一种厚板焊接质量监测与控制系统及其焊接方法技术方案

一种厚板焊接质量监测与控制系统及其焊接方法，通过对焊接过程的质量监测控制，实现对厚板高质量焊接。其中系统包括焊接子系统、焊接质量监测子系统和计算机控制子系统；焊接质量监测子系统实时监测焊接过程；计算机控制子系统包括特征分析模块、焊接质量控制模块和焊接工艺专家系统模块；特征分析模块提取的熔池特征值和焊接电信号特征值并判断焊接缺陷种类；焊接工艺专家系统模块内储存有焊接工艺数据库和焊接工艺参数与焊接缺陷率之间的关系数据库；焊接前，焊接工艺专家系统模块规划焊接路径和每道焊缝的焊接工艺参数；焊接质量控制模块控制焊接子系统进行焊接并对焊缝进行评级判断，确定是否需要停止焊接或调整焊接工艺参数。工艺参数。工艺参数。

【技术实现步骤摘要】
一种厚板焊接质量监测与控制系统及其焊接方法


[0001]本专利技术涉及智能化焊接
，特别涉及一种厚板焊接质量监测与控制系统及其焊接方法。

技术介绍

[0002]厚板焊接广泛的应用于发电设备、石油化工和轨道交通中。在通常情况下，厚板结构需要采用多层多道焊接，焊接质量受到很多因素的影响，焊接工艺的复杂性和不稳定性将会导致缺陷的产生，而市场对焊接构件的精度和速度提出了更高的要求，目前大部分的厚板焊接的流程为手工焊或机器人焊接完成后进行射线探伤的方法对焊缝质量进行检测，将不符合焊接质量要求的焊层打磨去除重新进行焊接，对焊接过程的质量变化监测缺乏时效性，存在焊接效率低下，产生质量问题时成本高，人工劳动强度大等问题。在焊接过程中，熔池和匙孔包含丰富的焊接质量信息，熔池的状态特征反映了焊接质量；在焊接完成后，焊缝表面常常会反映出咬边、气孔、表面裂纹等缺陷。而市场上常见的针对熔池和焊缝的视觉监测常常需要焊工人工观察，多为焊接工人依靠自己的知识进行调整工艺，具有较大的局限性。因此监测易受焊工主观因素影响较大，一般工人由于受技术水平、疲劳程度等原因无法实现目前的焊接要求，另外焊接过程中产生的火花、飞溅、烟雾等都影响着工人的健康。对智能化焊接技术的研究就变得更为迫切，对焊接质量的监测及控制技术提出了新的要求。因此传统的焊接质量检测方法不能满足智能化焊接的需要。

技术实现思路

[0003]本专利技术的专利技术目的是提供一种厚板焊接质量监测与控制系统，通过该系统进行厚板焊接，能够实现焊接过程中焊接缺陷识别与焊接过程的焊接参数的动态调控，实现焊接质量诊断及焊接质量控制，能够有效控制机器人自动化焊接厚板多层多道焊层间温度，避免裂纹、气孔、未熔合、夹渣等焊接缺陷，实现厚板焊接的智能制造。
[0004]本专利技术实现其专利技术目的首先提供了一种厚板焊接质量监测与控制系统，所述系统包括焊接子系统、焊接质量监测子系统和计算机控制子系统；
[0005]所述焊接子系统包括焊机、焊枪、送丝机构、焊接工作台和控制焊枪位置的焊接机器人；
[0006]所述焊接质量监测子系统用于实时监测焊接过程并把监测数据传输给计算机控制子系统，焊接质量监测子系统包括实时采集熔池图像的熔池监测模块、实时监测焊接电信号的电信号监测模块、监测焊枪高度的焊枪高度监测模块和监测焊缝温度的焊缝温度监测模块；
[0007]所述计算机控制子系统包括特征分析模块、焊接质量控制模块和焊接工艺专家系统模块；
[0008]所述特征分析模块内储存有焊接缺陷识别模型，特征分析模块对焊接质量监测子系统传输来的熔池图像及焊接电信号进行预处理及特征值提取，并将提取的熔池特征值和
焊接电信号特征值输入焊接缺陷识别模型，判断焊接缺陷种类，传输给焊接质量控制模块和焊接工艺专家系统模块；所述熔池特征值包括熔池的宽度，熔池的长度，熔池的拖尾角、熔池的面积及熔池的中心坐标点，所述焊接电信号特征值包括焊接电流与焊接电压的近似熵、模糊熵、样本熵；
[0009]所述焊接工艺专家系统模块内储存有各种焊接对象最优焊接工艺参数的焊接工艺数据库和焊接工艺参数与焊接缺陷率之间的关系数据库；焊接前，焊接工艺专家系统模块根据焊接对象信息和焊接工艺数据库规划焊接路径和每道焊缝的焊接工艺参数；所述每道焊缝的焊接工艺参数包括打底焊、填充焊、盖面焊的焊接电流、焊接电压、焊接速度、送丝速度、气流量、焊枪高度、焊缝层间温度；
[0010]所述焊接质量控制模块根据焊接工艺专家系统模块规划的每道焊缝的焊接工艺参数及焊接路径控制焊接子系统进行焊接；每焊接完一道焊缝后，焊接质量控制模块均依据接收到的每道焊缝中焊接缺陷的种类和数量，计算焊缝中每种焊接缺陷的缺陷率，然后根据每种焊接缺陷的缺陷率对焊缝进行评级判断，确定是否需要停止焊接或调整焊接工艺参数：
[0011]如评级判断结果确定无需调整焊接工艺参数，以焊接工艺专家系统模块规划的下一道焊缝的焊接工艺参数作为下一道焊缝的焊接工艺参数；
[0012]如评级判断结果确定需要调整焊接工艺参数，焊接质量控制模块根据焊接工艺专家系统模块内储存的焊接工艺参数与焊接缺陷率之间的关系数据库对焊接工艺专家系统模块规划的下一道焊缝的焊接工艺参数进行调整，以调整后的焊接工艺参数作为下一道焊缝的焊接工艺参数；
[0013]如评级判断结果确定需要停止焊接，则停止焊接并报警。
[0014]上述某一个焊接缺陷的缺陷率是指在一条焊缝中，采集所有熔池特征值及焊接电信号特征值的样本中，被焊接质量控制模块评为该焊接缺陷的数量占所有样本的比例。
[0015]进一步，本专利技术系统所述厚板焊接质量监测与控制系统用于厚度为25～100mm厚板的填丝电弧焊和填丝激光电弧复合焊。
[0016]进一步，本专利技术系统所述熔池监测模块包括CMOS相机、相机镜头和滤光片，所述电信号监测模块包括电流传感器、电压传感器和数据采集卡，所述焊缝温度监测模块为红外传感器，所述焊枪高度监测模块为激光传感器。
[0017]进一步，本专利技术系统所述特征分析模块对焊接质量监测子系统传输来的熔池图像进行预处理及特征值提取的具体方法是：对熔池图像依次进行ROI提取，图像分割、二值化、图像合并、提取熔池轮廓，绘制熔池轮廓，提取熔池的特征值，包括熔池的宽度，熔池的长度，熔池的拖尾角、熔池的面积及熔池的中心坐标点，完成对熔池图像的预处理及特征值提取。
[0018]进一步，本专利技术系统所述特征分析模块对焊接质量监测子系统传输来的焊接电信号进行预处理及特征值提取的具体方法是：对焊接电信号进行小波变换预处理，提取焊接电信号的特征值，包括电流与电压的近似熵、模糊熵、样本熵，完成对焊接电信号的预处理及特征值提取。
[0019]进一步，本专利技术系统所述焊接缺陷识别模型为通过预实验训练得到的多分类SVM模型，所述多分类SVM模型的核函数为高斯核函数。
[0020]进一步，本专利技术系统所述焊接质量控制模块对焊缝进行评级判断的评级策略所包含的焊接缺陷有夹杂缺陷、气孔缺陷、未熔合缺陷、焊偏缺陷；所述焊接工艺专家系统模块内储存的焊接工艺参数与焊接缺陷率之间的关系数据库包括焊丝偏移量与焊偏缺陷率的回归方程、焊接电流与夹杂缺陷率的回归方程、焊接速度与未熔合缺陷率的回归方程、气流量与气孔缺陷率的回归方程。
[0021]所述回归方程通过做单因素变量预实验建立，单因素变量预实验的焊接速度步长0.1mm/s、气流量步长为0.1L/min、焊丝偏移量步长为0.1mm，焊接电流步长1A。
[0022]回归方程的构建方法是：1、根据预测目标确定自变量因变量；2、绘制散点图，确认回归模型类型；y＝a
n
x
n
+
…
+a1x1+a0x0；3、估计模型参数，建立回归模型，使用多重线性回归近似拟合非线性回归；4、寻找最好的阶数，从第二阶开始尝试到第20阶，在模型得分接近的情况下，尽量选择阶数低的模型；5、对回归模型进行检验，确认模型，完成回归方程构建。
[0023]焊偏缺陷本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种厚板焊接质量监测与控制系统，其特征在于，所述系统包括焊接子系统、焊接质量监测子系统和计算机控制子系统；所述焊接子系统包括焊机、焊枪、送丝机构、焊接工作台和控制焊枪位置的焊接机器人；所述焊接质量监测子系统用于实时监测焊接过程并把监测数据传输给计算机控制子系统，焊接质量监测子系统包括实时采集熔池图像的熔池监测模块、实时监测焊接电信号的电信号监测模块、监测焊枪高度的焊枪高度检测模块和监测焊缝温度的焊缝温度监测模块；所述计算机控制子系统包括特征分析模块、焊接质量控制模块和焊接工艺专家系统模块；所述特征分析模块内储存有焊接缺陷识别模型，特征分析模块对焊接质量监测子系统传输来的熔池图像及焊接电信号进行预处理及特征值提取，并将提取的熔池特征值和焊接电信号特征值输入焊接缺陷识别模型，判断焊接缺陷种类，传输给焊接质量控制模块和焊接工艺专家系统模块；所述熔池特征值包括熔池的宽度，熔池的长度，熔池的拖尾角、熔池的面积及熔池的中心坐标点，所述焊接电信号特征值包括焊接电流与焊接电压的近似熵、模糊熵、样本熵；所述焊接工艺专家系统模块内储存有各种焊接对象最优焊接工艺参数的焊接工艺数据库和焊接工艺参数与焊接缺陷率之间的关系数据库；焊接前，焊接工艺专家系统模块根据焊接对象信息和焊接工艺数据库规划焊接路径和每道焊缝的焊接工艺参数；所述每道焊缝的焊接工艺参数包括打底焊、填充焊、盖面焊的焊接电流、焊接电压、焊接速度、送丝速度、气流量、焊枪高度、焊缝层间温度；所述焊接质量控制模块根据焊接工艺专家系统模块规划的每道焊缝的焊接工艺参数及焊接路径控制焊接子系统进行焊接；每焊接完一道焊缝后，焊接质量控制模块均依据接收到的每道焊缝中焊接缺陷的种类和数量，计算焊缝中每种焊接缺陷的缺陷率，然后根据每种焊接缺陷的缺陷率对焊缝进行评级判断，确定是否需要停止焊接或调整焊接工艺参数：如评级判断结果确定无需调整焊接工艺参数，以焊接工艺专家系统模块规划的下一道焊缝的焊接工艺参数作为下一道焊缝的焊接工艺参数；如评级判断结果确定需要调整焊接工艺参数，焊接质量控制模块根据焊接工艺专家系统模块内储存的焊接工艺参数与焊接缺陷率之间的关系数据库对焊接工艺专家系统模块规划的下一道焊缝的焊接工艺参数进行调整，以调整后的焊接工艺参数作为下一道焊缝的焊接工艺参数；如评级判断结果确定需要停止焊接，则停止焊接并报警。2.根据权利要求1所述的厚板焊接质量监测与控制系统，其特征在于：所述厚板焊接质量监测与控制系统用于厚度为25～100mm厚板的填丝电弧焊和填丝激光电弧复合焊。3.根据权利要求1所述的厚板焊接质量监测与控制系统，其特征在于：所述熔池监测模块包括CMOS相机、相机镜头和滤光片，所述电信号监测模块包括电流传感器、电压传感器和数据采集卡，所述焊缝温度监测模块为红外传感器，所述焊枪高度监测模块为激光传感器。4.根据权利要求1所述的厚板焊接质量监测与控制系统，其特征在于：所述特征分析模
块对焊接质量监测子系统传输来的熔池图像进行预处理及特征值提取的具体方法是：对熔池图像依次进行ROI提取，图像分割、二值化、图像合并、提取熔池轮廓，绘制熔池轮廓，提取熔池的特征值，包括熔池的宽度，熔池的长度，熔池的拖尾角、熔池的面积及熔池的中心坐标点，完成对熔池图像的预处理及特征值提取。5.根据权利要求1所述的厚板焊接质量监测与控制系统，其特征在于：所述特征分析模块对焊接质量监测子系统传输来的焊接电信号进行预处理及特征值提取的具体方法是：对焊接电信号进行小波变换预处理，提取焊接电信号的特征值，包括电流与电压的近似熵、模糊熵、样本熵，完成对焊接电信号的预处理及特征值提取。6.根据权利要求1所述的厚板焊接质量监测与控制系统，其特征在于：所述焊接缺陷识别模型为通过预实验训练得到的多分类SVM模型，所述多分类SVM模型的核函数为高斯核函数。7.根据权利要求1所述的厚板焊接质量监测与控制系统，其特征在于：所述焊接质量控制模块对焊缝进行评级判断的评级策略所包含的焊接缺陷有夹杂缺陷、气孔缺陷、未熔合缺陷、焊偏缺陷；所述焊接工艺专家系统模块内储存的焊接工艺参数与焊接缺陷率之间的关系数据库包括焊丝偏移量与焊偏缺陷率的回归方程、焊接电流与夹杂缺陷率的回归方程、焊接速度与未熔合缺陷率的回归方程、气流量与气孔缺陷率的回归方程。8.根据权利要求1或7所述的厚板焊接质量监测与控制系统，其特征在于：所述焊接质量控制模块根据每种焊接缺陷的缺陷率对焊缝进行评级判断的判断标准是：如果同时满足焊缝中夹杂缺陷率小于0.5％、未熔合缺陷率小于0.5％、气孔缺陷率小于0.5％、焊偏缺陷率小于0.5％，则评定焊缝等级为A级，无需调整下一道焊缝的焊接工艺参数；如果同时满足焊缝中夹杂缺陷率小于...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨涛，左玉达，庄园，董世江，曾俊谚，李桓玉，苏玺鉴，黄敏轩，
申请(专利权)人：西南交通大学，
类型：发明
国别省市：