本發(fā)明屬于焊接技術領域，涉及一種焊接控制方法。

背景技術：

K-TIG(Keyhole Tungsten Inert Gas)焊是一種先進的新型穿孔焊接工藝。與傳統(tǒng)TIG焊相比，K-TIG的工藝效率大大提高，能夠?qū)χ泻癜逶诓婚_坡口的前提下能實現(xiàn)單面焊接雙面成形，在3～12mm厚度的黑色及有色金屬焊接領域具備廣泛的應用前景。

在穿孔焊接過程中，小孔穩(wěn)定性是決定熔池穩(wěn)定與否的關鍵，直接決定了焊縫質(zhì)量。K-TIG焊采用自由電弧作為焊接熱源，電弧的平均能量密度比較低，在焊接較高導熱參數(shù)的材料、或者焊接厚度較薄的工件時，小孔的穩(wěn)定性不夠高，得到穩(wěn)定焊縫質(zhì)量的工藝窗口較窄。目前，對于K-TIG焊的研究主要側重于工藝研究，現(xiàn)有的K-TIG焊接工藝為開環(huán)控制，需要進行大量的試驗才能得到合適的參數(shù)，耗費大量的物力和精力。另外，焊接工況是隨機變化的，容易對小孔形態(tài)產(chǎn)生影響，由實驗得到的參數(shù)適應性較差。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明提供一種能夠根據(jù)K-TIG小孔動態(tài)行為特征，實時調(diào)整焊接過程中的小孔穿透行為，克服焊接過程中的干擾因素，穩(wěn)定焊接過程的控制方法。本發(fā)明的技術方案如下：

一種基于背面尾焰電壓對于K-TIG小孔行為的控制方法，該方法包括下面幾個方面：

(1)在工件下方放置作為尾焰檢測板的金屬測量板，測量工件與金屬測量板之間的尾焰電壓，獲取熔池是否穿孔以及小孔尺寸信息；

(2)一個完整的方波脈沖周期分為兩個階段，第一階段采用方波脈沖峰值焊接電流，稱為峰值電流階段，第二階段采用方波脈沖基值電流，稱為基值階段；根據(jù)尾焰電壓大小改變焊接電流，當反饋得到的尾焰電壓超過預設閾值，判斷小孔已開啟，當小孔開啟時常達到所設定的時間t_kh后，將焊接電流由峰值轉(zhuǎn)變?yōu)榛?；在基值階段，繼續(xù)檢測尾焰電壓，設此階段的尾焰電壓為V_ep，通過計算此脈沖過程中的V_ep，作為判斷熔池能量狀態(tài)的小孔參數(shù)，通過比較反饋的V_ep與目標值V_ep*的差，基于PID控制算法計算下一脈沖的峰值電流，基值階段結束后，開始新一脈沖周期，從而周期性地控制小孔的穿透與閉合，動態(tài)調(diào)節(jié)焊接熱輸入。

本發(fā)明通過檢測每個電流脈沖所對應的尾焰電壓值，比較實測尾焰電壓值與預設值之間的偏差，運用預測控制算法計算下一個脈沖電流的峰值電流，實時控制焊接熱輸入，穩(wěn)定小孔行為，得到合格焊縫。

附圖說明

圖1 尾焰電壓傳感器原理

圖2 K-TIG穿孔控制系統(tǒng)

圖3 基于方波脈沖電流的穿孔控制策略

圖4 方波脈沖電流的穿孔控制策略流程圖

附圖標記說明如下：1.焊接電源 2.焊接電纜 3.K-TIG焊槍 4.工件 5.焊接小孔 6.尾焰 7.尾焰檢測板 8.尾焰濾波電路 9.數(shù)據(jù)采集模塊 10.隔離模塊1 11.計算機 12.隔離模塊2 13.焊接電流傳感器

具體實施方式

下面結合附圖和實施例對本發(fā)明進行說明。

控制系統(tǒng)中，反映小孔狀態(tài)的傳感器非常重要。尾焰電壓傳感方法是一種結構簡單，魯棒性較高的小孔狀態(tài)傳感方法。其原理圖如附圖圖1所示。當電弧使熔池形成穿孔時，工件背面會噴射出等離子弧尾焰。在工件下方放置作為尾焰檢測板的金屬測量板，由于等離子弧尾焰的等離子體特性，尾焰中的電子和正離子撞擊到冷的金屬導體表面時，將復合成中性粒子。由于尾焰中自由電子的數(shù)量多、運動速度大，進入金屬導體的電子數(shù)量遠大于與正離子復合及從金屬導體表面溢出的電子數(shù)量，所以從整體上看，尾焰中的自由電子的運動方向是從工件至測量板，即金屬測量板的電位要低于工件的電位，那么工件與測量板之間會產(chǎn)生電位差，即為等離子弧的尾焰電壓。如果熔池沒有形成小孔，則尾焰電壓為零；隨著熔池穿孔之后小孔尺寸的增大，尾焰尺寸也隨之增大，尾焰電壓信號也隨之增強。因此，通過檢測工件背面的等離子弧尾焰電壓信號，可以得到熔池是否穿孔以及小孔尺寸的信息。

K-TIG焊小孔行為檢測與控制系統(tǒng)主要包括K-TIG焊接系統(tǒng)和焊接過程檢測與控制系統(tǒng)。如圖2所示，其中，焊接系統(tǒng)包括焊接電源1，焊接電纜2，K-TIG焊槍3和工件4；焊接過程檢測與控制系統(tǒng)包括由尾焰檢測板7和尾焰濾波電路8構成的尾焰?zhèn)鞲衅鳌?shù)據(jù)采集模塊9、隔離模塊10、計算機11組成。

焊接電源輸出焊接電流，經(jīng)過電纜到達K-TIG焊槍和工件。在K-TIG焊槍鎢極與工件之間形成電弧，電弧能量足夠大時，在工件上形成小孔。如果小孔穿透工件，電弧等離子體會沿著小孔通道流到工件背面，形成尾焰。尾焰噴到安裝在小孔底部的尾焰檢測板上，由于等離子體的空間放電特性，會產(chǎn)生一定的電勢。濾波電路聯(lián)通尾焰檢測板與工件，在濾波電路的電阻中可以檢測到一定數(shù)值的尾焰電壓。該尾焰電壓值與小孔大小有關系。一般的，小孔不穿透，則尾焰電壓為零，較大的小孔產(chǎn)生較大的尾焰電壓值，過大的尾焰電壓預示可能形成熔池燒穿。尾焰電壓信號經(jīng)過隔離電路進入數(shù)據(jù)采集卡轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號進入計算機，在采集程序中讀取并保存信號。計算機內(nèi)的采集程序能夠控制數(shù)據(jù)采集卡輸出任意波形的電壓，控制焊接電源輸出任意波形的焊接電流。較大的電流可以使得小孔穿透，形成尾焰電壓；較小的電流會使小孔閉合，尾焰電壓為零。

本發(fā)明采用脈沖焊接電流，穿孔控制策略是關鍵。本系統(tǒng)采用的方波脈沖電流穿孔控制策略如附圖圖3所示，控制流程如附圖圖4所示。

控制系統(tǒng)采用方波脈沖焊接電流。在峰值電流階段，控制系統(tǒng)通過尾焰電壓傳感器檢測尾焰電壓大小，當反饋得到的尾焰電壓超過一定值后，說明小孔已開啟，系統(tǒng)累計尾焰電壓，當小孔開啟時常達到所設定的時間t_kh后，電流由峰值轉(zhuǎn)變?yōu)榛?；在基值階段，累計尾焰電壓過程結束，系統(tǒng)通過計算該脈沖過程中的V_ep，作為判斷熔池能量狀態(tài)的小孔參數(shù)，控制系統(tǒng)通過比較反饋的V_ep與目標值V_ep*的差，基于PID控制算法計算下一脈沖的峰值電流，基值階段結束后，開始新一脈沖周期。如此，控制系統(tǒng)可以周期性地控制小孔的穿透與閉合，動態(tài)調(diào)節(jié)焊接熱輸入，既保證了焊縫全熔透，又避免了燒穿，從而保證得到合格焊縫。在脈沖電流峰值期間保證穿孔和熔透；在基值電流期間，小孔閉合；下個周期重復上述過程?；趯嶋H采集的等離子弧尾焰電壓信號，在不改變峰值與基值電流的情況下，調(diào)節(jié)其作用時間。

控制系統(tǒng)通過檢測每個電流脈沖所對應的尾焰電壓值，比較實測尾焰電壓值與預設值之間的偏差，運用預測控制算法計算下一個脈沖電流的峰值電流，實時控制焊接熱輸入，穩(wěn)定小孔行為。