材料成型控制工程基础第六章

第6章焊接过程控制6.1焊接过程控制特点6.2焊接质量自动控制必要性6.3焊接过程传感与控制6.4焊接过程智能控制6.1焊接过程控制特点6.1.1焊接过程控制一般特点（1）由于电弧发出的光、热、声波、飞溅等的干扰，在其它领域可使用的测量技术在近弧区无法使用。另外，埋弧焊时因为熔渣的存在也妨碍了有效的测量（2）电弧焊多半是工件固定电弧移动，要在有电弧的一面检测，必须使检测器与焊炬连接在一起同时移动。这样就必须使用能沿焊缝移动的长探测头，这是相当麻烦的。另外，使用垫板也会使焊缝背面的检测性能变坏。（3）因为近缝区金属处于不稳定的过程与不平衡状态，所以对它的检测要测得很准确也是困难的。因此，在考虑电弧焊的自动控制时，就产生了被控制量检测的困难问题。（1）干扰中有的对控制对象有很大的影响（2）与被控制量的检测相比，容易检测的干扰居多（3）多为事先能预想得到的干扰。2.干扰因素多1.被控制量选择的特点图6.1反馈控制系统附加的前馈控制框图3.控制方式的特点出于电弧焊过程中干扰因素多和被控制量的检测又较困难(检测性不好)。迄今为止，电弧焊工艺所采用的自动控制方式属于完全的反馈系统的例子较少，而多数是属于干扰控制或前馈控制。一般说来，它多用在反馈系统中，这时的框图如图6.1所示。干扰检测出后容易直接控制的系统如图6.2a所示。可以利用干扰检测元件和干扰调节元件，在干扰作用达到控制对象以前，将干扰消除。这种控制方式适合于弧焊中焊缝变动时使用。对于容易预见的干扰，检测元件也就不必要了。可用图6.2b的方式使干扰调节元件按照事先编制程序曲给定值工作，就能对干扰进行补偿。图6.2中的两种方式都属于干扰控制。图6.2干扰控制系统框图6.1.2电弧焊过程控制特点1.钨极氩弧焊控制特点2.二氧化碳气体保护焊控制特点3.MIG/MAG焊控制特点钨极氩弧焊是以不熔化材料钨作电极、采用惰性气体氩气为保护气体的一种电弧焊方法。适合于焊接薄板金属和打底焊。焊缝质量高。其焊接速度较低。二氧化碳焊是以熔化材料作电极、采用二氧化碳或二氧化碳和氧气为保护气体的一种电弧焊方法。电弧穿透力强，焊丝熔化率高，抗锈能力强，不可能实现射流过渡，通常采用短路过渡方式。主要优点是成本低，熔池容量很小不易流失，从而可以很方便地进行全位置焊接，它的主要缺点是飞溅较大，焊缝成形不佳，熔深不大，有很大的堆高。MIG焊是以熔化材料作电极、采用氩气或氦气为保护气体的一种电弧焊方法。MAG焊是以熔化材料作电极、采用富氩混合气体作为保护气的一种电弧焊方法。埋弧焊以连续送进的焊丝作为电极和填充金属。埋弧焊可以采用较大的焊接电流。与手工焊相比，埋弧自动焊具有焊缝质量高、生产率高、劳动条件好等优点，但不如手工焊灵活。特别适合于焊接大型工件的直缝和环缝。5.等离子弧焊控制特点1）穿孔型等离子弧焊接穿孔型等离子弧焊接实质是等离子弧穿透工件形成小孔（见图6.3），被熔化的金属依靠表面张力和电弧后推的力量形成熔池。焊枪前进时，小孔在电弧后闭合，形成完全穿透的焊缝。稳定的小孔焊接过程是不采用衬垫实现单面焊双面一次成形的好方法。图6.3空孔型等离子弧焊接原理示意图2）熔入型等离子弧焊接熔入型等离子弧焊接方法基本上和钨极氩弧焊相似，适用于薄板、多层焊缝的盖面及角焊缝的焊接。3）熔化极等离子弧焊接熔化极等离子弧焊接是等离子弧焊和熔化极气体保护焊相结合的一种方法（见图6.4）。图6.4（a）为钨极结构，等离子弧在钨极与工件之间燃烧，适用于厚板深熔焊接或薄板高速焊接。图6.4（b）为水冷喷嘴结构，等离子弧在喷嘴与工件之间燃烧，适用于堆焊。1—焊丝；2—导电嘴；3—等离子气；4—铜喷嘴；5—保护气；6—保护罩；7—等离子弧；8—过渡金属；9—钨极图6.4熔化极等离子弧焊枪结构示意图6）变极性等离子弧焊接变极性等离子弧焊接是为了解决铝及其合金的等离子弧焊而提出来的焊接方法。其电源的原理与交流方波电源相同。4）微束等离子弧焊接与普通等离子弧焊接的主要区别是工作时转移弧和非转移弧同时存在，使小电流的等离子弧十分稳定。目前成为焊接薄件、微型件的有效方法。5）脉冲等离子弧焊接穿孔型、熔入型及微束等离子弧焊接均可以采用脉冲电流法。基值电流用来维弧，峰值电流用来熔化金属。脉冲频率一般在15HZ以下。脉冲电流法可以提高焊接过程稳定性、控制全位置焊接焊缝成形、减小热影响区宽度和焊接变形。6.1.3电阻焊过程控制特点1.电阻焊工艺电阻焊方法主要有四种，即点焊、缝焊、凸焊及对焊电阻焊特点在于焊接电流大，通电时间短，设备比较复杂，一次投资大，生产率高，适于大批量生产。2.电阻焊工艺控制特点点焊影响因素主要来自以下几个方面：（1）焊机通电回路。包括网压波动、焊接回路感抗及阻抗变化。（2）焊机加压系统。主要是电极压力波动。（3）电极材料及形状。包括电极磨损、电极表面玷污、电极材料与所焊材料不匹配等问题。（4）工件。包括被焊材料的表面质量、厚度及其它焊点分流的影响。（5）冷却条件。包括冷却水冷却状况及电极、工件的散热等因素。6.1.4其它熔焊工艺控制特点1.电子束焊接特点电子束焊接是利用空间定向高速运动的电子束，在撞击工件后将动能转化为热能，从而使被焊工件熔化，形成焊缝。电子束焊接具有焊接质量好、焊缝深宽比大、焊接速度高等优点。但是，电子束焊接设备具有成本高、接头准备和加工要求精确、工件受真空室尺寸限制等缺点。真空电子束焊机组成2.激光焊接控制特点激光焊接是利用原子受激辐射的原理，使工作物质受激励而产生的一种单色性高、方向性强、亮度高的光束。它是经过光学系统会聚成很小的、高能量的光点，作为一高能量密度的热源进行焊接的一种方法。激光焊接设备由激光器、光学系统、电气系统及高精度控制多坐标工作台等四个主要部分组成，如图6.7所示。激光焊机组成3.电渣焊控制特点电渣焊是一种以电流通过熔渣所产生的电阻热作为热源的熔化焊方法。电渣焊可以一次焊透很厚的工件，生产率高，并且焊缝缺陷少。但要求焊缝为垂直或近似垂直位置，接头冲击韧性较低。各种形式电渣焊焊接过程示意图1—工件；2—熔池；3—渣池；4—导电嘴；5—焊丝；6—强迫成型装置；7—引出板；8—金属熔滴；9—焊缝；10—引弧板；11—板极；12—导电丝；13—熔嘴；14—导电板；15—涂料管极6.2焊接质量自动控制必要性6.2.1焊接质量的概念焊接质量的概念是指采用焊接工艺制造产品的焊接接头满足产品设计要求的使用性能的程度。6.2.2焊接质量检测与控制的必要性图6.9确定焊接条件及参数的焊前准备环节图6.2.3焊接质量传感与控制对象图6.10传统焊接生产过程焊接质量控制环节框图图6.11现代焊接生产过程焊接质量控制环节框图6.3焊接过程传感与控制6.3.1焊接过程传感器的作用1.焊接过程传感必要性满意的焊接过程必需以研究和发展自动化、智能化焊接过程控制系统为基础，而焊接传感器作为焊接过程控制系统重要组成部分，其作用主要有两个方面，即焊接过程的自动跟踪和焊接质量的实时控制。2.焊接过程传感器的定义和分类所谓传感器，应该是一个完整的测量装置，它能将被测的物理量（非电显）转换为与之有确定对应关系的有用的电量（电阻、电容、电感、电压）输出，以满足信息的传输、处理、记录、显示和控制等要求。在电弧焊中，焊接传感器按照使用目的，可分为三类：第一类传感器主要用于检测构件位置、坡口位置或焊缝中心线位置以达到焊缝位置自动跟踪的目的，简称为焊缝位置自动跟踪传感器。它约占焊接传感器使用总量的80％。第二类传感器主要是在焊接过程中用以自动检测焊接条件（例如坡口尺寸等）以实时自动控制焊接工艺参数来适应每一时刻的焊接状况，称为焊接条件实时跟踪传感器。它仅占焊接传感器使用总量的10％。第三类传感器可同时完成上述两项功能，它仅占焊接传感器使用总量的10％。跟踪传感器也可分为直接电弧式、接触式和非接触式3大类。按传感方式可分为附加式传感器和电弧传感器两大类熔化极摆动式焊缝跟踪传感器附加式传感器电弧传感器钨极摆动式并列双丝式弯丝轮式高速旋转式光学式涡流式电磁式接触式其它图6.12焊缝跟踪传感器的类型电弧传感器的基本工作原理是：当电弧位置变化时，电弧自身电参数相应发生变化，从中反映出焊枪导电嘴至工件坡口表面距离的变化量，进而根据电弧的摆动形式及焊枪与工件的相对位置关系，推导出焊枪与焊缝间的相对位置偏差量。电参数的静态变化和动态变化都可以作为特征信号被提取出来，实现高低级水平两个方向的跟踪控制。电弧传感器的最大优势在于它的抗弧光、高温及强电磁能力很强，同时它与焊接电弧总是统一的整体，结构简单紧凑，响应速度快，成本也较低，目前得到了广泛的应用。但是，它只适用于角焊缝、开坡口对接焊缝和窄间隙焊缝，这些接头形式的共同特点是具有对称侧壁。而对于那些无对称侧壁或根本就无侧壁的接头形式，如搭接接头、不开坡口的对接接头等形式，现有的电弧传感器则不能识别。这使电弧传感器焊缝跟踪系统在生产中的应用受到限制。图6.13电弧传感器示例图检测器微动开关··探头典型的接触式焊缝跟踪传感器是依靠在坡口中滚动或滑动的触指将焊枪与焊缝之间的位置偏差反映到检测器内,并利用检测器内装的微动开关判断偏差的极性，除微动开关式外，检测器判断偏差的极性和大小的方法还有电位计式、电磁式和光电式接触传感器适用于X型、Y型坡口窄间隙焊缝及角焊缝等有可靠接触面的场合。该系统结构简单，操作方便，价格便宜且不受电弧烟尘及飞溅等干扰，也是目前使用比较广泛的一种焊缝跟踪传感器。存在的问题是：对不同的坡口需要不同的探头；探头磨损大，易变形；点固点障碍难以克服，不适于高速焊接。图6.14接触式传感器示例图图6.15激光视觉传感器示例图视觉传感器具有获取信息量大、灵敏度高、测量精度高、响应快、与工件无接触等特点，并结合计算机视觉和图像处理的最新技术成果，大大增强了弧焊机器人的外部适应能力。6.3.2焊接过程自动控制系统1.焊接过程控制的内容电弧焊过程控制主要包括焊接过程程序控制、焊接过程电弧稳定性控制、焊缝位置自动跟踪控制和焊接条件实时跟踪控制。2.焊接过程自动控制系统组成焊接自动控制主要目的：①提高焊接生产效率。②保持焊接参数一致及提高焊接质量稳定性。③使焊接生产实现柔性自动化。④改善劳动安全卫生条件。⑤增强生产管理的计划性和可预见性。⑥可准确预算材料的消耗量和生产成本。一般焊接自动控制系统的组成如下：图6.16焊接过程自动控制系统6.3.3非熔化极氩弧焊弧长控制1.电弧电压传感弧长控制电弧电压传感弧长控制法是指利用电弧长度与电弧电压之间有较好的正比关系，通过电弧电压来控制电弧长度（图6.17）。图6.17TIG焊电弧电压与电弧长度的统计关系电弧电压信号的提取方法是用一根导线接工件，另一根导线接到焊枪上尽量靠近电弧的一点（如图6.18所示），通过这两根导线则可提取到电弧电压信号。将提取的电弧电压信号送到AVC控制器，进行数据处理，AVC控制器向焊枪垂直运动机构发出指令，按处理结果进行弧长调节，直至提取到的电弧电压信号与给定电弧电压信号的偏差为零。图6.18电弧电压法弧长传感与控制系统示意图2.弧光传感弧长控制弧光传感弧长控制法是指利用弧光总强度与弧长之间的定量线性关系，通过弧光总强度来控制电弧长度。图6.19光总强度与弧长之间的统计关系。图6.19弧长与电弧总光强的统计关系弧光传感弧长控制系统的示意图，如图6.20所示。图6.20弧光传感弧长控制系统示意图6.3.4熔化极电弧焊熔滴过渡控制1.熔化极短路熔滴过渡控制1）多外特性控制方法多外特性控制方法是利用一种特殊焊接电源来实现的。它拥有两组输出外特性，一组为下降外特性，另一组为上升外特性，如图6.21所示。图6.21一个焊接电源的两套外特性曲线整个控制系统的目的是使焊丝熔化金属，通过短路过程平稳而均匀地过渡到溶池，焊缝成形良好、飞溅很小。达到这一目的的动作过程（图6.22）都是由电弧本身传感的电弧电压信息来决定和指挥的。图6.22多外特性控制法原理2）表面张力控制方法（STT方法）图6.23STT法控制过程示意图3）实时回抽焊丝表面张力控制方法表面张力拉断缩