铜包铝线坯高速TIG焊工艺与焊缝跟踪及熔宽控制

论文摘要

铜包铝线缆制造过程中,焊接质量是影响成材率的主要因素。由于线坯所用的铜带厚度很薄,焊接速度又很高,进行焊接质量的实时传感与控制十分困难,相关的研究也很少。本文在分析了铜包铝线坯高速TIG焊接生产工艺、钨极偏离焊缝和熔宽变化对焊接接头微观组织和力学性能影响的基础上,确定在该工艺条件下焊缝跟踪系统所应达到的焊缝实时传感及自动跟踪控制精度和熔宽实时传感及自动控制的精度。同时,对铜包铝线坯高速TIG焊接焊缝视觉传感及自动跟踪、熔宽视觉传感与自动控制方面进行了深入研究。研究结果表明:焊接电流在180A～200A范围内时熔宽变化范围为0.860 mm～1.217 mm,焊缝区组织致密、无明显的焊接缺陷。热影响区的厚度很薄,为等轴晶,与基体相比晶粒略有长大。随着焊接电流的提高焊缝区柱状晶的直径和热影响区的厚度、晶粒大小有增加的趋势;钨极偏离焊缝0.1mm、0.2mm与钨极未偏离焊缝时的焊缝组织、热影响区组织变化不大,焊缝均为较粗大单相α柱状晶,热影响区与基体比较长大不明显,仍保持等轴晶形态。钨极偏离焊缝中心距离小于0.2mm时,未发现各区组织存在明显变化,未发现焊缝区、热影响区有未熔合及未熔透等焊接缺陷。在铜包铝线坯高速TIG焊接生产中,采用视频摄像传感器超前于钨极20 mm检测铜带对口缝可以获得清晰的对口缝图像,采用专用的设计电路对视频信号进行处理,降低了图像信息处理时间,实现焊缝自动跟踪。实验测试结果为:在焊缝偏差为0.1 mm,采集两帧数据时系统响应周期为115 ms,采集六帧数据时系统响应周期为195 ms;系统焊缝跟踪误差为:±0.13 mm。以弧光为主动光源,经过对弧光的中性减光和采用中心波长为677 nm的窄带滤光处理,采用视频摄像传感器获得了清晰的熔池图像。为了实现快速响应,满足高速焊接生产的要求,采用特殊电路对视频信号进行处理。该处理过程耗时为纳秒级,并准确获得了熔池宽度方波信号,实现了对熔宽的实时检测及自动控制。实验测试证明:采集四帧数据时系统响应周期为80 ms,系统熔宽控制误差为:±0.14 mm。

论文目录

• 提要
• 第1章 绪 论
• 1.1 研究目的与意义
• 1.2 铜包铝线缆成形方法及应用领域
• 1.2.1 铜包铝线缆成形方法
• 1.2.2 铜包铝线缆应用领域
• 1.3 焊缝成形过程传感与控制研究进展
• 1.3.1 焊缝成形过程传感研究现状
• 1.3.1.1 焊缝成形传感方法综述
• 1.3.1.2 焊缝成形视觉传感方法
• 1.3.2 焊缝成形过程控制研究现状
• 1.4 本文研究主要内容
• 第2章 试验材料、方法和设备
• 2.1 试验材料
• 2.2 试验方法和技术路线
• 2.3 焊接样品制备
• 2.3.1 钨极偏离焊缝焊接样品制备
• 2.3.2 改变焊接电流焊接样品制备
• 2.4 焊缝组织分析方法
• 2.5 焊缝力学性能测试方法
• 2.6 焊缝传感及自动跟踪控制方法
• 2.6.1 焊缝传感方法
• 2.6.2 焊缝视频信号处理方法
• 2.6.3 焊缝自动跟踪控制方法
• 2.6.4 焊缝纠偏步进电动机及驱动器
• 2.7 熔宽传感及自动控制方法
• 2.7.1 熔宽传感方法
• 2.7.2 熔宽视频信号处理方法
• 2.7.3 熔宽自动控制方法
• 第3章 铜包铝线坯高速TIG 焊工艺分析
• 3.1 引言
• 3.2 铜包铝线缆的外形和规格及表示方法
• 3.3 铜包铝线缆的执行标准及性能指标
• 3.4 铜包铝线坯生产工艺流程
• 3.5 铜包铝线坯焊接成形特点
• 3.6 焊接工艺参数对焊缝成形的影响
• 3.6.1 钨极偏离焊缝对焊缝成形的影响
• 3.6.2 板厚变化对熔宽及熔透的影响
• 3.6.3 熔宽与焊接电流的关系
• 3.7 焊接缺陷的产生与控制措施
• 3.7.1 未熔合缺陷与控制措施
• 3.7.2 未焊透、焊穿缺陷的产生与控制措施
• 3.7.3 其它缺陷产生与控制措施
• 3.8 本章小结
• 第4章 焊接接头微观组织及力学性能
• 4.1 焊缝微观组织分析
• 4.1.1 焊接电流对焊缝微观组织的影响
• 4.1.2 钨极偏离对焊缝微观组织的影响
• 4.2 焊缝力学性能分析
• 4.2.1 钨极偏离焊缝力学性能分析
• 4.2.2 不同焊接电流焊缝力学性能分析
• 4.3 本章小结
• 第5章 高速TIG 焊焊缝视觉传感及自动跟踪
• 5.1 引言
• 5.2 视觉传感焊缝自动跟踪系统的组成
• 5.3 焊缝图像采集及视频信号处理
• 5.3.1 焊缝图像采集
• 5.3.2 焊缝视频信号分析
• 5.3.3 视频信号的放大及整形
• 5.3.4 焊缝特征提取
• 5.4 焊缝偏差计算
• 5.4.1 偏差计算程序流程
• 5.4.2 焊缝偏离方向判断及偏差大小计算方法
• 5.5 焊缝纠偏步进电动机驱动
• 5.6 焊缝自动跟踪响应周期及跟踪精度测试
• 5.6.1 自动跟踪响应周期测试
• 5.6.2 自动跟踪精度测试
• 5.7 本章小结
• 第6章 高速TIG 焊熔宽视觉传感及自动控制
• 6.1 引言
• 6.2 视觉传感熔宽实时传感与控制系统组成
• 6.3 熔宽视频信号处理
• 6.3.1 熔宽图像采集
• 6.3.2 熔宽视频信号放大及整形
• 6.3.3 熔宽特征提取
• 6.4 熔宽计算
• 6.4.1 熔宽计算方法
• 6.4.2 熔宽计算程序处理流程
• 6.5 焊接电流控制方法及模糊控制器设计
• 6.5.1 模糊化
• 6.5.2 模糊控制规则库及模糊推理
• 6.5.2.1 规则库的建立
• 6.5.2.2 模糊推理
• 6.5.3 模糊量的清晰化
• 6.6 熔宽自动控制响应速度及控制精度测试
• 6.6.1 熔宽自动控制响应速度测试
• 6.6.2 熔宽自动控制精度测试
• 6.7 本章小结
• 第7章 结论
• 参考文献
• 攻博期间发表的学术论文及其它成果
• 致谢
• 摘要
• Abstract