[发明专利]一种旋转电弧窄间隙MAG焊焊缝偏差识别装置及方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种旋转电弧窄间隙MAG焊，更具体地说是涉及一种基于声音传感的旋转电弧窄间隙MAG焊焊缝偏差识别装置及方法，属于焊接自动化技术领域。

背景技术

旋转电弧窄间隙MAG焊是实现大厚板熔化极焊接的高效焊接方法，具有焊缝截面积小、焊接填充金属少、焊接热输入低、焊接效率高、焊接接头性能好，在造船、压力容器焊接，以及钢结构制造中应用越来越广泛。为了保证旋转电弧窄间隙MAG焊焊缝的质量，使坡口左右侧壁都均匀熔透，需要保证旋转电弧焊炬的电弧中心与窄间隙工件的坡口中心严格对准。为此需要对旋转电弧窄间隙MAG焊焊接过程进行实时有效的焊缝跟踪控制，其关键就是能够实现实时可靠的焊缝偏差的识别和提取。

目前应用于焊缝偏差识别的传感器主要有：机械式传感器、电磁感应式传感器、焊接温度场传感器、电弧传感器、CCD视觉传感器和声音传感器等。其中，声音传感器因其不受侧壁上附着的飞溅、坡口底部变化的影响以及焊接过程中产生的烟尘、弧光、电磁的干扰，信息量大，适用坡口形式多等优点，被认为是一种很具有发展前景的传感方法。

关于窄间隙焊接的声音传感技术的研究并不多，在文献“窄间隙MAG焊电弧声与电弧作用位置的相关性”(兰虎等，机械工程学报，2014年，第50卷，第24期，38～43页)中，提出窄间隙MAG焊电弧声信号与电弧中心作用位置具有相关性，该系统通过对窄间隙MAG脉冲立焊过程中电弧声信号的提取、处理和分析，发现电弧声信号能量的频谱分布与电弧作用中心到窄间隙工件坡口侧壁的距离具有高度的相关性，随着电弧作用中心到窄间隙工件坡口侧壁距离的逐渐增大，电弧声信号能量在低频范围内的分布始终存在，其分布总体呈现从断续到连续再到断续的特征，然而当电弧作用中心到窄间隙坡口侧壁的距离达到2.6mm以上时，其电弧声信号能量在高频范围内会出现分布，其分布总体上呈现从断续到连续的特征。所以利用窄间隙MAG脉冲立焊电弧声信号在时域和频域范围内的分布规律可以实现窄间隙焊缝跟踪。该方法仅研究了摇动电弧窄间隙焊接电弧声信号，而且其摇动频率低，没有对高速的旋转电弧声信号进行研究。在文献“基于电弧声信号特征分析MAG焊熔透状态在线监测”(毕淑娟等，焊接学报，2010年，第31卷，第5期，17～20页)中，开发了一种基于MAG焊接过程的可听电弧声信号的采集和处理的焊缝熔透状态在线监测方法，采用小波降噪法和短时加窗等预处理手段对电弧声信号进行预处理，提取特征参数，对特征向量进行PCA参数计算融合处理，并以此作为输入参量，将四种焊缝熔透状态作为输出参量，建立了基于BP和RBF的焊缝熔透状态的辨识网络模型，并对这两种焊缝熔透状态的辨识网络模型进行相应的应用验证，都可以实现对焊缝熔透状态的在线识别。该方法只进行MAG焊接过程的在线监测，未见实现焊缝的同步跟踪控制。在文献“MIG焊电弧声信号与熔透状态相关性”中，对以电弧声信号作为焊缝熔透状态监控的潜在源信号进行了研究，提取了平板对接MIG焊的射流过渡过程中产生的非平稳的电弧声信号，采用小波变换技术对电弧声信号进行处理，再从时域、频域和时频联合域三个角度对电弧声信号与焊缝熔透状态的相关性进行研究分析，发现1.5～4.5kHz频率段内电弧声信号能量的变化可以准确地被检测提取出来，从而用来表征焊接过程中焊缝熔透状态的改变。该方法仅研究了平板对接MIG焊电弧声信号，没有研究窄间隙MAG焊电弧声信号。

已有授权的专利中，清华大学的王耀文等人在专利名称为“等离子弧焊熔池穿孔状态的声音信号传感方法及其系统”(申请号：00105933.5)的发明专利中，提出一种针对等离子焊接的声音传感方法，通过在等离子焊枪附近架置传声器，实时采集等离子弧焊接过程中的声音信号s(t)并存储入计算机；再对采集的信号进行离散傅里叶变换处理，得到可供机器识别的定量的熔池穿孔与否传感信号As；最后将As与给定阈值进行比较，以判断当时熔池穿孔状态。该方法只研究了等离子弧焊的声音传感，离散傅里叶变换计算工作量大，降低了时效性。北京石油化工大学的朱加雷等人在专利名称为“高压干法水下GMAW焊接电弧声测试与分析系统”(申请号：201520393537.9)的实用新型专利中，公开了一种高压干法水下GMAW焊接电弧声测试与分析系统，包括高压焊接实验舱、焊接实验平台、驻极体传声器、前置放大器、信号分析仪、抗混叠滤波模块、数据采集卡与工控机。但该系统仅停留于实验研究，还没有实际应用。

发明内容