基于激光光電法的GTAW全熔透實(shí)時(shí)檢測與控制.pdf

1、在GTAW焊接自動(dòng)化過程中，保證焊縫質(zhì)量的有效方式是實(shí)時(shí)采集焊接過程熔透信息并設(shè)計(jì)合理的控制方案形成閉環(huán)控制。而控制模型的建立和傳感方法的選擇是其中的關(guān)鍵。熔池表面承載著大量表征焊縫質(zhì)量的信息，無論是熔池自由表面三維形貌，還是在受激狀態(tài)下熔池表面的振蕩狀態(tài)，都與焊縫質(zhì)量的重要參數(shù)熔深和熔透有直接的對(duì)應(yīng)關(guān)系，建立熔池表面動(dòng)態(tài)行為與焊接質(zhì)量參數(shù)的定量關(guān)系，將為建立 GTAW全熔透控制模型提供數(shù)據(jù)支持。因此，本文利用熔池表面良好的類鏡面反射特

2、性，以及光電轉(zhuǎn)換器傳感效率高、結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)點(diǎn)，提出了一種基于光電轉(zhuǎn)換的新方法—激光光電法，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)熔池表面特征信息的實(shí)時(shí)檢測與傳感。
　　本研究主要內(nèi)容包括：⑴在介紹了激光光電法傳感光電信號(hào)過程的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步提出了利用該方法在直流GTAW和脈沖GTAW焊接條件下的全熔透檢測與控制原理，并設(shè)計(jì)了以LABVIEW為主體，嵌入MATLAB節(jié)點(diǎn)做為支撐的軟件系統(tǒng)，配套搭建了相應(yīng)的硬件控制平臺(tái)。⑵通過對(duì)直流GTAW焊接過程中采集的光電信

3、號(hào)進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)熔透狀態(tài)從未熔透轉(zhuǎn)變?yōu)榕R界熔透時(shí)熔池表面由凸面突變?yōu)榘济?，激光反射條紋快速聚焦，從而引起光電法電壓信號(hào)迅速變化的現(xiàn)象。利用該特征現(xiàn)象，基于實(shí)驗(yàn)建模法構(gòu)建了經(jīng)典控制理論中單輸入單輸出（SISO）的全熔透控制模型，其中光電信號(hào)作為輸入信號(hào)，背部熔寬作為輸出信號(hào)，并通過仿真驗(yàn)證了該模型具有良好的動(dòng)態(tài)性能和穩(wěn)定性。接著設(shè)計(jì)了焊接全熔透控制方案，對(duì)不同板厚的304不銹鋼分別進(jìn)行了全熔透控制試驗(yàn)，最終獲得了良好的焊縫成形，其正、背面

4、熔寬均勻，熔深一致，這證明了全熔透控制試驗(yàn)平臺(tái)以及控制方案具有良好的實(shí)時(shí)性、可靠性和穩(wěn)定性。⑶直流GTAW對(duì)于熔池表面信息的傳感屬于被動(dòng)方式，而基于激光光電法的脈沖GTAW通過傳感熔池振蕩頻率來反映熔透狀態(tài)則屬于主動(dòng)檢測方法。首先利用機(jī)理分析法，建立了脈沖GTAW不同熔透狀態(tài)下熔池振蕩頻率與背部熔寬的SISO模型，并將實(shí)驗(yàn)測量數(shù)據(jù)與計(jì)算值進(jìn)行了對(duì)比，結(jié)果表明所建立模型輸出量對(duì)應(yīng)于的輸入量的變化趨勢與實(shí)驗(yàn)值基本相符，該模型可應(yīng)用于步進(jìn)焊接

5、條件下的全熔透控制。根據(jù)熔透狀態(tài)從未熔透轉(zhuǎn)變?yōu)槿弁笗r(shí)，熔池振蕩頻率突變的現(xiàn)象，設(shè)計(jì)了步進(jìn)焊接條件下的全熔透控制方案，對(duì)不同板厚、不同步距的試樣進(jìn)行熔透控制試驗(yàn)，最終均獲得了均勻一致的焊接接頭。⑷對(duì)于激光光電法全熔透控制系統(tǒng)，要求對(duì)于實(shí)際工況下多種干擾因素具有較強(qiáng)的自適應(yīng)性。在存在步進(jìn)焊接步距、對(duì)縫間隙和錯(cuò)邊量、散熱條件變化等干擾因素下，分別進(jìn)行了基于激光光電法的全熔透控制試驗(yàn)，結(jié)果表明：該控制系統(tǒng)對(duì)以上影響因素具有良好的自適應(yīng)性，控制