脉冲焊接工艺摆动电弧焊缝跟踪技术

GXF360 2019-10-28

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0　前言

在开坡口焊接中，经常采用焊炬一边向前行走一边摆动的焊接方法。然而在焊接过程中，由于加工、组对误差，焊炬很难一直保持在坡口中心，导致焊缝偏离坡口中心，从而影响焊接质量。因此，为了保证焊炬行走准确性，常常需要手工调整焊炬。然而手工调整依赖于焊工的个人经验和体力，并受烟尘和弧光的影响，很难保证准确性[1]。焊缝跟踪技术是自动调整焊炬运动轨迹的一门技术，是保证焊缝质量、降低焊接操作难度的关键技术[2]。目前，焊缝跟踪技术主要有接触式跟踪技术、基于视觉的跟踪技术和基于电弧的跟踪技术。其中，基于电弧的焊缝跟踪技术是根据焊接电弧自身的变化情况判断焊炬偏差的技术，其结构简单、可达性、实时性好，得到比较广泛的应用[3]。基于电弧的跟踪技术的关键是电弧信号的处理、偏差判别和偏差调整方法。

1　基于摆动电弧的焊缝跟踪原理

摆动电弧跟踪的原理就是：在等速送丝熔化极电弧焊中，焊接电源一般采用平或缓降的外特性。当焊炬与工件的距离发生变化时，伸出长度还来不及变化，弧柱长度被迫发生变化，而电弧电压和焊接电流也随之发生相应的变化。因此，焊接电流或电弧电压的变化反映了焊炬与工件距离的变化。在摆动电弧焊接工艺中，焊炬沿坡口中心线有规律地摆动，根据电弧电流的变化情况，可获得横向对中信息[4]。

图1以V形坡口为例说明了焊枪导电嘴与工件表面距离变化引起焊接电流的变化过程。假定电弧摆动方向为W1→W2→W3。当电弧运动时，焊枪与工件表面距离的变化将引起焊接工艺参数的变化。图 2为电弧摆动过程中电弧特征曲线图。当电弧处于稳定焊接状态时，电弧静态工作点为A1，弧长La1，伸出长度为L1，电流为I1；当焊枪向右摆动时，焊枪与工件表面距离由H1增大H2，弧长被拉长为电弧电压U增加；此时由于焊丝熔化速度受限，伸出长度还来不及变化仍为L1，电焊机输出电压U也来不及变化，电弧随即在新的工作点燃烧，电流突变为。由于电弧自调节作用，经过一定时间，弧长逐渐变短，伸出长度增大，电弧稳定在一个新的工作点A2，弧长La2，伸出长度L2，电流I2。弧长和伸出长度都有所增加。同理，当电弧继续向右扫描，又从A2变化到下一个新的稳定工作点A3。因此，当电弧沿着坡口水平方向扫描时，由于电弧的自调节作用，它力图使电流和电压达到新的平衡点。但由于伸出长度变化，电路中的电阻发生变化，使得焊接电流发生变化。故当电弧位置变化时，电弧自身参数相应发生变化，所以，可根据焊接电流的变化情况推导出焊枪与焊缝间的相对位置偏差。

图1　焊炬摆动示意图

图2　电弧变化特征曲线图

2　电弧跟踪系统组成

焊缝跟踪系统的整体构成主要是在原来的焊接系统上面添加了传感器、信号采集及处理电路，如图3所示。实时焊接电流由传感器检测，然后被数据采集电路转换成数字信号。数字信号处理电路接收来自采集电路的数字信号，并进行运算处理，判别运动偏差情况，并将判别结果发送给运动控制模块，由运动控制模块对焊炬姿态做出调整。

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图3　系统组成结构

3　脉冲焊接工艺的电弧电流特点

脉冲气保焊是利用脉冲电流实现射滴过渡的一种焊接方式，焊接飞溅小、熔深大、晶粒细密、焊缝强度高。焊接过程中，电流以一定频率在基值电流和峰值电流之间切换(图4)。基值电流保持电弧的电离通道，保证两次脉冲焊接电流之间电弧不熄灭，不需要重新引燃电弧而使得焊接过程稳定，同时起到给母材及焊丝预热作用。峰值电流突然增大，从而实现射滴过渡。

图5为焊炬摆动中心偏离坡口中心线一定距离时的焊接电流波形图。上部为宏观图像，下图为局部放大图。由上部图像可以看出，焊接电流随着焊炬摆动而出现明显的波动。从局部放大图中可以看出电流的脉冲形式。脉冲焊机通过调整基值、峰值、脉冲频率、脉冲宽度来调节焊接电流的大小。

图4　脉冲焊电流波形示意图

图5　摆动电弧脉冲焊电弧电流图

4　电流信号滤波

摆动电弧焊接过程中，由于电弧负载本身的特点，其电流波形受干扰严重，干扰包括飞溅、气流稳定性、送丝抖动等等。除此之外，还会出现偶尔的断弧、重新引弧。因此，从传感器出来的信号还夹杂着各种噪声。对于脉冲焊接工艺，电流本身也以一定频率在基值电流和脉冲电流之间切换。因此，要获取电流随弧长变化的周期性变化特征，就需要从传感信号中滤除这些干扰信号。

滤波的缺点是输出信号将产生延迟。而信号和运动位置的对应关系对于判别焊炬偏移量是非常重要的。为了能够准确对应原始数据与滤波数据，需要准确知道信号的延迟时间。数字滤波器中，有限长单位冲击响应滤波器(FIR)在其通频带内具有线性相移，输出信号与输入信号有一个可以预测的、固定的延时。群延迟表征了这个延时大小。对于具有线性相移的系统，群延迟是一个常数。因此，为了便于准确获得延时大小，采用有限长单位冲击响应数字滤波器。

5　滤波器设计

利用MATLAB信号处理工具箱进行滤波器的设计和验证。选取等纹波滤波器，根据焊炬摆动频率，设定截止频率。图6为原始数据与滤波后的数据的对比情况。从图中可以看出，滤波之后，波形基本反映了电流的整体变化趋势，滤除了干扰信号。滤波后的波形比原始波形滞后，这是延时造成的。延迟时间可以通过计算群延迟获得。

图6　焊接电流滤波效果图

6　偏差信号提取

常用的偏差信息识别的方法主要有极限位置电流差值法、左右区间电流积分差值法。

6.1　极大值点对比法

焊炬运动到最左边和最右边时，焊丝端部距离母材最近，电弧最短，因此电流达到极大值。比较这两点的极大值可以得到偏差大小。但是这是建立在理想的情况下的，在实际焊接过程中，偶尔会出现断弧、重新引弧的现象(图7)，这种情况会造成电流突变。通过信号处理虽然消除了一部分干扰的影响，但是不能完全恢复成理想的焊接电流波形。所以，这种方法易受干扰，可靠性较差。根据极限位置电流值极易得出一个错误的偏差信息。

对9101 工作面测点数据进行相关分析，得到9101 工作面相关系数曲线图如图6所示，根据表1，在工作面测线160～210 m区段，测点波场曲线相关性为中等程度相关，在工作面测线310～370 m区段，测点波场曲线相关性为强相关。经钻探验证，在测线20、70 m处钻孔出水，在测线200、320 m处见空出水，由图5钻探情况标注可知，两个波场曲线相关性较强的测线区段同含水空巷揭露位置对应较好，含水废弃巷道深度位置同合成孔径成像结果更为吻合，综合解释结果较为准确。

6.2　积分差值法

原理：将焊炬运动左半程和右半程内的电流数据分别积分并做差值，便可得到焊炬相对于坡口中心的偏移量。如果两次的电流积分相等，说明摆动电弧传感器与焊缝的坡口对中，如果一侧的电流积分大，则说明焊炬偏向这一侧。通过对两侧区间的积分，可以在一定程度上抑制噪声。经过对比，焊缝跟踪宜采用积分差值法。

图7　断弧引起的电流跳变

7　偏差调整方法

试验中，运动执行机构用步进电机驱动焊炬左右摆动。通过对步进电机转动步数的控制实现对焊炬摆动方向的调整。

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焊接过程是一个非线形的复杂过程，难于建立精确的数学模型。经典控制理论难以准确控制。模糊控制不用数学函数来描述输入和输出参量之间的关系，而是运用实际经验，根据控制对象的输出结果及其发展趋势是否符合人们的要求，来判断输入参量的调整方向，具有很好的鲁棒性和非线性映射能力。因此，非常适于电弧传感跟踪控制[5-7]。

控制器采用二维模糊控制器。输入信号为左、右两部分电流积分的差值e和差值的变化率ec，输出量为步进电机控制脉冲数。

E,EC,U的模糊论域划分为7个档次，论域取为[-3，3]之间。E,EC和U的语言变量均为{NB，NM，NS，0，PS，PM，PB}。定义焊枪向左为正(P)，向右为负(N)。E,EC和U均采用三角形隶属函数[8-13]。

8　焊接试验验证

进行焊接试验验证跟踪效果。试验采用福尼斯公司生产的TPS4000数字脉冲焊机。试件由材料为X80管线钢、直径1 219 mm、壁厚18.4 mm的管段加工而成。坡口采用复合V形。设定焊接电流为240 A、电弧电压为24 V、焊接速度为450 mm/min，保护气为20%CO2和80%Ar的混合气。试验过程中，人为将焊炬调整至偏离坡口中心线，焊缝跟踪系统可以自动判别焊炬偏差距离和偏差方向，并将焊炬的运动轨迹调正。系统顺利实现焊炬自动对中。

中支座处混凝土顶板上、下表面与混凝土底板上、下表面的纵向温度应力时间历程如图8所示。混凝土顶板上、下表面纵向温度应力的时间历程与边跨跨中相似。混凝土底板受温度影响明显小于顶板，其温度梯度较小，温度应力的变化趋势也较为缓和，其变形也相对滞后于钢腹板。混凝土底板下表面受压，说明对双面组合箱梁整体的温度弯曲变形起到了一定的抑制作用。