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多层多道焊接结构光中心线提取

林欣堂, 朱莉, 张海波

林欣堂, 朱莉, 张海波. 多层多道焊接结构光中心线提取[J]. 焊接学报, 2016, 37(7): 105-108,118.
引用本文: 林欣堂, 朱莉, 张海波. 多层多道焊接结构光中心线提取[J]. 焊接学报, 2016, 37(7): 105-108,118.
LIN Xintang, ZHU Li, ZHANG Haibo. Multilayer multichannel welding structured light centerline extraction[J]. TRANSACTIONS OF THE CHINA WELDING INSTITUTION, 2016, 37(7): 105-108,118.
Citation: LIN Xintang, ZHU Li, ZHANG Haibo. Multilayer multichannel welding structured light centerline extraction[J]. TRANSACTIONS OF THE CHINA WELDING INSTITUTION, 2016, 37(7): 105-108,118.

多层多道焊接结构光中心线提取

基金项目: 国家自然科学基金青年科学基金项目(61100103)

Multilayer multichannel welding structured light centerline extraction

  • 摘要: 在对多层多道焊接视觉跟踪过程中,需要对结构光光条中心线上信息进行提取.要完成光条中心线提取需要解决光条形状复杂、光强度分布不均匀、焊豆或镜面反射等引起的结构光光条间断及环境噪声影响等问题.文中在研究已有中心线提取算法的基础上,提出了基于各向异性热扩散方程的结构光光条中心线提取算法.完成中心线提取后,选用已有算法对中心线上包含焊道信息的间断端点及高曲率角点进行检测,完成对结构光光条中心线上的特征提取.通过对文中提出的检测算法原理的分析及试验,试验结果证明该算法能够解决上述问题,同时与现有算法的比较可以看到文中在计算精度及速度上具有优势.
    Abstract: Several issues need to be solved in centerline extraction of structured light stripe, including complex shape of light stripe, uneven distribution of light intensity, gap of light strip caused by specular reflection or occlusion, and interference of environmental noise, etc. After investigating available centerline extraction algorithms, a novel centerline extraction algorithm is proposed based on anisotropic thermal diffusion equation. By corresponding pixels gray value to the temperature, the pixels with maximum values were calculated as centerline. The feasibility of solving the above issues with the proposed algorithm was verified by principle analysis and experiments. The comparison results show that the proposed algorithm has higher accuracy and efficiency.
  • 变极性等离子弧焊接是一种高效、高质量的铝合金焊接方法,等离子电弧能量密度大、穿透能力强, 不仅能减小工件变形量, 而且能够降低高强铝合金焊缝软化程度. 已成功应用于航天器外储箱、火箭筒体等重要产品的焊接生产,是一种有着广泛应用前景的焊接方法.

    80年代美国NASA实现了25 mm铝合金穿孔焊接工艺[1],并将其成功应用于航天器外储箱焊接[2]. 哈尔滨工业大学、航空工艺研究所等单位对VPPA焊接工艺进行了大量的研究工作,并取得了一些阶段性成果[3].研究表明典型的变极性等离子弧焊接工艺虽具备很多优点,但在厚板大规范的焊接工艺条件下,存在着电弧穿透能力不足和焊接熔池稳定性差等问题[4-5]. 对于厚板铝合金等离子弧穿孔焊接工艺,电弧力对焊缝成形具有决定性的作用[6]. 李国伟等人[7]、李玉龙等人[8]分别研究了高强铝合金脉冲变极性等离子弧焊接头组织与性能和不同脉冲频率条件下 2219-T87 高强铝合金焊缝成形行为,研究发现焊接电流输出波形中加入超高频脉冲,不仅使电弧穿透能力有所增强,而且焊缝的组织和性能也会发生明显变化.

    综上所述,VPPA焊接工艺中在低频脉冲调制基础上叠加高频脉冲的双脉冲形式研究较少. 低频脉冲通过周期性振荡液态熔池,可以得到表面饱满的鱼鳞纹焊缝;高频脉冲的高频效应可使等离子电弧更为集中,穿透能力更强;双脉冲等离子电弧输入线能量减小、热输入降低,减小了热影响区的宽度;双脉冲等离子电弧对熔池有较强的周期性搅动作用,可以细化晶粒,从而提高高强铝合金焊接接头质量.

    文中建立了以MSP430单片机为控制核心的双脉冲VPPA焊接系统,采用C语言编程实现了焊接电流高低频脉冲调制波形输出,利用汉诺威电弧分析系统采集和分析了7A52高强铝合金双脉冲VPPA焊接过程中的电信号,并对双脉冲VPPA焊接电弧行为、焊缝成形及焊接接头力学性能进行了测试和分析.

    双脉冲VPPA焊接系统由MSP430单片机为控制核心的控制系统、双逆变结构的焊接电源以及信号采集系统由3个基本部分组成,其原理框图如图1所示.

    图  1  脉冲VPPA焊接系统原理图
    Figure  1.  Schematic diagram of pulse VPPA welding system

    双脉冲VPPA焊接波形控制系统采用模块化结构程序设计,便于对各个功能模块进行独立修改、升级和移植. 图2为双脉冲VPPA焊接主程序流程图.

    图  2  主程序流程图
    Figure  2.  Flowchart of main program

    以MSP430单片机为核心的控制系统输出的脉冲波形控制信号经驱动电路放大,控制功率开关管IGBT的导通,从而改变输出脉冲的占空比,通过PWM调节器调节低频脉冲的幅值. 该系统是在VPPA焊接波形的基础之上调制输出具有高低频双脉冲的波形. 输出高频脉冲的频率范围为100 ~ 1 000 Hz,输出低频脉冲的频率范围为1 ~ 10 Hz. 该系统输出的高低频双脉冲调制VPPA波形子程序流程图如图3所示.变极性正反时间比21 : 4,频率50 Hz;高低频同时调制,高频调制1 000 Hz,低频调制1 Hz时,通过汉诺威电弧分析仪采集得到焊接电流波形如图4所示. 从电流波形中可以看出一个低频脉冲周期包含40个变极性周期,正反极性期间均叠加频率固定的高频脉冲.

    图  3  双脉冲调制变极性波形程序流程图
    Figure  3.  Program flowchart of variable polarity waveform
    图  4  高低频双脉冲电流波形
    Figure  4.  High and low frequency pulse current waveform

    焊接工艺试样采用了厚度为8 mm的7A52高强铝合金试板,试样规格250 mm × 100 mm ×8 mm,采用平板对接立焊工艺. 7A52铝合金是Al-Zn-Mg系高强铝合金,具有韧性好、比强度高的性能. 填充焊丝选$\phi $1.2的ER5636.在VPPA焊基础上加入不同频率高低频调制脉冲进行试验,主要焊接参数如表1所示. 其中,工艺1 ~ 工艺3保持高频脉冲调制频率不变,改变低频脉冲频率;工艺4 ~ 工艺6保持低频脉冲频率不变,改变高频脉冲频率.其 它焊接参数为钨极内缩量5 mm;喷嘴高度6 mm;离子气流量2.4 L/min;保护气体流量15 L/min.

    表  1  双脉冲VPPA焊接参数
    Table  1.  Welding process parameters of pulse VPPA
    编号正极性平均电流Iz /A反极性平均电流If /A高频脉冲频率fg /Hz低频冲频率fd /Hz脉冲占空比D ( %)
    工艺12002455000.550
    工艺2200245500250
    工艺3200245500150
    工艺4200245250150
    工艺5200245500150
    工艺62002451000150
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    VPPA平均焊接电流幅值和高频脉冲频率不变条件下改变低频脉冲频率,分析低频脉冲对VPPA焊缝成形的影响规律. 工艺1 ~ 工艺3低频脉冲频率分别为0.5,2和1 Hz.

    低频脉冲频率对焊缝成形的影响如图5所示. 当低频脉冲频率过大或过小时都不能获得良好焊缝成形. 当低频脉冲频率过小,如工艺1,脉冲电弧对熔池的振荡效果下降,焊缝表面鱼鳞纹不明显,焊缝边缘存在未填满的情况. 当低频脉冲频率较大时,如工艺2,焊缝表面鱼鳞纹过于密集,焊缝余高较大,说明此时熔池振荡和流动状态不理想. 当低频脉冲频率为1 Hz时,如图5工艺3所示,焊缝表面鱼鳞纹饱满、余高适中,焊缝成形较理想.

    图  5  低频脉冲频率对焊缝成形影响
    Figure  5.  Low pulse frequency effect on weld appearance

    在正、反极性电流值和低频脉冲频率一定的条件下,改变高频脉冲频率所得焊缝成形如图6所示. 比较分析工艺4 ~ 工艺6的焊缝成形发现,在其它焊接参数相同的条件下,高频脉冲频率的变化主要影响焊缝的熔深. 工艺4高频脉冲频率为250 Hz,正面成形均匀良好,而背面在起、收弧阶段均出现未焊透的现象;工艺6高频脉冲频率为1 000 Hz,起弧阶段也出现未焊透的现象,说明高频脉冲频率为250,1 000 Hz时双脉冲VPPA穿透力不足. 工艺5高频脉冲频率为500 Hz,正反面均得到了良好焊缝成形.

    图  6  高频脉冲频率对焊缝成形影响
    Figure  6.  High pulse frequency effect on weld appearance

    根据Maxwell方程及Lorenz定理,高频脉冲电流使焊接电弧产生较大的电磁收缩力[9],电弧径向压缩、电弧力和电弧挺度增强[10-11]. 在平均电流值相同的情况下,随着高频脉冲频率的增加电弧力增大,因此500 Hz比250 Hz电弧穿透力强. 从上述试验结果中发现,当高频脉冲频率为1 000 Hz时焊缝反而出现了未熔透现象,说明此时等离子弧穿透力没有500 Hz时强. 为了探究其原因,检测两组试验脉冲波形,两组脉冲焊接电流波形如图7所示.

    图  7  电流波形
    Figure  7.  Current waveform. (a) 500 Hz;(b) 1 000 Hz

    图7中可以看出500 Hz时脉冲波形接近方波,而到1 000 Hz时脉冲波形几乎变成锯齿波,两组脉冲波形前后沿陡度相差较大,因此500 Hz的脉冲效应较1 000 Hz的脉冲效应好. 出现这一现象的主要原因在于焊接电源主回路时间常数较大所致. 因此,如果希望通过进一步加大高频脉冲频率,提高等离子弧穿透力,须采用焊接回路时间常数较小的双脉冲VPPA焊接电源.

    图8为双脉冲VPPA和VPPA两种工艺方法获得焊缝的微观组织. 图8a为VPPA焊缝组织,图8b为双脉冲VPPA焊缝微观组织. 图8b焊缝晶粒较图8a的焊缝晶粒细小. 分析其原因,低频脉冲通过机械振动改善了熔池的空间流动状态,从而改变了熔池结构,使焊缝质量得到改善,脉冲频率1 Hz为最佳. 高频脉冲利用周期性的电磁场作用对铝合金能量体系产生扰动,其产生的涡流及洛沦兹力破坏产生的树枝晶从而产生新的晶核,起到细化晶粒的目的,脉冲频率500 Hz为最佳. 因此,双脉冲VPPA能够起到改善焊缝质量、动态细化晶粒的作用.

    图  8  焊缝微观组织
    Figure  8.  Weld microstructure. (a) VPPA;(b) dipulse VPPA

    表2为双脉冲VPPA和VPPA焊接接头力学性能的测试结果. 可以看出,双脉冲VPPA和VPPA焊接接头的抗拉强度分别为384和334 MPa,双脉冲VPPA相比VPPA焊接接头强度提高了10.21%. 双脉冲VPPA焊接断面收缩率和断后伸长率较VPPA焊接分别提高了3.81%和1.26%. 证明了双脉冲VPPA焊接波形周期性地振荡作用细化了晶粒,进而使得焊缝的力学性能得到提高.

    表  2  脉冲VPPA焊接接头力学性能
    Table  2.  Welding joint mechanical properties of pulse VPPA
    试件编号抗拉强度Rm / MPa断后伸长率A(%)断面收缩率Z(%)
    脉冲1 387.06 8.83 15.37
    脉冲2 384.72 7.73 13.42
    脉冲3 380.61 7.33 16.13
    平均值 384.13 7.96 14.97
    典型1 338.42 3.83 14.02
    典型2 332.33 4.67 13.89
    典型3 331.38 3.95 13.21
    平均值 334.04 4.15 13.71
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    (1) 建立了以MSP430为控制核心的双脉冲调制VPPA焊接系统,采用C语言编程实现了高低频脉冲调制输出. 低频输出频率0.5 ~ 2 Hz;高频输出频率250 ~ 1 000 Hz. 从采集的电信号可看出,双脉冲的频率和幅值均能按设定输出.

    (2) 双脉冲调制VPPA焊接参数正极性电流200 A,反极性电流245 A,离子气流量2.4 L/min,焊接速度180 mm/min,高频500 Hz,低频1 Hz时,电弧稳定性和穿透力处最佳状态,穿孔熔池力和热处于平衡态,实现8 mm厚7A52铝合金良好焊缝成形.

    (3) 高低频脉冲调制对铝合金熔池的搅拌和振荡作用,使焊缝组织得到细化,力学性能得到提高. 双脉冲VPPA焊缝的强度较VPPA提高10.21%左右,断面收缩率和断后伸长率分别提高3.81%和1.26%.

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  • 收稿日期:  2014-09-12

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