基于激光光電法的GTAW全熔透實時檢測與控制.pdf

1、在GTAW焊接自動化過程中，保證焊縫質量的有效方式是實時采集焊接過程熔透信息并設計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鍵。熔池表面承載著大量表征焊縫質量的信息，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)，都與焊縫質量的重要參數熔深和熔透有直接的對應關系，建立熔池表面動態(tài)行為與焊接質量參數的定量關系，將為建立 GTAW全熔透控制模型提供數據支持。因此，本文利用熔池表面良好的類鏡面反射特

2、性，以及光電轉換器傳感效率高、結構簡單等優(yōu)點，提出了一種基于光電轉換的新方法—激光光電法，可以實現(xiàn)對熔池表面特征信息的實時檢測與傳感。
　　本研究主要內容包括：⑴在介紹了激光光電法傳感光電信號過程的基礎上，進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，并設計了以LABVIEW為主體，嵌入MATLAB節(jié)點做為支撐的軟件系統(tǒng)，配套搭建了相應的硬件控制平臺。⑵通過對直流GTAW焊接過程中采集的光電信

3、號進行分析，發(fā)現(xiàn)熔透狀態(tài)從未熔透轉變?yōu)榕R界熔透時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迅速變化的現(xiàn)象。利用該特征現(xiàn)象，基于實驗建模法構建了經典控制理論中單輸入單輸出（SISO）的全熔透控制模型，其中光電信號作為輸入信號，背部熔寬作為輸出信號，并通過仿真驗證了該模型具有良好的動態(tài)性能和穩(wěn)定性。接著設計了焊接全熔透控制方案，對不同板厚的304不銹鋼分別進行了全熔透控制試驗，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平臺以及控制方案具有良好的實時性、可靠性和穩(wěn)定性。⑶直流GTAW對于熔池表面信息的傳感屬于被動方式，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)則屬于主動檢測方法。首先利用機理分析法，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，并將實驗測量數據與計算值進行了對比，結果表明所建立模型輸出量對應于的輸入量的變化趨勢與實驗值基本相符，該模型可應用于步進焊接

5、條件下的全熔透控制。根據熔透狀態(tài)從未熔透轉變?yōu)槿弁笗r，熔池振蕩頻率突變的現(xiàn)象，設計了步進焊接條件下的全熔透控制方案，對不同板厚、不同步距的試樣進行熔透控制試驗，最終均獲得了均勻一致的焊接接頭。⑷對于激光光電法全熔透控制系統(tǒng)，要求對于實際工況下多種干擾因素具有較強的自適應性。在存在步進焊接步距、對縫間隙和錯邊量、散熱條件變化等干擾因素下，分別進行了基于激光光電法的全熔透控制試驗，結果表明：該控制系統(tǒng)對以上影響因素具有良好的自適應性，控制