèi)，基本能夠滿足實(shí)際工程要求.