[發明專利]窄間隙焊接電弧搖動的適應控制方法及裝置

有效

• 申請號: 201410741503.4
• 申請日: 2014-12-09
• 公開（公告）號: CN104439620A
• 公開（公告）日: 2015-03-25
• 發明（設計）人: 王加友;朱杰;蘇娜;楊茂森;黎文航
• 申請（專利權）人: 江蘇科技大學
• 主分類號: B23K9/095
• 分類號: B23K9/095
• 代理公司: 南京經緯專利商標代理有限公司 32200
• 代理人: 樓高潮

技術領域

本發明涉及焊接技術領域，特指一種在坡口寬度變化條件下對窄間隙焊接電弧運動進行適應控制的方法及裝置。

背景技術

窄間隙熔化極氣體保護焊是一種高效、高質量、低成本的焊接方法。在實際窄間隙焊接過程中，往往由于受坡口加工誤差、工件裝配誤差、焊接熱變形等因素的影響，會導致坡口寬度大小和焊縫中心位置發生變化，使得即使采用搖動電弧焊接法、高速旋轉電弧焊接法、蛇形焊絲焊接法等控制坡口側壁熔透的新工藝也不能保證電弧始終均勻有效地加熱坡口側壁，同時也難以保證獲得穩定的焊縫高度，從而影響焊接質量。對于這種坡口寬度變化的變坡口焊接問題，需要引入針對電弧位置的適應控制機制。

日本專利號為JP55048475A、名稱為“窄間隙自動焊接方法”的專利文獻中，公開采用輪式彎絲機構使焊絲預先產生圓弧狀彎曲變形，電機通過蝸輪蝸桿裝置驅動門板式搖動機構，帶動從直型導絲管中心孔送出的呈圓弧狀彎曲狀態的焊絲端部的電弧，在窄間隙坡口內作往復式搖動；同時，通過錐形輥輪接觸式探頭探測坡口寬度，并通過與輥輪探頭機構相連的電位差計將坡口寬度變化轉換成電信號，最后通過門板式搖動機構控制焊絲搖動角度，以自動適應坡口寬度的變化。其缺點是：1）輪式彎絲機構和蝸輪蝸桿式搖動機構復雜，不方便調節焊絲彎曲度和電弧搖動半徑；2）焊絲預變形和搖動導向機構遠離焊絲伸出端，使得焊絲從導電嘴送出后搖動規則性不強；3）接觸式坡口寬度傳感探頭易磨損，且傳感檢測點與焊接電弧位置不同步，使得傳感精度較低；4）搖動控制裝置可控性較差，導致電弧搖動控制精度下降。

中國專利號為ZL200810236274.5、名稱為“搖動電弧窄間隙熔化極氣體保護焊接方法及裝置”，采用空心軸電機直接驅動微彎導電桿繞焊炬中心軸線往復運動，帶動從直型導電嘴中心孔送出焊絲端部的電弧在窄間隙焊接坡口內作圓弧形搖動，實現搖動電弧窄間隙焊接。該發明克服了上述先有技術的不足，無需對焊絲進行遠程預變形處理，而是直接通過折彎導電桿為焊絲提供末端彎曲導向，從而簡化了電弧搖動機構設計，并使得焊絲搖動規則性強，電弧指向性好，電弧搖動控制精度高；此外，通過采用不同折彎角度和折彎長度的彎曲導電桿，可方便地調節電弧搖動半徑，以適應不同坡口寬度的焊接應用。其缺點是：對于常見的變坡口窄間隙焊接應用，未涉及具體的實施技術方案，難以使變坡口窄間隙焊接工藝實用化。

發明內容

針對現有技術存在窄間隙坡口寬度提取精度低、電弧搖動控制精度不高、焊接環境適應性不強等缺點，本發明提出一種控制精度高、工程實用性強、環境適應性好、實施方便的窄間隙焊接電弧搖動的適應控制方法及裝置，根據紅外視覺傳感器檢測坡口寬度信息，并通過折彎導電桿式搖動電弧焊炬實時調整電弧搖動角度，實現根據坡口寬度變化對電弧搖動角度的自適應控制。

本發明提出的窄間隙焊接電弧搖動的適應控制裝置采用的技術方案是：包括窄間隙焊炬，窄間隙焊炬中的折彎導電桿一端與電機驅動及饋電機構相連、另一端與直型導電嘴相接，穿過窄間隙焊炬的焊絲伸入坡口寬度變化的待焊坡口中產生焊接電弧；還包括電弧搖動參數控制系統、計算機圖像處理系統以及紅外攝像系統；紅外攝像系統包括數字式紅外攝像機及紅外濾光系統，計算機圖像處理系統包含依次連接的圖像采集卡、坡口寬度提取模塊和搖動角度計算模塊，圖像采集卡通過視頻線與紅外攝像機相連，搖動角度計算模塊的輸出連接電弧搖動參數控制系統。

本發明提出的窄間隙焊接電弧搖動的適應控制裝置的控制方法采用的技術方案是：紅外攝像系統以電弧位置外觸發方式獲取焊接區域紅外圖像，經過計算機圖像處理后，實時提取坡口寬度信息，并根據坡口寬度計算出電弧搖動角度目標值；然后，電弧搖動參數控制系統控制電機驅動及饋電機構直接轉動折彎導電桿，控制電弧在待焊坡口內以目標搖動角度作相對于焊炬的圓弧形軌跡搖動，實現根據坡口寬度變化對電弧搖動角度的自適應控制。

進一步地，本發明窄間隙焊接電弧搖動的適應控制裝置的控制方法具體又包括如下步驟：

在搖動角度計算模塊中，預設電弧搖動半徑r、預留工藝間隙g、坡口寬度變化判定閾值TH_w以及坡口寬度初始值G_s0后，計算出坡口初始寬度G_s0（視同為坡口實際寬度A₀B₀處的采樣值）處所對應的初始搖動角度α₀；然后焊炬與紅外攝像系統一起以焊接速度V_w向前移動，同時電弧搖動參數控制系統通過焊炬控制電弧在待焊坡口內作搖動角度為α₀的往復式圓弧形軌跡搖動；