材料成型控制工程基础第六章课件

1、第6章 焊接过程控制6.1焊接过程控制特点6.2焊接质量自动控制必要性6.3焊接过程传感与控制6.4焊接过程智能控制第1页，共44页。6.1焊接过程控制特点6.1.1 焊接过程控制一般特点（1）由于电弧发出的光、热、声波、飞溅等的干扰，在其它领域可使用的测量技术在近弧区无法使用。另外，埋弧焊时因为熔渣的存在也妨碍了有效的测量（2）电弧焊多半是工件固定电弧移动，要在有电弧的一面检测，必须使检测器与焊炬连接在一起同时移动。这样就必须使用能沿焊缝移动的长探测头，这是相当麻烦的。另外，使用垫板也会使焊缝背面的检测性能变坏。（3）因为近缝区金属处于不稳定的过程与不平衡状态，所以对它的检测要测得很准确也是

2、困难的。因此，在考虑电弧焊的自动控制时，就产生了被控制量检测的困难问题。（1）干扰中有的对控制对象有很大的影响（2）与被控制量的检测相比，容易检测的干扰居多（3）多为事先能预想得到的干扰。2.干扰因素多 1. 被控制量选择的特点第2页，共44页。图6.1 反馈控制系统附加的前馈控制框图 3.控制方式的特点 出于电弧焊过程中干扰因素多和被控制量的检测又较困难(检测性不好)。迄今为止，电弧焊工艺所采用的自动控制方式属于完全的反馈系统的例子较少，而多数是属于干扰控制或前馈控制。一般说来，它多用在反馈系统中，这时的框图如图6.1所示。第3页，共44页。干扰检测出后容易直接控制的系统如图6.2a所示。可

3、以利用干扰检测元件和干扰调节元件，在干扰作用达到控制对象以前，将干扰消除。这种控制方式适合于弧焊中焊缝变动时使用。对于容易预见的干扰，检测元件也就不必要了。可用图6.2b的方式使干扰调节元件按照事先编制程序曲给定值工作，就能对干扰进行补偿。图6.2中的两种方式都属于干扰控制。 图6.2 干扰控制系统框图 第4页，共44页。6.1.2 电弧焊过程控制特点1. 钨极氩弧焊控制特点2. 二氧化碳气体保护焊控制特点3. MIG/MAG焊控制特点4. 埋弧焊控制特点钨极氩弧焊是以不熔化材料钨作电极、采用惰性气体氩气为保护气体的一种电弧焊方法。适合于焊接薄板金属和打底焊。焊缝质量高 。其焊接速度较低 。

4、二氧化碳焊是以熔化材料作电极、采用二氧化碳或二氧化碳和氧气为保护气体的一种电弧焊方法。电弧穿透力强，焊丝熔化率高，抗锈能力强，不可能实现射流过渡，通常采用短路过渡方式。主要优点是成本低，熔池容量很小不易流失，从而可以很方便地进行全位置焊接，它的主要缺点是飞溅较大，焊缝成形不佳，熔深不大，有很大的堆高。 MIG焊是以熔化材料作电极、采用氩气或氦气为保护气体的一种电弧焊方法。MAG焊是以熔化材料作电极、采用富氩混合气体作为保护气的一种电弧焊方法。 埋弧焊以连续送进的焊丝作为电极和填充金属。 埋弧焊可以采用较大的焊接电流。与手工焊相比，埋弧自动焊具有焊缝质量高、生产率高、劳动条件好等优点，但不如手工

5、焊灵活。特别适合于焊接大型工件的直缝和环缝。第5页，共44页。5. 等离子弧焊控制特点1）穿孔型等离子弧焊接穿孔型等离子弧焊接实质是等离子弧穿透工件形成小孔（见图6.3），被熔化的金属依靠表面张力和电弧后推的力量形成熔池。焊枪前进时，小孔在电弧后闭合，形成完全穿透的焊缝。稳定的小孔焊接过程是不采用衬垫实现单面焊双面一次成形的好方法。 图6.3 空孔型等离子弧焊接原理示意图 2）熔入型等离子弧焊接熔入型等离子弧焊接方法基本上和钨极氩弧焊相似，适用于薄板、多层焊缝的盖面及角焊缝的焊接。3）熔化极等离子弧焊接熔化极等离子弧焊接是等离子弧焊和熔化极气体保护焊相结合的一种方法（见图6.4）。图6.4（a

6、）为钨极结构，等离子弧在钨极与工件之间燃烧，适用于厚板深熔焊接或薄板高速焊接。图6.4（b）为水冷喷嘴结构，等离子弧在喷嘴与工件之间燃烧，适用于堆焊。 1焊丝；2导电嘴；3等离子气；4铜喷嘴；5保护气；6保护罩；7等离子弧；8过渡金属；9钨极图6.4 熔化极等离子弧焊枪结构示意图第6页，共44页。6）变极性等离子弧焊接变极性等离子弧焊接是为了解决铝及其合金的等离子弧焊而提出来的焊接方法。其电源的原理与交流方波电源相同。4）微束等离子弧焊接与普通等离子弧焊接的主要区别是工作时转移弧和非转移弧同时存在，使小电流的等离子弧十分稳定。目前成为焊接薄件、微型件的有效方法。5）脉冲等离子弧焊接穿孔型、熔入

7、型及微束等离子弧焊接均可以采用脉冲电流法。基值电流用来维弧，峰值电流用来熔化金属。脉冲频率一般在15HZ以下。脉冲电流法可以提高焊接过程稳定性、控制全位置焊接焊缝成形、减小热影响区宽度和焊接变形。第7页，共44页。6.1.3电阻焊过程控制特点1. 电阻焊工艺电阻焊方法主要有四种，即点焊、缝焊、凸焊及对焊 电阻焊特点在于焊接电流大，通电时间短，设备比较复杂，一次投资大，生产率高，适于大批量生产。2. 电阻焊工艺控制特点 点焊影响因素主要来自以下几个方面： （1）焊机通电回路。包括网压波动、焊接回路感抗及阻抗变化。（2）焊机加压系统。主要是电极压力波动。（3）电极材料及形状。包括电极磨损、电极表面

8、玷污、电极材料与所焊材料不匹配等问题。（4）工件。包括被焊材料的表面质量、厚度及其它焊点分流的影响。（5）冷却条件。包括冷却水冷却状况及电极、工件的散热等因素。第8页，共44页。6.1.4其它熔焊工艺控制特点1. 电子束焊接特点电子束焊接是利用空间定向高速运动的电子束，在撞击工件后将动能转化为热能，从而使被焊工件熔化，形成焊缝。电子束焊接具有焊接质量好、焊缝深宽比大、焊接速度高等优点。但是，电子束焊接设备具有成本高、接头准备和加工要求精确、工件受真空室尺寸限制等缺点。 真空电子束焊机组成 第9页，共44页。2. 激光焊接控制特点激光焊接是利用原子受激辐射的原理，使工作物质受激励而产生的一种单色

9、性高、方向性强、亮度高的光束。它是经过光学系统会聚成很小的、高能量的光点，作为一高能量密度的热源进行焊接的一种方法。激光焊接设备由激光器、光学系统、电气系统及高精度控制多坐标工作台等四个主要部分组成，如图6.7所示。 激光焊机组成 第10页，共44页。3. 电渣焊控制特点电渣焊是一种以电流通过熔渣所产生的电阻热作为热源的熔化焊方法。电渣焊可以一次焊透很厚的工件，生产率高，并且焊缝缺陷少。但要求焊缝为垂直或近似垂直位置，接头冲击韧性较低。 各种形式电渣焊焊接过程示意图1工件；2熔池；3渣池；4导电嘴；5焊丝；6强迫成型装置；7引出板；8金属熔滴；9焊缝；10引弧板；11板极；12导电丝；13熔嘴

10、；14导电板；15涂料管极第11页，共44页。6.2焊接质量自动控制必要性6.2.1 焊接质量的概念焊接质量的概念是指采用焊接工艺制造产品的焊接接头满足产品设计要求的使用性能的程度。 6.2.2焊接质量检测与控制的必要性图6.9 确定焊接条件及参数的焊前准备环节图第12页，共44页。6.2.3焊接质量传感与控制对象图6.10 传统焊接生产过程焊接质量控制环节框图图6.11 现代焊接生产过程焊接质量控制环节框图 第13页，共44页。6.3焊接过程传感与控制6.3.1焊接过程传感器的作用1. 焊接过程传感必要性 满意的焊接过程必需以研究和发展自动化、智能化焊接过程控制系统为基础，而焊接传感器作为焊

11、接过程控制系统重要组成部分，其作用主要有两个方面，即焊接过程的自动跟踪和焊接质量的实时控制。 2. 焊接过程传感器的定义和分类 所谓传感器，应该是一个完整的测量装置，它能将被测的物理量（非电显）转换为与之有确定对应关系的有用的电量（电阻、电容、电感、电压）输出，以满足信息的传输、处理、记录、显示和控制等要求。 在电弧焊中，焊接传感器按照使用目的，可分为三类：第一类传感器主要用于检测构件位置、坡口位置或焊缝中心线位置以达到焊缝位置自动跟踪的目的，简称为焊缝位置自动跟踪传感器。它约占焊接传感器使用总量的80。第二类传感器主要是在焊接过程中用以自动检测焊接条件（例如坡口尺寸等）以实时自动控制焊接工艺

12、参数来适应每一时刻的焊接状况，称为焊接条件实时跟踪传感器。它仅占焊接传感器使用总量的10。第三类传感器可同时完成上述两项功能，它仅占焊接传感器使用总量的10。第14页，共44页。跟踪传感器也可分为直接电弧式、接触式和非接触式3大类。按传感方式可分为附加式传感器和电弧传感器两大类图6.12 焊缝跟踪传感器的类型 第15页，共44页。电弧传感器的基本工作原理是：当电弧位置变化时，电弧自身电参数相应发生变化，从中反映出焊枪导电嘴至工件坡口表面距离的变化量，进而根据电弧的摆动形式及焊枪与工件的相对位置关系，推导出焊枪与焊缝间的相对位置偏差量。电参数的静态变化和动态变化都可以作为特征信号被提取出来，实现

13、高低级水平两个方向的跟踪控制。电弧传感器的最大优势在于它的抗弧光、高温及强电磁能力很强，同时它与焊接电弧总是统一的整体，结构简单紧凑，响应速度快，成本也较低，目前得到了广泛的应用。但是，它只适用于角焊缝、开坡口对接焊缝和窄间隙焊缝，这些接头形式的共同特点是具有对称侧壁。而对于那些无对称侧壁或根本就无侧壁的接头形式，如搭接接头、不开坡口的对接接头等形式，现有的电弧传感器则不能识别。这使电弧传感器焊缝跟踪系统在生产中的应用受到限制。图6.13电弧传感器示例图第16页，共44页。典型的接触式焊缝跟踪传感器是依靠在坡口中滚动或滑动的触指将焊枪与焊缝之间的位置偏差反映到检测器内,并利用检测器内装的微动开

14、关判断偏差的极性，除微动开关式外，检测器判断偏差的极性和大小的方法还有电位计式、电磁式和光电式接触传感器适用于X型、Y型坡口窄间隙焊缝及角焊缝等有可靠接触面的场合。该系统结构简单，操作方便，价格便宜且不受电弧烟尘及飞溅等干扰，也是目前使用比较广泛的一种焊缝跟踪传感器。存在的问题是：对不同的坡口需要不同的探头；探头磨损大，易变形；点固点障碍难以克服，不适于高速焊接。 图6.14 接触式传感器示例图第17页，共44页。图6.15 激光视觉传感器示例图视觉传感器具有获取信息量大、灵敏度高、测量精度高、响应快、与工件无接触等特点，并结合计算机视觉和图像处理的最新技术成果，大大增强了弧焊机器人的外部适应

15、能力。 第18页，共44页。6.3.2焊接过程自动控制系统1. 焊接过程控制的内容电弧焊过程控制主要包括焊接过程程序控制、焊接过程电弧稳定性控制、焊缝位置自动跟踪控制和焊接条件实时跟踪控制。2. 焊接过程自动控制系统组成 焊接自动控制主要目的：提高焊接生产效率。保持焊接参数一致及提高焊接质量稳定性。使焊接生产实现柔性自动化。改善劳动安全卫生条件。增强生产管理的计划性和可预见性。可准确预算材料的消耗量和生产成本。 一般焊接自动控制系统的组成如下：图6.16焊接过程自动控制系统第19页，共44页。6.3.3非熔化极氩弧焊弧长控制电弧电压传感弧长控制电弧电压传感弧长控制法是指利用电弧长度与电弧电压之

16、间有较好的正比关系，通过电弧电压来控制电弧长度（图6.17）。 图6.17 TIG焊电弧电压与电弧长度的统计关系电弧电压信号的提取方法是用一根导线接工件，另一根导线接到焊枪上尽量靠近电弧的一点（如图6.18所示），通过这两根导线则可提取到电弧电压信号。将提取的电弧电压信号送到AVC控制器，进行数据处理，AVC控制器向焊枪垂直运动机构发出指令，按处理结果进行弧长调节，直至提取到的电弧电压信号与给定电弧电压信号的偏差为零。 图6.18 电弧电压法弧长传感与控制系统示意图 第20页，共44页。2. 弧光传感弧长控制弧光传感弧长控制法是指利用弧光总强度与弧长之间的定量线性关系，通过弧光总强度来控制电弧

17、长度。图6.19光总强度与弧长之间的统计关系。 图6.19 弧长与电弧总光强的统计关系 弧光传感弧长控制系统的示意图，如图6.20所示。 图6.20 弧光传感弧长控制系统示意图 第21页，共44页。6.3.4熔化极电弧焊熔滴过渡控制 1. 熔化极短路熔滴过渡控制1）多外特性控制方法多外特性控制方法是利用一种特殊焊接电源来实现的。它拥有两组输出外特性，一组为下降外特性，另一组为上升外特性，如图6.21所示。图6.21 一个焊接电源的两套外特性曲线 整个控制系统的目的是使焊丝熔化金属，通过短路过程平稳而均匀地过渡到溶池，焊缝成形良好、飞溅很小。达到这一目的的动作过程（图6.22）都是由电弧本身传感

18、的电弧电压信息来决定和指挥的。 图6.22 多外特性控制法原理第22页，共44页。2）表面张力控制方法（STT方法）图6.23 STT法控制过程示意图第23页，共44页。3）实时回抽焊丝表面张力控制方法表面张力拉断缩颈的过程实际上是一种液态圆柱体的失稳自动破断过程。当材料种类、温度、周围介质、液态物质质量、与固态物体接触面积等条件一定时，则主要决定缩颈稳定的条件是r/l（缩颈直径r与缩颈长度l的比） 图6.24 焊丝瞬时回抽对缩径失稳影响的示意图大量工艺实验证明，实时回抽焊丝表面张力控制方法不但可以显著降低飞溅率，而且可以在较低的平均电流区间获得稳定的、低飞溅率的短路过渡过程和较满意的焊缝成型

19、。 第24页，共44页。2. 熔化极自由熔滴过渡的传感与控制下面介绍两种典型的射滴过渡适时传感与控制的方法弧光传感脉冲电流稳定射滴过渡适时控制方法实验研究表明：稳定的射流过渡是在电流值达到某一射流过渡临界电流值后（不同焊接直径，临界焊接值不同）产生的。但在提高电流达到临界电流后，并不能直接产生射流过渡，而是先产生一个或数个射滴过渡，然后再很快由射滴过渡转变为稳定的射流过渡。同时发现熔滴过渡弧光信号与熔滴过渡过程的对应关系如图6.25所示，其中弧光强度下凹信号是熔滴过渡的特征信号。图6.25 熔滴过渡弧光信号与熔滴过渡过程的对应关系采用弧光传感器受控稳定射滴过渡闭环控制的过程，如图6.26所示。

20、 图6.26 弧光传感熔滴过渡控制示意图 第25页，共44页。6.3.5焊缝自动跟踪传感与控制1电弧传感焊接对缝跟踪控制电弧传感焊接对缝跟踪控制是利用焊接电弧现象本身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。当焊枪在V型坡口中进行摆动扫描并同时沿焊接方向运动时（图6.28），电弧将一方面沿焊接方向作正弦曲线轨迹运动，另一方面沿V型坡口边缘运动，结果产生H、电弧电流I及喷嘴工件电压UH的周期性变化。图6.28焊枪在V型坡口中摆动时电弧运动情况 第26页，共44页。图6.29 焊枪沿V型坡口摆动时L、I及l的周期性变化第27页，共44页。2视觉传感焊接对缝跟踪与控

21、制目前在焊接中应用较广的是CCD摄像机(如图6.30)，它具有光谱响应宽、动态范围大、灵敏度和几何精度高、噪声低、体积小、重量轻、低电压、低功耗、抗冲击、耐震动、抗电磁干扰能力强、坚固耐用、寿命长、图像畸变小、无残像、可以长时间工作于恶劣环境、便于进行数字化处理和与计算机连接等优点。 图6.30 CCD摄像机结构示意图第28页，共44页。图6.31 焊接区图像传感焊接对缝跟踪控制原理图 1）被动光视觉第29页，共44页。2）主动光视觉图6.32三角测量原理图在实际应用中，采用外加辅助光源并基于三角测量原理(如图6.32)的方法，即主动光视觉应用更为广泛。 第30页，共44页。6.3.6焊缝溶透

22、与熔深的传感与控制焊接条件实时跟踪传感与控制是对焊道形状（高度和宽度）、背面焊形状、熔透深度、容敷量等控制量实施检测和控制。控制参数包括焊接电流、电弧电压、焊接速度和电弧位置。焊缝尺寸是决定焊接接头强度及有关性能的重要因素，因此也是焊接质量控制的重要内容。焊缝尺寸主要包括焊缝宽度B，焊缝熔深H或熔透b（用焊缝背面宽度来表示），焊缝余高h（亦称焊缝加强高）如图6.38所示。 图6.38 焊缝尺寸控制的主要内容 第31页，共44页。1. 熔池振荡法溶透与熔深的传感与控制这种方法是根据液态物体体积与液面自然振荡频率之间的关系，实现从熔池正面来检测熔池的熔透或熔深，从而达到控制它们的目的。在基值电流之

23、上间断地施加瞬时激振脉冲电流激起熔池振荡的方法中，比较成功地应用于生产的方案为“检测熔池谐振实现熔透与熔深的控制”。图6.30为熔池谐振方案的原理示意图。 图6.39 熔池谐振方案原理示意图第32页，共44页。2. 熔池图像法熔透与熔深的传感与控制熔池图像法熔透与熔深传感控制方案的提出是基于焊工在焊接时，就是根据通过焊接面罩观察熔池图像，获得熔透与熔深信息的，通过手工操作，控制电弧位置、角度、运行速度等，达到控制熔透与熔深的目的。 频闪高速摄影机捕捉的熔池图像送到计算机，通过专门的软件进行图像处理，可实时地得到清晰熔池边缘图像。通过实际焊件的大量试验分析获知，二维熔池图像的熔池长度l及拖尾夹角

24、与焊缝熔透（焊缝反面熔宽b）（图6.40）有良好的对应关系，故取l与作为反映熔透的二维熔池图像的几何特征参量。利用神网络原理，通过试验得到大量熔池二维图像l、及焊缝反面熔宽b的数据，对神经网络模型进行训练学习，最后得到能准确反映熔池二维图像几何特征参量（l、）与焊缝熔池背面熔宽b关系的神经网络模型。只要实时检测到l与，作为模型的输入参量，就可以实时地得到输出参量b。图6.40 反映熔透的二维图像几何特征参量 第33页，共44页。3. 熔池红外检测法熔透与熔深的传感与控制焊接时，接头各区的温度不同，所发出的辐射量不同。由于温度不同的金属所发出的红外线波长也不同，故可通过选取适当的波长范围，滤去所有低于一定温度的辐射能，而仅仅检测熔化和接近熔化金属发出的辐射能。基于此原理，采用对红外光谱段敏感