基于P-GMAW擺動電弧傳感的窄間隙坡口寬度自適應焊接

劉文吉,楊嘉昇,岳建鋒,肖 宇

(天津工業大學 機械工程學院,天津 300387)

焊接自動化可以有效提高焊接質量與效率。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成本[1-4]。因此,窄間隙自動焊在中厚板、厚板焊接中的應用越來越廣泛。理想狀態下,焊槍運動與焊縫重合,坡口寬度均勻;實際生產中,坡口組對誤差、焊接熱變形等因素會導致坡口寬度不一致。為了保證良好的焊縫成型,自動化焊接過程中需要根據坡口寬度變化調整相關焊接參數,保證側壁熔合和均勻的焊層厚度[5-9]。

為了適應坡口寬度變化,雷家琦等[10]發明了一種接觸式傳感器,通過左右兩根觸桿檢測坡口位置。針對不同的坡口,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]發明了一種旋轉電弧自適應擺動裝置和方法,采用CCD攝像機獲取坡口信息、通過步進電機驅動水平直線滑臺實現旋轉電弧整體擺動,從而適應坡口寬度變化和位置偏差。Cagtay等[12]采用人工神經網絡作為建模工具,開發了一種電弧傳感器,用于估算坡口寬度,該電弧傳感器能夠適應過程參數的變化以及焊槍擺動的變化,但針對不同焊接試件,需要對電弧傳感器模型進行再訓練,訓練時間長且沒有闡明底層原理。上述研究分別采用了接觸式傳感、視覺傳感、電弧傳感來獲得坡口寬度的偏差。其中電弧傳感器的經濟優勢明顯,它是依據焊接電弧信號的變化判斷焊槍與坡口的相對位置,不需要額外配置其他設備,結構簡單[13-18]。視覺傳感器的可靠性受焊接過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境的影響,其檢測精度取決于焊接過程中電弧的穩定性,對信號處理、偏差提取算法提出了更高的要求。

針對中厚板窄間隙焊接過程中坡口寬度不一致的問題,本文研究了變坡口寬度的脈沖熔化極氣體保護焊(P-GMAW)電弧信號的傳感特征,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的調整方式,為單道多層窄間隙焊接自動化提供必要的技術基礎。

1 坡口寬度變化導致的焊接缺陷

在組對誤差和熱變形的影響下,坡口寬度會發生變化,如圖1(a)所示。有經驗的焊工能夠根據坡口變化,實時調整手上焊槍的擺動幅度和行進速度,從而保證良好的焊縫成形。但是,自動化焊接過程中,焊槍是按照預先設定的程序,沿規劃路徑進行運動的,它并不能感知坡口的變化,更不會做出相應的調整。因此,當坡口變寬時,易產生側壁未熔合缺陷;而當坡口變窄時,易引起“咬邊”缺陷。如圖1(b)所示,坡口寬度變化時,如果維持預設的焊接速度不變,會造成焊層厚度不一致,并影響后續焊層的成型。

圖1 坡口寬度變化和焊接質量問題

2 電弧信號特征與坡口寬度變化量的相關性

2.1 P-GMAW擺動電弧傳感坡口寬度的原理

P-GMAW焊機多數采用I/I控制模式,即脈沖階段和基值階段均保持恒流特性。為了保證弧長的穩定,焊接電源通過監測與弧長成正比的電弧電壓,然后調整基值時間、改變脈沖頻率,從而改變焊接平均電流,進而改變焊絲熔化速度,達到調節弧長的目的。當電弧變長時,基值時間變長,脈沖頻率降低,焊接電流減小;反之,電弧變短時,基值時間變短,脈沖頻率升高,焊接電流增大。為了具備更好的弧長調節速度,福尼斯TPS3200電源對I/I特性進行了修正,在調節脈沖頻率的同時也對峰值電流和基值電流進行調整,電弧突然變短時,除了增加脈沖頻率外,峰值電流和基值電流也適當的增大。

P-GMAW電弧傳感原理是建立在上述弧長控制機制的基礎上的。如圖2所示,相同擺動幅度條件下,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,采集到的焊接電流變小。通過檢測焊接電流的變化可以獲得電弧長度的變化,進而計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的焊接電流信號的平均值作為峰值電流,將低于80 A的焊接電流信號的平均值作為基值電流,將兩個脈沖極值之間的焊接電流信號的平均值作為平均電流。

圖3 特征信號的提取

擺動電弧傳感中常用的偏差提取算法有兩種,積分法和側壁平均法。如圖4所示,積分法是將焊炬一個擺動周期內的全部電流信號進行積分,然后用平均值與標準坡口的積分均值比較計算偏差。

圖4 擺動電弧傳感偏差提取算法

側壁平均法是采樣焊槍到達左右側壁位置后一段時間內的電流值,計算左右側壁位置電流值的平均值,將其與標準坡口的側壁均值進行比較計算偏差。針對同一焊接過程,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的影響,但對偏差的靈敏度較低;側壁平均法的實現簡單,靈敏度高。應用側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 特征信號的選擇

雖然脈沖焊模式下峰值、基值和均值3種特征信號都可以反映坡口寬度的變化,但各種特征信號的靈敏度和穩定性不同。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行焊接實驗,其中,Δx為實驗設定的坡口寬度偏差。采集實驗電流信號,并使用側壁平均法提取并計算峰值、基值和均值電流,比較各個特征信號的靈敏度與穩定性。實驗采用的工藝參數如表1所示。

表1 焊接工藝參數

圖6 不同偏差的擺動焊接實驗示意圖(單位:mm)

圖7是不同偏差下3種電流信號特征的變化值,可以看到,隨著偏差的增大,3種電流特征值呈減小的趨勢,其中平均電流對偏差的靈敏度最高,峰值電流次之,基值電流最低。在穩定性方面,實驗數據中峰值電流容易出現異常值,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和無偏差的數據無重合,可以可靠區分。經過回歸分析,±0.8 mm偏差范圍內側壁平均電流與坡口寬度變化量存在近似線性關系。

圖7 不同偏差下3種電流信號特征的變化值

為了驗證上述電弧傳感檢測坡口寬度的方法,對一段由窄變寬的窄間隙坡口進行焊接實驗,采集側壁電流信號進行處理得到平均電流,結果如圖8所示,可以看到隨著焊接的進行,坡口寬度變寬,焊接側壁平均電流整體逐漸降低,說明焊接側壁平均電流可以反映坡口寬度的變化。

圖8 坡口寬度發生變化的焊接平均電流

基于上述結果,在焊接過程中,可以通過計算當前擺動周期側壁位置平均電流值與標準坡口側壁平均電流值的差值得出坡口寬度變化量。

3 坡口寬度跟蹤過程中的焊接參數調整

3.1 擺動幅度度調整

當坡口寬度發生變化時,為了避免側壁未熔合和“咬邊”缺陷,需要根據坡口寬度變化量對擺動幅度進行調整。當坡口變寬時,需要增大擺幅;當坡口變窄時,需要減小擺幅,且擺幅的增減量和坡口寬度變化量相等,從而保證焊槍擺動到左右極限位置時焊絲與左右側壁的距離恒定。

因擺動電弧傳感器的檢測周期是一個擺動周期,所以每一個擺動周期計算一個坡口寬度變化量,擺動幅度隨之調整一次。假設當前擺動周期的擺動幅度為Sw′,坡口寬度變化量為Δx,則調整后的擺動幅度為

Sw=Sw′+Δx

(1)

3.2 焊接速度調整

保證焊層厚度一致,有利于后續焊層的填充。假設焊絲形成熔滴后全部過渡到坡口中形成焊縫, 則控制焊層厚度的計算依據是 “焊機送絲量=焊縫體積”。根據具體的焊接機器人的條件,控制焊層厚度有兩種方式:1)控制送絲速度,改變單位時間內焊絲的填充量;2)控制焊接速度,改變單位時間內需要填充的焊縫體積進而控制焊層厚度。本文采用第2種方式,通過調整焊接速度維持焊層厚度。

為保證每個焊縫周期的焊層厚度一致,假設焊縫橫截面的凸凹度為0,如圖9所示,提取焊縫中一個擺動周期的焊縫體積進行研究。

圖9 一個擺動周期的焊縫體積

一個擺動周期的送絲量為

(2)

式中:vc為送絲速度;d為焊絲直徑;f為焊槍擺動頻率。

由于每一層焊接工藝參數是確定的,可以根據標準坡口尺寸,計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。

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

(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,根據電弧傳感器每個擺動周期計算出寬度偏差,通過調整焊接速度,可以在坡口寬度發生變化時,保證焊層厚度均勻。

3.3 根據坡口寬度變化量對各焊接參數的調整流程

在焊接過程中,當電弧傳感器檢測到坡口寬度發生變化時,焊接控制系統需要根據電弧傳感器對焊槍的運動進行調整,流程如圖10所示。電弧傳感器通過霍爾傳感器對焊接電流進行采集,完成一個擺動周期內焊接電流的采集后,提取焊槍在左右側壁一段時間的電流計算平均值,最后再與標準坡口的側壁平均電流值比對,通過對應的關系計算出坡口寬度變化量。

圖10 跟蹤坡口寬度過程中的焊接參數自適應調整流程

電弧傳感器計算完成后將坡口寬度變化量傳輸給焊接控制系統,根據推導的擺動幅度和焊接速度計算公式,同時對焊槍擺動電機和焊接行走電機進行調整,通過調整使得擺動過程中焊絲到側壁維持最佳間距(保證側壁焊接質量)以及焊層厚度一致。

4 擺動電弧傳感坡口寬度自適應焊接實驗

4.1 系統構成

系統原理圖如圖11所示,電弧傳感器由霍爾傳感器采集電弧信號,經A/D轉化后通過數字信號處理器計算左右極限位置的平均電流特征參數,并進一步轉換為坡口寬度的變化量,然后通過RS-485總線發送給焊接系統的主控制器。焊槍擺動到側壁時,設置了停留時間,不僅有利于側壁熔合,也有利于對側壁焊接電流的采集?；赟TM32F407微處理器設計了主控制器,對各焊接參數進行控制。主控制器在獲得電弧傳感器發送的坡口寬度變化量后,根據自適應算法,調整焊槍的擺動幅度、焊接速度,保證側壁熔合和焊層厚度填充均勻。

圖11 系統原理圖

4.2 坡口寬度自適應實驗

為了驗證自動適應坡口寬度焊接方法的可行性,實驗方案和坡口形式如圖12所示,采用8°窄間隙坡口,試件長度180 mm。將焊接起始端坡口底部寬度設置為6 mm,末端坡口底部寬度設置為10.5 mm,比起始端加寬了4.5 mm,形成由窄變寬的焊縫。如果焊接系統能夠對擺幅和焊接速度做出相應的調整,會得到成型良好的焊縫和均勻的焊層厚度;否則,在設定的實驗條件下,將會導致側壁未熔合,焊層厚度逐漸變薄的問題焊縫。

圖12 實驗工件示意圖(單位:mm)

實驗結果如圖13所示,從圖13(a)可以看出, 系統能夠根據坡口寬度變化及時調整焊槍擺幅,保證了側壁熔合質量。從圖13(b)可以看出,隨著坡口變寬,控制系統不斷地降低焊接速度以保證焊層厚度。傳感誤差的統計結果如圖13(c)所示,可以發現最大偏差為0.8 mm,且僅占焊接過程中總量的13%,可以滿足坡口寬度自適應焊接的需要。由圖13(d)焊縫實物照片可以看到,焊層厚度一致,成型良好。因此,基于擺動電弧傳感調整相關焊接參數,自適應焊縫坡口寬度的方法可以有效地解決焊接坡口組對誤差和熱變形產生的不利影響。

圖13 坡口寬度自適應焊接驗證

4.3 適用性分析

將擺動周期分解為4部分,在1/4擺動周期和2/4擺動周期之間完成左側壁電流的采集,在3/4擺動周期和4/4擺動周期之間完成右側壁電流的采集,在4/4周期開始偏差的計算、發送、焊接參數調整值的計算,用時在10 ms以內。由于需要在下一擺動周期開始前完成上述步驟,故4/4周期不能低于10 ms,即擺動頻率要低于25 Hz。焊槍擺動受機械系統慣性的制約,擺動頻率不會超過5 Hz,所以設計的傳感系統滿足常規焊接系統對靈敏度和實時性的要求。

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。本研究僅適用于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電弧的影響是不同的,電弧信號的變化規律也是不同的,需要根據具體的坡口形式重新標定電弧信號與偏差的關系。雖然本研究的實驗數據是基于于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調整的方法對其他形式的坡口仍具有借鑒作用。

5 結 論

窄間隙焊接過程中,焊接工件的坡口寬度變化會導致側壁未熔合或者咬邊缺陷的發生,引起焊層厚度不一致。采用脈沖周期內的平均電流作為傳感坡口寬度的特征信號,應用側壁平均法,可以有效區分±0.8 mm的坡口寬度偏差。在獲得坡口寬度偏差后,通過調整擺幅和焊接速度,可以得到成形良好、厚度均勻的焊縫?；陔娀鞲凶赃m應坡口寬度的方法,可以用于應對窄間隙自動焊過程中組對誤差、熱變形等因素引起的坡口寬度變化。