本发明属于焊接自动化领域，主要是涉及一种非对称角焊缝熔透形态及熔深的控制方法，即一种将熔池形态和熔透深度分别控制来保证非对称角焊缝焊接质量的方法。具体是通过改变焊枪角度来影响熔池在焊缝处的形态，通过由正面熔池图像信息修正的三维温度场解析模型进行熔透深度的估算，二者相结合实现熔透成形控制。
背景技术：
目前在飞机机体、发动机容器等部位存在许多不等厚非对称角焊缝，这种焊缝与对称焊缝的散热情况存在显著差异，影响到焊接熔透成形，尤其结构最为突出的根部打底焊接，成为制约整个焊接接头质量的关键。此类结构在焊接中存在的主要问题是：(1)厚板一侧易产生未熔合缺陷。由于角根焊缝的非对称结构(钝边厚度一般取1-2mm，而另一侧厚板厚度在5mm以上，如图1所示)，导致同样热输入条件下开坡口侧焊板熔深大，而厚板侧由于散热系数大而熔深相对较浅，导致熔透中心方向与坡口纵向方向之间出现偏差，易产生未熔合缺陷。(2)熔透稳定成形差。非对称角焊缝两侧母材厚度差距较大，与对称焊缝结构上的差异，使非对称角焊接中熔透成形品质受外部随机干扰影响更为敏感，经常发生熔透成形不稳定现象，造成最终焊接产品性能大幅降低。因此要解决上述问题，实现这种工况下的自动化焊接具有非常重要的意义。
近些年国内外针对焊缝的熔透控制问题开展了大量研究，由于熔透不具备直接测量的特点，目前研究的重心和难点是寻求建立传感信息与熔透特征之间的关系，综合各种熔透传感信息来看，视觉传感信息量大，正面熔池图像采集方便，将其与熔池图像边界位置丰富的温度信息相结合，可以提高温度场模型的精度，再借助修正后的模型在线计算熔透深度信息等方法即可实现对非对称角焊缝的熔透控制。
技术实现要素：
本发明要解决的问题是提供一种非对称角焊缝熔透形态及熔深的控制方法，此方法解决了正面熔池形态与熔透成形之间关系的问题，可有效应用在非对称角焊缝焊接的熔透质量控制方面。本发明由焊枪角度控制内部熔池形态与由建立并改进的三维温度场解析模型求解熔深相结合的方法实现熔透实时控制。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种非对称角焊缝熔透形态及熔深的控制方法，包括以下步骤：
步骤(1)非对称角焊缝焊接，通过实验和有限元模拟的方法获得不同焊枪角度对熔池在焊缝处的形态的影响规律，确定适合焊缝全熔透的焊枪角度范围，在这个范围内通过改变焊枪角度控制熔池形态；
由于焊接过程中焊枪角度变化改变了角焊缝两侧热输入，导致角焊缝不同方向上母材熔化量不同，使熔池形态发生变化，焊枪与厚板一侧的夹角选取15°～45°进行焊接试验，对焊件进行切割、打磨、抛光和腐蚀等操作，放在显微镜下拍照，将所得的结果与模拟所得的熔池形态变化规律相对比；
步骤(2)结合非对称角根焊缝熔透成形有限元模拟规律，推导有限尺寸角根焊缝工件温度场解析模型，并开展焊接试验优化模型，提高精度；
由点热源在无限大体内温度场方程得出在有限尺寸工件上方程为：
但有限尺寸工件的格林函数gfin求解非常困难，因此根据能量守恒原则将热源等效，此时温度场模型表示为：
选用适用于非对称角焊缝的高斯热源推倒其在有限尺寸工件条件下的等效热源为：
将(3)式带入(2)进一步推导可得到对于长为l、宽为b和厚为d的固定坐标系下的有限尺寸工件的等效温度场：
其中
由此根据图8及叠加原理得到非对称角焊缝整体温度场
t(x,y,z,t)＝t1(x,y,z,t)+t2(x,y,z,t)-t0(9)
式中：t1(x,y,z,t)为立板温度场，t2(x,y,z,t)为底板温度场，t0为工件初始温度，即室温；
步骤(3)利用相机采集正面熔池图像，获取熔池边界熔点温度的位置信息；
在焊接基值电流阶段采集熔池图像，经滤波、图像增强、图像分割处理提取较为清晰的熔池边缘，熔池边缘为固液交界，该位置的温度可认为金属材料熔点温度，经过图像处理得到熔池几何边缘轮廓以及钨极在熔池图像中的位置坐标，获得左右两侧极限端点坐标以及前端极限端点坐标。
步骤(4)利用温度坐标辨识解析模型热源参数，利用修正后的模型求解熔点温度最大坐标，实现熔透深度的在线计算求解。
为了完成侧板和开坡口底板两个高斯热源分布参数σ的在线辨识，利用最小二乘法定义关于熔点温度目标优化函数e如下：
式中：ti*为熔池边缘特征点的测量温度，对应熔点温度；ti为测温点的计算值；m为测温点个数。
当目标函数e为最小时，即得到高斯热源分布辨识参数σ的最优值。
步骤(5)在反馈调节下，自动改变焊枪角度和热输入参数(电压、电流)，实现非对称角焊缝焊接的实时控制。
采用的焊接试验条件为：采用填丝tig焊焊接方法且电源频率为2hz，试验材料为q235，焊接速度为3mm/s，保护气体为ar；未开坡口板尺寸170mm×50mm×6mm，开坡口板尺寸170mm×50mm×6mm(60°坡口、2mm钝边)；焊枪角度β定为焊枪与厚板一侧的实际夹角，对15°-45°的β值进行试验。
采用的视觉传感系统包括：加拿大xiris生产的xvc-g型ccd摄像机、图像采集卡和中心波长为650mm的窄带滤光片，采集到的图像经电力注射器直接传输到计算机。将采集到的图像用matlab进行一系列处理。
由于采用上述技术方案，一方面可找到适合非对称角焊缝焊接的焊枪角度，使焊缝被熔池完全包被，避免未熔合缺陷。另一方面通过三维温度场解析模型实现熔透深度的在线求解，经反馈调节，改变热输入，即电焊机的电压电流参数，即可实现对熔透深度的控制。两方面相结合，就能解决非对称角焊缝难于实现自动化焊接的难题。
本发明的创新之处在于：1、由给定一个热输入两侧板熔透情况不同，发现改变两边热分配可以影响熔池形态，因此提出改变焊枪角度控制内部熔池形态的思路。2、在等效热源方法的基础上选取高斯面热源，推倒出有限尺寸工件上的三维温度场解析模型，进一步将两侧板各自的温度场叠加，成功得到针对非对称结构角焊缝的整体温度场解析模型。3、发现熔池图像边缘的温度即为母材熔点，因此在边缘上取特征点，其位置坐标信息可对温度场解析模型进行修正，达到提高模型熔透深度计算精度的目的。
附图说明
下面通过参考附图并结合实例具体地描述本发明，本发明的优点和实现方式将会更加明显，其中附图所示内容仅用于对本发明的解释说明，而不构成对本发明的任何意义上的限制，在附图中：
图1是本发明非对称角焊缝焊接示意图。非对称角焊缝焊接过程中常出现的问题是对熔池形态不易把控，易出现钝边处的未熔合缺陷或焊漏的情况，从而影响焊接质量。
图2是本发明实验装置系统结构简图一。图中开坡口板简化为薄板，焊枪垂直于水平面，两侧板成90°放置在焊接架上，活动焊枪可调节与厚板间的角度。
图3是本发明实验装置系统结构简图二。
图4是本发明焊枪角度对焊缝处熔池形态的影响示意图。由图可知随着焊枪角度α变化，熔池在焊缝处的形态发生变化。
图5是本发明实验所得的熔池中心线随焊枪角度的变化规律图β＝15°。β为焊枪与厚板一侧的夹角，实验发现随着β增大，熔池中心线也会顺时针方向转动，符合图4示意图熔池形态的变化规律。
图6是本发明实验所得的熔池中心线随焊枪角度的变化规律图β＝30°。
图7是本发明实验所得的熔池中心线随焊枪角度的变化规律图β＝45°。
图8是本发明角焊缝立侧板热源和开坡口底板热源坐标系。
图9是由ccd相机拍摄的熔池图像。
图10是经图像处理后得到的钨针及熔池边缘。
图11是熔池边缘特征点示意图。
图12是非对称角焊缝熔透控制系统图。
图中：
1、电弧2、熔池3、钝边
4、焊枪5、薄板6、厚板
7、ccd相机8、电力注射器9、计算机
具体实施方式
下面结合实施例及其附图进一步叙述本发明：
如图1至图12所示，
视觉传感系统：由加拿大xiris生产的xvc-g型ccd摄像机、图像采集卡以及中心波长为650mm的窄带滤光片构成。采集到的图像经电力注射器直接传输到计算机。将采集到的图像用matlab进行一系列处理。
试验条件：非对称角焊缝焊接试验使用时代tdw4000脉冲tig焊焊机，采用填丝tig焊焊接方法且电源频率为2hz，试验材料为q235，焊接速度为3mm/s，保护气体为ar；未开坡口板尺寸170mm×50mm×6mm，开坡口板尺寸170mm×50mm×6mm(60°坡口、2mm钝边)；焊枪角度β定为焊枪与厚板一侧的实际夹角，对15°-45°的β值进行试验。
具体实施过程如下：
步骤(1)用实验和有限元模拟的方法获得不同焊枪角度对熔池在焊缝处的形态的影响规律。找到能适合焊缝全熔透的焊枪角度范围，在这个范围内通过改变焊枪角度控制熔池形态。
如图4所示，由于焊接过程中焊枪角度变化改变了角焊缝两侧热输入，导致角焊缝不同方向上母材熔化量不同，使熔池形态发生变化，分别对β值取15°、30°、45°进行焊接试验，对焊件进行切割、打磨、抛光、腐蚀等操作，放在显微镜下拍照如图5至图7所示。所得的结果符合模拟所得的熔池形态变化规律。
步骤(2)结合非对称角根焊缝熔透成形有限元模拟规律，推导有限尺寸角根焊缝工件温度场解析模型，并开展焊接试验优化模型，提高精度。
由点热源在无限大体内温度场方程得在有限尺寸工件上为
但有限尺寸工件的格林函数gfin求解非常困难，因此根据能量守恒原则将热源等效，此时温度场模型表示为
选用适用于非对称角焊缝的高斯热源推倒其在有限尺寸工件条件下的等效热源为
将(3)式带入(2)进一步推倒可得到对于长为l、宽为b和厚为d的固定坐标系下的有限尺寸工件的等效温度场
其中
由此根据图8及叠加原理得到非对称角焊缝整体温度场
t(x,y,z,t)＝t1(x,y,z,t)+t2(x,y,z,t)-t0(9)
步骤(3)利用相机采集正面熔池图像，获取熔池边界熔点温度的位置信息。
在焊接基值电流阶段采集熔池图像，经滤波、图像增强、图像分割处理提取较为清晰的熔池边缘。熔池边缘为固液交界，该位置的温度可认为金属材料熔点温度。如图11所示，经过图像处理得到熔池几何边缘轮廓以及钨极在熔池图像中的位置坐标p4，还可获得左右两侧极限端点坐标p2,p3以及前端极限端点坐标p1。
步骤(4)利用温度特征点坐标辨识解析模型热源参数，利用修正后的模型求解熔点温度最大坐标，实现熔透深度的在线计算求解。
为了完成侧板和开坡口底板两个高斯热源分布参数σ的在线辨识，利用最小二乘法定义关于熔点温度目标优化函数e如下：
式中：ti*为熔池边缘特征点的测量温度，对应熔点温度；ti为测温点的计算值；m为测温点个数。
当目标函数e为最小时，即得到高斯热源分布辨识参数σ的最优值。
步骤(5)在反馈调节下，自动改变焊枪角度和热输入参数(电压、电流)，实现非对称角焊缝焊接的实时控制。
整体基于能量分配和热输入控制的非对称角焊缝熔透控制系统如图8所示。在焊接过程中相机实时采集熔池图像，当焊枪相对熔池的位置或熔池中心线的偏移超出合理范围时，反馈到自动化焊接装置调整焊枪角度，使其恢复正常的熔池形态，热输入参数带入温度场解析模型在线求解熔透深度未达到或远大于目标深度，即未实现全熔透或可能焊漏时，反馈到自动化焊接装置调整焊接电流等参数，实现非对称角焊缝的全熔透。
以上对本发明的实施例进行了详细说明，但所述内容仅为本发明的较佳实施例，不能被认为用于限定本发明的实施范围。凡依本发明范围所作的均等变化与改进等，均应仍归属于本专利涵盖范围之内。