[发明专利]一种电弧焊增材制造的余高定量预测方法

说明书

本发明涉及一种电弧焊增材制造的余高定量预测方法，以熔池视觉传感系统、定位系统和三维系统为基础构建CMT增材余高预测系统，熔池视觉传感系统采集CMT基值时刻第1ms的熔池图像，使用定位系统确定所采熔池图像在焊缝上的位置，由于当前熔敷层对下一层熔敷层有重熔过程，使用三维系统测量焊缝当前高度；将预处理后的熔池图像输入到余高预测网络中，得到预测的余高信息，利用熔池视觉信息对电弧增材制造过程中各熔覆层的余高增量进行监控。本发明基于CMT单道多层熔池形态和温度特征变化规律，构建了CMT增材余高预测系统，预测熔覆层余高变化趋势，从而提升该预测系统的精度和泛化能力，具有高精度、高稳定性。

技术领域

本发明涉及一种电弧焊增材制造的余高定量预测方法，属于冶金质量在线预测的技术领域。

背景技术

增材制造是在焊接热源作用下，不断熔化金属丝材堆积成形的过程。在该过程中，随着熔覆层层数的增加，堆积零件会出现热累积严重、散热条件差、熔池过热难于凝固、熔覆层形状难于控制等问题。这些问题都会影响零件的冶金强度、熔敷层尺寸精度和表面精度，因此，对堆积过程的稳定性和成形质量的监控十分重要。但受熔覆层重熔区的影响，现有的监测手段主要依赖于熔池的宽度或者堆积零件的整体高度，而最受人们关心的熔覆层余高难以测量。

焊缝熔深可以用来反映焊缝强度，但正常情况下很难监测增材过程时的熔深。焊缝熔深与余高之间存在着耦合关系，因此在增材时，熔覆层余高的变化一定程度上反映了熔深的变化，从而可以通过监测熔覆层余高能实现增材制造过程的质量管控。但受到熔覆层重熔区的影响，一般情况下无法测量熔覆层余高的准确值。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供一种电弧焊增材制造的余高定量预测方法，分析了相同层熔池在不同阶段、不同层熔池在相同阶段的形态及温度场变化规律，并以此规律为基础，构建了电弧增材余高定量预测系统理论模型，精确地预测了成形后的熔敷层的余高，其具体技术方案如下：

一种电弧焊增材制造的余高定量预测方法，包括以下步骤：

步骤一：构建CMT增材余高预测系统：以熔池视觉传感系统、定位系统和三维系统为基础构建CMT增材余高预测系统，熔池视觉传感系统采集CMT基值时刻第1ms的熔池图像，由于采样间隔时间短、采样样本量大，使用定位系统确定所采熔池图像在焊缝上的位置，由于当前熔敷层对下一层熔敷层有重熔过程，使用三维系统测量焊缝当前高度，同一采样点上的相邻两层高度差即为余高；

步骤二：将预处理后的熔池图像输入到余高预测网络中，得到预测的余高信息，利用熔池视觉信息对电弧增材制造过程中各熔覆层的余高增量进行监控。

进一步的，所述步骤一中的CMT增材余高预测系统还搭配有焊接系统和三维扫描仪，所述焊接系统包括焊接电源、送丝器、机器人和冷却系统；所述定位系统包括彩色CCD相机、激光器和黑白CCD相机；

激光器射出中心波长为450nm的激光在焊丝上沿部分，用于辅助定位，将采集到的熔池图像与焊缝实际位置相对应；黑白CCD相机，用以捕捉激光点。

进一步的，所述步骤二中的预处理后的熔池图像具体过程为：在数据采集过程中，结合 CMT焊接电流特性，由FPGA系统发出两路同步信号，控制彩色CCD相机和黑白CCD相机在CMT基值时刻第1ms采集图像，获取到的低电弧光干扰下的熔池图像及激光点图像；由于重熔区的影响，为了精准测量每一层的余高增量，在每一层焊接结束以后，用三维扫描仪扫描当前层的高度，使用Matlab工具箱拟合焊缝位置与高度的变化关系，同一采样点相邻两层相同焊缝位置的高度差即为当前焊缝位置的余高增量，这样，就能将熔池图像、焊缝位置以及相对应的余高增量统一起来，作为余高预测网络的数据集；

余高预测网络的输入为增材熔池图像原图以及最后一层的全连接层。