[发明专利]用于手工电弧焊过程的三维焊炬取向的测量

说明书

优先权要求

本申请要求提交于2015年1月5日的题为“Measurement of Three-Dimensional Welding Torch Orientation for Manual Arc Welding Process”的美国临时专利申请62/099,859的优先权，其以引用方式并入文本：

联邦政府资助研究

本发明是在国家科学基金会授予的CMMI-0927707的政府支持下完成的。政府对本发明中具有一定的权利。

背景技术

作为最广泛使用的材料连接技术之一，电弧焊已经开发和精制多年。高质量的焊接对于许多应用(诸如汽车制造、精炼厂和造船)至关重要。焊炬取向被定义为整个焊接过程中的焊炬姿势。它是最重要的焊接参数之一，以及其直接取决于焊接质量和外观。只有在调节好焊炬取向的情况下，才能保证最佳质量的焊接。不适当的焊炬操作引起各种焊接缺陷和间断，诸如焊透差、咬边、多孔和不同类型的裂纹。因此，各种团体和组织都推荐了几乎每个焊接过程的详细的焊炬取向。

通过将这些方法与本公开的其余部分中提出的本方法和系统的一些方面参考附图进行比较，手工焊接的常规方法的局限性和缺点对于本领域的技术人员而言将变得显而易见。

发明内容

提供了用于手工电弧焊过程的三维焊炬取向的测量的方法和系统，结合至少一个附图进行了充分的说明和/或描述，更完整的说明将在权利要求中提出。

附图说明

图1示出了钨极气体保护电弧焊(GTAW)过程中不同焊接类型的焊炬取向。

图2示出了GMAW过程中非合金钢和低合金钢中不同焊接类型的焊炬取向。

图3A-图3C示出了示例性焊炬和IMU，IMU通过硬塑料固定件刚性地安装在焊炬手柄上。

图4-图10示出了根据本公开的方面使用示例性焊炬和IMU进行的各种实验的结果。

具体实施方式

不同的焊接过程可以具有各种参数，诸如焊接电流、电压、焊炬行进速度、焊丝进给速度(如果适用)和焊接焊道数目。推荐的焊炬取向操作可能会相应不同。在图1和图2中分别示出了两种广泛使用的具有焊炬取向要求的焊接过程(钨极气体保护电弧焊(GTAW)和气体金属电弧焊(GMAW))的典型推荐的焊炬姿势，如图1和图2所示。在两个图中示出了每个过程的四种不同的装配类型。对于图1的GTAW过程，示出了用于每种装配类型的焊炬102、电极104、接缝106和焊缝108。对于图2的GMAW过程，示出了用于每种装配类型的焊炬102、接缝106、焊缝108和线112。此外，除了焊炬取向的多样性之外，对于图2中的四种装配类型采用四种不同的焊炬摆动模式110。

在手工电弧焊过程中掌握焊炬操作是具有挑战性的。为了确保焊接质量，在沿着焊缝平稳地移动焊炬时，需要人类焊工维持推荐的焊炬姿势，可能以一个特定的摆动模式。由于焊接领域中的各种干扰，需要相应地调整焊炬以防止对焊接质量的干扰的影响。适当的焊炬取向操作的能力取决于焊工的技能水平和他/她的生理状况。主要的问题是没有经过无数小时的练习，焊工无法通过获得的经验法则来掌握焊炬调节操纵(maneuver)，以及这使得焊工培训周期变得无法忍受的长。此外，始终需要来自焊工的必要的专心，但这不能永远被确保。

可以使用焊炬取向测量来加速焊接训练过程。可以使用焊炬操作数据结合其它关键焊接参数来建立焊接专家表现数据库。通过数据库，可以通过在整个实践中实时检测焊炬取向将焊接受训者的操作与专家的表现进行比较，并且可以立即识别受训者的不正确或不利的操作。因此，音频或视觉指示可以在整个训练实践中作为即时表现反馈提供给受训者。已经发现焊接技术随着这种反馈而显著提高。

检测焊炬操作也提供机会以更好地了解熟练焊工的灵巧焊接操作。考虑到熟练的焊工的焊炬操纵被检测到，可以获得与焊接质量控制有关的焊炬取向的动态。可以进一步建立专家焊接技术的数学公式，其使经验丰富的焊工比不熟练的焊工更好地提供优质焊接。将配制的技能应用到自动焊接将为下一代智能焊接机器人奠定基础，其具有与熟练人类焊工相当的抗干扰能力。另一种可能性是通过调整可以由焊接电源改变的其它焊接参数来补偿在焊炬取向操纵中的误差。