鋁合金TIG焊縫背面寬度的智能控制研究

撰文/首都航天機械公司 田志杰 高彥軍 許春芳 李迎

鋁合金TIG焊縫背面寬度的智能控制研究

撰文/首都航天機械公司 田志杰 高彥軍 許春芳 李迎

本文設計了一種基于激光傳感TIG焊縫背面熔寬的智能控制系統，獲取了采用TIG自動焊工藝焊接的鋁合金焊縫背面形貌，通過圖像處理提取了焊縫背面寬度等特征參數，并依此參數作為輸入量，針對焊縫背面寬度的變化，實時調節焊接輸入電流，實現焊縫背面余高、寬度的均勻一致。結果表明，采用激光傳感方式鋁合金TIG焊縫背面熔寬控制精度為±0.5mm。

一、引言

大型鋁合金結構件的焊接中，鎢極氬弧焊接是普遍采用的方法。焊接熔池的大小、形狀和動態變化是影響焊縫內在質量及外表成形好壞的主要因素，在焊接生產中，工件形狀尺寸、工裝散熱狀態、裝配間隙的變化、焊接位置的差異以及焊接參數的波動等狀況常常導致焊縫熔透不均勻，影響產品的質量可靠性和穩定性。隨著計算機和圖像處理技術的飛速發展，利用視覺技術直接觀察熔池正面或背面，通過圖像處理獲得熔池幾何特征信息，對焊接質量進行閉環控制已經成為重要的研究方向。

鋁合金TIG焊接過程是一個時變、多因素、非線性的復雜系統，存在強烈的弧光、電網電壓波動、焊接工藝規范以及工件的高溫變形等因素的干擾，采用傳統的控制系統難以實現焊縫的精確跟蹤。成像系統獲取的圖像由于受到多種條件的限制和隨機干擾的影響，往往不能直接在控制系統中使用，必須對原始圖像進行有針對性的處理，以提取熔池和焊縫的幾何特征參數，圖像信息處理的準確性對后續焊縫跟蹤控制和焊縫成形控制將產生決定性的影響；國內諸多學者提出了用于實時提取焊接熔池正面幾何參數的算法和離線提取焊縫背面熔寬的攝影測量法，但是在實時提取焊縫背面特征并控制TIG焊參數研究較少。本文在鋁合金TIG無墊板懸空焊基礎上，開展了焊縫背面熔寬實時智能控制研究。

二、試驗條件

1.試驗材料

試驗板材為6.0mm厚 2A14鋁合金，其化學成分析如表1所示。

表1 2A14母材化學成分分析

焊前將試板采用化學清洗的方式去除表面油污，佩戴潔凈帆布手套，用刮刀刮去表面氧化膜，露出金屬光澤。焊機為米勒Dynasty700變極性焊接電源，采用單面兩層TIG自動焊工藝，第一層為無墊板的直流氦弧焊，直接將工件熔透。

2.焊接參數

主要焊接參數如表2所示。

表2 TIG焊接參數

三、激光視覺傳感控制系統

1．硬件組成

基于激光視覺的背面熔透控制系統控制過程，先通過結構光視覺傳感器實時采集焊縫背部熔透圖像，經PC機圖像處理程序分析，提取焊縫熔透時背部寬度、余高等特征信息，與設定值進行比較計算，根據熔透控制模型計算需調節電流的大小，反饋給焊接電源，從而實現焊縫的熔透控制。圖像的實時提取分析決定了檢測精度和抗干擾能力，反饋控制策略是控制焊縫背部熔透均勻的決定性因素。

基于激光視覺的背面熔透控制系統主要包括以下四個部分：結構光視覺傳感器、控制柜、液晶觸摸屏和手控盒。如圖1所示。

圖1 基于激光視覺的背面熔透控制系統示意圖

結構光視覺傳感器包含一個激光條紋發射器和一個高分辨率微型CCD攝像機，如圖2所示。激光器將一束均勻紅色激光條紋投射到焊縫的背面，激光條紋打到上面會產生變形，這種變形的條紋會通過在傳感器內的CCD攝像機獲取，識別處焊縫寬度和厚度方向上的信息，可以表征焊縫背部熔透的形狀。

在懸空焊接鋁合金時，激光視覺傳感器固定在焊道下方與焊槍同步運動的電機上，保證激光條紋在焊槍后方（焊接時焊槍行走方向為前方）6～8mm，動態檢測背部的熔透情況。

手控盒可以完全脫離工控機的液晶顯示屏界面操作，獨立完成整個焊接過程，并且可以實現焊接過程中的動態調整和人工干預。手控盒主要包括九個按鈕：急停、自適應焊接開/關、激光開/關、電流加/減及焊接開始/結束。如圖3所示。

控制柜主要由工業計算機、觸摸屏、圖像處理卡、傳感器控制卡、低通濾波器、交流繼電器、隔離模塊、PLC、D/A轉換卡、I/O卡和接線端子等組成。可完成與視覺傳感器的通訊，采集得到視覺傳感器的信號，處理圖像，獲取焊縫背面熔寬的特征信息；根據提取的背面熔寬特征參數的值反饋控制焊接電源，自適應調節焊接電流，與手控盒通訊，完成手控盒面板按鈕所指示的所有操作，如圖4所示。液晶顯示屏顯示程序界面參數的設置，顯示實時檢測到的焊縫背部的熔寬以及它們隨時間變化的曲線圖，還可以設置更改參數，完成焊接中的所有操作。如圖5所示。

圖2 結構光視覺傳感器

圖3 焊接手控盒

圖4 控制柜

圖5 液晶顯示屏

2．控制原理及軟件界面

焊接熔透過程中，選擇PID控制策略。焊接熔透過程是一個熱積累的過程，只有熱量積累到一定程度才能熔透。一旦熔透后，焊接電流的變化不會使熔透寬度或熔透深度以同樣的速度而變化，即熔透對焊接電流的響應具有一定的滯后，說明熔透過程具有熱慣性。如何解決熱慣性是控制策略必須考慮的問題。加之激光條紋位于焊槍后方6～8mm的位置，如何根據檢測到的焊縫熔透特征參數實現提前控制，也是選取控制策略要考慮的一個重要問題。

考慮到實際焊接中過程控制的特點，PID控制模式中的比例項P能根據檢測值與設定值之間的誤差進行迅速調節；積分項I可以消除靜態誤差；微分項D能實現對趨勢的控制，實現超前控制。PID控制器原理框圖如圖6所示。

圖6 PID控制系統原理框圖

PID控制器各校正環節有以下幾個作用。

◎比例環節：成比例地反映控制系統的偏差信號error（t），偏差一旦產生，控制器立即產生控制作用，以減小偏差。

◎積分環節：主要用于消除靜差，提高系統的無差度。積分作用的強弱取決于積分時間常數TI，TI越大，積分作用越弱，反之則越強。

◎微分環節：反映偏差信號的變化趨勢(變化速率)，并能在偏差信號變得太大之前，在系統中引入一個有效的早期修正傳號，從而加快系統的動作速度，減少調節時間。

連續情況下，調節電流的增量式如下：

其中，ΔI（t）為t時刻應調節的電流值；e（t）為t時刻檢測值與設定值之間的誤差；Kz為比例系數；Kt為積分系數；Kp為微分系數。實際控制過程中用到的卻是離散控制模型：

其中，ΔI（n）為第n個檢測值時電流的變化值；e（n）為第n個檢測值與測量值的誤差；為n個數值的誤差累計。

軟件基于Windows應用環境，采用Visual C++作為開發平臺，基于系統硬件構成，軟件功能包括：人機界面；激光的開啟關閉；激光強度、攝像機快門速度、圖像亮度和對比度的調節；圖像在屏幕上的實時顯示、實時采集至內存、圖像的保存；虛擬焊接按鈕；系統、焊接和熔透控制等參數設置顯示界面等。

該系統軟件的主界面有兩個實時顯示視頻窗口，左視頻顯示窗口是激光條紋在焊接工件背部圖像的實時顯示，右視頻窗口是圖像經過處理后并提取背部熔寬邊界和中心后圖像的實時顯示。主界面上有9個主要的虛擬按鈕，分別為：LASER OFF/ON、Save Image；WELDINGOFF/ON和AUTOOFF/ON；Parameters、Sensor、Data log、Info和Exit。可以實時顯示檢測值與設定值的誤差，焊接電流的變化，背部熔透寬度、余高和截面積，處理過程所用的時間，傳感器的溫度。

四、長試片對接變熔寬試驗

為了考察熔透控制系統對熔寬調節的能力，設計了長試片對接焊變熔寬的試驗。具體的試驗過程是：開始焊接前設定一個熔透寬度A，在焊接一段距離之后，人工干預把熔透寬度的目標值改為A+0.5，在焊接一段距離，然后再調節熔透寬度的目標值至A+0.5。在熔透寬度目標值的過渡處，檢測熔透控制系統的反應控制能力。

熔寬變化從6.5mm到7.5mm再到8.5mm，每段的焊接長度約為400mm。焊接速度為260mm/min，電弧電壓為17V，He氣流量為10L/min。

圖7 變熔寬試驗焊接試片背部熔透狀況

圖8 焊接過程中熔寬變化曲線

圖7為變熔寬試驗焊接試片背部熔透狀況。圖8是焊接過程中熔寬變化曲線。從圖中可以看出，焊縫每一段的背部熔透均勻平滑，過渡處距離非常短，并且過渡處熔寬波動很小，焊接過程穩定。該系統對熔寬變化特別敏感，能迅速調節到期望值，并且熔寬調節過程中。熔寬控制精度可控制在±0.5mm以內。其中目標熔寬設置為6.5mm時，檢測的控制實際熔寬范圍在6.2～6.8mm之間，目標熔寬設置為7.5mm時，檢測的控制實際熔寬范圍在7.2～7.6mm之間，目標熔寬設置為8.5mm時，檢測的控制實際熔寬范圍在8.1～8.8mm之間，熔透系統對焊接過程中的熔寬變化敏感，調節平穩，適應長縱縫的焊接需要，采用激光視覺傳感器進行背面熔寬的控制，其控制精度可達到±0.5mm以內。

五、長條形鋁板氦弧對接控制試驗

將反面熔寬預設為固定值8.0mm。圖9是反面熔寬的控制曲線及局部放大。從圖中可以看出，反面熔寬的實際值圍繞設定值8mm小范圍上下波動。總體上控制精度在±0.5mm以內。

圖9 焊接過程中熔寬變化曲線

六、結語

基于鋁合金TIG懸空焊工藝，對其焊縫背面的熔寬進行智能控制，設計并開發了激光反面傳感熔寬控制系統，包括控制柜、手控盒和圖像處理器等激光傳感器等；選擇PID控制策略，比例項P能根據檢測值與設定值之間的誤差進行迅速調節，積分項I可以消除靜態誤差，微分項D能實現對趨勢的控制，實現超前控制。焊接實驗表明，焊接過程穩定，反映迅速，波動小，控制軟件與硬件系統工作正常。

對6mm厚2A14鋁板氦弧直流對接焊進行焊縫反面熔寬檢測與控制試驗。實現鋁合金TIG焊縫背面熔寬的實時檢測與控制，控制精度為±0.5mm，實現焊縫背面寬度的均勻一致制造。