（材料加工工程专业论文）活性剂示踪磁控电弧摆动焊缝跟踪信号分析与处理.pdf

硕士学位论文 摘要 随着自动化焊接技术的发展，焊缝跟踪技术的要求也越来越高，国 内外焊接研究工作者对此进行了大量研究并提出了很多新的方法，但由 于焊接过程的复杂性及不确定性，目前并不存在普遍适用的方法，仍然 有许多待研究的问题。 电弧作为带电流体，在磁场中会受到洛伦茨力的作用而运动，其运 动参数受到磁场强度、方向的影响；表面活性剂应用于焊接中可以起到 增加熔深的作用，同时存在电弧电压升高的现象；结合以上两种现象并 使用检测点和焊接点位置统一，实时性好的电弧传感器，通过励磁电路 加以控制，使电弧在垂直于焊接方向的方向摆动，来回扫描涂覆有活性 剂的焊缝并采集过程信号，通过提取由涂覆活性剂产生的电压升高所得 的焊缝特征信号并通过计算得出焊缝焊炬的相对位置。 通过计算，设计制作了励磁系统及其控制电路；根据实验需求搭建 了由前置处理系统和信号采集硬件组成的信号采集系统；基于n i l a b v i e w 软件平台，结合d a q 硬件建立了励磁控制、信号有效性判断、 信号采集存储与示波、工作台运动控制等模块相结合并统一控制的软件 系统。 通过对所采信号特征的离线分析，选用了b u t t e r w o r t h 数字滤波器并 设计了信号处理方法，提取了焊缝特征信号并对焊缝偏移量进行了判别。 针对本课题信号与控制特点，选用了模糊逻辑控制器作为在线焊缝 跟踪控制器，设定了模糊逻辑语言变量和模糊规则库，并对设计好的控 制器进行了调试，其输入输出曲线符合实验要求。根据在线处理要求在 信号采集系统与离线分析系统相结合的基础上以周期为单位对所采信号 进行了在线分析与处理。 通过实验，分析了当前实验方案中的问题并提出了改进方案，证明 此方法是一种结合活性剂与电弧传感器优点，具有一定可行性与研究价 值的焊缝跟踪方法，但需解决其间存在的问题方可进一步研究。 关键词：活性剂：磁控电弧：焊缝跟踪：信号处理； 一一；墅墅些塑些坚塑墅邕些型鹜一 i i i 葺暑高毒置篁i i 置置置葺i i i i i i i - _ l 。_ _ 。1 一。 a bs tra c t t h ed e m o n d so ft h ed e v e l o p m e n to f p r o g r e s so fa u t o m a t i cw e l d i n gm e t h o l d s ， h a v es t u d i e di nb ym a n ym e a n sb u ts t i l l t h es e a m t r a c k i n gg r o w sw i t ht h e f e s e a r c h e r sd o m e s t i ca n da b r o a d c a n - tg a i nam e t h o l ds u i tf o ra n y a r ci sac h a r g e df l u i dc a nm o v ei n am a g n e t i cf i e l db yl o r e n t zf o r c e t h em o t i o np a r a m e t e r s a r ea f f e c t e db yt h ei n t e n s i t ya n dd i r e c t i o n o ft h e f i e l d ：a c t i v ef l u xc a ng a i n ap e n e t r a t i o ni n c r e s ei nw e l d i n ga n da l s o a v o l t a g er a i s eb e s i d e s ；t oc o m b i n et h e s et w oe f f e c t s m e n t i o n e da b o v ea n d t a k et h ea d v a n t a g eo ft h e c o i n c i d e n c eo ft h ew e l d - s e a s ep o i n t s a n dt h e r e a l t i m et r a i t0 ft h ec o n t r o l a b l ea r cs e n s o r t h ea r co s c i l l a t e s i nf 】e l da n d s c a n st h es e a mw h e na c q u i r et h es i g n a lo ft h ep r o c e s s ，t h er e l a t i v ep o s l t l o n o ft h et o r c ha n dd e s e i r e ds e a mc a nb ea b s t r a c t e df r o mt h es i g n a t u r es l g n a l g e n e r a t e do na c t i v ef l u x e x c i t a t i o nd e v i c ea n da s s o r t e dc o n t r o ls y s t e md e s i g n e d b yc o m p u t l n g ； s i g n a la c q u i f es y s t e m w a sb u i l d e du p b ya c c q u i r e h a r d w a r ea n dp r e - t r e a t m e n ts y s t e m ； s o f t w a r es y s t e m i n c l u d e se x c i t a t i o n c o n t r o ld e v i c e , s i g n a l e f f e c t i v e n e s s d e t e r m i n a t i o np r o g r a m ， s i g n a l a c q u l r e a n d o s c i l l o g r a p h i cp r o g r a ma n dm o m e n t c o n t r o lp r 0 9 1 am b u t t e r w o r t hd i g i t a lf i l t e r w a ss e l e c t e da n ds i g n a lp r o c e s sm e t h o i d s w a sd e s i g n e db yo f f l i n ea n a l y s i so ft h es i g n a la c q u i r e d f u z z vl o g i cc o n t r o l l e rw a ss e l e c t e db yj u d g i n g t h ec h a r a c e to ft h e s i g n a la n d t h ec o n t r o lr e q u i r e m e n t s ，t h el i n g u i s t i cv a r i a b l e sa n d f u z z yr u 量e b a s ew a ss e tu pa n df h ei 0c h a r a c t e rw a st e s t e d t om e e tt h er e q u l r e m e n t s i nt h et e s tt o o l k i t r e a l t i m es i g n a lw a sp r o c e s s e da n da n a y s i s e d l n0 n l l n e p r o c e s ss y s t e mi n u n i to fc y c l e 一 t h ep r o b l e me x i s t si nt h ec u r r e n te x p e r i m e n tp l a nw a sa n a l y s l s e d a n d t h em e t h o l dw a sp r o v e dt ob ev a l u e a b l ef o rc o m b a i nt h ea d v a n t a g e s o ft h e a c t i v ef l u xa n da r cs e n s o rb u tt h e f u r t h e rd e v e l o p m e n to f t h em e t h o l d s h o l 】l db ec a r r i e do na f t e rt h ep r o b l e me x i s t ss o l v e d k e yw 。r d s ：a c t i v e f l u x ；m a g n e t i c c o n t r o l a r c ；s e a mt r a c i n g ；s i g n a l a n a l y s i s ； 兰州理工大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取 得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何 其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献 的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法 律后果由本人承担。 作者签名：利一诒云 日期：衫年月夕日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学 校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论 文被查阅和借阅。本人授权兰州理工大学可以将本学位论文的全部或部分 内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保 存和汇编本学位论文。同时授权中国科学技术信息研究所将本学位论文收 录到中国学位论文全文数据库，并通过网络向社会公众提供信息服务。 4 作者签名：刊也有天 导师签名：劢气 日期：彩年厂月夕日 日期：加f 拜f 6 月t o 日 硕十伊论文 iui_ 1 1 课题背景 第1 章绪论 随着相关领域科技水平的进步，人们对焊接质量的要求也越来越高 【l 】。而人工焊接时，由于受到技术水平、疲劳程度、责任心、生理极限 等客观和主观因素的应影响，难以较长时间保持焊接工作的稳定性和一 致性。而且，由于焊接恶劣的工作条件，愿意从事手工焊接的人在减少， 熟练的技术工人更有短缺的趋势。另一方面，电子技术、计算机技术、 数控及机器人技术的发展为焊接过程的自动化提供了有利的条件，并已 渗透到焊接的各个领域。这各方面因素促成了焊接自动化与焊接机器人 的发展，它突破了焊接刚性自动化的传统方式，开拓了一种柔性自动化 的生产方式。 2 0 0 0 年时，中国焊接生产的机械化自动化率，按熔敷会属计算约为 3o ，而发达国家的焊接自动化率已经达到6 5 以上【2 1 。国内外的发展 差距是显而易见的3 ，4 i 。 目前，用于工业生产的弧焊机器人主要是示教再现型机器人【5j ，在 机器人弧焊过程中，它们可以在其工作空间内高精度重复已经示教的动 作。这种方式在利用机械相对于人工操作的高精度高稳定性的同时也带 来了一定的局限性，。那就是应变能力差，对工件的装配精度要求较严， 要求重复性要好。如果焊接条件基本稳定，则机器人能够保证焊接质量。 在实际焊接过程中，为了避免操作人员进入机器人的工作区域发生危险， 使操作者不能近距离实时监视焊接过程并进行调节控制，所以当实际的 焊接条件发生变化时，常见的例如工件在加工、装配过程中的尺寸误差 和位置偏差以及焊接过程中工件热变形等因素的变化会使接头位置偏离 所示教的路径，这样会造成焊接质量下降甚至失败。所以精确的焊缝跟 踪是保证焊接质量的关键，它是实现焊接过程自动化的重要研究方向【6 7 1 。 1 2 焊缝自动跟踪概述 焊缝自动跟踪系统通常由传感器、控制器和执行机构三大部分构成 【8 12 1 ，细分结构见图1 1 。由于在焊接过程中存在着各种因素的干扰【3 1 ， l 活性剂示踪磁拧l u 弧攫动焊缝跟踪信号分析j 处理 如何排除干扰，扶得适用、精确的焊接过程数据，得至0 焊缝的位置特征 信号，通过计算后进一步控制执行机构进行运动修正是焊缝自动跟踪系 统需要解决的首要问题【1 3 1 4 1 。 i 数据采集卜叫信号处用 t li 蕊西f b 陬司厂丙鬲 i 垫! ! ! ! 竺h 翌垫! ! 些i 图1 1 焊缝跟踪系统示意图 1 2 1 焊缝跟踪传感技术的研究现状 已研究的焊缝跟踪根据传感方式主要分为两大类，接触式与非接触 式f 15 - 1 7 1 。 接触式靠一个机械探头与欲焊对缝直接接触来感知焊接对缝并进行 跟踪控制【1 8 】。这种方式在焊接技术发展的早期，成功的在一定的焊接产 品中获得应用【9 1 。但其存在产品结构、焊接速度及控制精度等诸多问题， 现在己被渐渐淘汰。 非接触式方法有多种，以电磁传感式、超声波传感器、电弧传感式、 光学传感式四大类为主要代表【1 7 ，19 1 。 焊 缝 足醴 踪 传 感 控 制 系 统 接触，h 机械，传感器 视觉式传感器 图1 2 焊缝跟踪传感器的分类 电磁传感式主要由磁芯和线圈组成，在线圈的原边加交流激励信号， 随铁芯与工件距离或相对位置的不同，副边感应出不同的信号，根据这 些信号即可实现焊缝跟踪及焊枪高度的控制。它由于受到电弧热辐射的 影响较严重，而且在多层焊及无剖口、无间隙对缝的焊接中应用受到限 制。 超声波传感器【2 叫，利用超声波脉冲在会属内传播时的界面反射现 象，可以接收到反射波脉冲，由入射反射波脉冲的行程，即可测得界面 的位置 2 0 - 2 4 】。但它对母材表面状况要求较高，承载超声波的介质对超声 一一一一一一一 i 唠十。予：伊论文 i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i iiimi ni n 一i i 波也有很大的影响从而影响反馈信号【25 1 。 光学传感焊接对缝跟踪控制方法也称视觉传感或光学一视觉传感焊 接对缝跟踪控制方法 2 6 - 2 9 】。这种跟踪控制方法是采用光学器件组成焊接 对缝图像信息传感系统【30 1 ，然后将获取的对缝图像信息进行识别处理【2 9 3 1 】，获得电弧对缝是否偏离、偏离方向和偏离量大小的处理结果并进行 运动修正【3 2 33 1 。由于附加设备多，系统设备比较昂贵，可靠性方面也受 到很多因素的影响，所以在实际生产应用方面还不是很普遍。 电弧传感焊接对缝跟踪控制就是利用焊接电弧现象本身【3 4 ，35 1 ( 电弧 电压、电弧电流、弧光辐射、电弧声等) 提供有关电弧轴线是否偏离焊 接对缝的信息，来实时控制焊接电弧始终跟踪焊接对缝【8 ，36 1 。这种方式 由于实时性好，不用添加辅助装置【3 2 ，3 3 ，37 1 ，可达性好，价格低廉，可 靠耐用等一系列优点得到广泛的应用【38 1 ，但由于它需要电弧参数明显发 生变化来产生焊缝的特征信号，所以主要应用于v 型剖口焊缝、角焊缝、 船型焊缝、搭接焊缝，不能应用于i 型焊缝【3 9 ，40 1 。 1 2 2t i g 焊电弧传感的原理 r 本学者安藤弘平在其著作中论述了在小电流范围内弧长与电弧电 压之i 日j 的关系j ： 当弧长保持一定，而改变电流大小时，电弧电压趋于不变，弧长较 长的则弧压值高；如图1 3 ( a ) 所示。 当电流保持一定，而改变弧长的大小时，弧压随着弧长的增加而线 性增大。如图1 3 ( b ) 所示。针对这个特性，美国b r e n tkc h r i s t r e r 。等人 19 9 8 年的研究结果进一步表明，g t a w 焊电弧长度与电弧电压在大电流 时，呈现典型的线性关系。 o 电流 ( 曲 0 弧长 ( b 1 图1 3 电弧的电压特性 活性刺示踪磁拧i u 弧摆动t 甲缝跟踪信号分析j j 处理 i i i i i i i i i _ i i i _ 一一ii _ i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i 基于这些研究结果，美幽的ge c o o k 等人提出了电流、弧压与弧长 三者之间的关系表达式如下： u = k + k + k ，+ 墨 ( 1 1 ) 式中 u ， 焊接电压和电流 k t 与电 e 随弧 三 弧长 t ，巧 常数 流有关的常数 长改变的d u d l 的变化 综上所述，当前应用的电弧传感器的原理是通过利用焊枪与工件距 离变化所带来的弧长变化所进一步引起的电压变化这一现象来反映焊接 过程中的这一过程的。当在工件上出现台阶时，电压信号也将产生阶跃 变化；当弧长变回原值时，电压信号也回到原来的大小： a oa 1a o 图1 4 电弧传感的示意图 电弧工作点为a o 时，弧长为l o ，电压为u o ，当工件出现台阶，使 焊枪与工件表面距离h o 发生阶跃变化增大到hl 时，弧长将被拉长为ll ， 由于采用陡降外特性电源和电弧的自调节特性，电弧稳定在一个新的工 作点al ，弧长ll ，电压ul 。同样的，当台阶消失j 电弧工作点重新回 到a o ，弧长与电压也将回到初始值。 1 2 3 焊缝跟踪控制的国内外研究现状 l9 85 年，保加利亚d l a k o v 提出了用模糊模型描述弧焊过程的不 4 硕十“学伊论文 确定性，借助丁二非接触式激光传感器，所设计的系统能按示教内容对焊 缝进行跟踪，实验的结果表明，采用模糊集概念可以进行在线评估、预 测和控制。同年，意大利a ns a l d o 焊接中心，采用硬件逻辑电路，对 焊枪进行横向( z ) 、高度方向( y ) 和纵向( x ) 的自适应跟踪，保证坡口无论 是i 型或u 型都能连续施焊，实验效果良好，但其结构庞大，控制逻辑 复杂，不利于使用和维修而且控制模式单一，+ 限制了其功能的丌发【4 2 ，4 3 1 。 198 9 年r 本s m u r a k a m i t 等人研制了基于模糊控制的焊缝跟踪系 统，该控制系统根据焊枪的振幅位置同焊丝与工件的距离之间的关系判 别焊点的水平位移和垂直位移，控制效果很好。19 9 0 年同本的n n a y a k 等人采用分级控制方法设计了自适应智能焊缝跟踪器，该系统能够对未 知的三维焊逢进行识别和跟踪【4 4 ，45 1 。19 9 4 年同本y s u g a 等人将神经网 络技术运用到焊逢跟踪过程中，采用视觉传感器并通过神经网络进行图 像处理获得了焊缝的形状数据，实验结果表明此系统具有较强的鲁棒性， 能有效地进行焊缝跟踪 4 6 j 。 此外，f 1 本d a l he n 公司利用电极接触式传感器：实现对焊接起始点 与终止点的自动检测，配合电弧传感器开发了a l m e g a g o1 弧焊机器 人配套设备l i n em a s t e r 系统。与此同期的j k a r a l 和s r i k o 进行了 一种基于神经网络的焊缝跟踪控制系统，设计了基于机器人关节空间和 笛卡尔空间的两种神经网络控制器，通过实验表明，神经网络型控制器 的路径跟踪精度比传统应用于机器人的焊缝跟踪方法有更好地效果。 19 9 5 年h b s m a r t t 将人工神经网络和模糊控制技术同时应用于焊 缝跟踪的控制【i 引，通过测量焊炬和焊缝的相对位置与方向偏差，应用模 糊逻辑控制器，实现焊炬的位置控制。但该模糊控制器不具有学习功能， 控制规则是根据经验预先总结确定，控制效果受到模糊规则设定的影响 较大，因而在较复杂的不确定的焊接过程进行控制时往往不易于设定最 为合理的模糊规则精度较低。 我国现已发展了各种类型的传感器技术，控制坐标已从单坐标和双 坐标发展到了多坐标。 在基于接触式传感器方面，重庆大学孙孝纯等人进行了基于 m z 10 0 0 埋弧焊机的自动跟踪系统性能研究，该研究是在m z 10 0 0 埋弧 焊机上支配了自动跟踪装置，跟踪传感器采用c d t s 型双向接触式焊缝 跟踪传感器，可进行水平横向调节和高度垂直方向调节。 由于视觉传感器所获信息量大，接近人的视觉，基于视觉传感器的 焊缝跟踪研究比较多，角度不同且效果良好。清华大学潘际銮院士、陈 活性剂不踪磁拄i u 弧摆动焊缝跟踪信号分析与处砰 强教授和何方殿教授等人对弧焊跟踪系统中传感器和其中的控制系统分 别进行了研究，论述了用于焊缝跟踪系统的各种传感器，并提出了一种 基于焊缝c cd 图像模式特征的焊缝轨迹识别的新算法，该算法将焊缝分 成段，每段的灰度分布用特征向量来描述，利用自玎一段的特征向量来识 别下一段的特征向量，从而实现焊缝识别，具有对各种坡口快速、准确 地识别并能自适应局部和整体噪声等特点。华南理工大学使用视觉传感 器结合神经网络和模糊控制方法，提出了一种基于自适应共振理论神经 网络的焊缝跟踪算法，即把焊缝横截面方向上的灰度分布归为若干种空 间模式，并使之记忆在a r t 神经网络中，在实际焊接中获取的图像空间 模式与之进行匹配程度检测，根据模式分布情况确定出焊炬与焊缝中心 的偏差，以此偏差为模糊变量设计了自调整模糊p i d 控制器。该算法能 够在强噪声环境中保持很高的跟踪精度，在对t i g 焊焊逢跟踪进行控制 实验中取得了良好效果。华北石油管理局的范国强、周精宝研究开发了 埋弧螺旋焊管外焊缝自动跟踪装置，该装置利用c c d 面阵摄像机作为前 端焊缝检测传感器，s t d 工控机作图像数字处理、识别，确定焊缝位置 并控制焊头移动机构来实现对焊缝在线自动跟踪实时纠偏，取得了较好 的效果。清华大学王克争等人为了解决焊缝自动跟踪中光电传感器对工 件表面状态敏感的问题，研究了线阵c c d 视觉传感器埋弧焊自动跟踪系 统。太原工业大学的萧波等人还开发了一种针对埋弧焊的具有遥控监视 功能的焊缝自动跟踪图像处理系统。 除了使用直接视觉方法外，还可以通过一些辅助方法进行焊缝跟踪。 宝鸡石油钢管厂利用光电传感器，在焊缝附近用专用白漆喷涂的一条带 状线作为导向线，跟踪系统以导向线为基准，自动调整感应器的旋转角 度来实现跟踪。这种方法针对性强，图像处理工作量较低，但由于是借 助付诸方法而倒接进行的，需要在焊接前喷涂一道白线，所以当焊缝两 侧高低不平时，白线则不能被检到，而且在z 轴方向无法调整焊枪的高 度，应用上有一定的局限性。 应用超声波传感器方面，天津大学赵家瑞等人利用声电匹配和聚集 透镜技术，研究出1 15m h z 高灵敏度、高分辨率空气超声波传感器，设 计了信号采集、处理、控制软硬件系统和执行机构，首次实现了扫描式、 固定式超声传感二维自动跟踪。华东船舶工业学院蒋鹏飞和美国早海大 学的j o h n 及d w o o d 利用缝隙对声发射波传播有影响的现象，研制成一 种利用声发射一微机处理器控制的焊缝跟踪系统。江苏扬州石油勘探局 通过靠模法解决了埋弧焊环缝自动跟踪问题。天津大学胡绳荪等人研制 了一种非接触超声传感焊缝跟踪系统，采用了新型的超声波传感器，通 6 硕十。孚：伊论文 i i 过扫描焊道并接收回波再进行处理，通过计算发射到接收的声程时i n j 可 以得到传感器与焊件之i 、h j 的垂直距离。同时设计了焊缝跟踪模糊p i d 控 制器的硬件及软件，提高了系统的响应速度和跟踪精度。 甘肃工业大学的王希靖等人利用特制旋转扫描焊炬，设计了以单片 机为核心的细丝埋弧焊焊缝跟踪控制器及控制软件。 总的说来，我国的焊接研究人员采用各种传感方法，对不同焊接对 象的焊缝跟踪技术进行了研究，并在某些特定的应用中获得了成功【4 7 1 。 但是，国内研究多使用实验性较强，便于在实验室丌展但不一定适用于 实际生产过程的一些传感、控制方法，并且在系统自动化、智能化、关 键算法方面均与世界先进水平具有一定的差距故我国的焊缝跟踪技术大 都还停留在实验室中，难以形成商业化的产品【4 】。 1 3 磁控电弧焊接工艺与其在焊缝跟踪中的应用 由于电弧等离子体的良好导电性【48 1 ，因此提供了外部磁场对它的可 作用性，也就是说可以通过外加磁场来改变电弧的形状和位置，或者是 控制电弧的运动。磁控电弧技术目前的应用主要集中在工艺方面的研究 与应用。根据不同的应用要求，对电弧施加合理形式的外部磁场来控制 电弧形态，从而影响电弧特性( 热特性、力特性和电特性等) ，改善焊接 工艺性能。 。磁控电弧焊接工艺是指利用外加磁场来改变电弧的形态或空i n j 位 置，或者是改变电弧的运动特点，从而改变电弧行为，达到抑制偏吹、 改善焊缝成形、提高接头质量等目的。按照电弧的运动形式，应用于非 熔化极气体保护焊中的磁控电弧焊接工艺可分为磁偏弧工艺、磁摆弧工 艺、磁旋弧工艺以及磁再压缩技术。 1 3 1 磁偏弧工艺 磁偏弧工艺是指采用恒定横向磁场( 平行于焊接方向) 作用于t i g 焊接电弧，在保证电弧稳定燃烧的前提下，使电弧沿焊接方向前倾，以 改善焊缝成形、提高焊接速度。 j a y a r a ja n 和j a c k s o n 采用磁偏弧工艺对2 0 21 ，6 0 6l ， 5 4 5 4 铝合会 以及9 镍钢进行t i g 焊时，能够将焊接速度提高到2 5 4m m i n ，而不 会出现咬边现象。h i c k e n 等人通过对不锈钢、铝合金以及合金钢等材料 进行试验后，发现电弧受磁场影响而前倾后，作用于熔池上的力大大削 一件利示踪磁摔l u 弧椤动焊缝跟踪信号分析1 j 处理 弱表向张力的影响，使液态金属能够均匀、自由地流淌。而a n d o 等人 认为未加磁场时，等离子流能够排开液态金属，并使熔池底部的熔化层 厚度随着焊接速度的增加逐渐变薄，最终裸露出一个固体表面，该表面 阻碍了液态金属的自由流动，使焊缝成形变差。当施加磁场使电弧前倾 后，液态金属向前流淌，熔池底部就难以出现固体表面。但如果磁场使 电弧后倾则会使液态金属将向后流动，这样固体表面更易产生，焊缝成 形恶化加剧。 1 3 2 磁摆弧工艺 磁摆弧工艺是指采用交变平行磁场垂直于焊接方向作用在t i g 电弧 上，使电弧来回摆动。此工艺有两类功能，其一是通过主动磁场控制来 抑制磁偏吹、改善焊缝成形，可应用于薄板小电流高速焊和窄间隙焊接 等场合；其二是提高焊缝组织性能、减少热裂纹，适合于高强铝合金以 及不锈钢等热裂倾向较严重的材料焊接。 2 0 世纪9 0 年代，哈尔滨工业大学研究了小电流t i g 焊电弧的磁控 特性，发现当磁场频率f 5k h z 时，电弧发生收 缩，而且随着磁场频率的提高，电弧更加收缩。h i c k e n 等人通过试验表 明，磁摆弧工艺能够有效地抑制偏吹、提高焊接速度，并能够改善焊缝 成形、抑制咬边、确保余高均匀一致同时磁摆弧工艺能够提高焊炬的可 达性，适合于焊接位置对焊炬运动要求苛刻的场合。吴启东较早地利用 磁摆弧工艺柬解决窄间隙t i g 焊的侧壁熔合问题，将磁路与焊枪组成一 体，采用脉冲焊接电流与脉冲控制磁场相结合的方式，可以在较宽的范 围内调节侧壁与底板的加热与熔透情况。t s e n g 和sa v a g e 研究了电弧摆 动t i g 焊对h y 80 钢焊缝微观组织和热裂纹的影响，发现磁场频率在 lh z 左右时，亚晶大小和热裂纹倾向大大降低，但高于35h z 的磁摆弧 工艺，却没发现晶粒细化和热裂纹减少的现象；s k o u 和y l e 在这个 领域进行了进一步研究，通过低频( 1h z 左右) 电弧摆动对2 0 4 6 t 6 焊缝 结晶组织和热裂纹的影响，从宏观角度分析了磁弧摆动产生的“交错柱 状晶”是减少热裂纹的原因；卢烨进一步从微观角度分析了磁弧摆动减 少热裂纹的机理，认为磁弧摆动消除了焊缝中偏析严重的羽毛晶组织， 使低熔共晶物呈弥散、细小、断续的特征，从而不利于结晶裂纹的产生 和扩展。 7 ，员十学伊论文 1 3 3 磁旋弧工艺 磁旋弧工艺是指通过外加均匀纵向磁场、非均匀纵向磁场或旋转磁 场”9 】使t i g 焊接电弧发生旋转的一种磁控电弧焊接工艺，该工艺在一定 条件下可改善t i g 焊的焊缝成形【5 0 ，51 1 。 施加均匀纵向磁场后，若电弧中带电质点的运动方向与电弧轴线平 行，则磁场对电弧不产生任何作用。若带电质点的运动方向与外加磁场 具有一定的央角，则带电质点将受到洛伦茨力的作用，其运动将变成沿 磁力线方向的螺旋运动。随着外加磁场强度的增大，螺旋的半径将减小， 从而导致电弧收缩。因此，均匀纵向磁场能够限制电弧的扩散，使电弧 能量更集中，焊缝熔深增加【5 0 ，51 1 。wi e n e c k e 以稳态、轴对称的等离子 电弧为研究对象，指出纵向磁场具有阻止带电粒子横跨其磁力线运动的 作用，可以减弱带电粒子向外的扩散同时因中性粒子向内的扩散不受磁 场的影响而导致弧柱收缩、电弧压力增大从而增加熔深【52 1 。成都电焊机 研究所的康健等人将纵向磁场应用于真空等离子弧焊接，采用强度为几 十分之一特斯拉的磁场就能将大幅度扩展的真空电弧压缩到与电极直径 近似的程度，大大提高了真空等离子弧的熔透能力。 前苏联的b o l d y r e v 和bi r z h e v 以及b u d n i k 等人的研究发现非均匀 纵向磁场中，横向分量对焊接电弧的影响很大，有时甚至处于主导地位， 当横向分量的大小超过总磁场大小的3 时，：电弧发散，焊缝熔深减小； 当横向分量的大小低于上述值时，电弧收缩：，焊缝熔深增大。横向分量 小于3 时，发现电弧收缩程度随着磁感应强度的增加而加大，同时电 弧的气动压力也增大，电弧下端液态层的厚度减小，电弧向母材的传热 条件得以改善，使得焊缝熔深增加。试验结果还表明，当磁感应强度从 0 1t 增加到0 3t 时，熔深提高了2 倍。北京工业大学的徐鲁宁博士 详细分析了非均匀纵向磁场中电弧的受力情况，并建立了电弧模型。 1 3 4 磁再压缩技术 19 8 6 年到l9 91 年f b j ，国内的赵彭生研究了双尖角磁场再压缩等离 子弧的特性，其主要结论有：等离子弧经双尖角磁场再压缩后，能量场 和压力场向长径集中，“双弧”临界电流大幅度提高；进行熔入型焊接时， 可方便地控制焊缝的形状系数：进行小孔型焊接时，可通过调节励磁电流 来改变穿孔能力【5 3 】。 1 3 5 磁控电弧用于焊缝跟踪 湘潭大学洪波等人通过使用由励磁电路驱动的可控电磁铁设备产生 9 活性利示踪融控电弧摆动焊缝口踪信号分析，处理 的变变磁场使电弧产生周期性摆动的方法 5 4 l ，通过硬件滤波与软件处 理，将所得信号结合相应的信号处理算法比对同一周期内焊缝中心两侧 的电压面积积分值，准确识别了焊缝特征信号并在v 型坡口工件上实现 了焊缝跟踪”o ”5 5 j 。 图l5 励磁电路与磁场发生装置 北京工业大学殷树言等人设计了水冷磁控电弧旋转机构，通过依次 励磁的环形电磁铁阵列实现磁场中电弧的旋转，此方法l l ：以保证电弧与 工件的各个接触点到焊炬距离不变，不会引入如摆动情况下的弧长周期 性变化所带来的强信号干扰5 6 5 ”。 图i6 磁控电弧旋转原理示意图 1 4 活性化钨极氲弧焊( a - t 1 6 焊) 概述 钨极氩弧焊 5 8 5 9 1 是以氩气作为保护气体，钨极作为小熔化极，借助 钨电极与焊件之削产，的电弧，加热熔化母材( 同时添加焊丝也被熔化) 实现焊接的方法“6 ”。氩气用于保护焊缝余属和钨电极熔池，在电弧加 热区域不被空气氧化。在焊接镁、铝 但该方法的主要缺点是焊接速度低、 6 5 6 。 钛及其台余 ，得到r 泛的应用【6 4 1 焊缝熔深浅，因此生产效率低c 6 0 6 3 针对t i g 焊的缺点，乌克兰的巴顿焊接研究所于上世纪6 0 年代研 究开发出来种基于t i g 焊技术的焊接新工艺揖7 0 1 i7 。7 2 ：a t i g 焊 逋过也传统t i g 焊前将很薄的一层表面活性荆( 简称a t i g 焊活性荆) l u 丽1 “孚14 青论文 涂敷在工件表面，再进行焊接，此种方法在保证焊缝质量的基础上，可 使熔深显著增加，并使焊接变形减小，大大提高了焊接生产效率，从而 降低了生产成本【7 3 】。这种焊接方法适用于不锈钢、碳钢、镍基合会及钛 合会等多种材料的焊接并已经应用于工业生产中的多个领域如电力、汽 车、航天、化工、核工业等重要工业领域5 9 ，61 ，6 2 , 7 4 1 并由于其突出的经 济效益使英、同、美等国对a t i g 焊技术的研究开发也给予了高度重视。 目前针对这二起步较晚，研究尚不充分的新技术，包括世界上三个个最 著名的焊接研究所( p w i 、e w i 、t w i ) 在内的各国科研人员都纷纷致力 于这一新型焊接工艺的研究以期进一步发挥其潜力6 8 川，75 1 。 兰州理工大学的樊丁教授也对a t i g 焊进行了试验研究，其研究试 验材料为低碳钢，选择的活性化焊剂成分为s i 0 2 、t i 0 2 、 c a o 、m g o 、 卤化物和c r 2 0 3 。成功使采用涂活性化焊剂的a t i g 焊其焊缝熔深相比 普通t i g 焊增加1 3 倍。实验表明随着活性化焊剂成分变化，熔深增加 程度也随之变化。排除焊接工艺参数对熔深的影响，活性化焊剂中s i 0 2 对焊缝熔深的增加效果最为明显，t i 0 2 次之，氧化物的影响大于卤化物。 在实验同时发现，活性剂在带来熔深显著变化的i j 时，其电弧电压也有 较为明显的改变。 如图1 7 所示，进行t i g 焊，焊接结果表明，试件上涂覆s i0 2 活性 剂后电弧电压有较大程度的增加，对应焊接参数下电弧电压增加约为 4 2 v ，并随着涂覆量的变化有相应的变化。文献在以材料l f 21 ，涂覆 s i 0 2 、v 2 05 、a f 30 5 情况下，也得到相同的结论，焊接电压都有不同程 度的升高，其中在s i 0 2 作用时，在电流为14 0 a 时，焊接电压升高最多 达到3v j 在a f 30 5 作用下电压增加了2 5v 左右。 t i ga t l g w e l d i n gd i r e c t i o n 活件刺示踪磁控l u 弧摆动t | ；! 缝跟踪信号分析与处理 s o 望 呈 2 图1 7 焊接实验示意图 1 5 本文的研究内容和意义 机械式摆动电弧受到机构限制，其摆动频率不易大幅提高，且需要 码盘等附件装置安装在工作台上以确定实时相对位置，十字滑块工作台 垂直于焊接方向的一个轴在提供周期性焊炬工件相对位置移动的同时 还需要孥固修正信号，对驱动装置与行走机构的要求较高，不易保证其 可靠性。机械式旋转电弧一般可以通过旋转焊丝来提高电弧的扫描频率， 其在m i g 焊接过程中已得到应用对于t i g 焊接过程，由于需要旋转焊 枪本体故其应用受到很大限制。由于电弧对于外加磁场的敏感性，1 通过 施加磁场来控制电弧转动就提供了另一种思路。 本课题采用电弧传感器进行传感，实时性好，设备简单，且使用电 磁方式。实现电弧的摆动，可在添加简单可靠地附加设备后应用于t i g 焊 接过程中，由于无机械结构，故无机械振动，便于控制，不产生额外的 飞溅，还具有价格低廉，可靠耐用等一系列优点，同时由于利用了活性 剂进行跟踪，所以还可以同时达到a t i g 焊接的效果，跟踪过程不受工 件需要具备坡口的条件限制，具有一定应用前景。 本文根据a t i g 焊焊接时，涂覆活性齐l j 引起电弧电压升高的现象， 结合电弧在交变磁场中的运动，对利用涂覆活性剂进行示踪，在电磁摆 动条件下电弧传感焊缝跟踪过程的信号进行分析与处理并对进一步对其 间现象进行分析。 1 ) 建立一套用于基于活性剂示踪磁电弧摆动焊缝跟踪的硬件设备。 2 ) 利用l a b v i e w 软件平台编写配套软件系统。 3 ) 通过对焊接实验所采集信号的分析，设计合理的算法并对焊缝特 征信号进行提取。 4 ) 设计控制器并结合在线处理程序验证方案可行性并分析相关现象 的影响与产生原因。 1 2 硕十学伊论文 2 1 硬件系统 第2 章实验系统 搭设了一个符合下列要求的实验硬件平台： 1 ) 焊接过程参数的稳定性； 2 ) 数据采集的实时性，稳定性； 3 ) 执行机构运动的快速准确。 按照以上要求，使用t i m ew s m 一2 0 0 焊机，工作台，四通步进电 机、步进电机驱动器、运动控制卡组成运动平台。 数据采集系统硬件设备由数据采集前置设备与n 1 6 2 2l 数据采集卡， 研华工业计算机组成。 励磁设备由励磁电路，磁场发生装置等组成。 同时为了便于观察焊接过程中的电弧形态尤其是在磁场中的运动情 况，使用天敏10 m o o n 视频采集卡，松下工业c c d 和配套电缆等设备搭 建了二套视频观测平台。 盼辨k 禹， 图2 1 硬件系统设计 2 2 硬件设备的选择与设置 2 2 1 焊接电源 该实验因为需要测得电压值并从中提取特征信号，故需要在 5 0 12 0 v 之间输出稳定的直流t i g 焊机，现选用w s m 20 0 型逆变式t i g 电源，其参数如下表所示： 活。件刺示踪磁控l u 弧摆动焊缝跟踪信号分析1 j 处理 表2 1 焊接电源参数 2 2 2 运动平台 十字滑块工作台在实验j 中负责改变焊炬与工件的相对位置，并在焊 缝跟踪过程中对修正信号进行响应，在垂直于焊缝的方向进行移动，以 此来进行焊接过程中的实时焊缝对中实现自动焊缝跟踪。本课题焊接试 验焊缝长度一般在4 0 0 m m 左右，故选用6 0 0 6 0 0 m m ，丝杆导程5 m m 的工作台，在x y 两个方向均有一套螺杆、滑块机构，通过在z 轴方向 f 交重叠实现工作台台面在工作范围内的平面运动。 在软件界面上可以设定运动参数( 包括初始速度，加速度，最大速 度，移动步长等) 通过动态链接库调用设备底层驱动，将具体控制信号 通过运动控制卡传入驱动器中，驱动器根据自身设置对传入信号进行相 应并对步进电机发出指令，步进电机旋转带动两端固定在工作台轨道下 方的螺杆旋转，套在螺杆上的工作台滑块移动带动上层工作台台面的移 动。 _ 一l ? 绦强z ；：硼旗， 咆 图2 2 硬件系统 1 4 。咖i怨、斗冒。l 硕十学伊论文 步进电机作在运动平台中属于动力装置，具有转矩大，惯性小，响 应频率高，控制精确，无累计误差等优点；驱动器在整个运动平台中起 到重要作用，其精度与响应速度均会对试验效果产生影响【7 6 ，77 1 。 实验中一般焊接速度约为15 2 0 c m m i n ，驱动器对步进电机的输出 脉冲数约为 3 0 0 4 0 0 p l u s s ，根据此要求选用四通 8 6 b y g 35 0 cl s a k s m l 。0 6 0 1 型三相混合式步进电机，步距0 6 0 1 2 0 ， 静态相电流6 a ，电压2 4 7 0 v ( d c ) ，保持转矩7 0 n m ，选用的驱动器 为四通s h30 8 6 步进电机细分驱动器。 步进电机的矩频特性曲线如图2 3 所示： i 技。饼毡府。l b vx 辔珏宠营 i l 、 - 荤 唧i e 打止 ：；i 1 o1 0 oo oo1 0 o o 寿毛：宅( r p mj 图2 3 步进电机矩频曲线 表2 2 步进电机技术参数 供电电源 24v 一70v d c ，容量0 2k v a 输出电流 驱动方式 励磁方式 绝缘电阻 绝缘强度 有效值6 a 相( m a x ) ( 输出电流可由面板拨码开关 设定) f 弦波恒流p w m 控制 4 0 0 步转，5 0 0 步转，6 0 0 步转，7 5 0 步转，l0 0 0 步转，15 0 0 步转，2 0 0 0 步转，25 0 0 步转，3 0 0 0 步) 姨。3 7 5 0 步f 转。5 0 0 0 步7 转。6 0 0 0 步7 辕15 0 0 步7 转。1 0 0 0 0 步7 转，、5 0 0 0 步7 转，3 0 0 0 0 步转 在常温常压下 50 0m q 在常温常压下o 5 k v ，1 分钟 活性荆示踪磁控i u 弧捏动焊缝p r 踪信号分析上j 处理 所选驱动器接线图如图2 4 所示： 典塑接线图 图2 4 驱动器接线图 脉冲信号输入：驱动器端口内置光耦，其从关断到导通的变化为接 受一个有效脉冲沿指令。对于共阳极而言低电平有效( 共阴为高电平有 效) ，此时驱动器将按照相应的时序驱动电机运行二步，对于驱动器的f 常运行来说，有效电平信号占空比应在5 0 以下，为了确保脉冲信号的 可靠响应，脉冲有效电平的持续时i 日j 不应小于5 “s 。该驱动器的信号最 高响应频率为8 0 k h z ( 受控制器端口带载能力影响) ，过高的输入频率 将可能得不到正确的响应。 方向信号输入：单脉冲模式下该端的内部光耦的通、断被解释为电 机运行的两个方向。输入信号的改变使电机运行的方向在下一个响应周 期中发生变化。此端置空则默认输入高电平。当不需要换向时，此端可 以悬空j 双脉冲模式下本端口接受反转脉冲，接口要求与脉冲输入端口 一致。 脱机信号输入：内部光耦导通时电机相电流被切断，转子处于自由 状念( 脱机状态) 。当不需要此功能时，脱机信号端可悬空。 三路输入信号在驱动器内部接成共阳极方式，所以须接外部系统的 v c c ，如果v c c 是+ 5 v 则可直接接入；如果v c c 不是+ 5 v 则须外部另 加限流电阻保证给驱动器内部提供8 15 m a 的驱动电流。本系统通过运 动控制卡m c6 212 提供的+ 5 v 直接接入。 通过驱动器侧板第5 位开关可选择单脉冲模式( 第5 位为o n ) 或 双脉冲模式( 第5 位为o f f ) 。单脉冲模式下步进脉冲由脉冲端口接入， 由方向端口的电平高低决定电机的运转方向：双脉冲模式下，驱动器从 1 6 硕t