[发明专利]窄间隙焊缝偏差的脉冲电弧传感检测方法

说明书

技术领域

本发明属于焊接技术领域，特指一种窄间隙焊缝偏差的脉冲电弧传感检测方法，尤其涉及摇动式和摆动式窄间隙脉冲电弧焊接的焊缝偏差检测。

背景技术

窄间隙电弧焊是一种适用于金属厚板的高效高质量焊接方法，能够大幅减少焊缝截面积，降低焊接热输入，提高焊接效率和焊接接头性能。窄间隙电弧焊接方法有直流电弧焊工艺和脉冲电弧焊工艺之分，其中脉冲电弧焊工艺可明显提高电弧挺度和焊接过程稳定性，减低焊接热输入，特别适用于高强钢和空间位置的焊接场合。

窄间隙电弧焊方法虽然在厚板焊接中优势明显，但也有其自身的技术难点。一是，为了获得足够的坡口侧壁熔透，需要采用特殊的焊接设备和电弧运动控制技术，如：利用脉冲电流、电弧摇动、电弧摆动、电弧旋转、多丝多电极等工艺技术，可以较好地解决窄间隙焊接时坡口侧壁不易熔合的问题；二是，为了保证焊接坡口两侧获得均匀的熔透，需要保证焊炬与焊缝中心的对中，也就是要解决焊缝跟踪问题，而焊缝偏差传感检测又是焊缝跟踪技术之关键。

焊缝偏差的传感检测方法，常用的有三大类：机械接触式、视觉式和电弧传感式。其中，电弧传感方法利用电弧自身作为传感器，通过一定算法直接从焊接电弧电信号（电弧电流或电弧电压）中提取反映焊炬与焊缝中心偏差的信息，具有非接触、低成本、在焊接区域不需要附加传感装置、不受弧光和飞溅干扰等突出优点，受到了特别的关注。 

针对直流电弧焊接工艺，基于积分差值法的焊缝偏差电弧传感检测方法较为有效。如：王加友等在“窄间隙焊缝跟踪电弧传感方法及特性研究”（江苏科技大学学报（自然科学版），2007年第6期）一文中，提出了一种针对高速旋转电弧焊接工艺的窄间隙焊缝跟踪电弧传感检测方法，其通过计算电弧旋转中心前点两侧一定区域内电弧电流信号的积分差值，能够有效地检测出焊缝偏差。但是，对于脉冲电弧焊接工艺来说，难以保证在电弧运动轨迹中点两侧的电弧电流脉冲状态完全一致，使得电弧到达坡口左右两侧壁时的电弧电流脉冲状态可能不同（可能处于脉冲峰值电流期、也可能处于基值电流期），导致即使在相同焊缝偏差下，每次检测到的相同特定区间电弧电流的积分差值可能差别较大，从而引起较大检测误差，因此积分差值法一般不适合脉冲电弧传感检测的场合。

为了提高焊缝偏差的脉冲电弧传感检测精度，尹力在其硕士学位论文《旋转电弧脉冲GMAW焊焊缝跟踪系统的研究》（湘潭大学硕士学位论文，2007年5月）中，提出了一种包络线取值法，其通过对脉冲电流信号进行提取包络线处理，获取包络线脉冲电流峰值和谷值，并结合有限削波处理，来提取V形坡口的焊缝偏差信息。其缺点是：需要通过A/D转换对整个电弧电流信号进行采样，计算程序复杂，检测时间长，检测的实时性和精度都会受到影响；而且，仅适用于旋转电弧的V形坡口焊接场合，不适用于电弧在坡口两侧有停留的摇动（或摆动）电弧窄间隙焊接。

发明内容

针对现有焊缝偏差电弧传感检测技术存在的不足，本发明提出一种适用性强、检测精度高、实时性好的窄间隙焊缝偏差的脉冲电弧传感检测方法，以便为脉冲电弧窄间隙焊接过程监测和焊缝自动跟踪控制提供实时可靠的信息。

本发明提出的窄间隙焊缝偏差的脉冲电弧传感检测方法的技术方案是：使脉冲电弧在窄间隙坡口内作摆动或往复式圆弧形摇动，并在窄间隙坡口内形成坡口左侧壁停留区间、由坡口左侧壁向右侧壁运动区间、坡口右侧壁停留区间、由坡口右侧壁向左侧壁运动区间，包括以下步骤：

①通过电流传感器检测脉冲电弧的电流信号i_a，并在对该信号进行硬件滤波和脉冲整形等预处理后，直接送入计算机； 

②计算机根据脉冲电弧停留区间信号提取脉冲电弧电流频率信号，并分别计算脉冲电弧在坡口左侧壁停留期间的平均脉冲电流频率F_L和在坡口右侧壁停留期间的平均脉冲电流频率F_R，求差得到焊缝偏差传感信号值ΔF_S=F_L-F_R；