材料成型控制工程基礎第六章課件

第6章焊接過程控制6.1焊接過程控制特點6.2焊接質量自動控制必要性6.3焊接過程傳感與控制6.4焊接過程智能控制第6章焊接過程控制6.1焊接過程控制特點16.1焊接過程控制特點6.1.1焊接過程控制一般特點（1）由于電弧發(fā)出的光、熱、聲波、飛濺等的干擾，在其它領域可使用的測量技術在近弧區(qū)無法使用。另外，埋弧焊時因為熔渣的存在也妨礙了有效的測量（2）電弧焊多半是工件固定電弧移動，要在有電弧的一面檢測，必須使檢測器與焊炬連接在一起同時移動。這樣就必須使用能沿焊縫移動的長探測頭，這是相當麻煩的。另外，使用墊板也會使焊縫背面的檢測性能變壞。（3）因為近縫區(qū)金屬處于不穩(wěn)定的過程與不平衡狀態(tài)，所以對它的檢測要測得很準確也是困難的。因此，在考慮電弧焊的自動控制時，就產生了被控制量檢測的困難問題。（1）干擾中有的對控制對象有很大的影響（2）與被控制量的檢測相比，容易檢測的干擾居多（3）多為事先能預想得到的干擾。2.干擾因素多

1.被控制量選擇的特點6.1焊接過程控制特點6.1.1焊接過程控制一般特點（12圖6.1

反饋控制系統(tǒng)附加的前饋控制框圖

3.控制方式的特點

出于電弧焊過程中干擾因素多和被控制量的檢測又較困難(檢測性不好)。迄今為止，電弧焊工藝所采用的自動控制方式屬于完全的反饋系統(tǒng)的例子較少，而多數是屬于干擾控制或前饋控制。一般說來，它多用在反饋系統(tǒng)中，這時的框圖如圖6.1所示。圖6.1反饋控制系統(tǒng)附加的前饋控制框圖3.控制方式的特點3干擾檢測出后容易直接控制的系統(tǒng)如圖6.2a所示?？梢岳酶蓴_檢測元件和干擾調節(jié)元件，在干擾作用達到控制對象以前，將干擾消除。這種控制方式適合于弧焊中焊縫變動時使用。對于容易預見的干擾，檢測元件也就不必要了。可用圖6.2b的方式使干擾調節(jié)元件按照事先編制程序曲給定值工作，就能對干擾進行補償。圖6.2中的兩種方式都屬于干擾控制。

圖6.2干擾控制系統(tǒng)框圖

干擾檢測出后容易直接控制的系統(tǒng)如圖6.2a所示。圖6.246.1.2電弧焊過程控制特點1.鎢極氬弧焊控制特點2.二氧化碳氣體保護焊控制特點3.MIG/MAG焊控制特點4.埋弧焊控制特點鎢極氬弧焊是以不熔化材料鎢作電極、采用惰性氣體氬氣為保護氣體的一種電弧焊方法。適合于焊接薄板金屬和打底焊。焊縫質量高。其焊接速度較低。

二氧化碳焊是以熔化材料作電極、采用二氧化碳或二氧化碳和氧氣為保護氣體的一種電弧焊方法。電弧穿透力強，焊絲熔化率高，抗銹能力強，不可能實現射流過渡，通常采用短路過渡方式。主要優(yōu)點是成本低，熔池容量很小不易流失，從而可以很方便地進行全位置焊接，它的主要缺點是飛濺較大，焊縫成形不佳，熔深不大，有很大的堆高。

MIG焊是以熔化材料作電極、采用氬氣或氦氣為保護氣體的一種電弧焊方法。MAG焊是以熔化材料作電極、采用富氬混合氣體作為保護氣的一種電弧焊方法。

埋弧焊以連續(xù)送進的焊絲作為電極和填充金屬。

埋弧焊可以采用較大的焊接電流。與手工焊相比，埋弧自動焊具有焊縫質量高、生產率高、勞動條件好等優(yōu)點，但不如手工焊靈活。特別適合于焊接大型工件的直縫和環(huán)縫。6.1.2電弧焊過程控制特點1.鎢極氬弧焊控制特點2.55.等離子弧焊控制特點1）穿孔型等離子弧焊接穿孔型等離子弧焊接實質是等離子弧穿透工件形成小孔（見圖6.3），被熔化的金屬依靠表面張力和電弧后推的力量形成熔池。焊槍前進時，小孔在電弧后閉合，形成完全穿透的焊縫。穩(wěn)定的小孔焊接過程是不采用襯墊實現單面焊雙面一次成形的好方法。

圖6.3空孔型等離子弧焊接原理示意圖

2）熔入型等離子弧焊接熔入型等離子弧焊接方法基本上和鎢極氬弧焊相似，適用于薄板、多層焊縫的蓋面及角焊縫的焊接。3）熔化極等離子弧焊接熔化極等離子弧焊接是等離子弧焊和熔化極氣體保護焊相結合的一種方法（見圖6.4）。圖6.4（a）為鎢極結構，等離子弧在鎢極與工件之間燃燒，適用于厚板深熔焊接或薄板高速焊接。圖6.4（b）為水冷噴嘴結構，等離子弧在噴嘴與工件之間燃燒，適用于堆焊。

1—焊絲；2—導電嘴；3—等離子氣；4—銅噴嘴；5—保護氣；6—保護罩；7—等離子??；8—過渡金屬；9—鎢極圖6.4熔化極等離子弧焊槍結構示意圖5.等離子弧焊控制特點1）穿孔型等離子弧焊接穿孔型等離子弧66）變極性等離子弧焊接變極性等離子弧焊接是為了解決鋁及其合金的等離子弧焊而提出來的焊接方法。其電源的原理與交流方波電源相同。4）微束等離子弧焊接與普通等離子弧焊接的主要區(qū)別是工作時轉移弧和非轉移弧同時存在，使小電流的等離子弧十分穩(wěn)定。目前成為焊接薄件、微型件的有效方法。5）脈沖等離子弧焊接穿孔型、熔入型及微束等離子弧焊接均可以采用脈沖電流法?；惦娏饔脕砭S弧，峰值電流用來熔化金屬。脈沖頻率一般在15HZ以下。脈沖電流法可以提高焊接過程穩(wěn)定性、控制全位置焊接焊縫成形、減小熱影響區(qū)寬度和焊接變形。6）變極性等離子弧焊接變極性等離子弧焊接是為了解決鋁及其合金76.1.3電阻焊過程控制特點1.電阻焊工藝電阻焊方法主要有四種，即點焊、縫焊、凸焊及對焊

電阻焊特點在于焊接電流大，通電時間短，設備比較復雜，一次投資大，生產率高，適于大批量生產。2.電阻焊工藝控制特點

點焊影響因素主要來自以下幾個方面：（1）焊機通電回路。包括網壓波動、焊接回路感抗及阻抗變化。（2）焊機加壓系統(tǒng)。主要是電極壓力波動。（3）電極材料及形狀。包括電極磨損、電極表面玷污、電極材料與所焊材料不匹配等問題。（4）工件。包括被焊材料的表面質量、厚度及其它焊點分流的影響。（5）冷卻條件。包括冷卻水冷卻狀況及電極、工件的散熱等因素。6.1.3電阻焊過程控制特點1.電阻焊工藝電阻焊方法主要有86.1.4其它熔焊工藝控制特點1.電子束焊接特點電子束焊接是利用空間定向高速運動的電子束，在撞擊工件后將動能轉化為熱能，從而使被焊工件熔化，形成焊縫。電子束焊接具有焊接質量好、焊縫深寬比大、焊接速度高等優(yōu)點。但是，電子束焊接設備具有成本高、接頭準備和加工要求精確、工件受真空室尺寸限制等缺點。

真空電子束焊機組成

6.1.4其它熔焊工藝控制特點1.電子束焊接特點電子束焊接92.激光焊接控制特點激光焊接是利用原子受激輻射的原理，使工作物質受激勵而產生的一種單色性高、方向性強、亮度高的光束。它是經過光學系統(tǒng)會聚成很小的、高能量的光點，作為一高能量密度的熱源進行焊接的一種方法。激光焊接設備由激光器、光學系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)及高精度控制多坐標工作臺等四個主要部分組成，如圖6.7所示。

激光焊機組成

2.激光焊接控制特點激光焊接是利用原子受激輻射的原理，使工103.電渣焊控制特點電渣焊是一種以電流通過熔渣所產生的電阻熱作為熱源的熔化焊方法。電渣焊可以一次焊透很厚的工件，生產率高，并且焊縫缺陷少。但要求焊縫為垂直或近似垂直位置，接頭沖擊韌性較低。

各種形式電渣焊焊接過程示意圖1—工件；2—熔池；3—渣池；4—導電嘴；5—焊絲；6—強迫成型裝置；7—引出板；8—金屬熔滴；9—焊縫；10—引弧板；11—板極；12—導電絲；13—熔嘴；14—導電板；15—涂料管極3.電渣焊控制特點電渣焊是一種以電流通過熔渣所產生的電阻熱116.2焊接質量自動控制必要性6.2.1焊接質量的概念焊接質量的概念是指采用焊接工藝制造產品的焊接接頭滿足產品設計要求的使用性能的程度。6.2.2焊接質量檢測與控制的必要性圖6.9確定焊接條件及參數的焊前準備環(huán)節(jié)圖6.2焊接質量自動控制必要性6.2.1焊接質量的概念焊接質126.2.3焊接質量傳感與控制對象圖6.10傳統(tǒng)焊接生產過程焊接質量控制環(huán)節(jié)框圖圖6.11現代焊接生產過程焊接質量控制環(huán)節(jié)框圖

6.2.3焊接質量傳感與控制對象圖6.10傳統(tǒng)焊接生產過程136.3焊接過程傳感與控制6.3.1焊接過程傳感器的作用1.焊接過程傳感必要性

滿意的焊接過程必需以研究和發(fā)展自動化、智能化焊接過程控制系統(tǒng)為基礎，而焊接傳感器作為焊接過程控制系統(tǒng)重要組成部分，其作用主要有兩個方面，即焊接過程的自動跟蹤和焊接質量的實時控制。

2.焊接過程傳感器的定義和分類所謂傳感器，應該是一個完整的測量裝置，它能將被測的物理量（非電顯）轉換為與之有確定對應關系的有用的電量（電阻、電容、電感、電壓）輸出，以滿足信息的傳輸、處理、記錄、顯示和控制等要求。在電弧焊中，焊接傳感器按照使用目的，可分為三類：第一類傳感器主要用于檢測構件位置、坡口位置或焊縫中心線位置以達到焊縫位置自動跟蹤的目的，簡稱為焊縫位置自動跟蹤傳感器。它約占焊接傳感器使用總量的80％。第二類傳感器主要是在焊接過程中用以自動檢測焊接條件（例如坡口尺寸等）以實時自動控制焊接工藝參數來適應每一時刻的焊接狀況，稱為焊接條件實時跟蹤傳感器。它僅占焊接傳感器使用總量的10％。第三類傳感器可同時完成上述兩項功能，它僅占焊接傳感器使用總量的10％。6.3焊接過程傳感與控制6.3.1焊接過程傳感器的作用1.14跟蹤傳感器也可分為直接電弧式、接觸式和非接觸式3大類。按傳感方式可分為附加式傳感器和電弧傳感器兩大類圖6.12焊縫跟蹤傳感器的類型

跟蹤傳感器也可分為直接電弧式、接觸式和非接觸式3大類。按傳感15電弧傳感器的基本工作原理是：當電弧位置變化時，電弧自身電參數相應發(fā)生變化，從中反映出焊槍導電嘴至工件坡口表面距離的變化量，進而根據電弧的擺動形式及焊槍與工件的相對位置關系，推導出焊槍與焊縫間的相對位置偏差量。電參數的靜態(tài)變化和動態(tài)變化都可以作為特征信號被提取出來，實現高低級水平兩個方向的跟蹤控制。電弧傳感器的最大優(yōu)勢在于它的抗弧光、高溫及強電磁能力很強，同時它與焊接電弧總是統(tǒng)一的整體，結構簡單緊湊，響應速度快，成本也較低，目前得到了廣泛的應用。但是，它只適用于角焊縫、開坡口對接焊縫和窄間隙焊縫，這些接頭形式的共同特點是具有對稱側壁。而對于那些無對稱側壁或根本就無側壁的接頭形式，如搭接接頭、不開坡口的對接接頭等形式，現有的電弧傳感器則不能識別。這使電弧傳感器焊縫跟蹤系統(tǒng)在生產中的應用受到限制。圖6.13電弧傳感器示例圖電弧傳感器的基本工作原理是：圖6.13電弧傳感器示例圖16典型的接觸式焊縫跟蹤傳感器是依靠在坡口中滾動或滑動的觸指將焊槍與焊縫之間的位置偏差反映到檢測器內,并利用檢測器內裝的微動開關判斷偏差的極性，除微動開關式外，檢測器判斷偏差的極性和大小的方法還有電位計式、電磁式和光電式接觸傳感器適用于X型、Y型坡口窄間隙焊縫及角焊縫等有可靠接觸面的場合。該系統(tǒng)結構簡單，操作方便，價格便宜且不受電弧煙塵及飛濺等干擾，也是目前使用比較廣泛的一種焊縫跟蹤傳感器。存在的問題是：對不同的坡口需要不同的探頭；探頭磨損大，易變形；點固點障礙難以克服，不適于高速焊接。

圖6.14接觸式傳感器示例圖典型的接觸式焊縫跟蹤傳感器是依靠在坡口中滾動或滑動的觸指將焊17圖6.15激光視覺傳感器示例圖視覺傳感器具有獲取信息量大、靈敏度高、測量精度高、響應快、與工件無接觸等特點，并結合計算機視覺和圖像處理的最新技術成果，大大增強了弧焊機器人的外部適應能力。圖6.15激光視覺傳感器示例圖視覺傳感器具有獲取信息量大、186.3.2焊接過程自動控制系統(tǒng)1.焊接過程控制的內容電弧焊過程控制主要包括焊接過程程序控制、焊接過程電弧穩(wěn)定性控制、焊縫位置自動跟蹤控制和焊接條件實時跟蹤控制。2.焊接過程自動控制系統(tǒng)組成

焊接自動控制主要目的：①提高焊接生產效率。②保持焊接參數一致及提高焊接質量穩(wěn)定性。③使焊接生產實現柔性自動化。④改善勞動安全衛(wèi)生條件。⑤增強生產管理的計劃性和可預見性。⑥可準確預算材料的消耗量和生產成本。一般焊接自動控制系統(tǒng)的組成如下：圖6.16焊接過程自動控制系統(tǒng)6.3.2焊接過程自動控制系統(tǒng)1.焊接過程控制的內容2.196.3.3非熔化極氬弧焊弧長控制電弧電壓傳感弧長控制電弧電壓傳感弧長控制法是指利用電弧長度與電弧電壓之間有較好的正比關系，通過電弧電壓來控制電弧長度（圖6.17）。

圖6.17TIG焊電弧電壓與電弧長度的統(tǒng)計關系電弧電壓信號的提取方法是用一根導線接工件，另一根導線接到焊槍上盡量靠近電弧的一點（如圖6.18所示），通過這兩根導線則可提取到電弧電壓信號。將提取的電弧電壓信號送到AVC控制器，進行數據處理，AVC控制器向焊槍垂直運動機構發(fā)出指令，按處理結果進行弧長調節(jié)，直至提取到的電弧電壓信號與給定電弧電壓信號的偏差為零。圖6.18電弧電壓法弧長傳感與控制系統(tǒng)示意圖

6.3.3非熔化極氬弧焊弧長控制電弧電壓傳感弧長控制電弧電壓202.弧光傳感弧長控制弧光傳感弧長控制法是指利用弧光總強度與弧長之間的定量線性關系，通過弧光總強度來控制電弧長度。圖6.19光總強度與弧長之間的統(tǒng)計關系。

圖6.19弧長與電弧總光強的統(tǒng)計關系

弧光傳感弧長控制系統(tǒng)的示意圖，如圖6.20所示。

圖6.20弧光傳感弧長控制系統(tǒng)示意圖

2.弧光傳感弧長控制弧光傳感弧長控制法是指利用弧光總強度與216.3.4熔化極電弧焊熔滴過渡控制

1.熔化極短路熔滴過渡控制1）多外特性控制方法多外特性控制方法是利用一種特殊焊接電源來實現的。它擁有兩組輸出外特性，一組為下降外特性，另一組為上升外特性，如圖6.21所示。圖6.21一個焊接電源的兩套外特性曲線

整個控制系統(tǒng)的目的是使焊絲熔化金屬，通過短路過程平穩(wěn)而均勻地過渡到溶池，焊縫成形良好、飛濺很小。達到這一目的的動作過程（圖6.22）都是由電弧本身傳感的電弧電壓信息來決定和指揮的。圖6.22多外特性控制法原理6.3.4熔化極電弧焊熔滴過渡控制1.熔化極短路熔滴過渡222）表面張力控制方法（STT方法）圖6.23STT法控制過程示意圖2）表面張力控制方法（STT方法）圖6.23STT法控制過233）實時回抽焊絲表面張力控制方法表面張力拉斷縮頸的過程實際上是一種液態(tài)圓柱體的失穩(wěn)自動破斷過程。當材料種類、溫度、周圍介質、液態(tài)物質質量、與固態(tài)物體接觸面積等條件一定時，則主要決定縮頸穩(wěn)定的條件是r/l（縮頸直徑r與縮頸長度l的比）圖6.24焊絲瞬時回抽對縮徑失穩(wěn)影響的示意圖大量工藝實驗證明，實時回抽焊絲表面張力控制方法不但可以顯著降低飛濺率，而且可以在較低的平均電流區(qū)間獲得穩(wěn)定的、低飛濺率的短路過渡過程和較滿意的焊縫成型。

3）實時回抽焊絲表面張力控制方法表面張力拉斷縮頸的過程實際上242.熔化極自由熔滴過渡的傳感與控制下面介紹兩種典型的射滴過渡適時傳感與控制的方法弧光傳感脈沖電流穩(wěn)定射滴過渡適時控制方法實驗研究表明：穩(wěn)定的射流過渡是在電流值達到某一射流過渡臨界電流值后（不同焊接直徑，臨界焊接值不同）產生的。但在提高電流達到臨界電流后，并不能直接產生射流過渡，而是先產生一個或數個射滴過渡，然后再很快由射滴過渡轉變?yōu)榉€(wěn)定的射流過渡。同時發(fā)現熔滴過渡弧光信號與熔滴過渡過程的對應關系如圖6.25所示，其中弧光強度下凹信號是熔滴過渡的特征信號。圖6.25熔滴過渡弧光信號與熔滴過渡過程的對應關系采用弧光傳感器受控穩(wěn)定射滴過渡閉環(huán)控制的過程，如圖6.26所示。

圖6.26弧光傳感熔滴過渡控制示意圖

2.熔化極自由熔滴過渡的傳感與控制下面介紹兩種典型的射滴過256.3.5焊縫自動跟蹤傳感與控制1．電弧傳感焊接對縫跟蹤控制電弧傳感焊接對縫跟蹤控制是利用焊接電弧現象本身提供有關電弧軸線是否偏離焊接對縫的信息，來實時控制焊接電弧始終跟蹤焊接對縫。當焊槍在V型坡口中進行擺動掃描并同時沿焊接方向運動時（圖6.28），電弧將一方面沿焊接方向作正弦曲線軌跡運動，另一方面沿V型坡口邊緣運動，結果產生H、電弧電流I及噴嘴—工件電壓UH的周期性變化。圖6.28焊槍在V型坡口中擺動時電弧運動情況6.3.5焊縫自動跟蹤傳感與控制1．電弧傳感焊接對縫跟蹤控制26圖6.29焊槍沿V型坡口擺動時L、I及l(fā)的周期性變化圖6.29焊槍沿V型坡口擺動時272．視覺傳感焊接對縫跟蹤與控制目前在焊接中應用較廣的是CCD攝像機(如圖6.30)，它具有光譜響應寬、動態(tài)范圍大、靈敏度和幾何精度高、噪聲低、體積小、重量輕、低電壓、低功耗、抗沖擊、耐震動、抗電磁干擾能力強、堅固耐用、壽命長、圖像畸變小、無殘像、可以長時間工作于惡劣環(huán)境、便于進行數字化處理和與計算機連接等優(yōu)點。

圖6.30CCD攝像機結構示意圖2．視覺傳感焊接對縫跟蹤與控制目前在焊接中應用較廣的是CCD28圖6.31焊接區(qū)圖像傳感焊接對縫跟蹤控制原理圖

1）被動光視覺圖6.31焊接區(qū)圖像傳感焊接對縫跟蹤控制原理圖1）被動光292）主動光視覺圖6.32三角測量原理圖在實際應用中，采用外加輔助光源并基于三角測量原理(如圖6.32)的方法，即主動光視覺應用更為廣泛。2）主動光視覺圖6.32三角測量原理圖在實際應用中，采用外加306.3.6焊縫溶透與熔深的傳感與控制焊接條件實時跟蹤傳感與控制是對焊道形狀（高度和寬度）、背面焊形狀、熔透深度、容敷量等控制量實施檢測和控制。控制參數包括焊接電流、電弧電壓、焊接速度和電弧位置。焊縫尺寸是決定焊接接頭強度及有關性能的重要因素，因此也是焊接質量控制的重要內容。焊縫尺寸主要包括焊縫寬度B，焊縫熔深H或熔透b（用焊縫背面寬度來表示），焊縫余高h（亦稱焊縫加強高）如圖6.38所示。

圖6.38焊縫尺寸控制的主要內容

6.3.6焊縫溶透與熔深的傳感與控制焊接條件實時跟蹤傳感與控311.熔池振蕩法溶透與熔深的傳感與控制這種方法是根據液態(tài)物體體積與液面自然振蕩頻率之間的關系，實現從熔池正面來檢測熔池的熔透或熔深，從而達到控制它們的目的。在基值電流之上間斷地施加瞬時激振脈沖電流激起熔池振蕩的方法中，比較成功地應用于生產的方案為“檢測熔池諧振實現熔透與熔深的控制”。圖6.30為熔池諧振方案的原理示意圖。圖6.39熔池諧振方案原理示意圖1.熔池振蕩法溶透與熔深的傳感與控制這種方法是根據液態(tài)物體322.熔池圖像法熔透與熔深的傳感與控制熔池圖像法熔透與熔深傳感控制方案的提出是基于焊工在焊接時，就是根據通過焊接面罩觀察熔池圖像，獲得熔透與熔深信息的，通過手工操作，控制電弧位置、角度、運行速度等，達到控制熔透與熔深的目的。

頻閃高速攝影機捕捉的熔池圖像送到計算機，通過專門的軟件進行圖像處理，可實時地得到清晰熔池邊緣圖像。通過實際焊件的大量試驗分析獲知，二維熔池圖像的熔池長度l及拖尾夾角θ與焊縫熔透（焊縫反面熔寬b）（圖6.40）有良好的對應關系，故取l與θ作為反映熔透的二維熔池圖像的幾何特征參量。利用神網絡原理，通過試驗得到大量熔池二維圖像l、θ及焊縫反面熔寬b的數據，對神經網絡模型進行訓練學習，最后得到能準確反映熔池二維圖像幾何特征參量（l、θ）與焊縫熔池背面熔寬b關系的神經網絡模型。只要實時檢測到l與θ，作為模型的輸入參量，就可以實時地得到輸出參量b。圖6.40反映熔透的二維圖像幾何特征參量2.熔池圖像法熔透與熔深的傳感與控制熔池圖像法熔透與熔深傳333.熔池紅外檢測法熔透與熔深的傳感與控制焊接時，接頭各區(qū)的溫度不同，所發(fā)出的輻射量不同。由于溫度不同的金屬所發(fā)出的紅外線波長也不同，故可通過選取適當的波長范圍，濾去所有低于一定溫度的輻射能，而僅僅檢測熔化和接近熔化金屬發(fā)出的輻射能?；诖嗽恚捎脤t外光譜段敏感的熱釋電型紅外傳感器，與特定的濾光器結合，配合電路上模擬和數字濾波，可以成功地監(jiān)測焊縫的熔透情況。根據以上原理建立的焊縫熔深紅外控制系統(tǒng)框圖見圖6.41。

圖6.41紅外檢測微機TIG焊熔深控制系統(tǒng)框圖

3.熔池紅外檢測法熔透與熔深的傳感與控制焊接時，接頭各區(qū)的34典型應用簡圖圖6.42TIG焊熔透系統(tǒng)應用簡圖典型應用簡圖圖6.42TIG焊熔透系統(tǒng)應用簡圖356.4焊接過程智能控制弧長調節(jié)系統(tǒng)的硬件組成圖6.43焊接電流和弧長控制系統(tǒng)結構圖6.4焊接過程智能控制弧長調節(jié)系統(tǒng)的硬件組成圖6.43焊36在本控制系統(tǒng)中，電機的控制是采用脈寬調制（PWM）方式進行的圖6.44力矩電動機驅動電路原理圖在本控制系統(tǒng)中，電機的控制是采用脈寬調制（PWM）方式進行的37控制軟件流程圖如圖6.46所示圖6.46弧長調節(jié)程序流程圖控制軟件流程圖如圖6.46所示圖6.46弧長調節(jié)程序流程386.4.2模糊系統(tǒng)理論在焊接中的應用系統(tǒng)框圖采用8031單片微機的模糊控制系統(tǒng)硬件結構如圖6.47所示。該系統(tǒng)主要有三部分組成，即8031單片機系統(tǒng)，焊接電弧取樣電路和給定值電路，步進電機控制及驅動電路。圖6.47微機模糊控制系統(tǒng)硬件框圖6.4.2模糊系統(tǒng)理論在焊接中的應用系統(tǒng)框圖采用8031單片39設計步驟模糊控制器組成本系統(tǒng)采用二輸入單輸出的模糊控制器，其結構如圖6.48所示，主要由三部分組成：精確量的模糊化，模糊控制規(guī)則的構成（模糊算法器），輸出信息的模糊決策。圖6.48模糊控制器結構圖設計步驟模糊控制器組成本系統(tǒng)采用二輸入單輸出的模糊控制器，其406.4.3焊接專家系統(tǒng)在焊接中的應用專家系統(tǒng)是一類特殊的計算機軟件，它具有相當于專家的知識和經驗水平以及解決專門問題的能力。圖6.50系統(tǒng)總體結構模型6.4.3焊接專家系統(tǒng)在焊接中的應用專家系統(tǒng)是一類特殊的計算41面向對象的模型面向對象的模型42系統(tǒng)實現的程序流程程序流程圖系統(tǒng)實現的程序流程程序流程圖436.4.4人工神經網絡理論在焊接中的應用系統(tǒng)框圖神經網絡對信息的處理具有自組織、自學習的特點，可以直接從經驗中獲取知識，具有較強的自學習能力，其容錯性也較強?；谏鲜鰞?yōu)點，人工神經網絡理論在焊接領域中的質量預測、過程控制、參數選擇等方面的應用獲得了較快地發(fā)展。6.4.4人工神經網絡理論在焊接中的應用系統(tǒng)框圖神經網絡對信44第6章焊接過程控制6.1焊接過程控制特點6.2焊接質量自動控制必要性6.3焊接過程傳感與控制6.4焊接過程智能控制第6章焊接過程控制6.1焊接過程控制特點456.1焊接過程控制特點6.1.1焊接過程控制一般特點（1）由于電弧發(fā)出的光、熱、聲波、飛濺等的干擾，在其它領域可使用的測量技術在近弧區(qū)無法使用。另外，埋弧焊時因為熔渣的存在也妨礙了有效的測量（2）電弧焊多半是工件固定電弧移動，要在有電弧的一面檢測，必須使檢測器與焊炬連接在一起同時移動。這樣就必須使用能沿焊縫移動的長探測頭，這是相當麻煩的。另外，使用墊板也會使焊縫背面的檢測性能變壞。（3）因為近縫區(qū)金屬處于不穩(wěn)定的過程與不平衡狀態(tài)，所以對它的檢測要測得很準確也是困難的。因此，在考慮電弧焊的自動控制時，就產生了被控制量檢測的困難問題。（1）干擾中有的對控制對象有很大的影響（2）與被控制量的檢測相比，容易檢測的干擾居多（3）多為事先能預想得到的干擾。2.干擾因素多

1.被控制量選擇的特點6.1焊接過程控制特點6.1.1焊接過程控制一般特點（146圖6.1

反饋控制系統(tǒng)附加的前饋控制框圖

3.控制方式的特點

出于電弧焊過程中干擾因素多和被控制量的檢測又較困難(檢測性不好)。迄今為止，電弧焊工藝所采用的自動控制方式屬于完全的反饋系統(tǒng)的例子較少，而多數是屬于干擾控制或前饋控制。一般說來，它多用在反饋系統(tǒng)中，這時的框圖如圖6.1所示。圖6.1反饋控制系統(tǒng)附加的前饋控制框圖3.控制方式的特點47干擾檢測出后容易直接控制的系統(tǒng)如圖6.2a所示?？梢岳酶蓴_檢測元件和干擾調節(jié)元件，在干擾作用達到控制對象以前，將干擾消除。這種控制方式適合于弧焊中焊縫變動時使用。對于容易預見的干擾，檢測元件也就不必要了。可用圖6.2b的方式使干擾調節(jié)元件按照事先編制程序曲給定值工作，就能對干擾進行補償。圖6.2中的兩種方式都屬于干擾控制。

圖6.2干擾控制系統(tǒng)框圖

干擾檢測出后容易直接控制的系統(tǒng)如圖6.2a所示。圖6.2486.1.2電弧焊過程控制特點1.鎢極氬弧焊控制特點2.二氧化碳氣體保護焊控制特點3.MIG/MAG焊控制特點4.埋弧焊控制特點鎢極氬弧焊是以不熔化材料鎢作電極、采用惰性氣體氬氣為保護氣體的一種電弧焊方法。適合于焊接薄板金屬和打底焊。焊縫質量高。其焊接速度較低。

二氧化碳焊是以熔化材料作電極、采用二氧化碳或二氧化碳和氧氣為保護氣體的一種電弧焊方法。電弧穿透力強，焊絲熔化率高，抗銹能力強，不可能實現射流過渡，通常采用短路過渡方式。主要優(yōu)點是成本低，熔池容量很小不易流失，從而可以很方便地進行全位置焊接，它的主要缺點是飛濺較大，焊縫成形不佳，熔深不大，有很大的堆高。

MIG焊是以熔化材料作電極、采用氬氣或氦氣為保護氣體的一種電弧焊方法。MAG焊是以熔化材料作電極、采用富氬混合氣體作為保護氣的一種電弧焊方法。

埋弧焊以連續(xù)送進的焊絲作為電極和填充金屬。

埋弧焊可以采用較大的焊接電流。與手工焊相比，埋弧自動焊具有焊縫質量高、生產率高、勞動條件好等優(yōu)點，但不如手工焊靈活。特別適合于焊接大型工件的直縫和環(huán)縫。6.1.2電弧焊過程控制特點1.鎢極氬弧焊控制特點2.495.等離子弧焊控制特點1）穿孔型等離子弧焊接穿孔型等離子弧焊接實質是等離子弧穿透工件形成小孔（見圖6.3），被熔化的金屬依靠表面張力和電弧后推的力量形成熔池。焊槍前進時，小孔在電弧后閉合，形成完全穿透的焊縫。穩(wěn)定的小孔焊接過程是不采用襯墊實現單面焊雙面一次成形的好方法。

圖6.3空孔型等離子弧焊接原理示意圖

2）熔入型等離子弧焊接熔入型等離子弧焊接方法基本上和鎢極氬弧焊相似，適用于薄板、多層焊縫的蓋面及角焊縫的焊接。3）熔化極等離子弧焊接熔化極等離子弧焊接是等離子弧焊和熔化極氣體保護焊相結合的一種方法（見圖6.4）。圖6.4（a）為鎢極結構，等離子弧在鎢極與工件之間燃燒，適用于厚板深熔焊接或薄板高速焊接。圖6.4（b）為水冷噴嘴結構，等離子弧在噴嘴與工件之間燃燒，適用于堆焊。

1—焊絲；2—導電嘴；3—等離子氣；4—銅噴嘴；5—保護氣；6—保護罩；7—等離子弧；8—過渡金屬；9—鎢極圖6.4熔化極等離子弧焊槍結構示意圖5.等離子弧焊控制特點1）穿孔型等離子弧焊接穿孔型等離子弧506）變極性等離子弧焊接變極性等離子弧焊接是為了解決鋁及其合金的等離子弧焊而提出來的焊接方法。其電源的原理與交流方波電源相同。4）微束等離子弧焊接與普通等離子弧焊接的主要區(qū)別是工作時轉移弧和非轉移弧同時存在，使小電流的等離子弧十分穩(wěn)定。目前成為焊接薄件、微型件的有效方法。5）脈沖等離子弧焊接穿孔型、熔入型及微束等離子弧焊接均可以采用脈沖電流法?；惦娏饔脕砭S弧，峰值電流用來熔化金屬。脈沖頻率一般在15HZ以下。脈沖電流法可以提高焊接過程穩(wěn)定性、控制全位置焊接焊縫成形、減小熱影響區(qū)寬度和焊接變形。6）變極性等離子弧焊接變極性等離子弧焊接是為了解決鋁及其合金516.1.3電阻焊過程控制特點1.電阻焊工藝電阻焊方法主要有四種，即點焊、縫焊、凸焊及對焊

電阻焊特點在于焊接電流大，通電時間短，設備比較復雜，一次投資大，生產率高，適于大批量生產。2.電阻焊工藝控制特點

點焊影響因素主要來自以下幾個方面：（1）焊機通電回路。包括網壓波動、焊接回路感抗及阻抗變化。（2）焊機加壓系統(tǒng)。主要是電極壓力波動。（3）電極材料及形狀。包括電極磨損、電極表面玷污、電極材料與所焊材料不匹配等問題。（4）工件。包括被焊材料的表面質量、厚度及其它焊點分流的影響。（5）冷卻條件。包括冷卻水冷卻狀況及電極、工件的散熱等因素。6.1.3電阻焊過程控制特點1.電阻焊工藝電阻焊方法主要有526.1.4其它熔焊工藝控制特點1.電子束焊接特點電子束焊接是利用空間定向高速運動的電子束，在撞擊工件后將動能轉化為熱能，從而使被焊工件熔化，形成焊縫。電子束焊接具有焊接質量好、焊縫深寬比大、焊接速度高等優(yōu)點。但是，電子束焊接設備具有成本高、接頭準備和加工要求精確、工件受真空室尺寸限制等缺點。

真空電子束焊機組成

6.1.4其它熔焊工藝控制特點1.電子束焊接特點電子束焊接532.激光焊接控制特點激光焊接是利用原子受激輻射的原理，使工作物質受激勵而產生的一種單色性高、方向性強、亮度高的光束。它是經過光學系統(tǒng)會聚成很小的、高能量的光點，作為一高能量密度的熱源進行焊接的一種方法。激光焊接設備由激光器、光學系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)及高精度控制多坐標工作臺等四個主要部分組成，如圖6.7所示。

激光焊機組成

2.激光焊接控制特點激光焊接是利用原子受激輻射的原理，使工543.電渣焊控制特點電渣焊是一種以電流通過熔渣所產生的電阻熱作為熱源的熔化焊方法。電渣焊可以一次焊透很厚的工件，生產率高，并且焊縫缺陷少。但要求焊縫為垂直或近似垂直位置，接頭沖擊韌性較低。

各種形式電渣焊焊接過程示意圖1—工件；2—熔池；3—渣池；4—導電嘴；5—焊絲；6—強迫成型裝置；7—引出板；8—金屬熔滴；9—焊縫；10—引弧板；11—板極；12—導電絲；13—熔嘴；14—導電板；15—涂料管極3.電渣焊控制特點電渣焊是一種以電流通過熔渣所產生的電阻熱556.2焊接質量自動控制必要性6.2.1焊接質量的概念焊接質量的概念是指采用焊接工藝制造產品的焊接接頭滿足產品設計要求的使用性能的程度。6.2.2焊接質量檢測與控制的必要性圖6.9確定焊接條件及參數的焊前準備環(huán)節(jié)圖6.2焊接質量自動控制必要性6.2.1焊接質量的概念焊接質566.2.3焊接質量傳感與控制對象圖6.10傳統(tǒng)焊接生產過程焊接質量控制環(huán)節(jié)框圖圖6.11現代焊接生產過程焊接質量控制環(huán)節(jié)框圖

6.2.3焊接質量傳感與控制對象圖6.10傳統(tǒng)焊接生產過程576.3焊接過程傳感與控制6.3.1焊接過程傳感器的作用1.焊接過程傳感必要性

滿意的焊接過程必需以研究和發(fā)展自動化、智能化焊接過程控制系統(tǒng)為基礎，而焊接傳感器作為焊接過程控制系統(tǒng)重要組成部分，其作用主要有兩個方面，即焊接過程的自動跟蹤和焊接質量的實時控制。

2.焊接過程傳感器的定義和分類所謂傳感器，應該是一個完整的測量裝置，它能將被測的物理量（非電顯）轉換為與之有確定對應關系的有用的電量（電阻、電容、電感、電壓）輸出，以滿足信息的傳輸、處理、記錄、顯示和控制等要求。在電弧焊中，焊接傳感器按照使用目的，可分為三類：第一類傳感器主要用于檢測構件位置、坡口位置或焊縫中心線位置以達到焊縫位置自動跟蹤的目的，簡稱為焊縫位置自動跟蹤傳感器。它約占焊接傳感器使用總量的80％。第二類傳感器主要是在焊接過程中用以自動檢測焊接條件（例如坡口尺寸等）以實時自動控制焊接工藝參數來適應每一時刻的焊接狀況，稱為焊接條件實時跟蹤傳感器。它僅占焊接傳感器使用總量的10％。第三類傳感器可同時完成上述兩項功能，它僅占焊接傳感器使用總量的10％。6.3焊接過程傳感與控制6.3.1焊接過程傳感器的作用1.58跟蹤傳感器也可分為直接電弧式、接觸式和非接觸式3大類。按傳感方式可分為附加式傳感器和電弧傳感器兩大類圖6.12焊縫跟蹤傳感器的類型

跟蹤傳感器也可分為直接電弧式、接觸式和非接觸式3大類。按傳感59電弧傳感器的基本工作原理是：當電弧位置變化時，電弧自身電參數相應發(fā)生變化，從中反映出焊槍導電嘴至工件坡口表面距離的變化量，進而根據電弧的擺動形式及焊槍與工件的相對位置關系，推導出焊槍與焊縫間的相對位置偏差量。電參數的靜態(tài)變化和動態(tài)變化都可以作為特征信號被提取出來，實現高低級水平兩個方向的跟蹤控制。電弧傳感器的最大優(yōu)勢在于它的抗弧光、高溫及強電磁能力很強，同時它與焊接電弧總是統(tǒng)一的整體，結構簡單緊湊，響應速度快，成本也較低，目前得到了廣泛的應用。但是，它只適用于角焊縫、開坡口對接焊縫和窄間隙焊縫，這些接頭形式的共同特點是具有對稱側壁。而對于那些無對稱側壁或根本就無側壁的接頭形式，如搭接接頭、不開坡口的對接接頭等形式，現有的電弧傳感器則不能識別。這使電弧傳感器焊縫跟蹤系統(tǒng)在生產中的應用受到限制。圖6.13電弧傳感器示例圖電弧傳感器的基本工作原理是：圖6.13電弧傳感器示例圖60典型的接觸式焊縫跟蹤傳感器是依靠在坡口中滾動或滑動的觸指將焊槍與焊縫之間的位置偏差反映到檢測器內,并利用檢測器內裝的微動開關判斷偏差的極性，除微動開關式外，檢測器判斷偏差的極性和大小的方法還有電位計式、電磁式和光電式接觸傳感器適用于X型、Y型坡口窄間隙焊縫及角焊縫等有可靠接觸面的場合。該系統(tǒng)結構簡單，操作方便，價格便宜且不受電弧煙塵及飛濺等干擾，也是目前使用比較廣泛的一種焊縫跟蹤傳感器。存在的問題是：對不同的坡口需要不同的探頭；探頭磨損大，易變形；點固點障礙難以克服，不適于高速焊接。

圖6.14接觸式傳感器示例圖典型的接觸式焊縫跟蹤傳感器是依靠在坡口中滾動或滑動的觸指將焊61圖6.15激光視覺傳感器示例圖視覺傳感器具有獲取信息量大、靈敏度高、測量精度高、響應快、與工件無接觸等特點，并結合計算機視覺和圖像處理的最新技術成果，大大增強了弧焊機器人的外部適應能力。圖6.15激光視覺傳感器示例圖視覺傳感器具有獲取信息量大、626.3.2焊接過程自動控制系統(tǒng)1.焊接過程控制的內容電弧焊過程控制主要包括焊接過程程序控制、焊接過程電弧穩(wěn)定性控制、焊縫位置自動跟蹤控制和焊接條件實時跟蹤控制。2.焊接過程自動控制系統(tǒng)組成

焊接自動控制主要目的：①提高焊接生產效率。②保持焊接參數一致及提高焊接質量穩(wěn)定性。③使焊接生產實現柔性自動化。④改善勞動安全衛(wèi)生條件。⑤增強生產管理的計劃性和可預見性。⑥可準確預算材料的消耗量和生產成本。一般焊接自動控制系統(tǒng)的組成如下：圖6.16焊接過程自動控制系統(tǒng)6.3.2焊接過程自動控制系統(tǒng)1.焊接過程控制的內容2.636.3.3非熔化極氬弧焊弧長控制電弧電壓傳感弧長控制電弧電壓傳感弧長控制法是指利用電弧長度與電弧電壓之間有較好的正比關系，通過電弧電壓來控制電弧長度（圖6.17）。

圖6.17TIG焊電弧電壓與電弧長度的統(tǒng)計關系電弧電壓信號的提取方法是用一根導線接工件，另一根導線接到焊槍上盡量靠近電弧的一點（如圖6.18所示），通過這兩根導線則可提取到電弧電壓信號。將提取的電弧電壓信號送到AVC控制器，進行數據處理，AVC控制器向焊槍垂直運動機構發(fā)出指令，按處理結果進行弧長調節(jié)，直至提取到的電弧電壓信號與給定電弧電壓信號的偏差為零。圖6.18電弧電壓法弧長傳感與控制系統(tǒng)示意圖

6.3.3非熔化極氬弧焊弧長控制電弧電壓傳感弧長控制電弧電壓642.弧光傳感弧長控制弧光傳感弧長控制法是指利用弧光總強度與弧長之間的定量線性關系，通過弧光總強度來控制電弧長度。圖6.19光總強度與弧長之間的統(tǒng)計關系。

圖6.19弧長與電弧總光強的統(tǒng)計關系

弧光傳感弧長控制系統(tǒng)的示意圖，如圖6.20所示。

圖6.20弧光傳感弧長控制系統(tǒng)示意圖

2.弧光傳感弧長控制弧光傳感弧長控制法是指利用弧光總強度與656.3.4熔化極電弧焊熔滴過渡控制

1.熔化極短路熔滴過渡控制1）多外特性控制方法多外特性控制方法是利用一種特殊焊接電源來實現的。它擁有兩組輸出外特性，一組為下降外特性，另一組為上升外特性，如圖6.21所示。圖6.21一個焊接電源的兩套外特性曲線

整個控制系統(tǒng)的目的是使焊絲熔化金屬，通過短路過程平穩(wěn)而均勻地過渡到溶池，焊縫成形良好、飛濺很小。達到這一目的的動作過程（圖6.22）都是由電弧本身傳感的電弧電壓信息來決定和指揮的。圖6.22多外特性控制法原理6.3.4熔化極電弧焊熔滴過渡控制1.熔化極短路熔滴過渡662）表面張力控制方法（STT方法）圖6.23STT法控制過程示意圖2）表面張力控制方法（STT方法）圖6.23STT法控制過673）實時回抽焊絲表面張力控制方法表面張力拉斷縮頸的過程實際上是一種液態(tài)圓柱體的失穩(wěn)自動破斷過程。當材料種類、溫度、周圍介質、液態(tài)物質質量、與固態(tài)物體接觸面積等條件一定時，則主要決定縮頸穩(wěn)定的條件是r/l（縮頸直徑r與縮頸長度l的比）圖6.24焊絲瞬時回抽對縮徑失穩(wěn)影響的示意圖大量工藝實驗證明，實時回抽焊絲表面張力控制方法不但可以顯著降低飛濺率，而且可以在較低的平均電流區(qū)間獲得穩(wěn)定的、低飛濺率的短路過渡過程和較滿意的焊縫成型。

3）實時回抽焊絲表面張力控制方法表面張力拉斷縮頸的過程實際上682.熔化極自由熔滴過渡的傳感與控制下面介紹兩種典型的射滴過渡適時傳感與控制的方法弧光傳感脈沖電流穩(wěn)定射滴過渡適時控制方法實驗研究表明：穩(wěn)定的射流過渡是在電流值達到某一射流過渡臨界電流值后（不同焊接直徑，臨界焊接值不同）產生的。但在提高電流達到臨界電流后，并不能直接產生射流過渡，而是先產生一個或數個射滴過渡，然后再很快由射滴過渡轉變?yōu)榉€(wěn)定的射流過渡。同時發(fā)現熔滴過渡弧光信號與熔滴過渡過程的對應關系如圖6.25所示，其中弧光強度下凹信號是熔滴過渡的特征信號。圖6.25熔滴過渡弧光信號與熔滴過渡過程的對應關系采用弧光傳感器受控穩(wěn)定射滴過渡閉環(huán)控制的過程，如圖6.26所示。

圖6.26弧光傳感熔滴過渡控制示意圖

2.熔化極自由熔滴過渡的傳感與控制下面介紹兩種典型的射滴過696.3.5焊縫自動跟蹤傳感與控制1．電弧傳感焊接對縫跟蹤控制電弧傳感焊接對縫跟蹤控制是利用焊接電弧現象本身提供有關電弧軸線是否偏離焊接對縫的信息，來實時控制焊接電弧始終跟蹤焊接對縫。當焊槍在V型坡口中進行擺動掃描并同時沿焊接方向運動時（圖6.28），電弧將一方面沿焊接方向作正弦曲線軌跡運動，另一方面沿V型坡口邊緣運動，結果產生H、電弧電流I及噴嘴—工件電壓UH的周期性變化。圖6.28焊槍在V型坡口中擺動時電弧運動情況6.3.5焊縫自動跟蹤傳感與控制1．電弧傳感焊接對縫跟蹤控制70圖6.29焊槍沿V型坡口擺動時L、I及l(fā)的周期性變化圖6.29焊槍沿V型坡口擺動時712．視覺傳感焊接對縫跟蹤與控制目前在焊接中應用較廣的是CCD攝像機(如圖6.30)，它具有光譜響應寬、動態(tài)范圍大、靈敏度和幾何精度高、噪聲低、體積小、重量輕、低電壓、低功耗、抗沖擊、耐震動、抗電磁干擾能力強、堅固耐用、壽命長、圖像畸變小、無殘像、可以長時間工作于惡劣環(huán)境、便于進行數字化處理和與計算機連接等優(yōu)點。

圖6.30CCD攝像機結構示意圖2．視覺傳感焊接對縫跟蹤與控制目前在焊接中應用較廣的是CCD72圖6.31焊接區(qū)圖像傳感焊接對縫跟蹤控制原理圖

1）被動光視覺圖6.31焊接區(qū)圖像傳感焊接對縫跟蹤控制原理圖1）被動光732）主動光視覺圖6.32三角測量原理圖在實際應用中，采用外加輔助光源并基于三角測量原理(如圖6.32)的方法，即主動光視覺應用更為廣泛。2）主動光視覺圖6.32三角測量原理圖在實際應用中，采用外加746.3.6焊縫溶透與熔深的傳感與控制焊接條件實時跟蹤傳感與控制是對焊道形狀（高度和寬度）、背面焊形狀、熔透深度、容敷量等控制量實施檢測和控制?？刂茀蛋ê附与娏?、電弧電壓、焊接速度和電弧位置。焊縫尺寸是決定焊接接頭強度及有關性能的重要因素，因此也是焊接質量控制的重要內容。焊縫尺寸主要包括焊縫寬度B，焊縫熔深H或熔透b（用焊縫背面寬度來表示），焊縫余高h（亦稱焊縫加強高）如圖6.38所示。

圖6.38焊縫尺寸控制的主要內容

6.3.6焊縫溶透與熔深的傳感與控制焊接