基于熔池振蕩的GTAW熔透實時傳感與控制

顧玉芬　席保龍　李春凱　石玗　代悅　丁彬

摘要：熔透控制是焊接過程控制領域的一個重要發展方向，其核心難點在于獲取表征焊縫熔透狀態的特征信息。針對傳統熔透檢測方法存在魯棒性低、實時性差的問題，提出了一種激光光電轉換方法。該方法可實現對GTAW熔池振蕩頻率的實時提取。利用熔池從未熔透到熔透的振蕩頻率的變化特征，設計了步進焊接條件下的熔透控制算法，對不同散熱條件及不同錯邊量的工件進行熔透控制試驗。結果表明：該測量方法能夠實現對焊接過程中熔池振蕩頻率的實時傳感，且控制算法對散熱條件和錯邊量等因素具有較強的魯棒性，控制效果良好，最終獲得焊縫的正、反面熔寬均勻一致、連續性好。

關鍵詞：激光光電法;GTAW;熔透實時檢測;熔透控制

中圖分類號：TG444+.74 文獻標志碼：A 文章編號：1001-2303（2020）12-0005-04

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2020.12.02

0 前言

熔透狀態是焊接質量和焊縫力學性能的重要指標之一，重大的結構件為確保焊接質量對焊縫熔透狀態提出了極為嚴格的要求。因此，實現熔透狀態的實時檢測與控制對于確保焊縫質量具有重要的意義。

實現焊縫熔透控制的關鍵在于如何獲取反映熔透狀態的特征信息。當前，熔透檢測的方法主要有視覺法、溫度場法、弧壓法、熔池振蕩法等。研究發現[1-2]，熔池正面熔寬和熔池三維形貌都與焊縫熔深或熔透存在一定相關性。文獻[3-4]采用一種小功率激光視覺熔池三維形貌的測量方法，成功獲取了熔池自由表面形貌特征信息;但因熔池表面形貌特征與焊縫熔透之間缺乏明確的物理對應關系，所建立的數學模型存在不確定性，還存在一定的物理問題需進一步解決。文獻[5]通過紅外傳感器得到了熔池正面溫度場分布。雖然熔池溫度場能夠較為直接地反映熔池尺寸、熔透狀態、熔池內部金屬流動等信息，但由于實際施焊中熔池表面被強烈的弧光所籠罩，造成熔池表面溫度場的傳感精度低、穩定性差，只適用于熔池邊緣的低溫區域。文獻[6-7]利用電弧弧壓信號從未熔透到熔透發生突變這一特點，用于TIG焊熔透實時檢測與控制。但該電信號在實際施焊過程中容易受到外界雜波信號的干擾，導致這種傳感方法的穩定性與可靠性較差。文獻[8]采用熔池振蕩法通過熔池自振蕩頻率與熔池尺寸、熔透狀態等熔池物理行為之間的物理關系，可以得到不同的熔透狀態。然而由于焊接熔池體積小且熔池表面振蕩幅度極其微弱，導致所提取的熔池振蕩信息精度低、魯棒性差。

綜上分析，熔透信息的表征與測量是焊縫熔透狀態進行實時測量和控制所面臨的難題，因此提出了一種激光光電轉換的方法。該方法具有信噪比高、信號處理簡單、實時性好等特點。在定點和步進焊接條件下，分析了從未熔透到熔透過程中熔池振蕩頻率的變化規律，獲取熔透特征信號，從而進行熔透狀態的實時檢測與控制。在設計好的焊接熔透控制算法下，進行304不銹鋼平板堆焊和對接焊在不同散熱條件及不同錯邊量下的熔透控制，最終獲得了成形良好的焊縫。這證明了該測量方法與熔透控制算法具有良好的實時性、可靠性及穩定性。

1 測量原理與實驗系統

1.1 測量原理

激光光電轉換方法原理如圖1所示。將激光器發出的五線結構激光條紋投射在熔池表面，利用液態熔池表面類似鏡面的特性，經熔池表面反射且放大的激光條紋射進光電傳感器的暗室中;由于激光反射條紋形態與液態熔池的表面形狀具有一定的光學對應關系，在不同自由表面振蕩狀態下，激光條紋亮度積分值也隨之同步發生變化;且光電傳感器輸入的光信號與輸出轉化的電信號具有良好的對應關系，于是將實時采集的電信號進行快速傅立葉變換即可得到熔池振蕩頻率。

1.2 實驗系統

TIG全熔透實時檢測與控制的實驗系統如圖2所示。該系統主要包括波長為 670 nm、半寬帶10 nm的500 mW五線結構光激光器，中心波長為 670 mm 半寬為 10 nm 的窄帶濾光片，裝有硅光電池陣列的暗室，PCI-6221 的數據采集卡，計算機，鎢極氬弧焊焊機及配套裝置，步進機構等。暗室在xOz面內，并與水平面垂直，距離工件與焊槍分別為10 mm和50 mm。激光器在yOz面內，與水平面夾角為30°。在該幾何參數下，反射激光條紋可以全部進入裝有硅光電池的暗室中，可獲得準確的熔池振蕩信號。

2 控制算法與工藝參數及閾值確定

2.1 控制算法

基于LabVIEW軟件平臺開發的控制算法如下：

第一步：對光電傳感器實時獲取的每個脈沖周期內基值階段的熔池振蕩電信號進行快速傅里葉變換，并獲取熔池振蕩頻率fi的特征值。

第二步：獲取熔池振蕩頻率變化率K。即通過每相鄰兩個脈沖信號的熔池振蕩頻率作差（該周期與前一周期），同時將Δf與脈沖周期Δt作比得到頻率變化率，表示為K=Δf/Δt。

第三步：若控制程序檢測到頻率變化率大于設置的閾值頻率變化率時（即K>Kc），說明熔池狀態進入了臨界熔透，則控制信號給出下一個周期的脈沖峰值電流轉換為基值電流，同時控制行走機構向前步進;若K<Kc時，熔池為未熔透或過熔透。

第四步：比較該周期的頻率特征值fi與預設閾值F。若fi<F時，熔池為過熔透，則控制信號給出下一個周期的脈沖峰值電流轉換為基值電流，同時控制行走機構向前步進;若fi>F時，則熔池為未熔透，控制信號給出下一個周期的脈沖峰值電流繼續保持不變，使其接近臨界熔透狀態。

前進一個步距在下一個焊點施焊時，工作電流進行自動反饋調節，由基值電流轉換為脈沖電流。整個焊接過程，在T時間內重復上述四個步驟，直至焊接結束。以此實現對定點焊或步進焊接條件下的熔透狀態的實時檢測和控制。整個熔透控制算法流程如圖3所示。

2.2 工藝參數及閾值確定

在搭建好的平臺上進行定點脈沖TIG平板堆焊全熔透實時檢測與控制的工藝實驗，母材為304不銹鋼，尺寸100 mm×50 mm×3 mm，鎢極直徑2.4 mm，保護氣體流量8 L/min。脈沖TIG焊接工藝參數如表1所示。通過實驗數據分析得到熔透控制的兩個閾值參數，閾值Kc=27 Hz/s如圖4所示，閾值F=50 Hz如圖5所示。

3 實驗驗證及分析

根據上述平板堆焊得到了閾值Kc和閾值F，然后按照控制算法預設參數：峰值電流Ip，峰值時間tp，基值電流Ib，基值時間tb，占空比σ，氣流量L，一個焊點作用的時間ti，總焊接時間T等;施焊方式為步進焊接且步距為3 mm，具體試驗參數見表1;最后進行了不同散熱條件和錯邊量下的熔透控制試驗。

3.1 不同散熱條件對熔透控制影響

304不銹鋼鋼板啞鈴型的工件在不同散熱條件下獲得的平板堆焊焊縫熔透反饋控制試驗結果如圖6所示。當工件變窄導致散熱能力變差，熔透所需熱量變少，減少焊接時間;當工件變寬、散熱良好時，延長焊接時間，使其達到熔透。在閉環、開環控制的對比試驗中，相同工件且各點采用相同的施焊時間驗證不同散熱條件下熔透控制算法的自適應能力。在施焊過程中，控制算法使每一個焊點需完成相應的加熱時間，不能出現延遲現象。由圖6可知，采用激光光電法閉環反饋控制的工件焊縫正、反面熔寬均勻一致、連續性好，在變化的散熱條件下焊縫不均勻度在約7%以下。而開環控制結果顯示，因散熱條件不同，導致實際控制的頻率及頻率變化率參數與預設閾值出現較大的偏差，焊縫背面成形連續性較差，不均勻度最大約為20%。通過閉環控制與開環控制對比試驗，證明該控制算法對散熱變化具有較強的適應能力，熔透控制效果良好。

3.2 不同錯邊量對熔透控制的影響

對接焊且錯邊量分別為0.5 mm、1 mm、1.5 mm得到的熔透控制結果如圖7所示。當錯邊量為0.5 mm時，獲得的焊縫正、反面熔寬均勻一致，連續性好;當錯邊量為1 mm時，焊縫正、反面熔寬基本上均勻一致、連續性較好，未出現焊穿現象。但錯邊量達到1.5 mm時，獲得的焊縫連續性差，出現未熔合和焊穿現象。在錯邊量較大時，豎直位置上較低工件的熔池體積遠低于較高工件，且兩邊工件的熔池未熔合、成形差，最后導致焊點焊穿，這是因為熔池振蕩頻率不僅與熔池金屬密度有關，還與熔池邊界尺寸有關。在不同錯邊量的控制實驗中，采用相同的控制判據條件下，因實際控制參數與預設閾值參數存在偏差，當錯邊量不超過板厚的40%時，雖然會導致全熔透尺寸略有增加，但仍可獲得連續性好的焊縫，且正、反面熔寬85%以上均勻一致，沒有出現焊縫未熔合及背面焊穿現象。該控制算法能夠實現熔透控制。因此，基于激光光電法熔透控制算法對一定范圍內的錯邊量具有較好的適應性，控制效果良好。

4 結論

（1）TIG焊接條件下采用激光光電法實時提取熔池振蕩頻率，根據熔透狀態從未熔透轉變為熔透時熔池振蕩頻率數值會出現突變現象，利用熔池振蕩頻率與熔透狀態存在明確的物理對應關系，設計了定點和步進焊接條件下的熔透控制算法。

（2）對不同散熱條件及不同錯邊量的工件進行熔透控制試驗。結果表明：在不同散熱條件、錯邊量不超過板厚的40%時，該測量方法和控制算法具有較強的魯棒性，控制效果良好，最終獲得的焊縫正、反面熔寬均勻一致、連續性好。

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收稿日期：2020-09-03

基金項目：國家自然科學資助項目（51765037）;甘肅省引導科技創新發展專項基金項目（2019ZX-08）;甘肅省基礎研究創新群體（17JR5RA107）;省部共建有色金屬先進加工與再利用國家重點實驗室開放課題（SKLAB02019009）

作者簡介：顧玉芬（1975— ），女，碩士，副教授，主要從事新材料制備、異種金屬連接及接頭性能的研究。E-mail：guyf@lut.cn。