[发明专利]基于背面小孔视觉检测的受控穿孔等离子弧焊接系统与工艺

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于背面小孔视觉检测的受控穿孔等离子弧焊接系统与工艺，属于等离子弧焊接质量控制技术领域。

背景技术

与激光焊和电子束焊相比，穿孔等离子弧焊设备成本低，操作简单，接缝装配间隙适应性强，因而在各种合金材料结构的加工制造中有广阔应用前景。穿孔等离子弧焊接是一种高能量密度焊接工艺方法，但由于等离子弧独特的物理特性，常规的穿孔等离子弧焊接存在一些问题，如熔池小孔的稳定性差，对焊接工艺条件的变化比较敏感，获得良好接头质量的合理规范参数范围窄、可调裕度小。为解决这些问题，有研究者研发出“一脉一孔”的脉冲等离子弧焊接技术，但其采用的普通方波脉冲电流波形有一定局限性，一般只适用于薄板焊接。

为了将穿孔等离子弧焊接工艺应用于中厚度金属件的加工制造，本实验室自主研发出一套低成本、高效率焊接的受控脉冲穿孔等离子弧焊接系统。该系统对普通的方波脉冲做出进一步的改进，设计出脉冲后沿带两个缓降坡度的脉冲焊接电流波形，通过调节这两个下降斜率的大小，可以更加灵活地控制热输入和等离子流力。为实现对脉冲电流波形的实时调整，在工件背面放置一块金属测量板用于检测尾焰电压信号，其大小可以表征工件的穿孔状态（是否穿孔；穿孔的程度）。但是采用这样的尾焰电压检测方法只能得到间接的小孔开闭状态，能提供的小孔信息非常有限，无法给出小孔形状和尺寸的具体数据。

视觉传感器能提供更直接的信息。同其它传感器相比，视觉传感器因与焊接回路无电气联接且能够直接摄取背面小孔的图像,具有不接触、非惯性、信息量丰富、抗强电场和强磁场的干扰能力强、可靠性强、灵敏度和测量精度高、动态响应特性好等优点，而且避免了尾焰电压传感器的不利影响。如果能研制出合适的视觉传感器，测量出小孔形状与尺寸的直接信息，实现穿孔等离子弧焊接过程的闭环控制，无疑具有重要的工程应用价值。

发明内容

针对上述现有技术，针对穿孔等离子弧焊接工艺，本发明研发滤除等离子弧尾焰的视觉传感器，从工件背面拍摄小孔的图像；经图像处理和标定，获得小孔形状和尺寸的数据；根据实测的小孔形状和尺寸，在线调整脉冲电流的数值和下降斜率，主动地控制等离子弧的热-力作用和穿孔状态；实现穿孔等离子弧焊接质量的自动控制，拓展其适用的焊接工艺参数区间。这就是——基于背面小孔视觉检测的受控穿孔等离子弧焊接系统与工艺。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种基于背面小孔视觉检测的受控穿孔等离子弧焊接系统，包括焊机系统、电参数采集系统、视觉传感器系统、调节和控制系统四个部分，其中，焊机系统包括等离子发生器和焊接电源，等离子发生器与焊接电源连接，焊接电源上连接有水冷箱；电参数采集系统包括图像采集卡和数据采集卡，数据采集卡通过霍尔元件与焊接电源和工件相连，同时还通过ROB接口模块与焊接电源连接；视觉传感器系统包括CCD摄像机，CCD摄像机与图像采集卡连接，CCD摄像机上装配有复合滤光装置，复合滤光装置由滤光片和中性减光片组成，滤光片中心波长638nm，带宽36nm，中性减光片透过率65%；调节和控制系统为计算机，图像采集卡和数据采集卡分别与计算机连接，计算机内装有信息处理软件、控制软件等。

本发明的基于背面小孔视觉检测的受控穿孔等离子弧焊接系统，能实现在采集焊接电流和背面小孔图像的同时，在线调节脉冲焊接电流波形参数，形成闭环控制。图1是该系统的总体结构示意图。视觉传感器系统实时拍摄工件背面小孔的图像，经计算机图像处理和标定，给出小孔形状和尺寸的测量数据。调节和控制系统根据小孔形状和尺寸的测量值，对脉冲电流波形和数值进行调整，实现“一个脉冲一个小孔”的模式，既保证了焊件完全熔透，又避免了熔池塌陷和产生烧穿。

采用图像视觉传感器拍摄小孔图像的难点在于如何消除穿孔后在工件背面透出的等离子弧尾焰弧光的干扰。本发明自主研发出了复合滤光装置（由特定参数的减光片和滤光片组成），能有效滤除等离子弧尾焰弧光的干扰。将复合滤光装置于普通CCD摄像机装配于一体，得到了清晰的背面小孔图像。

一种基于背面小孔视觉检测的受控穿孔等离子弧焊接工艺，步骤如下：

（1）开始：根据待穿孔材料的材质、板厚选取合适的电流波形参数，包括基值电流I_B及其作用时间T_B，峰值电流I_P及其作用时间T_P，脉冲后沿的下降斜率K₁、K₂及其过渡时间T_K1、T_K2；