本發(fā)明屬于焊接技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種焊接控制方法。

背景技術(shù)：

K-TIG(Keyhole Tungsten Inert Gas)焊是一種先進(jìn)的新型穿孔焊接工藝。與傳統(tǒng)TIG焊相比，K-TIG的工藝效率大大提高，能夠?qū)χ泻癜逶诓婚_坡口的前提下能實(shí)現(xiàn)單面焊接雙面成形，在3～12mm厚度的黑色及有色金屬焊接領(lǐng)域具備廣泛的應(yīng)用前景。

在穿孔焊接過(guò)程中，小孔穩(wěn)定性是決定熔池穩(wěn)定與否的關(guān)鍵，直接決定了焊縫質(zhì)量。K-TIG焊采用自由電弧作為焊接熱源，電弧的平均能量密度比較低，在焊接較高導(dǎo)熱參數(shù)的材料、或者焊接厚度較薄的工件時(shí)，小孔的穩(wěn)定性不夠高，得到穩(wěn)定焊縫質(zhì)量的工藝窗口較窄。目前，對(duì)于K-TIG焊的研究主要側(cè)重于工藝研究，現(xiàn)有的K-TIG焊接工藝為開環(huán)控制，需要進(jìn)行大量的試驗(yàn)才能得到合適的參數(shù)，耗費(fèi)大量的物力和精力。另外，焊接工況是隨機(jī)變化的，容易對(duì)小孔形態(tài)產(chǎn)生影響，由實(shí)驗(yàn)得到的參數(shù)適應(yīng)性較差。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明提供一種能夠根據(jù)K-TIG小孔動(dòng)態(tài)行為特征，實(shí)時(shí)調(diào)整焊接過(guò)程中的小孔穿透行為，克服焊接過(guò)程中的干擾因素，穩(wěn)定焊接過(guò)程的控制方法。本發(fā)明的技術(shù)方案如下：

一種基于背面尾焰電壓對(duì)于K-TIG小孔行為的控制方法，該方法包括下面幾個(gè)方面：

(1)在工件下方放置作為尾焰檢測(cè)板的金屬測(cè)量板，測(cè)量工件與金屬測(cè)量板之間的尾焰電壓，獲取熔池是否穿孔以及小孔尺寸信息；

(2)一個(gè)完整的方波脈沖周期分為兩個(gè)階段，第一階段采用方波脈沖峰值焊接電流，稱為峰值電流階段，第二階段采用方波脈沖基值電流，稱為基值階段；根據(jù)尾焰電壓大小改變焊接電流，當(dāng)反饋得到的尾焰電壓超過(guò)預(yù)設(shè)閾值，判斷小孔已開啟，當(dāng)小孔開啟時(shí)常達(dá)到所設(shè)定的時(shí)間t_kh后，將焊接電流由峰值轉(zhuǎn)變?yōu)榛?；在基值階段，繼續(xù)檢測(cè)尾焰電壓，設(shè)此階段的尾焰電壓為V_ep，通過(guò)計(jì)算此脈沖過(guò)程中的V_ep，作為判斷熔池能量狀態(tài)的小孔參數(shù)，通過(guò)比較反饋的V_ep與目標(biāo)值V_ep*的差，基于PID控制算法計(jì)算下一脈沖的峰值電流，基值階段結(jié)束后，開始新一脈沖周期，從而周期性地控制小孔的穿透與閉合，動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)焊接熱輸入。

本發(fā)明通過(guò)檢測(cè)每個(gè)電流脈沖所對(duì)應(yīng)的尾焰電壓值，比較實(shí)測(cè)尾焰電壓值與預(yù)設(shè)值之間的偏差，運(yùn)用預(yù)測(cè)控制算法計(jì)算下一個(gè)脈沖電流的峰值電流，實(shí)時(shí)控制焊接熱輸入，穩(wěn)定小孔行為，得到合格焊縫。

附圖說(shuō)明

圖1 尾焰電壓傳感器原理

圖2 K-TIG穿孔控制系統(tǒng)

圖3 基于方波脈沖電流的穿孔控制策略

圖4 方波脈沖電流的穿孔控制策略流程圖

附圖標(biāo)記說(shuō)明如下：1.焊接電源 2.焊接電纜 3.K-TIG焊槍 4.工件 5.焊接小孔 6.尾焰 7.尾焰檢測(cè)板 8.尾焰濾波電路 9.數(shù)據(jù)采集模塊 10.隔離模塊1 11.計(jì)算機(jī) 12.隔離模塊2 13.焊接電流傳感器

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行說(shuō)明。

控制系統(tǒng)中，反映小孔狀態(tài)的傳感器非常重要。尾焰電壓傳感方法是一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，魯棒性較高的小孔狀態(tài)傳感方法。其原理圖如附圖圖1所示。當(dāng)電弧使熔池形成穿孔時(shí)，工件背面會(huì)噴射出等離子弧尾焰。在工件下方放置作為尾焰檢測(cè)板的金屬測(cè)量板，由于等離子弧尾焰的等離子體特性，尾焰中的電子和正離子撞擊到冷的金屬導(dǎo)體表面時(shí)，將復(fù)合成中性粒子。由于尾焰中自由電子的數(shù)量多、運(yùn)動(dòng)速度大，進(jìn)入金屬導(dǎo)體的電子數(shù)量遠(yuǎn)大于與正離子復(fù)合及從金屬導(dǎo)體表面溢出的電子數(shù)量，所以從整體上看，尾焰中的自由電子的運(yùn)動(dòng)方向是從工件至測(cè)量板，即金屬測(cè)量板的電位要低于工件的電位，那么工件與測(cè)量板之間會(huì)產(chǎn)生電位差，即為等離子弧的尾焰電壓。如果熔池沒(méi)有形成小孔，則尾焰電壓為零；隨著熔池穿孔之后小孔尺寸的增大，尾焰尺寸也隨之增大，尾焰電壓信號(hào)也隨之增強(qiáng)。因此，通過(guò)檢測(cè)工件背面的等離子弧尾焰電壓信號(hào)，可以得到熔池是否穿孔以及小孔尺寸的信息。

K-TIG焊小孔行為檢測(cè)與控制系統(tǒng)主要包括K-TIG焊接系統(tǒng)和焊接過(guò)程檢測(cè)與控制系統(tǒng)。如圖2所示，其中，焊接系統(tǒng)包括焊接電源1，焊接電纜2，K-TIG焊槍3和工件4；焊接過(guò)程檢測(cè)與控制系統(tǒng)包括由尾焰檢測(cè)板7和尾焰濾波電路8構(gòu)成的尾焰?zhèn)鞲衅?、?shù)據(jù)采集模塊9、隔離模塊10、計(jì)算機(jī)11組成。

焊接電源輸出焊接電流，經(jīng)過(guò)電纜到達(dá)K-TIG焊槍和工件。在K-TIG焊槍鎢極與工件之間形成電弧，電弧能量足夠大時(shí)，在工件上形成小孔。如果小孔穿透工件，電弧等離子體會(huì)沿著小孔通道流到工件背面，形成尾焰。尾焰噴到安裝在小孔底部的尾焰檢測(cè)板上，由于等離子體的空間放電特性，會(huì)產(chǎn)生一定的電勢(shì)。濾波電路聯(lián)通尾焰檢測(cè)板與工件，在濾波電路的電阻中可以檢測(cè)到一定數(shù)值的尾焰電壓。該尾焰電壓值與小孔大小有關(guān)系。一般的，小孔不穿透，則尾焰電壓為零，較大的小孔產(chǎn)生較大的尾焰電壓值，過(guò)大的尾焰電壓預(yù)示可能形成熔池?zé)?。尾焰電壓信?hào)經(jīng)過(guò)隔離電路進(jìn)入數(shù)據(jù)采集卡轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)進(jìn)入計(jì)算機(jī)，在采集程序中讀取并保存信號(hào)。計(jì)算機(jī)內(nèi)的采集程序能夠控制數(shù)據(jù)采集卡輸出任意波形的電壓，控制焊接電源輸出任意波形的焊接電流。較大的電流可以使得小孔穿透，形成尾焰電壓；較小的電流會(huì)使小孔閉合，尾焰電壓為零。

本發(fā)明采用脈沖焊接電流，穿孔控制策略是關(guān)鍵。本系統(tǒng)采用的方波脈沖電流穿孔控制策略如附圖圖3所示，控制流程如附圖圖4所示。

控制系統(tǒng)采用方波脈沖焊接電流。在峰值電流階段，控制系統(tǒng)通過(guò)尾焰電壓傳感器檢測(cè)尾焰電壓大小，當(dāng)反饋得到的尾焰電壓超過(guò)一定值后，說(shuō)明小孔已開啟，系統(tǒng)累計(jì)尾焰電壓，當(dāng)小孔開啟時(shí)常達(dá)到所設(shè)定的時(shí)間t_kh后，電流由峰值轉(zhuǎn)變?yōu)榛?；在基值階段，累計(jì)尾焰電壓過(guò)程結(jié)束，系統(tǒng)通過(guò)計(jì)算該脈沖過(guò)程中的V_ep，作為判斷熔池能量狀態(tài)的小孔參數(shù)，控制系統(tǒng)通過(guò)比較反饋的V_ep與目標(biāo)值V_ep*的差，基于PID控制算法計(jì)算下一脈沖的峰值電流，基值階段結(jié)束后，開始新一脈沖周期。如此，控制系統(tǒng)可以周期性地控制小孔的穿透與閉合，動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)焊接熱輸入，既保證了焊縫全熔透，又避免了燒穿，從而保證得到合格焊縫。在脈沖電流峰值期間保證穿孔和熔透；在基值電流期間，小孔閉合；下個(gè)周期重復(fù)上述過(guò)程?；趯?shí)際采集的等離子弧尾焰電壓信號(hào)，在不改變峰值與基值電流的情況下，調(diào)節(jié)其作用時(shí)間。

控制系統(tǒng)通過(guò)檢測(cè)每個(gè)電流脈沖所對(duì)應(yīng)的尾焰電壓值，比較實(shí)測(cè)尾焰電壓值與預(yù)設(shè)值之間的偏差，運(yùn)用預(yù)測(cè)控制算法計(jì)算下一個(gè)脈沖電流的峰值電流，實(shí)時(shí)控制焊接熱輸入，穩(wěn)定小孔行為。