雙面雙弧立焊近紅外視覺傳感與熔透控制裝置及方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種雙面雙弧立焊近紅外視覺傳感與熔透控制裝置及方法，特別適用于鋁合金、高強鋼、不銹鋼、鈦合金螺旋管等雙面雙弧焊接過程在線熔透控制；還適用于船舶、石油儲罐、核電容器等現(xiàn)場對接立焊過程在線熔透控制。本發(fā)明實時雙面檢測立焊熔池視覺圖像，通過圖像處理和熔透特征參數(shù)提取，獲得雙面雙弧立焊根部熔透過程的信息，建立根部熔透的控制模型，并自動調(diào)整焊接電流、焊槍擺動寬度、焊接速度等工藝參數(shù)，控制焊縫根部全部熔透，保證雙面雙弧焊接質(zhì)量。
【專利說明】雙面雙弧立焊近紅外視覺傳感與熔透控制裝置及方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種弧焊熔透控制方法，特別是一種雙面雙弧立焊近紅外視覺傳感與熔透控制裝置及方法。
【背景技術】
[0002]鋁合金、低合金高強鋼等螺旋管的焊接生產(chǎn)，是由帶材經(jīng)螺旋管生產(chǎn)線經(jīng)開卷、校平、切邊、成型、壓緊、焊接、整圓等工藝制造形成螺旋管，焊接工藝是螺旋管制造的關鍵技術，焊接質(zhì)量特別是“熔透”質(zhì)量直接決定螺旋管焊接接頭的力學性能，決定了螺旋管的承載能力。
[0003]目前鋼螺旋管一般采用埋弧焊技術，依靠雙面焊保證熔透，沒有采用視覺傳感，也未采用基于近紅外視覺傳感的熔透控制技術；鋁合金螺旋管國內(nèi)僅江蘇金鑫電器和南京理工大學開展了鋁合金螺旋管雙面雙弧焊接工藝的研究，鋁合金螺旋管雙面雙弧熔透控制技術尚未見報道。艦船船體殼體分段和總段建造合攏焊接，現(xiàn)場操作采用立焊工藝，哈爾濱工業(yè)大學和錦西造船有限公司針對船體合攏研究了雙面雙TIG+MIG焊接技術，但未提出未研究基于近紅外視覺傳感的雙面雙弧視覺傳感熔透控制方法和技術。
[0004]雙面雙弧焊接雙面、雙電弧同步同時加熱，形成一個共同的熔池，焊接過程影響因素眾多，工藝復雜，焊接熱輸入不足或加熱位置不準，坡口根部會產(chǎn)生未熔合，造成未熔透，影響接頭承載，焊接熱輸入過大，坡口根部發(fā)生燒穿，造成焊縫接頭焊穿缺陷，焊接失敗，焊接過程檢測熔透信息，在線調(diào)整工藝參數(shù)保證雙面雙弧熔透質(zhì)量，是螺旋管、艦船體立焊重要的技術方法。但是現(xiàn)有技術中尚無相關描述。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的在于提供一種雙面雙弧焊近紅外視覺傳感與熔透控制方法。
[0006]實現(xiàn)本發(fā)明目的的技術解決方案為:一種雙面雙弧立焊近紅外視覺傳感與熔透控制裝置，包括近紅外視覺內(nèi)傳感器、近紅外視覺外傳感器、屏蔽信號線、圖像采集卡、計算機、內(nèi)焊縫PTIG機頭、內(nèi)焊槍、外焊縫PTIG機頭、外焊槍、校平裝置、切邊機、三點彎曲成形機；
[0007]切邊機位于校平裝置的前方，三點彎曲成形機位于切邊機的前方，板帶經(jīng)校平裝置校平后在切邊機中刨邊，最終經(jīng)三點彎曲成形機加工成螺旋管；
[0008]內(nèi)焊槍固定在內(nèi)焊縫PTIG機頭上，外焊槍固定在外焊縫PTIG機頭上，內(nèi)焊槍位于待焊接的螺旋管的內(nèi)側，外焊槍位于待焊接的螺旋管的外側，內(nèi)焊槍、外焊槍均對準待焊接的接縫正中，并且內(nèi)焊槍、外焊槍同軸設置，二者的軸線與螺旋管待焊接點的法線重合，內(nèi)焊槍上設置內(nèi)焊槍鎢電極，外焊槍上設置外焊槍鎢電極，內(nèi)焊槍鎢電極和外焊槍鎢電極的軸線重合；內(nèi)焊槍上固連近紅外視覺內(nèi)傳感器，近紅外視覺內(nèi)傳感器的軸線與內(nèi)焊槍的軸線呈35°?45°，外焊槍上固連近紅外視覺外傳感器，近紅外視覺外傳感器的軸線與外焊槍的軸線呈35°?45°，近紅外視覺內(nèi)傳感器和近紅外視覺外傳感器的軸線均穿過熔池中心；近紅外視覺內(nèi)傳感器上設置內(nèi)傳感器鏡頭，近紅外視覺內(nèi)傳感器與內(nèi)傳感器鏡頭軸線重合，近紅外視覺外傳感器上設置外傳感器鏡頭，近紅外視覺外傳感器與外傳感器鏡頭的軸線重合，內(nèi)傳感器鏡頭和外傳感器鏡頭均距熔池表面3-6cm ；
[0009]近紅外視覺內(nèi)傳感器、近紅外視覺外傳感器均通過屏蔽信號線與圖像采集卡相連，將檢測到的信號傳輸給圖像采集卡，該圖像采集卡同時與計算機相連。
[0010]一種基于上述雙面雙弧立焊近紅外視覺傳感與熔透控制裝置的焊接質(zhì)量控制方法，包括以下步驟:
[0011]步驟1、近紅外視覺內(nèi)傳感器與近紅外視覺外傳感器實時雙向連續(xù)傳感熔池視覺圖像，并將圖像傳輸給圖像采集卡；
[0012]步驟2、圖像采集卡將熔池視覺圖像傳輸給計算機，進行熔池視覺圖像分區(qū)域輪廓曲線和特征參數(shù)提取，經(jīng)加窗、中值濾波、邊緣腐蝕細化處理后，獲得熔池視覺圖像外輪廓和熔池中心區(qū)域小孔的熔透輪廓圖像；
[0013]步驟3、根據(jù)步驟2提取的熔池視覺圖像外輪廓和熔池中心區(qū)域小孔的熔透輪廓圖像，獲得熔池外輪廓和熔池中心區(qū)域小孔的熔透輪廓特征的幾何參數(shù)，具體包括熔池寬度B、熔池長度L、熔透小孔直徑d、熔池面積S、后拖角β、熔透小孔圓度Av和小孔面積的平均值sv、最大直徑七、與dm同側最大熔池寬度Bm、熔池長、最小直徑屯、與Cli同側熔池寬度Bi;
[0014]步驟4、建立雙面雙弧熔透判斷模型和焊穿判斷模型；所述雙面雙弧熔透判斷模型為:雙側熔透小孔最大直徑dm大于3mm，同側熔池寬度Bm大于0.75h并且小于1.2h，其中h為板厚，單位為mm，同側熔池寬度Bm與熔池長度L之比大于0.6 ；
[0015]雙面雙弧焊穿判斷模型為:雙側熔透小孔最小直徑Cli大于5mm、同側熔池寬度Bm大于1.lh、同側熔池寬度Bm與熔池長度L之比大于0.9。
[0016]步驟5、依據(jù)步驟4中的雙面雙弧熔透判斷模型進行熔池情況判斷:若焊穿，則提高弧壓和送絲速度，焊槍回燒重新焊接并返回步驟I ;若未焊穿，依據(jù)步驟4中的熔透模型判斷是否焊透，若焊透，依據(jù)步驟6的模糊控制方法獲得的焊接電流、焊槍擺動寬度的最佳值，調(diào)整雙弧焊接電流、焊槍擺動寬度；若未焊透但至少一面出現(xiàn)熔透小孔，即d>0，且至少一面熔池面積大于臨界值Sk，則依據(jù)步驟6的模糊控制方法獲得的焊接電流度、焊接速度的最佳值，調(diào)整雙弧焊接電流、焊接速度；若未出現(xiàn)熔透小孔，即d為O或熔池面積S小于臨界值Sk，則減小焊接速度重新焊接并返回步驟I ;
[0017]步驟6、采用模糊-神經(jīng)網(wǎng)絡控制方法實時計算雙面雙弧熔透焊接過程中的焊接電流、焊槍擺動寬度、焊接速度的最佳值，依據(jù)步驟5中的熔池判斷情況相應的對焊接電流、擺動寬度、焊接速度作實時調(diào)整并返回步驟I。
[0018]雙面雙弧熔透焊接工藝參數(shù)模糊-神經(jīng)網(wǎng)絡控制方法為:以步驟3中獲得的熔池寬度B、熔池長度L、熔透小孔直徑d、熔池面積S、后拖角β、熔透小孔圓度Av和小孔面積的平均值Sv作為模糊神經(jīng)網(wǎng)絡的輸入變量，建立五層模糊神經(jīng)網(wǎng)絡，網(wǎng)絡的一到三層實現(xiàn)模糊控制的模糊推理，分別是輸入層、模糊化層和規(guī)則層，四層實現(xiàn)去模糊化，五層是輸出層；其中，在模糊化層中采用三角形函數(shù)對輸入變量進行模糊化，變換到各自的論域范圍，獲得各輸入變量的模糊變量及模糊變量隸屬度；在規(guī)則層中將模糊化得到的隸屬度兩兩相乘，建立完善的模糊推理規(guī)則；在去模糊化層中采用權值平均去模糊化方法，將推理結論變量的模糊狀態(tài)轉化為與網(wǎng)絡輸入值相應的確定狀態(tài)的量；在輸出層利用公式:
【權利要求】
1.一種雙面雙弧立焊近紅外視覺傳感與熔透控制裝置，其特征在于，包括近紅外視覺內(nèi)傳感器(2)、近紅外視覺外傳感器(3)、屏蔽信號線(4)、圖像采集卡(5)、計算機(6)、內(nèi)焊縫PTIG機頭(8)、內(nèi)焊槍(9)、外焊縫PTIG機頭(10)、外焊槍(11)、校平裝置(14)、切邊機(15)、三點彎曲成形機(16)； 切邊機(15)位于校平裝置(14)的前方，三點彎曲成形機(16)位于切邊機(15)的前方，板帶(17)經(jīng)校平裝置(14)校平后在切邊機(15)中刨邊，最終經(jīng)三點彎曲成形機(16)加工成螺旋管(I); 內(nèi)焊槍(9 )固定在內(nèi)焊縫PTIG機頭(8 )上，外焊槍(11)固定在外焊縫PTIG機頭(10 )上，內(nèi)焊槍(9 )位于待焊接的螺旋管(I)的內(nèi)側，外焊槍位于待焊接的螺旋管(I)的外側，內(nèi)焊槍(9)、外焊槍(11)均對準待焊接的接縫正中，并且內(nèi)焊槍(9)、外焊槍(11)同軸設置，二者的軸線與螺旋管(I)待焊接點的法線重合，內(nèi)焊槍(9)上設置內(nèi)焊槍鎢電極(12)，外焊槍(11)上設置外焊槍鎢電極(13)，內(nèi)焊槍鎢電極(12)和外焊槍鎢電極(13)的軸線重合；內(nèi)焊槍(9)上固連近紅外視覺內(nèi)傳感器(2)，近紅外視覺內(nèi)傳感器(2)的軸線與內(nèi)焊槍(9)的軸線呈35°~45°，外焊槍(11)上固連近紅外視覺外傳感器(3)，近紅外視覺外傳感器(3)的軸線與外焊槍(11)的軸線呈35°~45°，近紅外視覺內(nèi)傳感器(2)和近紅外視覺外傳感器(3)的軸線均穿過熔池(7)中心；近紅外視覺內(nèi)傳感器(2)上設置內(nèi)傳感器鏡頭(2-1)，近紅外視覺內(nèi)傳感器(2 )與內(nèi)傳感器鏡頭(2-1)軸線重合，近紅外視覺外傳感器(3 )上設置外傳感器鏡頭(3-1)，近紅外視覺外傳感器(3)與外傳感器鏡頭(3-1)的軸線重合，內(nèi)傳感器鏡頭(2-1)和外傳感器鏡頭(3-1) 均距熔池(7 )表面3-6cm ； 近紅外視覺內(nèi)傳感器(2)、近紅外視覺外傳感器(3)均通過屏蔽信號線(4)與圖像采集卡(5)相連，將檢測到的信號傳輸給圖像采集卡(5)，該圖像采集卡(5)同時與計算機(6)相連。
2.一種基于權利要求1所述雙面雙弧立焊近紅外視覺傳感與熔透控制裝置的焊接質(zhì)量控制方法，其特征在于，包括以下步驟: 步驟1、近紅外視覺內(nèi)傳感器(2 )與近紅外視覺外傳感器(3 )實時雙向連續(xù)傳感熔池視覺圖像，并將圖像傳輸給圖像采集卡(5)； 步驟2、圖像采集卡(5)將熔池視覺圖像傳輸給計算機，進行熔池視覺圖像分區(qū)域輪廓曲線和特征參數(shù)提取，經(jīng)加窗、中值濾波、邊緣腐蝕細化處理后，獲得熔池視覺圖像外輪廓和熔池中心區(qū)域小孔的熔透輪廓圖像； 步驟3、根據(jù)步驟2提取的熔池視覺圖像外輪廓和熔池中心區(qū)域小孔的熔透輪廓圖像，獲得熔池外輪廓和熔池中心區(qū)域小孔的熔透輪廓特征的幾何參數(shù)，具體包括熔池寬度B、熔池長度L、熔透小孔直徑d、熔池面積S、后拖角β、熔透小孔圓度Av和小孔面積的平均值sv、最大直徑dm、與dm同側最大熔池寬度Bm、熔池長、最小直徑Cl1、與Cli同側熔池寬度Bi ； 步驟4、建立雙面雙弧焊穿判斷模型和熔透判斷模型； 步驟5、依據(jù)步驟4中的雙面雙弧熔透判斷模型進行熔池情況判斷:若焊穿，則提高弧壓和送絲速度，焊槍回燒重新焊接并返回步驟I ;若未焊穿，依據(jù)步驟4中的熔透模型判斷是否焊透，若焊透，依據(jù)步驟6的模糊控制方法獲得的焊接電流、焊槍擺動寬度的最佳值，調(diào)整雙弧焊接電流、焊槍擺動寬度；若未焊透但至少一面出現(xiàn)熔透小孔，即d>0，且至少一面熔池面積大于臨界值Sk，則依據(jù)步驟6的模糊控制方法獲得的焊接電流度、焊接速度的最佳值，調(diào)整雙弧焊接電流、焊接速度；若未出現(xiàn)熔透小孔，即d為O或熔池面積S小于臨界值sk，則減小焊接速度重新焊接并返回步驟I ; 步驟6、采用模糊-神經(jīng)網(wǎng)絡控制方法實時計算雙面雙弧熔透焊接過程中的焊接電流、焊槍擺動寬度、焊接速度的最佳值，依據(jù)步驟5中的熔池判斷情況相應的對雙弧焊接電流、焊槍擺動寬度、焊接速度作實時調(diào)整并返回步驟I。
3.根據(jù)權利要求2所述的焊接質(zhì)量控制方法，其特征在于，步驟4中的雙面雙弧熔透判斷模型為:雙側熔透小孔最大直徑dm大于3mm，同側熔池寬度Bm大于0.75h并且小于1.2h，其中h為板厚，單位為mm，同側熔池寬度Bm與熔池長度L之比大于0.6 ； 雙面雙弧焊穿判斷模型為:雙側熔透小孔最小直徑Cli大于5mm、同側熔池寬度Bm大于1.lh、同側熔池寬度Bm與熔池長度L之比大于0.9。
4.根據(jù)權利要求2所述的焊接質(zhì)量控制方法，其特征在于，步驟6中的雙面雙弧熔透焊接工藝參數(shù)模糊-神經(jīng)網(wǎng)絡控制方法為:以步驟3中獲得的熔池寬度B、熔池長度L、熔透小孔直徑d、熔池面積S、后拖角β、熔透小孔圓度Av和小孔面積的平均值^作為模糊神經(jīng)網(wǎng)絡的輸入變量，建立五層模糊神經(jīng)網(wǎng)絡，網(wǎng)絡的一到三層實現(xiàn)模糊控制的模糊推理，分別是輸入層、模糊化層和規(guī)則層，四層實現(xiàn)去模糊化，五層是輸出層；其中，在模糊化層中采用三角形函數(shù)對輸入變量進行模糊化，變換到各自的論域范圍，獲得各輸入變量的模糊變量及模糊變量隸屬度；在規(guī)則層中將模糊化得到的隸屬度兩兩相乘，建立完善的模糊推理規(guī)則；在去模糊化層中采用權值平均去模糊化方法，將推理結論變量的模糊狀態(tài)轉化為與網(wǎng)絡輸入值相應的確定狀態(tài)的量；在輸出層利用公式:
5.根據(jù)權利要求4所述的雙面雙弧熔透焊接工藝參數(shù)模糊-神經(jīng)網(wǎng)絡控制方法，其特征在于，依據(jù)步驟5中的熔池判斷情況，若焊透，雙面雙弧熔透焊接工藝參數(shù)模糊-神經(jīng)網(wǎng)絡的輸出層參數(shù)為焊接電流、焊槍擺動寬度的最佳值；若未焊透但至少一面出現(xiàn)熔透小孔，即d>0，至少一面熔池面積大于臨界值Sk，則雙面雙弧熔透焊接工藝參數(shù)模糊-神經(jīng)網(wǎng)絡的輸出層參數(shù)為焊接電流、焊接速度的最佳值。
【文檔編號】B23K9/095GK103521890SQ201310477515
【公開日】2014年1月22日 申請日期:2013年10月12日 優(yōu)先權日:2013年10月12日
【發(fā)明者】王曉宇, 李明杰 申請人:王曉宇, 李明杰