基于温度场的等离子弧焊焊缝结晶过程的控制装置及方法

1.本发明涉及焊接质量控制技术领域，尤其涉及一种基于温度场的等离子弧焊焊缝结晶过程的控制装置及基于温度场的等离子弧焊焊缝结晶过程的控制方法。


背景技术：

2.焊接作为金属加工制造中不可或缺的技术之一，不仅是决定加工质量和精度的关键要素，更是完成大型密封结构件或容器的唯一可选技术。随着弧焊电源及焊接材料的发展，电弧焊接工艺在现代工业制造中的多个领域都发挥着举足轻重的作用。
3.电弧焊因具有操作柔性高、技术成熟、适应性强、性价比高等优势，成为传统工业生产中应用最为广泛的材料加工方法，在机械工程成形制造领域发挥着不可替代的作用。但是，在焊接过程中往往过度依赖操作工人的经验和操作手法，缺乏可靠的检测标准使得自动化焊接程度较低，特别是在复杂结构的自动焊接中更是难以应用。
4.结晶过程是熔化金属从液相向固相转变的过程，如果熔池温度场在凝固前未能达到标准温度场，将使得焊缝不能成形或者成形较差，出现气孔、裂纹、夹渣或偏析等现象的出现，将使得焊缝的质量大打折扣，基于此，对焊缝结晶过程进行控制对于焊接质量的控制尤为重要。


技术实现要素：

5.本发明提供一种基于温度场的等离子弧焊焊缝结晶过程的控制装置及基于温度场的等离子弧焊焊缝结晶过程的控制方法，用以提高等离子弧焊的焊接质量。
6.本发明提供一种基于温度场的等离子弧焊焊缝结晶过程的控制装置，包括：焊接系统，所述焊接系统包括焊枪和焊接电源；供气系统，用于为所述焊枪提供气体；固定件，与所述焊枪转动连接；红外监控系统，与所述固定件转动连接，以使所述红外监控系统朝向工件上的穿孔熔池；控制系统，与所述红外监控系统、所述焊接电源以及所述供气系统连接，所述控制系统用于根据所述红外监控系统获取的所述穿孔熔池的实时温度场特征、实时温度梯度特征与预设的标准温度场特征阈值以及标准温度梯度特征阈值进行对比，进而控制所述供气系统或所述焊接系统的输出参数。
7.根据本发明提供的一种基于温度场的等离子弧焊焊缝结晶过程的控制装置，所述红外监控系统包括区域识别模块，所述区域识别模块用于识别所述穿孔熔池的各区域，所述控制系统用于将各区域的实时温度场特征、实时温度梯度特征与预设的各区域的标准温度场特征阈值以及标准温度梯度特征阈值进行对比。
8.根据本发明提供的一种基于温度场的等离子弧焊焊缝结晶过程的控制装置，所述焊接系统还包括：送丝机构，与所述焊枪连接，所述送丝机构的送丝速度可调，所述送丝机构用于输送焊丝。
9.根据本发明提供的一种基于温度场的等离子弧焊焊缝结晶过程的控制装置，所述控制系统包括：上位机，与所述红外监控系统连接；处理单元，与所述上位机连接；控制单
元，与所述处理单元、所述焊接系统以及所述供气系统连接。
10.根据本发明提供的一种基于温度场的等离子弧焊焊缝结晶过程的控制装置，所述供气系统包括：焊接电源等离子气气瓶和保护气气瓶，所述等离子气气瓶与所述保护气气瓶分别与所述焊接电源连接，所述等离子气气瓶还与所述控制单元连接。
11.本发明还提供一种利用如上所述的基于温度场的等离子弧焊焊缝结晶过程的控制装置进行基于温度场的等离子弧焊焊缝结晶过程的控制方法，包括：获取穿孔熔池的实时温度场特征和实时温度梯度特征；在所述实时温度场特征位于预设的标准温度场特征阈值内，且所述实时温度梯度特征位于预设的标准温度梯度特征阈值内的情况下，继续焊接；在所述实时温度场特征位于所述标准温度场特征阈值外，或所述实时温度梯度特征位于所述标准温度梯度特征阈值外的情况下，根据温度场特征偏移量或温度梯度特征偏移量调节所述供气系统和/或所述焊接系统的输出参数。
12.根据本发明提供的一种基于温度场的等离子弧焊焊缝结晶过程的控制方法，所述获取穿孔熔池的实时温度场特征和实时温度梯度特征的步骤进一步包括：获取所述穿孔熔池的前壁的实时温度场特征和和实时温度梯度特征、所述穿孔熔池的后壁的实时温度场特征和实时温度梯度特征，以及出口侧的实时温度场特征和实时温度梯度特征。
13.根据本发明提供的一种基于温度场的等离子弧焊焊缝结晶过程的控制方法，所述根据温度场特征偏移量或温度梯度特征偏移量调节所述供气系统或所述焊接系统的输出参数的步骤进一步包括：在所述前壁的实时温度场特征位于所述标准温度场特征阈值外，或所述前壁的实时温度梯度特征位于所述标准温度梯度特征阈值外的情况下，调节送丝速度和/或焊接电流。
14.根据本发明提供的一种基于温度场的等离子弧焊焊缝结晶过程的控制方法，所述根据温度场特征偏移量或温度梯度特征偏移量调节所述供气系统或所述焊接系统的输出参数的步骤进一步包括：在所述后壁的实时温度场特征位于所述标准温度场特征阈值外，或所述后壁的实时温度梯度特征位于所述标准温度梯度特征阈值外的情况下，调节送丝速度和/或等离子气的流量。
15.根据本发明提供的一种基于温度场的等离子弧焊焊缝结晶过程的控制方法，所述根据温度场特征偏移量或温度梯度特征偏移量调节所述供气系统或所述焊接系统的输出参数的步骤进一步包括：在所述出口侧的实时温度场特征位于所述标准温度场特征阈值外，或所述出口侧的实时温度梯度特征位于所述标准温度梯度特征阈值外的情况下，调节等离子气的流量和/或焊接电流。
16.本发明实施例提供的基于温度场的等离子弧焊焊缝结晶过程的控制装置，通过设置红外监控系统和控制系统，能够实时获取焊接过程中穿孔熔池的实时温度场特征以及实时温度梯度特征，并与预设的标准温度场特征阈值以及标准温度梯度阈值进行对比，在实时温度场特征或实时温度梯度特征超过对应的阈值范围时，控制系统调节供气系统或焊接电源的输出参数，从而使穿孔熔池的实时温度场特征以及实时温度梯度特征处于相对应的阈值范围内，进而保证了焊接质量始终处于合格范围内，提高了焊接质量。
附图说明
17.为了更清楚地说明本发明或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术
描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
18.图1是本发明提供的基于温度场的等离子弧焊焊缝结晶过程的控制装置的结构示意图；
19.图2是图1中示出的穿孔熔池的结构示意图；
20.图3是本发明实施例提供的基于温度场的等离子弧焊焊缝结晶过程的控制方法的流程图；
21.附图标记：
22.11：焊枪；12：送丝机构；13：焊丝；21：焊接电源；22：保护气气瓶；23：等离子气气瓶；30：固定件；40：红外监控系统；51：上位机；52：处理单元；53：控制单元；100：工件；101：穿孔熔池；102：焊缝；1011：前壁；1012：后壁；1013：侧壁；1014：出口侧。
具体实施方式
23.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
24.本发明的说明书和权利要求书中的术语“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
25.下面结合图1-3描述本发明的基于温度场的等离子弧焊焊缝结晶过程的控制装置及基于温度场的等离子弧焊焊缝结晶过程的控制方法。
26.如图1所示，在本发明的实施例中，基于温度场的等离子弧焊焊缝结晶过程的控制装置包括：焊接系统、供气系统、固定件30、红外监控系统40和控制系统。焊接系统包括焊机和焊接电源21，焊机设有焊枪11，供气系统用于为焊枪11提供气体。固定件30与焊枪11转动连接，红外监控系统40与固定件30转动连接，以使红外监控系统40朝向工件100上的穿孔熔池101。控制系统与红外监控系统40、焊接电源21以及供气系统连接，控制系统用于根据红外监控系统40获取的穿孔熔池101的温度场特征、温度梯度特征与预设的标准温度场特征阈值以及标准温度梯度特征阈值进行对比，进而控制供气系统和/或焊接系统的输出参数。
27.具体来说，焊接电源21为焊枪11提供电流，供气系统为焊枪11提供保护气以及等离子气，在对金属进行焊接前，红外监控系统40朝向工件100上预加工出的穿孔熔池101的位置，然后，焊枪11的电弧穿透工件100，在工件100上形成穿孔熔池101，红外监控系统40获取穿孔熔池101的实时温度场特征、实时温度梯度特征，并将检测的数据发送至控制系统，控制系统将实时温度场特征与预设的标准温度场特征阈值进行对比，同时将实时温度梯度特征与预设的标准温度梯度特征阈值进行对比，当二者都处于阈值范围内时，焊枪11继续焊接；当二者之中的一者处于阈值范围之外时，控制系统调节焊接系统和/或供气系统的输出参数，如焊接电流、送丝速度或等离子气中的至少一者，以使红外监控系统40检测到的实时温度场特征、实时温度梯度特征处于阈值范围内。
28.进一步地，在本发明的实施例中，等离子弧焊接方式适用于碳钢、合金钢、不锈钢和铝合金。
29.进一步地，在本发明的实施例中，红外监控系统40的数量为两个，两个红外监控系统40分别设置在焊枪11的两侧，二者均朝向穿孔熔池101，以便能够获取穿孔熔池101的全部温度场特征以及温度梯度特征。
30.进一步地，红外监控系统40与固定件30转动连接，从而可以调节红外监控系统40的方向，使其朝向穿孔熔池101。焊枪11与固定件30转动连接，可以使焊枪11的位置进行调节，满足焊接需求。进一步地，固定件30上设置有刻度，以精确调整红外监控系统40的位置以及焊枪11的位置，使红外监控系统40能够自动识别熔池边缘，并实时提取熔池的温度场特征。
31.进一步地，焊丝13可以为不锈钢焊丝或铝合金焊丝。
32.本发明实施例提供的基于温度场的等离子弧焊焊缝结晶过程的控制装置，通过设置红外监控系统和控制系统，能够实时获取焊接过程中穿孔熔池的实时温度场特征以及实时温度梯度特征，并与预设的标准温度场特征阈值以及标准温度梯度阈值进行对比，在实时温度场特征或实时温度梯度特征超过对应的阈值范围时，控制系统调节焊接系统或供气系统的输出参数，从而使穿孔熔池的实时温度场特征以及实时温度梯度特征处于相对应的阈值范围内，进而保证了焊接质量始终处于合格范围内，提高了焊接质量。
33.进一步地，在本发明的实施例中，红外监控系统40包括区域识别模块。区域识别模块用于识别穿孔熔池101的各区域，控制系统用于将各区域的实时温度场特征、实时温度梯度特征与预设的各区域的标准温度场特征阈值以及标准温度梯度特征阈值进行对比。
34.具体来说，当红外监控系统40获取到穿孔熔池101的图像信息时，区域识别模块会自动将穿孔熔池101的各区域识别出来。如图2所示，穿孔熔池101具体分为：前壁1011、后壁1012、侧壁1013以及出口侧1014。
35.进一步地，如图1所示，在本发明的实施例中，焊接系统还包括送丝机构12。送丝机构12与焊枪11连接，送丝机构12的送丝速度可调，送丝机构12用于输送焊丝13。具体来说，送丝机构12与焊枪11连接，可保证送丝机构12与焊枪11同步动作。进一步地，当穿孔熔池101的实时温度场特征或实时温度梯度特征超过对应的阈值范围时，可增大或减小送丝速度。
36.如图1所示，在本发明的实施例中，控制系统包括：上位机51、处理单元52和控制单元53。上位机51与红外监控系统40连接，处理单元52与上位机51连接，控制单元53与处理单元52、焊接系统以及供气系统连接。
37.具体来说，红外监控系统40将焊接过程中检测到的穿孔熔池101的实时温度场特征以及实时温度梯度特征发送至上位机51，上位机51实时显示以上数据。上位机51内预设有焊接质量合格的标准温度场特征阈值以及标准温度梯度特征阈值，上位机51将接收到的数据与标准温度场特征阈值以及标准温度梯度特征阈值进行对比，在实时温度场特征以及实时温度梯度特征均位于相对应的阈值范围内时，上位机51不发送信号至处理单元52，焊枪11继续焊接；在实时温度场特征或实时温度梯度特征位于相对应的阈值范围之外时，上位机51根据温度场特征偏差量或温度梯度特征偏差量发送信号至处理单元52，处理单元52输出调控信号至控制单元53，控制单元53调节供气系统或焊接系统的输出参数，以使实时
温度场特征以及实时温度梯度特征位于相对应的阈值范围内。
38.如图1所示，在本发明的一个实施例中，供气系统包括：保护气气瓶22和等离子气气瓶23。等离子气气瓶23与保护气气瓶22分别与焊接电源21连接，等离子气气瓶23还与控制单元53连接。
39.具体来说，焊接电源21用于为焊枪11输出电流，保护气气瓶22用于为焊枪11提供保护气体，等离子气气瓶23用于为焊枪11提供等离子气体。在实时温度场特征或实时温度梯度特征位于相对应的阈值范围之外时，上位机51根据高温偏差量发送信号至处理单元52，处理单元52输出调控信号至控制单元53，控制单元53调节焊接电源21的焊接电流或等离子气的气流流量，以使实时温度场特征以及实时温度梯度特征位于相对应的阈值范围内。
40.如图3所示，本发明实施例还提供了一种基于温度场的等离子弧焊焊缝结晶过程的控制方法，具体包括以下步骤：
41.步骤201：获取穿孔熔池101的实时温度场特征和实时温度梯度特征；步骤202：在实时温度场特征位于预设的标准温度场特征阈值内，且实时温度梯度特征位于预设的标准温度梯度特征阈值内的情况下，继续焊接；步骤203：在实时温度场特征位于标准温度场特征阈值外，或实时温度梯度特征位于标准温度梯度特征阈值外的情况下，根据温度场特征偏移量或温度梯度特征偏移量调节供气系统和/或焊接系统的输出参数。
42.具体来说，在焊接过程中，获取穿孔熔池的实时温度场特征、实时温度梯度特征，并将检测的数据发送至控制系统，控制系统将实时温度场特征与预设的标准温度场特征阈值进行对比，同时将实时温度梯度特征与预设的标准温度梯度特征阈值进行对比，当二者都处于阈值范围内时，焊枪继续焊接；当二者之中的一者处于阈值范围之外时，控制系统调节供气系统或焊接系统的输出参数，如焊接电流、送丝速度或等离子气中的至少一者，以使红外监控系统检测到的实时温度场特征、实时温度梯度特征处于阈值范围内。
43.本发明实施例提供的基于温度场的等离子弧焊焊缝结晶过程的控制方法，能够在线监控焊接过程，实时对比穿孔熔池的温度场特征和温度梯度特征，在线实时反馈高温区偏移情况，进而根据偏移情况调节供气系统或焊接系统的输出参数，从而使穿孔熔池的实时温度场特征以及实时温度梯度特征处于相对应的阈值范围内，进而保证了焊接质量始终处于合格范围内，提高了焊接质量。
44.进一步地，在本发明的一个实施例中，获取穿孔熔池的实时温度场特征和实时温度梯度特征的步骤进一步包括：获取穿孔熔池的前壁的实时温度场特征和实时温度梯度特征、后壁的实时温度场特征和实时温度梯度特征，以及出口侧的实时温度场特征和实时温度梯度特征。
45.具体来说，在本实施例中，穿孔熔池的前壁、后壁以及出口侧的温度分布为主要监测对象，侧壁和热影响区的温度分布为次监测对象。获取以上各区域的实时温度场特征以及实时温度梯度特征，能够将焊接过程中对焊接质量有影响的热影响区域都囊括进来，保证了实时温度场特征以及实时温度梯度特征检测的准确性，避免了未囊括进来的热影响区对焊接质量造成的影响，从而保证了焊接质量的可靠性。
46.进一步地，在本发明的实施例中，根据温度场特征偏移量或温度梯度特征偏移量调节供气系统或焊接系统的输出参数的步骤进一步包括：在前壁的实时温度场特征位于标
准温度场特征阈值外，或前壁的实时温度梯度特征位于标准温度梯度特征阈值外的情况下，调节送丝速度和/或焊接电流。
47.具体来说，当熔池前壁的实时温度场特征与标准温度温度场特征之间的差值，或实时温度梯度特征与标准温度梯度特征之间的差值高于阈值范围的最大值时，增加送丝速度和/或减小焊接电流；当熔池前壁的实时温度场特征与标准温度温度场特征之间的差值，或实时温度梯度特征与标准温度梯度特征之间的差值低于阈值范围的最小值时，减小送丝速度和/或增大焊接电流。
48.进一步地，在本发明的实施例中，根据温度场特征偏移量或温度梯度特征偏移量调节供气系统或焊接系统的输出参数的步骤进一步包括：在后壁的实时温度场特征位于标准温度场特征阈值外，或后壁的实时温度梯度特征位于标准温度梯度特征阈值外的情况下，调节送丝速度和/或等离子气的流量。
49.具体来说，当熔池后壁的实时温度场特征与标准温度温度场特征之间的差值，或实时温度梯度特征与标准温度梯度特征之间的差值高于阈值范围的最大值时，减小等离子气的流量和/或增大送丝速度；当熔池后壁的实时温度场特征与标准温度温度场特征之间的差值，或实时温度梯度特征与标准温度梯度特征之间的差值低于阈值范围的最小值时，增大等离子气的流量和/或减小送丝速度。
50.进一步地，在本发明的实施例中，根据温度场特征偏移量或温度梯度特征偏移量调节供气系统或焊接系统的输出参数的步骤进一步包括：在出口侧的实时温度场特征位于标准温度场特征阈值外，或出口侧的实时温度梯度特征位于标准温度梯度特征阈值外的情况下，调节等离子气的流量和/或焊接电流。
51.具体来说，当熔池出口侧的实时温度场特征与标准温度温度场特征之间的差值，或实时温度梯度特征与标准温度梯度特征之间的差值高于阈值范围的最大值时，减小等离子气的流量和/或减小焊接电流。具体地，其操作方法为先降低焊接电流的输入参数，延迟1s后若二者之中的一者还超过标准阈值，则降低等离子气的流量；如果1s后还是高于标准阈值则交替降低焊接电流和等离子气的流量。可以理解的是：其调节方法也可以为先减小等离子气的流量，延迟1s后若二者之中的一者还超过标准阈值，则降低焊接电流的输入参数，如果1s后还是高于标准阈值则交替降低等离子气的流量和焊接电流。或同时对等离子气的流量和焊接电流进行调节。
52.当熔池后壁的实时温度场特征与标准温度温度场特征之间的差值，或实时温度梯度特征与标准温度梯度特征之间的差值低于阈值范围的最小值时，增大等离子气的流量和/或增大焊接电流。
53.进一步地，在本发明的实施例中，基于温度场的等离子弧焊焊缝结晶过程的控制方法还包括以下步骤：获取焊接质量合格的穿孔熔池的多个温度场特征以及多个温度梯度特征；基于温度场特征的最大值和最小值，建立标准温度场特征阈值；基于温度梯度特征的最大值和最小值，建立标准温度梯度特征阈值。
54.进一步地，在获取穿孔熔池的实时温度场特征和实时温度梯度特征的步骤之前，基于温度场的等离子弧焊焊缝结晶过程的控制方法还包括以下步骤：使用焊枪在工件上加工出穿孔熔池。
55.具体来说，在焊接前，将工件100与相匹配的焊丝13准备就绪，提前设置好焊机的
初始参数，调节红外监控系统40朝向穿孔熔池101的预加工位置，确保焊接过程中穿孔熔池101的形态以及其热影响区在红外监控系统40的检测范围内。
56.打开保护气气瓶22和等离子气气瓶23，将焊接电源21与焊枪11接通。预先输出保护气和等离子气，然后起等离子主弧，观察上位机51上显示的穿孔熔池101的图像，当能够观察到穿孔熔池101时，送丝机构12将焊丝13输送至焊缝102处。红外监控系统40实时检测穿孔熔池101的实时温度场特征以及实时温度梯度特征，并将以上数据发送至上位机51进行显示。
57.最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。