焊接过程自动化技术

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1、焊接过程自动化技术焊接过程自动化技术随着科学技术的发展，焊接已经从简单的构件连接方法和毛坯 制造手段发展成为制造行业中的一项基础的工艺和生产尺寸精确的 制成品的生产手段。因此，保证焊接产品质量的稳定性和提高生产 率已是焊接生产发展亟待解决的问题。电子技术和计算机技术的发 展为焊接过程自动化提供了十分有利的技术基础，并已渗透到焊接 领域中，取得了很多成果。焊接过程自动化已成为焊接技术的生长 点之一，越来越得到企业界的重视。 第一节第一节 电弧焊自动控制技术电弧焊自动控制技术 焊接过程自动化广义地可理解为包括从备料、切割、装配、焊 接、检验等工序组成的一个焊接产品生产全过程的自动化。只有实 现了这

2、一全过程的机械化和自动化才能得到稳定的焊接产品质量和 均衡的生产节奏，同时获得较高的劳动生产率。弧焊自动控制主要 有电源输出特性控制和自动跟踪控制，主要内容如下。 一、弧焊电源输出特性控制一、弧焊电源输出特性控制 1. 弧弧焊电焊电源的源的输输出外特性控制出外特性控制 传统的弧焊电源外特性有平特性、恒流特性及陡降特性三种， 如图 1 所示。随着对焊接工艺过程稳定性要求的提高，特别是晶体 管电源、逆变电源的出现，使弧焊电源的可控性大大提高。为了更 好地满足工艺要求常将几种简单的外特性组合起来，构成了复杂的 外特性。图 2 是一种适合于熔化极脉冲氩弧焊的多折线外特性。它 的各个线段的作用分述于下。

3、 点为空载电压，约 55V。 bc 段用以控制维弧电流。它与纵坐标间有一不大的夹角， 使得在维弧期间弧长越长或电弧电压越高时，维弧电流越大，这对 稳弧有重要作用。 cd 段用以确定弧长。它的斜率大于电弧静特性的斜率。虽 然电弧的工作点不能在它上面保持稳定，然而也不能使工作点在 bc、de 两线段间快速跳跃导致电弧不稳。实际上，这段静态外特性 在焊接过程中并不出现，这只是一个快速的过渡过程。 de 段用以使电弧保持恒定的脉冲电流。 ef 段和 fg 段用以控制短路电流，以保证短路起弧。 为了实现电弧的工作点在维弧和脉冲电流之间快速变，采用了 动态多折线外特性。如图 2 所示，在电源外特性的斜率大

4、于电弧静 特性斜率的情况下，电弧工作点的移动速度取决于两者斜率之差， 差值越大，则移动越快。为此使 cd 段在动态变化时分别绕 c 点或 d 点转动改变其斜率，其工作过程如下。假如电弧的工作点在 bc 段上， 由于处于维弧电流段电流很小，只能保持电弧燃烧而焊丝不熔化。 随着焊丝的送进，弧长缩短，工作点下移。当工作点到达 c 点的瞬 间，cd 段先以逆变时针方向绕 c 点快速扫描，造成很大的斜率，迫 使电弧工作点迅速跳离 c 点而到达 d点。然后 cd 段再以顺时针方 向逐渐扫回到原来的静态斜率。此时在 d点脉冲电流的作用下迅 速形成射流过渡。此时焊丝的熔化速度大于送丝速度，电弧逐渐拉 长，工作

5、点升高。当工作点到达 de 段与 cd 段交点的瞬间，cd 段绕 d 点以逆时针方向扫描，迫使电弧的工作点由 d 点跳到 c点，然后 cd 段再以顺时针方向逐渐回扫。如此交替工作实现了熔滴的脉冲射 流过渡。采用这种输出特性控制的焊机具有以下的特点。 焊接电弧能随时自行确定脉冲时间及维弧时间，使得在很宽 广的电流调节范围内脉冲频率改变不大。能够自动适应送丝速度的 任意变化，并迅速响应任何弧长扰动而始终维持电弧稳定，飞溅极 少。 弧长能精确地自动控制，其数值由多折线外特性上 c 点的参 数来调节。 维弧电流小，脉冲电流大，脉冲效果明显，焊接过程稳定， 焊缝成形优良。 可用于射流过渡焊铝，比亚射流过

6、渡更为优越。焊接电流可 调节的范围大大增加。例如采用直径 2mm 的铝焊丝，焊接电流的范 围为 65350A。 2. 弧弧焊电焊电源的源的输输出波形控制出波形控制 波形控制是对弧焊电源输出特性控制的又一个重要方面。采用 电流波形控制会给工艺上带来很多优点。有文献曾指出，采用波形 控制是减少 CO2焊飞溅的一个重要而又有前途的措施。 由于 CO2焊飞溅产生的原因，主要是由于熔滴与熔池的瞬间短 路以及短路后期液态金属小桥的爆炸。因此，尽管对 CO2焊实施电 流波形控制的方案有多种，但是不管采用哪种方案都应该保证以下 因素。 在燃弧初期应有较大的电流输出，以保证焊缝的熔深。 在燃弧后期应减小电流输出

7、，以保证熔滴与熔池稳定短路， 避免由于瞬间短路造成飞溅。 在短路前期应有较大的电流输出，以缩短短路时间。 在短路后期应减小电流输出，以保证液态金属小桥柔顺断开， 减少飞溅。 对电弧燃烧各个时期的区分，则可以通过监测电弧电压或短路 后的回路电阻等加以判别。图 3 是 CO2焊采用电流波形控制时电流 电压的实测波形。表 1 是采用图 3 所示的电流波形控制与采用普通平特性控制的 实验结果的对比。由实验结果看出，无论是焊缝成形还是溅率，采 用电流波形控制均优于普通的平特性控制。 表表 1 1 采用电流波形控制与普通平特性控制的实验结果采用电流波形控制与普通平特性控制的实验结果 控 制 方 法采用电流

8、波形控制采用普通平特性控制 熔滴过渡频率/Hz 瞬时短路频率/Hz 熔滴过渡周期变异系数 一秒种燃弧能量/kJ 平均燃弧功率/kW 飞溅率/ 余高系数（B/a）63 0 0.24 2.27 2.95 0.46 3.08108 43 0.53 1.71 2.32 6.61 2.54二、电弧焊的自动跟踪控制二、电弧焊的自动跟踪控制 在焊接过程中，首先应该使电弧与焊缝对中，这是保证焊接质量 的关键。随着焊接自动化的发展，焊缝自动跟踪用传感器显得越来 越重要。例如弧焊机器人虽能按预先编制的程序沿一定的轨迹运动， 但即使是由“示教”而得来的轨迹，也未必总是焊缝的实际位置。 这种差异是由于批量生产中工件的

9、加工误差，焊接过程中的热变 形、夹具的不精确以及轨迹程序本身的不甚精确等因素所综合造成 的。因此焊缝的实时自动跟踪成为国内外焊接界非常重视的课题， 焊缝自动跟踪传感器的研究也就占据了焊接传感器的主导地位。 为了提高焊接过程的自动化程度，除了控制电弧对焊缝的自动跟 踪之外，还应实时控制焊接质量。为此需要在焊接过程中检测焊接 坡口的状况，如宽度、深度、面积等；以及检测焊接熔池的状况， 如熔宽、熔深和背面焊道的成形等，以便能实时地调整焊接参数， 保证良好的焊接质量，这就是智能化焊接，是焊接自动化的发展方 向。由此又研究发展了可用于此类目的的各种传感器。但它们目前 在焊接传感器中所占的比例要远小于跟踪

10、用传感器。 1. 光光电传电传感器感器 光电传感器是目前研究得最多的一类焊缝自动跟踪传感器。这类 传感器在应用时又分为两类：一类是接触式光电传感器；另一类是 非接触式光电传感器。 （1）接触式光电传感器 这类传感器与非接触光电传感器相比， 具有安装方便、成本低、抗干扰能力强的特点；但也存在探针易磨 损的不足。使用时将机头和传感器固定在一起，利用杠杆在焊枪的 前方探测焊缝位置。在杠杆上端安装发光管，其接收光电管通常是 安排两组，如图 4 所示。当焊缝位置发生变化时，杠杆带动发光管 沿 x，y 轴发生偏移，由于发光管偏离中心位置，光敏接收管的输出就会发生变化，进而通过控制系统来调整焊枪位置，实现焊

11、缝的高 度和横向跟踪。（2）非接触式光电传感器 非接触式光电传感器的结构形式很多，这里仅举一例说明这类传 感器的应用。图 5 为一跟踪棱边的光电传感器的示意。它是以 U 形 或 V 形坡口的棱边作为跟踪的基准。在使用中传感器位于电弧的前 方和焊枪一起固定于随动机构上，入射光在平行于焊接方向的平面 内以一定角度投射到工件上，其反射光被光电接收屏所接收。接收 屏由多个光电管 G 组成点阵结构，分别发出左右和高低的跟踪信号， 其工作原理如下。图 5 是采用 G1、G3、G4三个光电接收管的简单结构。G1管主给出 横向偏差信号，G3、G4管则主要给出高度方向的偏差信号。当焊枪 和传感器处于正常位置时，

12、反射光主要由 G1管接收。当位置发生偏 移，入射光打在钢板上时图 6(b)，由于散射光减少，使 G1管接 收的光强大大增加，其输出为“1”，驱动调节机构使机头向左运动 返回平衡位置。当入射光打在坡口内图 6(c)时，G1几乎接收不 到反射光信号，其输出为“0”，驱动调节机构反向，使机头向右运动返回平衡位置。当入射光正好射在棱边上，见图 6(a)，则 G1的输 出处于上下阈值之间的死区内，驱动机构不动作。当焊枪的高度发生变化时，如图 7 所示，则 G3、G4的输出反射信 号会发生变化。当焊枪变低时，G3的输出增加；当焊枪变高时，G4 的输出增加。由此可以得到高度方向的偏差信号，驱动相应的调整 机

13、构进行调整。在实用中为了提高灵敏度和扩大跟踪范围，防止误动作，可以增 加光电接收管的数量。这种跟踪方式的不足是，由于传感器安装在 焊枪的前方，可能会出现导前误差，在处理偏差信号时要加以消除。2. CCD 视觉传视觉传感器感器 CCD(Charge-Coupled Devices)即电荷耦合器件，是一种半导体 集成光电敏感元件，其功能和摄像管类似，但与传统的真空管式光 导摄像管相比，有体积小巧，耐震动，无高压等一系列优点，且其 制造工艺和一般半导体集成电路的制造工艺相比并不十分复杂，因 而自 20 世纪 70 年代以来获得了飞速的发展。CCD 则能进行平面成像，用它制成的摄像机传感器功能最强，计

14、算机的信息处理量也很 大，能测出焊缝位置和缝隙宽度。 （1）CCD 的基本工作原理 半导体绝缘表面上覆以金属膜能形 成电容器（MOS 电容器）。当金属极加正电压时，P 型硅的多数载流 子被排斥而形成势阱，它能束缚电子而形成电荷包，见图 8。所 谓 CCD 就是紧密排列在半导体绝缘表面上的电容器，它可以用来贮 存和转移以电荷包形式出现的信号。硅半导体有光电效应，当它受 光照射时，产生的自由电子与光强成正比。故由许多光敏单元组成 的 CCD 可作为像感元件。（2）CCD 摄像机传感器 摄像机传感器一般有两种工作方式： 一为结构光式，即把外加光源做成一条或多条窄光带形状，另一种 为直接拍摄电弧的方式

15、。 结构光式 传感器的光源可以是激光或白光，它被做成一条 或多条窄带形状，故称结构光。该光带位于焊炬前方，以 45 方向 斜射在工件上，见图 9。摄像机在工件正上方，拍摄到光带和工件 的交线，其图形如图 10 所示。此图形能反映坡口的形状、深浅，能 求出工件的三维尺寸，故称三维传感器。由微机对图像进行处理后，可求出焊缝位置及坡口尺寸。由于信 息量大，故处理时间较长，一般约 0.3s 处理一幅图像。 直接拍摄电弧式 将摄像机置于电弧前方，直接拍摄电绵以、 熔池、焊丝等图像。如图 11 所示。所得的图形是倒像。下部的黑色 凸起是焊丝，上部的白色凸起是焊缝缝隙， 大块白色区域是熔池。 由图可求出焊丝

16、对焊缝中心的偏移量，从而输出跟踪信号。由于跟 踪信号直接取自电弧，故没有传感器位置的附加导前误差。同时它 能测量熔池宽度等参数，能对焊接规范进行自动控制，故其功能很 强。（3）激光扫描传感器 这是一个精密的电子光学仪器系统， 它能探测坡口的高度尺寸。 工作原理 激光扫描传感器的工作原理见图 12，He-Ne 激光 束打在工件上，光点经过透镜在线阵 CCD 元件上成像。由于透镜平 面与激光束成一倾斜角度，故不同工件高度位置的光点对应于水平 安放着的 CCD 元件上不同的成像点。即 A1对应成像点 B1，A2对应成 像点 B2。换句话说，不同工件高度位置的反射光点，一一对应于 CCD 上感光的光敏元件的号码。由 CCD 输出的光电信号图可确定感 光元件的号码，从而探测出工件的高度位置，当激光束进行扫描时， 即可探测坡口形状。激光扫描传感器结构如图 13 所示。激光束从水平方向射到扫描 轴的镜子上再射到工件上，从工件上反射的光经扫描轴的另一镜子 射到透镜并在线阵 CCD 元件