基于背面尾焰电压对于K‑TIG小孔行为的控制方法与流程

本发明属于焊接技术领域，涉及一种焊接控制方法。

背景技术：

K-TIG(Keyhole Tungsten Inert Gas)焊是一种先进的新型穿孔焊接工艺。与传统TIG焊相比，K-TIG的工艺效率大大提高，能够对中厚板在不开坡口的前提下能实现单面焊接双面成形，在3～12mm厚度的黑色及有色金属焊接领域具备广泛的应用前景。

在穿孔焊接过程中，小孔稳定性是决定熔池稳定与否的关键，直接决定了焊缝质量。K-TIG焊采用自由电弧作为焊接热源，电弧的平均能量密度比较低，在焊接较高导热参数的材料、或者焊接厚度较薄的工件时，小孔的稳定性不够高，得到稳定焊缝质量的工艺窗口较窄。目前，对于K-TIG焊的研究主要侧重于工艺研究，现有的K-TIG焊接工艺为开环控制，需要进行大量的试验才能得到合适的参数，耗费大量的物力和精力。另外，焊接工况是随机变化的，容易对小孔形态产生影响，由实验得到的参数适应性较差。

技术实现要素：

本发明提供一种能够根据K-TIG小孔动态行为特征，实时调整焊接过程中的小孔穿透行为，克服焊接过程中的干扰因素，稳定焊接过程的控制方法。本发明的技术方案如下：

一种基于背面尾焰电压对于K-TIG小孔行为的控制方法，该方法包括下面几个方面：

(1)在工件下方放置作为尾焰检测板的金属测量板，测量工件与金属测量板之间的尾焰电压，获取熔池是否穿孔以及小孔尺寸信息；

(2)一个完整的方波脉冲周期分为两个阶段，第一阶段采用方波脉冲峰值焊接电流，称为峰值电流阶段，第二阶段采用方波脉冲基值电流，称为基值阶段；根据尾焰电压大小改变焊接电流，当反馈得到的尾焰电压超过预设阈值，判断小孔已开启，当小孔开启时常达到所设定的时间t_kh后，将焊接电流由峰值转变为基值；在基值阶段，继续检测尾焰电压，设此阶段的尾焰电压为V_ep，通过计算此脉冲过程中的V_ep，作为判断熔池能量状态的小孔参数，通过比较反馈的V_ep与目标值V_ep*的差，基于PID控制算法计算下一脉冲的峰值电流，基值阶段结束后，开始新一脉冲周期，从而周期性地控制小孔的穿透与闭合，动态调节焊接热输入。

本发明通过检测每个电流脉冲所对应的尾焰电压值，比较实测尾焰电压值与预设值之间的偏差，运用预测控制算法计算下一个脉冲电流的峰值电流，实时控制焊接热输入，稳定小孔行为，得到合格焊缝。

附图说明

图1 尾焰电压传感器原理

图2 K-TIG穿孔控制系统

图3 基于方波脉冲电流的穿孔控制策略

图4 方波脉冲电流的穿孔控制策略流程图

附图标记说明如下：1.焊接电源 2.焊接电缆 3.K-TIG焊枪 4.工件 5.焊接小孔 6.尾焰 7.尾焰检测板 8.尾焰滤波电路 9.数据采集模块 10.隔离模块1 11.计算机 12.隔离模块2 13.焊接电流传感器

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行说明。

控制系统中，反映小孔状态的传感器非常重要。尾焰电压传感方法是一种结构简单，鲁棒性较高的小孔状态传感方法。其原理图如附图图1所示。当电弧使熔池形成穿孔时，工件背面会喷射出等离子弧尾焰。在工件下方放置作为尾焰检测板的金属测量板，由于等离子弧尾焰的等离子体特性，尾焰中的电子和正离子撞击到冷的金属导体表面时，将复合成中性粒子。由于尾焰中自由电子的数量多、运动速度大，进入金属导体的电子数量远大于与正离子复合及从金属导体表面溢出的电子数量，所以从整体上看，尾焰中的自由电子的运动方向是从工件至测量板，即金属测量板的电位要低于工件的电位，那么工件与测量板之间会产生电位差，即为等离子弧的尾焰电压。如果熔池没有形成小孔，则尾焰电压为零；随着熔池穿孔之后小孔尺寸的增大，尾焰尺寸也随之增大，尾焰电压信号也随之增强。因此，通过检测工件背面的等离子弧尾焰电压信号，可以得到熔池是否穿孔以及小孔尺寸的信息。

K-TIG焊小孔行为检测与控制系统主要包括K-TIG焊接系统和焊接过程检测与控制系统。如图2所示，其中，焊接系统包括焊接电源1，焊接电缆2，K-TIG焊枪3和工件4；焊接过程检测与控制系统包括由尾焰检测板7和尾焰滤波电路8构成的尾焰传感器、数据采集模块9、隔离模块10、计算机11组成。

焊接电源输出焊接电流，经过电缆到达K-TIG焊枪和工件。在K-TIG焊枪钨极与工件之间形成电弧，电弧能量足够大时，在工件上形成小孔。如果小孔穿透工件，电弧等离子体会沿着小孔通道流到工件背面，形成尾焰。尾焰喷到安装在小孔底部的尾焰检测板上，由于等离子体的空间放电特性，会产生一定的电势。滤波电路联通尾焰检测板与工件，在滤波电路的电阻中可以检测到一定数值的尾焰电压。该尾焰电压值与小孔大小有关系。一般的，小孔不穿透，则尾焰电压为零，较大的小孔产生较大的尾焰电压值，过大的尾焰电压预示可能形成熔池烧穿。尾焰电压信号经过隔离电路进入数据采集卡转换为数字信号进入计算机，在采集程序中读取并保存信号。计算机内的采集程序能够控制数据采集卡输出任意波形的电压，控制焊接电源输出任意波形的焊接电流。较大的电流可以使得小孔穿透，形成尾焰电压；较小的电流会使小孔闭合，尾焰电压为零。

本发明采用脉冲焊接电流，穿孔控制策略是关键。本系统采用的方波脉冲电流穿孔控制策略如附图图3所示，控制流程如附图图4所示。

控制系统采用方波脉冲焊接电流。在峰值电流阶段，控制系统通过尾焰电压传感器检测尾焰电压大小，当反馈得到的尾焰电压超过一定值后，说明小孔已开启，系统累计尾焰电压，当小孔开启时常达到所设定的时间t_kh后，电流由峰值转变为基值；在基值阶段，累计尾焰电压过程结束，系统通过计算该脉冲过程中的V_ep，作为判断熔池能量状态的小孔参数，控制系统通过比较反馈的V_ep与目标值V_ep*的差，基于PID控制算法计算下一脉冲的峰值电流，基值阶段结束后，开始新一脉冲周期。如此，控制系统可以周期性地控制小孔的穿透与闭合，动态调节焊接热输入，既保证了焊缝全熔透，又避免了烧穿，从而保证得到合格焊缝。在脉冲电流峰值期间保证穿孔和熔透；在基值电流期间，小孔闭合；下个周期重复上述过程。基于实际采集的等离子弧尾焰电压信号，在不改变峰值与基值电流的情况下，调节其作用时间。

控制系统通过检测每个电流脉冲所对应的尾焰电压值，比较实测尾焰电压值与预设值之间的偏差，运用预测控制算法计算下一个脉冲电流的峰值电流，实时控制焊接热输入，稳定小孔行为。