[发明专利]一种薄壁细隙环纵缝的微束等离子焊接成形控制系统

说明书

技术领域

本发明属于焊接质量控制技术领域。涉及一种薄壁细隙环纵缝的微束等离子焊接成形控制系统，可广泛应用于航空航天制造等领域薄壁金属精密构件的微束等离子焊接过程中。

背景技术

薄壁金属精密构件是航空航天、军用武器、核工业、医疗器械和生物医学等高端装备制造领域中一类不可或缺的重要构件，对焊缝质量和接头机械性能要求严格。脉冲微束等离子焊接方法(P-MPAW，Pulsed Micro-plasma Arc Welding)因具有能量密度集中、热影响区窄、电弧稳定性高以及能够实现热输入量的精确控制等优点，是耐热薄钢带、不锈钢薄壁管、金属波纹管和膜盒等薄壁金属精密构件的重要焊接成形制造方法。

焊接成形质量控制是维持焊接过程稳定性、保证焊缝质量和接头性能的关键，也是实现智能化焊接的前提。我国现阶段尚未全面实现薄壁金属精密构件的自动化和机器人化焊接生产，目前仍主要依赖于人工辅助的机械化焊接生产方式，存在着焊接过程不稳定、焊缝成形不均匀、焊接质量稳定性难以保障、产品的一次焊接成功率低等严重问题，尤其在航空航天制造领域中，传统的焊接生产方式正面临严峻挑战：以宇航工业中需求量巨大的焊接波纹管、焊接膜盒等薄壁金属壳体类构件为例，其焊缝数量众多(最多时近一百条)，且焊缝质量均需达到航天工业标准I级要求，同时需保证无一漏点并通过液压、气密、氦质谱检漏及疲劳寿命试验。因此，发展以“高精度焊缝控形”为目标的精密焊接成形在线控制系统与技术，是薄壁金属精密构件制造领域亟需重点突破的关键性内容。

基于熔池背面视觉传感的焊接成形控制技术是焊接质量控制技术领域的重要发展方向之一，但由于薄壁金属精密构件制造中广泛采用对接、卷边或端接接头悬空焊焊接工艺，给其焊接过程的成形质量信息传感与控制提出了极大挑战：薄壁金属精密构件焊接具有母材壁薄、焊缝微细和焊接熔池微小等特点，要求焊接过程视觉检测系统在具有大倍率和高分辨率的光学特性的同时保证极高的检测精度、实时性和稳定性。传统的视觉检测系统依赖于大倍率高分辨率的标准工业镜头检测微型物体，存在着景深小和放大倍率随物距改变而变化的固有光学成像特性，难以直接应用于超薄结构微细焊缝精密焊接的动态熔池检测，尤其是在实际焊接生产中的焊件加工和装配误差、熔池自身振荡现象、焊件受热变形以及外界扰动难以规避，均给微景深视觉系统实现熔池清晰成像以及后续的图像处理与特征提取带来困难；此外，在许多焊接生产场合中，由于受焊接条件限制难以直接监测焊缝背面成形状态，如何在焊接过程时滞、多变量耦合且难以建立精确焊接过程模型的条件下对焊缝成形质量实施精确控制，是薄壁金属精密构件焊接制造亟需解决的关键问题。

经对现有技术文献和专利检索发现，专利申请号为200810200821.4的中国发明专利《微束等离子弧焊焊接全系统协同控制结构》公开了一种集焊接电源控制、焊缝跟踪控制、焊矩行走控制、热输入控制、电弧稳定性控制、焊接工艺控制于一体的微束等离子焊接系统，但该系统未涉及焊接熔池视觉传感，无法对焊接动态熔池行为进行监测或从熔池表面获取熔池形态特征信息，且不能实现微束等离子焊接过程焊缝熔深和焊缝熔宽的在线精确控制；专利申请号为200510111327.7的中国发明专利《一种微束等离子焊的双处理器数字控制系统及控制方法》公开了一种基于MCU单片机和DSP数字信号处理的双处理器通信的控制系统，通过充分利用MCU单片机和DSP数字信号处理器的各自优势，实现快速数据传递及焊接外特性优化控制等功能，但未涉及微束等离子焊接成形在线控制技术；专利申请号为200610075063.9的中国发明专利《微束等离子焊的数字化人机交互系统》公开了一种微束等离子焊机的菜单式人机交互系统，采用单片机和DSP数字信号处理器实现微束等离子焊接现场的人机交互，该系统也未涉及微束等离子焊接成形在线控制技术。

综上所述，国内外现有微束等离子焊接(MPAW，Micro-plasma Arc Welding)系统大多仅涉及焊机与上位机数据通信、焊机人机交互、焊接工艺参数在线调整、焊道自动跟踪等功能，目前尚未见有关基于多电量反馈与熔池视觉信息融合的微束等离子焊接成形在线控制系统的研究和报道。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提出一种薄壁细隙环纵缝的微束等离子焊接成形控制系统，以实现薄壁金属壳体类构件环纵缝精密焊接的焊缝成形在线实时控制。

为了实现上述目的，本发明采取以下技术方案：