基于P-GMAW擺動(dòng)電弧傳感的窄間隙坡口寬度自適應(yīng)焊接

劉文吉,楊嘉昇,岳建鋒,肖 宇

(天津工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院,天津 300387)

焊接自動(dòng)化可以有效提高焊接質(zhì)量與效率。采用窄間隙焊接可以減少焊絲填充量,提高焊接效率,減少熱輸入并降低生產(chǎn)成本[1-4]。因此,窄間隙自動(dòng)焊在中厚板、厚板焊接中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。理想狀態(tài)下,焊槍運(yùn)動(dòng)與焊縫重合,坡口寬度均勻;實(shí)際生產(chǎn)中,坡口組對(duì)誤差、焊接熱變形等因素會(huì)導(dǎo)致坡口寬度不一致。為了保證良好的焊縫成型,自動(dòng)化焊接過(guò)程中需要根據(jù)坡口寬度變化調(diào)整相關(guān)焊接參數(shù),保證側(cè)壁熔合和均勻的焊層厚度[5-9]。

為了適應(yīng)坡口寬度變化,雷家琦等[10]發(fā)明了一種接觸式傳感器,通過(guò)左右兩根觸桿檢測(cè)坡口位置。針對(duì)不同的坡口,這種方法需要采用不同探頭,探頭易磨損和變形,不適用于高速焊接。王加友等[11]發(fā)明了一種旋轉(zhuǎn)電弧自適應(yīng)擺動(dòng)裝置和方法,采用CCD攝像機(jī)獲取坡口信息、通過(guò)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)水平直線滑臺(tái)實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)電弧整體擺動(dòng),從而適應(yīng)坡口寬度變化和位置偏差。Cagtay等[12]采用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)作為建模工具,開(kāi)發(fā)了一種電弧傳感器,用于估算坡口寬度,該電弧傳感器能夠適應(yīng)過(guò)程參數(shù)的變化以及焊槍擺動(dòng)的變化,但針對(duì)不同焊接試件,需要對(duì)電弧傳感器模型進(jìn)行再訓(xùn)練,訓(xùn)練時(shí)間長(zhǎng)且沒(méi)有闡明底層原理。上述研究分別采用了接觸式傳感、視覺(jué)傳感、電弧傳感來(lái)獲得坡口寬度的偏差。其中電弧傳感器的經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)明顯,它是依據(jù)焊接電弧信號(hào)的變化判斷焊槍與坡口的相對(duì)位置,不需要額外配置其他設(shè)備,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單[13-18]。視覺(jué)傳感器的可靠性受焊接過(guò)程中飛濺和煙塵等干擾因素的影響[19],電弧傳感器不受焊接環(huán)境的影響,其檢測(cè)精度取決于焊接過(guò)程中電弧的穩(wěn)定性,對(duì)信號(hào)處理、偏差提取算法提出了更高的要求。

針對(duì)中厚板窄間隙焊接過(guò)程中坡口寬度不一致的問(wèn)題,本文研究了變坡口寬度的脈沖熔化極氣體保護(hù)焊(P-GMAW)電弧信號(hào)的傳感特征,確定偏差提取的方式,并研究坡口寬度變化條件下工藝參數(shù)的調(diào)整方式,為單道多層窄間隙焊接自動(dòng)化提供必要的技術(shù)基礎(chǔ)。

1 坡口寬度變化導(dǎo)致的焊接缺陷

在組對(duì)誤差和熱變形的影響下,坡口寬度會(huì)發(fā)生變化,如圖1(a)所示。有經(jīng)驗(yàn)的焊工能夠根據(jù)坡口變化,實(shí)時(shí)調(diào)整手上焊槍的擺動(dòng)幅度和行進(jìn)速度,從而保證良好的焊縫成形。但是,自動(dòng)化焊接過(guò)程中,焊槍是按照預(yù)先設(shè)定的程序,沿規(guī)劃路徑進(jìn)行運(yùn)動(dòng)的,它并不能感知坡口的變化,更不會(huì)做出相應(yīng)的調(diào)整。因此,當(dāng)坡口變寬時(shí),易產(chǎn)生側(cè)壁未熔合缺陷;而當(dāng)坡口變窄時(shí),易引起“咬邊”缺陷。如圖1(b)所示,坡口寬度變化時(shí),如果維持預(yù)設(shè)的焊接速度不變,會(huì)造成焊層厚度不一致,并影響后續(xù)焊層的成型。

圖1 坡口寬度變化和焊接質(zhì)量問(wèn)題

2 電弧信號(hào)特征與坡口寬度變化量的相關(guān)性

2.1 P-GMAW擺動(dòng)電弧傳感坡口寬度的原理

P-GMAW焊機(jī)多數(shù)采用I/I控制模式,即脈沖階段和基值階段均保持恒流特性。為了保證弧長(zhǎng)的穩(wěn)定,焊接電源通過(guò)監(jiān)測(cè)與弧長(zhǎng)成正比的電弧電壓,然后調(diào)整基值時(shí)間、改變脈沖頻率,從而改變焊接平均電流,進(jìn)而改變焊絲熔化速度,達(dá)到調(diào)節(jié)弧長(zhǎng)的目的。當(dāng)電弧變長(zhǎng)時(shí),基值時(shí)間變長(zhǎng),脈沖頻率降低,焊接電流減小;反之,電弧變短時(shí),基值時(shí)間變短,脈沖頻率升高,焊接電流增大。為了具備更好的弧長(zhǎng)調(diào)節(jié)速度,福尼斯TPS3200電源對(duì)I/I特性進(jìn)行了修正,在調(diào)節(jié)脈沖頻率的同時(shí)也對(duì)峰值電流和基值電流進(jìn)行調(diào)整,電弧突然變短時(shí),除了增加脈沖頻率外,峰值電流和基值電流也適當(dāng)?shù)脑龃蟆?/p>

P-GMAW電弧傳感原理是建立在上述弧長(zhǎng)控制機(jī)制的基礎(chǔ)上的。如圖2所示,相同擺動(dòng)幅度條件下,坡口變窄,電弧變短,采集到的焊接電流變大;反之,坡口變寬,電弧變長(zhǎng),采集到的焊接電流變小。通過(guò)檢測(cè)焊接電流的變化可以獲得電弧長(zhǎng)度的變化,進(jìn)而計(jì)算出坡口寬度的變化。

圖2 不同坡口寬度的焊接電流

2.2 偏差提取算法

脈沖焊模式下電弧的電流信號(hào)有峰值、基值和均值3種,提取方法如圖3所示,將高于450 A的焊接電流信號(hào)的平均值作為峰值電流,將低于80 A的焊接電流信號(hào)的平均值作為基值電流,將兩個(gè)脈沖極值之間的焊接電流信號(hào)的平均值作為平均電流。

圖3 特征信號(hào)的提取

擺動(dòng)電弧傳感中常用的偏差提取算法有兩種,積分法和側(cè)壁平均法。如圖4所示,積分法是將焊炬一個(gè)擺動(dòng)周期內(nèi)的全部電流信號(hào)進(jìn)行積分,然后用平均值與標(biāo)準(zhǔn)坡口的積分均值比較計(jì)算偏差。

圖4 擺動(dòng)電弧傳感偏差提取算法

側(cè)壁平均法是采樣焊槍到達(dá)左右側(cè)壁位置后一段時(shí)間內(nèi)的電流值,計(jì)算左右側(cè)壁位置電流值的平均值,將其與標(biāo)準(zhǔn)坡口的側(cè)壁均值進(jìn)行比較計(jì)算偏差。針對(duì)同一焊接過(guò)程,采用不同的偏差提取算法,比較兩種算法的靈敏度,如圖5所示,積分法雖然不易受異常信號(hào)的影響,但對(duì)偏差的靈敏度較低;側(cè)壁平均法的實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單,靈敏度高。應(yīng)用側(cè)壁平均法作為坡口寬度偏差提取算法,并采用合適的濾波算法,可以在較高的靈敏度下提供偏差提取的可靠性。

圖5 不同坡口寬度變化量下兩種算法的焊接電流變化

2.3 特征信號(hào)的選擇

雖然脈沖焊模式下峰值、基值和均值3種特征信號(hào)都可以反映坡口寬度的變化,但各種特征信號(hào)的靈敏度和穩(wěn)定性不同。如圖6所示,采用坡口角度為8°的窄間隙坡口,在不同的坡口寬度條件下進(jìn)行焊接實(shí)驗(yàn),其中,Δx為實(shí)驗(yàn)設(shè)定的坡口寬度偏差。采集實(shí)驗(yàn)電流信號(hào),并使用側(cè)壁平均法提取并計(jì)算峰值、基值和均值電流,比較各個(gè)特征信號(hào)的靈敏度與穩(wěn)定性。實(shí)驗(yàn)采用的工藝參數(shù)如表1所示。

表1 焊接工藝參數(shù)

圖6 不同偏差的擺動(dòng)焊接實(shí)驗(yàn)示意圖(單位:mm)

圖7是不同偏差下3種電流信號(hào)特征的變化值,可以看到,隨著偏差的增大,3種電流特征值呈減小的趨勢(shì),其中平均電流對(duì)偏差的靈敏度最高,峰值電流次之,基值電流最低。在穩(wěn)定性方面,實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)中峰值電流容易出現(xiàn)異常值,而平均電流具有抗異性。如圖7(c)所示,平均電流特征在±0.8 mm和無(wú)偏差的數(shù)據(jù)無(wú)重合,可以可靠區(qū)分。經(jīng)過(guò)回歸分析,±0.8 mm偏差范圍內(nèi)側(cè)壁平均電流與坡口寬度變化量存在近似線性關(guān)系。

圖7 不同偏差下3種電流信號(hào)特征的變化值

為了驗(yàn)證上述電弧傳感檢測(cè)坡口寬度的方法,對(duì)一段由窄變寬的窄間隙坡口進(jìn)行焊接實(shí)驗(yàn),采集側(cè)壁電流信號(hào)進(jìn)行處理得到平均電流,結(jié)果如圖8所示,可以看到隨著焊接的進(jìn)行,坡口寬度變寬,焊接側(cè)壁平均電流整體逐漸降低,說(shuō)明焊接側(cè)壁平均電流可以反映坡口寬度的變化。

圖8 坡口寬度發(fā)生變化的焊接平均電流

基于上述結(jié)果,在焊接過(guò)程中,可以通過(guò)計(jì)算當(dāng)前擺動(dòng)周期側(cè)壁位置平均電流值與標(biāo)準(zhǔn)坡口側(cè)壁平均電流值的差值得出坡口寬度變化量。

3 坡口寬度跟蹤過(guò)程中的焊接參數(shù)調(diào)整

3.1 擺動(dòng)幅度度調(diào)整

當(dāng)坡口寬度發(fā)生變化時(shí),為了避免側(cè)壁未熔合和“咬邊”缺陷,需要根據(jù)坡口寬度變化量對(duì)擺動(dòng)幅度進(jìn)行調(diào)整。當(dāng)坡口變寬時(shí),需要增大擺幅;當(dāng)坡口變窄時(shí),需要減小擺幅,且擺幅的增減量和坡口寬度變化量相等,從而保證焊槍擺動(dòng)到左右極限位置時(shí)焊絲與左右側(cè)壁的距離恒定。

因擺動(dòng)電弧傳感器的檢測(cè)周期是一個(gè)擺動(dòng)周期,所以每一個(gè)擺動(dòng)周期計(jì)算一個(gè)坡口寬度變化量,擺動(dòng)幅度隨之調(diào)整一次。假設(shè)當(dāng)前擺動(dòng)周期的擺動(dòng)幅度為Sw′,坡口寬度變化量為Δx,則調(diào)整后的擺動(dòng)幅度為

Sw=Sw′+Δx

(1)

3.2 焊接速度調(diào)整

保證焊層厚度一致,有利于后續(xù)焊層的填充。假設(shè)焊絲形成熔滴后全部過(guò)渡到坡口中形成焊縫, 則控制焊層厚度的計(jì)算依據(jù)是 “焊機(jī)送絲量=焊縫體積”。根據(jù)具體的焊接機(jī)器人的條件,控制焊層厚度有兩種方式:1)控制送絲速度,改變單位時(shí)間內(nèi)焊絲的填充量;2)控制焊接速度,改變單位時(shí)間內(nèi)需要填充的焊縫體積進(jìn)而控制焊層厚度。本文采用第2種方式,通過(guò)調(diào)整焊接速度維持焊層厚度。

為保證每個(gè)焊縫周期的焊層厚度一致,假設(shè)焊縫橫截面的凸凹度為0,如圖9所示,提取焊縫中一個(gè)擺動(dòng)周期的焊縫體積進(jìn)行研究。

圖9 一個(gè)擺動(dòng)周期的焊縫體積

一個(gè)擺動(dòng)周期的送絲量為

(2)

式中:vc為送絲速度;d為焊絲直徑;f為焊槍擺動(dòng)頻率。

由于每一層焊接工藝參數(shù)是確定的,可以根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)坡口尺寸,計(jì)算出施焊的理論焊層厚度為

(3)

式中:x0為坡口底寬;vs為焊接速度;α為窄間隙坡口角度。

每一個(gè)擺動(dòng)周期的焊縫體積等于前一擺動(dòng)周期的體積加變化的焊縫體積ΔV,也等于每個(gè)擺動(dòng)周期的送絲量,根據(jù)這一關(guān)系得出坡口寬度變化量、焊接速度、送絲速度的關(guān)系為

(4)

式中Δx為坡口寬度變化量。

在采用控制焊接速度的方法中,送絲速度是不變的,根據(jù)電弧傳感器每個(gè)擺動(dòng)周期計(jì)算出寬度偏差,通過(guò)調(diào)整焊接速度,可以在坡口寬度發(fā)生變化時(shí),保證焊層厚度均勻。

3.3 根據(jù)坡口寬度變化量對(duì)各焊接參數(shù)的調(diào)整流程

在焊接過(guò)程中,當(dāng)電弧傳感器檢測(cè)到坡口寬度發(fā)生變化時(shí),焊接控制系統(tǒng)需要根據(jù)電弧傳感器對(duì)焊槍的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行調(diào)整,流程如圖10所示。電弧傳感器通過(guò)霍爾傳感器對(duì)焊接電流進(jìn)行采集,完成一個(gè)擺動(dòng)周期內(nèi)焊接電流的采集后,提取焊槍在左右側(cè)壁一段時(shí)間的電流計(jì)算平均值,最后再與標(biāo)準(zhǔn)坡口的側(cè)壁平均電流值比對(duì),通過(guò)對(duì)應(yīng)的關(guān)系計(jì)算出坡口寬度變化量。

圖10 跟蹤坡口寬度過(guò)程中的焊接參數(shù)自適應(yīng)調(diào)整流程

電弧傳感器計(jì)算完成后將坡口寬度變化量傳輸給焊接控制系統(tǒng),根據(jù)推導(dǎo)的擺動(dòng)幅度和焊接速度計(jì)算公式,同時(shí)對(duì)焊槍擺動(dòng)電機(jī)和焊接行走電機(jī)進(jìn)行調(diào)整,通過(guò)調(diào)整使得擺動(dòng)過(guò)程中焊絲到側(cè)壁維持最佳間距(保證側(cè)壁焊接質(zhì)量)以及焊層厚度一致。

4 擺動(dòng)電弧傳感坡口寬度自適應(yīng)焊接實(shí)驗(yàn)

4.1 系統(tǒng)構(gòu)成

系統(tǒng)原理圖如圖11所示,電弧傳感器由霍爾傳感器采集電弧信號(hào),經(jīng)A/D轉(zhuǎn)化后通過(guò)數(shù)字信號(hào)處理器計(jì)算左右極限位置的平均電流特征參數(shù),并進(jìn)一步轉(zhuǎn)換為坡口寬度的變化量,然后通過(guò)RS-485總線發(fā)送給焊接系統(tǒng)的主控制器。焊槍擺動(dòng)到側(cè)壁時(shí),設(shè)置了停留時(shí)間,不僅有利于側(cè)壁熔合,也有利于對(duì)側(cè)壁焊接電流的采集?；赟TM32F407微處理器設(shè)計(jì)了主控制器,對(duì)各焊接參數(shù)進(jìn)行控制。主控制器在獲得電弧傳感器發(fā)送的坡口寬度變化量后,根據(jù)自適應(yīng)算法,調(diào)整焊槍的擺動(dòng)幅度、焊接速度,保證側(cè)壁熔合和焊層厚度填充均勻。

圖11 系統(tǒng)原理圖

4.2 坡口寬度自適應(yīng)實(shí)驗(yàn)

為了驗(yàn)證自動(dòng)適應(yīng)坡口寬度焊接方法的可行性,實(shí)驗(yàn)方案和坡口形式如圖12所示,采用8°窄間隙坡口,試件長(zhǎng)度180 mm。將焊接起始端坡口底部寬度設(shè)置為6 mm,末端坡口底部寬度設(shè)置為10.5 mm,比起始端加寬了4.5 mm,形成由窄變寬的焊縫。如果焊接系統(tǒng)能夠?qū)[幅和焊接速度做出相應(yīng)的調(diào)整,會(huì)得到成型良好的焊縫和均勻的焊層厚度;否則,在設(shè)定的實(shí)驗(yàn)條件下,將會(huì)導(dǎo)致側(cè)壁未熔合,焊層厚度逐漸變薄的問(wèn)題焊縫。

圖12 實(shí)驗(yàn)工件示意圖(單位:mm)

實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖13所示,從圖13(a)可以看出, 系統(tǒng)能夠根據(jù)坡口寬度變化及時(shí)調(diào)整焊槍擺幅,保證了側(cè)壁熔合質(zhì)量。從圖13(b)可以看出,隨著坡口變寬,控制系統(tǒng)不斷地降低焊接速度以保證焊層厚度。傳感誤差的統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖13(c)所示,可以發(fā)現(xiàn)最大偏差為0.8 mm,且僅占焊接過(guò)程中總量的13%,可以滿足坡口寬度自適應(yīng)焊接的需要。由圖13(d)焊縫實(shí)物照片可以看到,焊層厚度一致,成型良好。因此,基于擺動(dòng)電弧傳感調(diào)整相關(guān)焊接參數(shù),自適應(yīng)焊縫坡口寬度的方法可以有效地解決焊接坡口組對(duì)誤差和熱變形產(chǎn)生的不利影響。

圖13 坡口寬度自適應(yīng)焊接驗(yàn)證

4.3 適用性分析

將擺動(dòng)周期分解為4部分,在1/4擺動(dòng)周期和2/4擺動(dòng)周期之間完成左側(cè)壁電流的采集,在3/4擺動(dòng)周期和4/4擺動(dòng)周期之間完成右側(cè)壁電流的采集,在4/4周期開(kāi)始偏差的計(jì)算、發(fā)送、焊接參數(shù)調(diào)整值的計(jì)算,用時(shí)在10 ms以內(nèi)。由于需要在下一擺動(dòng)周期開(kāi)始前完成上述步驟,故4/4周期不能低于10 ms,即擺動(dòng)頻率要低于25 Hz。焊槍擺動(dòng)受機(jī)械系統(tǒng)慣性的制約,擺動(dòng)頻率不會(huì)超過(guò)5 Hz,所以設(shè)計(jì)的傳感系統(tǒng)滿足常規(guī)焊接系統(tǒng)對(duì)靈敏度和實(shí)時(shí)性的要求。

窄間隙坡口通常是指具有極小面角度的V形、U形、或者I形坡口。本研究?jī)H適用于8°V型窄間隙坡口的中厚板(4.5～25.0 mm)焊接。由于不同的坡口角度對(duì)電弧的影響是不同的,電弧信號(hào)的變化規(guī)律也是不同的,需要根據(jù)具體的坡口形式重新標(biāo)定電弧信號(hào)與偏差的關(guān)系。雖然本研究的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)是基于于8°V型坡口中厚板(4.5～25.0 mm)焊接獲得的,但坡口寬度傳感和焊接參數(shù)調(diào)整的方法對(duì)其他形式的坡口仍具有借鑒作用。

5 結(jié) 論

窄間隙焊接過(guò)程中,焊接工件的坡口寬度變化會(huì)導(dǎo)致側(cè)壁未熔合或者咬邊缺陷的發(fā)生,引起焊層厚度不一致。采用脈沖周期內(nèi)的平均電流作為傳感坡口寬度的特征信號(hào),應(yīng)用側(cè)壁平均法,可以有效區(qū)分±0.8 mm的坡口寬度偏差。在獲得坡口寬度偏差后,通過(guò)調(diào)整擺幅和焊接速度,可以得到成形良好、厚度均勻的焊縫?；陔娀鞲凶赃m應(yīng)坡口寬度的方法,可以用于應(yīng)對(duì)窄間隙自動(dòng)焊過(guò)程中組對(duì)誤差、熱變形等因素引起的坡口寬度變化。