基于電流波形特征的旋轉電弧焊縫跟蹤系統

鐘少濤

基于電流波形特征的旋轉電弧焊縫跟蹤系統

鐘少濤

（廣東福維德焊接股份有限公司）

搭建基于旋轉電弧傳感器的焊縫跟蹤系統并進行電流波形特征分析。首先研究電弧旋轉頻率、焊接高度、坡口角度與焊接電流波形特征之間的關系，獲得最佳焊接參數；然后探究焊接過程中焊接偏差和焊接軌跡轉折點對電流波形的影響，得出在焊接偏差和軌跡拐點處相對應的電流波形特征；最后進行旋轉電弧焊縫跟蹤試驗。結果表明，旋轉電弧焊縫跟蹤系統具有良好的跟蹤效果。

旋轉電弧；焊縫跟蹤；電流波形

0　引言

焊接是現代制造業必不可少的加工手段[1]。現代工業的快速發展使焊接自動化成為發展趨勢，而焊縫跟蹤則是實現焊接自動化的必要前提[2]。

對于接觸式傳感器和光學傳感器等焊縫跟蹤傳感器，其檢測點比焊接電弧有一定的提前量，嚴重影響大弧度焊縫的跟蹤精度[3-4]。電弧傳感器直接使用焊接電流信號進行焊縫跟蹤，抗弧光、高溫及強磁場的能力較強，結構緊湊、成本較低，是目前最有效的焊縫跟蹤方法之一[5-7]。擺動電弧傳感器利用擺動時的電流差獲得電弧軸線與焊縫的偏離信息[8-9]，由于頻率限制，不適合高速焊。高速旋轉電弧傳感器靈敏度高、、結構簡單、成本低、響應快。通過旋轉電弧傳感器采集焊接電流信號后，由計算機測控系統實現焊縫跟蹤。目前，傳統的焊縫偏差識別方法主要有直接測位法[10]、極值差值法[11]、左右區域積分差值法[12]和頻譜法等[13]。然而，由于焊接參數設定往往存在盲目性，上述方法的相關參數通常需要大量的試驗來確定。

本文搭建一個旋轉電弧傳感焊縫跟蹤系統。首先使用不同的焊接參數進行焊接試驗，探究不同焊接參數對電流波形特征的影響；然后進行焊縫跟蹤試驗，研究焊接偏差、焊接軌跡走向對電流波形特征的影響；最后確定最佳焊接參數和焊縫跟蹤策略，進行旋轉電弧焊縫跟蹤試驗。

1　旋轉電弧焊縫跟蹤系統結構

旋轉電弧焊縫跟蹤系統整體結構如圖1所示，由工控機、機器人路徑糾偏系統和旋轉電弧傳感系統3部分組成。旋轉電弧傳感器的軸為空心軸，軸心鉆有直徑2 mm的孔，焊絲從軸的上端穿入，由軸下端安裝的導電嘴中穿出。這樣，旋轉電弧傳感器同時也是一個焊槍，并與機械臂末端工具端固聯在一起，焊槍（即旋轉電弧傳感器）運動的方向、位移和速度均隨機械臂的改變而改變。在焊縫跟蹤過程中，旋轉電弧傳感器電弧掃描坡口；同時霍爾電流傳感器和NI USB6221數據采集卡采集電流信號；工控機處理采集的數據，獲得當前和方向的焊縫偏差，并將偏差信息發送給弧焊機器人控制器；弧焊機器人據此糾正焊槍下一步的位置，從而控制焊槍跟蹤待焊焊縫位置。

圖1　旋轉電弧焊縫跟蹤系統結構圖

2　焊接參數選擇

對焊接電流信號波形特征進行分析，研究電弧傳感器旋轉頻率、焊接高度和坡口角度對焊接電流波形特征的影響，為實現焊縫跟蹤提供依據。

本系統采用MIG焊，保護氣體80%Ar+ 20%CO2；焊接速度由弧焊機器人控制；采用NB-500直流焊機，焊絲采用Lincoln氣體保護藥芯焊絲，直徑為1.6 mm。

2.1　電弧旋轉頻率

由圖2可見，隨著旋轉頻率增大，焊接電流波形越來越光滑，同時焊接電流平均值下降。電流波形光滑意味著傳感器的靈敏度增大，跟蹤精度也會提高，這是由于高速旋轉的電弧弧長變化更快，從而引起焊接電流變化迅速。電流平均值下降是因為在更大的離心力作用下，旋轉的熔滴更容易脫離焊絲，導致同樣多的焊絲熔化金屬轉移到工件上所需要的電弧熱下降。但過快的旋轉速度會使熔滴的離心力增大，容易引起較多飛濺。前期試驗結果表明，旋轉頻率為25 Hz時焊接效果最佳。

圖2(a)12.5 Hz

圖2(b)19 Hz

圖2　不同電弧旋轉頻率下的電流波形

2.2　焊接高度

由圖3可見，隨著焊接高度的增加，焊接電流值變小。焊炬高度過低，易燒壞焊嘴；焊炬高度過高，旋轉焊嘴時，易引起熔滴飛濺，焊縫成形質量不好。因此，焊炬高度取值通常在18 mm～25 mm之間。

圖3(a)　焊接高度=15 mm

2.3　坡口角度

對坡口角度分別為60°，90°和120°的對接V型坡口工件進行對中焊接試驗。焊接電流為265 A，旋轉頻率為25 Hz，焊接速度為36 cm/min，送絲速度為9 m/min，采樣頻率為10 kHz，焊接高度為22 mm，結果如圖4所示。

圖4(a)　

由圖4可知，隨著坡口角度的減小，焊接電流在一個周期中的平均值出現明顯上升，如圖4(b)中的電流均值比圖4(c)增加了約20 A。隨著坡口角度的減小，焊接電流在一個周期中的峰值出現明顯上升，如圖4(c)中一個周期中的電流峰值大都在270 A左右，而圖4(a)中一個周期中的電流峰值大都在300 A左右。但在實際焊接中，坡口角度過大，易使試板焊穿。坡口角度過小，易使焊嘴超出坡口，引起焊接失敗。總而言之，坡口角度會影響焊接電流的均值水平、峰值水平和電流波形的左右“肩部”特征。坡口角度減小，會引起焊接電流均值和峰值的上升，否則相反。在旋轉半徑為3 mm時，坡口角度一般約為90°。

3　焊縫跟蹤過程電流特性分析

3.1　焊接偏差電流特性

設工件開90°坡口，焊接高度15 mm，旋轉頻率20 Hz，送絲速度9 m/min，焊接速度36 cm/min。將旋轉焊炬沿焊接方向的左右兩邊各作一定量的偏差進行焊接試驗，偏差值分別設定為1.0 mm，2.0 mm和3.0 mm。觀察焊接電流波形變化情況如圖5所示。

圖5 (a)　左偏1.0 mm

圖5 (b)　右偏1.0 mm

圖5 (c)　左偏2.0 mm

圖5 (d)　右偏2.0 mm

圖5　不同偏差時的電流波形

分別對圖5的右偏電流波形用積分差值法進行偏差計算，將計算的偏差量與采樣序列（每10個周期對應一個采樣序列）對應起來，得到如圖6所示圖形。

圖6 (a)　右偏1.0 mm的偏差分析

圖6　右偏偏差量分析

由圖6可知，當偏差量較小時，按照積分差值法求得的偏差值波動較小，偏差識別精確度高，能較好地反映實際偏差量，用于焊縫自動跟蹤具有較好精確度。因此，應盡量在偏差量較小時進行糾偏，才能保證較高的精確度。

3.2　焊接軌跡轉折處的電流特性

在實際生產中往往出現折線狀焊縫軌跡的情況。為研究波形在轉折點處的變化特征，選用如圖7所示的折線焊縫工件進行焊接試驗，以研究當焊炬經過轉折點處時，焊接電流波形的變化。

讓弧焊機器人從起點到轉折點和從轉折點到終點分別偏離坡口中心線不同的偏差來進行直線焊接，觀察在轉折點處的波形變化特征。從左向右焊接，在第一段焊接時左偏1.5 mm，在過轉折點后的第二段焊接時右偏1.5 mm，焊接過程中采集的電流波形如圖8所示。

圖7　折線焊縫試驗結果

圖8　折線焊接的電流波形

由圖8可見，電流波形左偏時的波形特征為左高右低，而在轉折點處的電流波形呈現為均衡雙峰特征；而右偏時，電流波形特征轉變為左低右高。因此，均衡雙峰特征就是折線焊縫轉折點處的電流波形特征，對于焊縫偏差檢測以及焊縫跟蹤過程，可以此作為判斷是否到達焊縫轉折點處的依據。

4　跟蹤試驗

為驗證該旋轉電弧焊縫跟蹤系統的性能，用具有直線V形坡口的鋼板進行焊接試驗。

試驗采用Q235鋼板，開90°V形坡口。焊接參數如表1所示。

表1　焊接參數

弧焊機器人的折線跟蹤運動路線示意圖如圖9所示。弧焊機器人首先從任意初始位置運動到P10點，即進入焊縫的起點位置，這時啟動送絲機送絲并開始焊接，在P10到P20點之間20 mm的距離內設定弧焊機器人作直線運動，形成穩定的焊接過程；然后在P20到P30點之間弧焊機器人作路徑跟蹤運動，并不斷地讀取串口發送的偏差數據，據此進行路徑糾偏，實現焊縫自動跟蹤。

圖9　機器人的折線跟蹤路線

試驗過程中，通過數據采集卡采集的焊縫跟蹤時的電流波形如圖10所示。

圖10　焊縫自動跟蹤時的焊接電流波形

由圖10可見，坡口跟蹤時的電流波形呈現對稱的單峰波形特征，表示焊槍焊接時基本處于對中狀況。從前述直線坡口、折線坡口的跟蹤試驗結果和采集的電流波形圖的分析可知，本系統的跟蹤效果較好，基本能夠滿足工程應用需要。

5　結論

本文搭建了旋轉電弧傳感焊縫跟蹤系統，對不同焊接參數下的電流波形特征進行分析；研究了旋轉頻率、焊接高度和坡口角度等參數對電流波形特征的影響，并通過試驗驗證了焊縫跟蹤效果。主要結論如下：

1）電弧旋轉頻率、焊接高度和坡口角度對焊接電流波形均有很大影響，同時獲得了最佳的焊接參數值；

2）分析不同焊接偏差下的電流波形變化規律，偏差越小，識別精度越高；

3）對折線焊縫轉折點處的電流波形特征進行分析，均衡雙峰特征可作為判斷是否到達焊縫轉折處的依據。

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Rotary Arc Weld Seam Tracking System Based on Current Waveform Characteristics

Zhong Shaotao

(Guangdong Foreweld Company Limited)

A weld tracking system based on rotating arc sensor is built and the current waveform are analysed. The relationship between the arc rotation frequency, the welding height (CTWD), the groove angle and the welding current waveform is obtained. Then the suitable welding parameters are obtained. Besides, the influence of welding deviation and welding trajectory on the current waveform during the welding process is studied. The current waveform corresponding at the welding deviation and the inflection point of the trajectory are obtained. Finally, the rotating arc welding seam tracking experiments is performed and the results show that the rotating arc weld seam tracking system works well.

Rotating Arc; Seam Tracking; Current Waveform

鐘少濤，男，1968年生，工程師，主要研究方向：自動化焊接設備。Email: shaotaozhong@163.com.