CN103586603B - 焊缝间隙变化检测方法、焊接方法以及焊接装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种焊缝间隙变化检测方法、焊接方法以及焊接装置。其中焊缝间隙变化检测方法包括以下步骤：采集气流经过焊缝间隙产生的音频信号；以及对比音频信号与对标信号，获取焊缝间隙变化信息；其中，音频信号是指由于气流经过焊缝间隙引起的振动频率高低变化所形成的信号。本发明的技术方案抗干扰性较强，可以提高焊缝间隙变化的检测精度。
Description
技术领域
本发明涉及焊接工艺领域，具体而言，涉及一种焊缝间隙变化检测方法、焊接方法以及焊接装置。
背景技术
等离子束焊接是一种常见的高能束焊接方法，相比于传统的TIG焊接，具有焊接速度快，熔透能力强等特点。然而，等离子电弧作为一种能量高度集中的热源，其对待焊工件的组对间隙有较高的要求。在工件组对间隙不均匀或突然变化的情况下，易导致焊缝成型不良、焊漏等缺陷，这也是限制该技术在实际焊接生产中进一步应用的主要原因之一。因此在焊接之间对焊焊缝间隙变化进行预采集，真实便捷的获取由于坡口加工精度、组对精度等因素造成的焊缝间隙不均性的量化指标，并以此指导焊接工艺的制定和反馈调节就显得十分重要。
现在有的技术中，焊缝跟踪技术可以通过对焊缝及坡口信息的采集和分析实现对焊缝间隙变化的检测。目前焊缝跟踪技术可分为三类，分别为接触式、直接电弧式和非接触式，其原理和特点如下：
1、采用接触式传感器的焊缝跟踪技术：接触式传感器一般设置在焊枪前方，采用导杆或导轮工件与焊缝间隙的一个侧壁接触，通过导杆或导轮将侧壁位置的变化通过滑动变阻器、力觉传感等方式转换为电信号，以控制焊接系统跟踪焊缝，其特点为抗干扰能力强，但其精度较差。
2、采用直接电弧式传感器的焊缝跟踪技术：焊接电极与被焊工件之间的距离变化会引起电弧电流（GMAW）或电弧电压（GTAW）的变化，直接电弧式传感器利用了这一物理现象来检测接头坡口中心，其优点为可达性好、稳定性强、寿命长、成本低，缺点是对薄板件的对接和搭接接头很难跟踪。
3、采用非接触式传感器的焊缝跟踪技术：应用最为广泛的非接触式传感器主要为视觉传感器，视觉传感器采用单元感光元器件，获取焊缝及其周边的图像信息，并通过计算机对图像进行运算处理，从而实现对焊缝的视觉跟踪。其优点在于检测精度好，适应范围广，其缺点在于易受弧光、电弧热、飞溅、烟雾等因素的干扰。
此外，在应用非接触式传感器的焊缝跟踪技术中还有一种超声波传感的方法，该方法采用主动超声换能器向工件发出超声波并检测其反射声波，通过检测超声波声程的变化实现对焊缝坡口中心的跟踪，该方法具有原理简单，成本低廉的特点，由于其精度较差且存在盲区等缺点，目前应用并不是很广泛。
综上所述，现有的焊缝跟踪技术存在以下缺陷：
1、现有焊缝跟踪技术均只对焊缝坡口中心位置进行检测跟踪，缺乏对焊缝间隙变化的数据采集和分析反馈；
2、视觉传感焊缝跟踪技术抗干扰能力低，设备价格高昂。
发明内容
本发明旨在提供一种焊缝间隙变化检测方法、焊接方法以及焊接装置，抗干扰性较强，可以提高焊缝间隙变化的检测精度。
为了实现上述目的，根据本发明的一个方面，提供了一种焊缝间隙变化检测方法，包括以下步骤：采集气流经过焊缝间隙产生的音频信号；以及对比所述音频信号与对标信号，获取焊缝间隙变化信息；其中，所述音频信号是指由于所述气流经过所述焊缝间隙引起的振动频率高低变化所形成的信号。
进一步地，所述采集气流经过焊缝间隙产生的音频信号的步骤包括：控制所述气流沿所述焊缝间隙的延伸方向运动；采集所述气流在运动过程中产生的所述音频信号；以及将所述音频信号处理为电信号。
进一步地，通过声音传感器采集所述气流在运动过程中产生的所述音频信号。
进一步地，所述将所述音频信号处理为电信号的步骤包括：对所述音频信号进行放大；对所述音频信号进行滤波；检测所述音频信号的峰值；以及对所述音频信号进行整形输出，形成所述电信号。
进一步地，所述对比所述音频信号与对标信号，获取焊缝间隙变化信息的步骤包括：获取所述对标信号；将所述音频信号与获取的所述对标信号进行对比；以及根据对比结果得到焊缝间隙变化信息。
进一步地，所述获取所述对标信号的步骤包括：从对标数据库中获取所述对标信号；其中，所述对标数据库是指预先对多个板厚和焊接坡口形式进行采集所建立的均匀焊缝间隙下的特征音频信号集。
进一步地，所述根据对比结果得到焊缝间隙变化信息包括：所述音频信号的电平信号低于所述对标信号的电平信号；得到所述焊缝间隙的宽度大于所述对标信号所对应的均匀焊缝间隙的宽度；以及所述音频信号的电平信号高于所述对标信号的电平信号；得到所述焊缝间隙的宽度小于所述对标信号所对应的均匀焊缝间隙的宽度。
根据本发明的另一方面，提供了一种焊接方法，包括以下步骤：采集气流经过焊缝间隙产生的音频信号；对比所述音频信号与对标信号，获取焊缝间隙变化信息；以及根据所述焊缝间隙变化信息调节预定焊接工艺；其中，所述音频信号是指由于所述气流经过所述焊缝间隙引起的振动频率高低变化所形成的信号。
根据本发明的另一方面，提供了一种焊接装置，包括：声音传感器，用于采集气流经过焊缝间隙产生的音频信号；以及对比器，与所述声音传感器连接，用于将所述音频信号与对标信号进行对比，以获取焊缝间隙变化信息；其中，所述音频信号是指由于所述气流经过所述焊缝间隙引起的振动频率高低变化所形成的信号。
进一步地，所述声音传感器与所述对比器之间还连接有处理器，用于将所述音频信号处理为电信号。
进一步地，所述处理器包括：放大电路，用于将所述音频信号进行放大；带通滤波电路，用于将所述音频信号进行滤波；峰值检波电路，用于检测所述音频信号的峰值；以及整形输出电路，用于对所述音频信号进行整形输出，形成所述电信号。
应用本发明的技术方案，利用气流经过焊缝间隙时，会由于焊缝间隙的变化而产生气流振动频率的高低变化，进而产生气流的的高低音变化这一物理现象，采集气流振动频率变化所产生的音频信号，并对该音频信号进行比对分析，来获取焊缝间隙变化的信息，原理简单、方法易于操作，抗弧光干扰性强，且比现有的焊缝跟踪技术的接近性更好，能够适应各种焊缝。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1示出了根据本发明的实施例的原理图；
图2示出了根据本发明的实施例的方案实施示意图。
具体实施方式
下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
如图1所示，根据本发明的实施例，提供了一种焊缝间隙变化检测方法，包括：
S100、采集气流经过焊缝间隙产生的音频信号；以及
S200、对比音频信号与对标信号，获取焊缝间隙变化信息。
其中，音频信号是指由于气流经过焊缝间隙引起的振动频率高低变化所形成的信号。
“气流经过焊缝间隙”包括气流沿焊缝间隙的延伸方向经过，还包括气流沿垂直于焊缝间隙的延伸方向经过，优选为气流沿焊缝间隙的延伸方向经过。
“经过”包括气流与形成焊缝间隙的侧面的至少一部分接触。
本发明的原理是：大量气体从一个较小的出口涌出时，在出口处的气体会产生振动，发出具有一定音调的声音，类似于日常生活中的“口哨音”，而当焊缝间隙发生变化时，会引起这种“口哨音”的振动频率发生变化，导致听觉上的音调发生了变化，一般来说，焊缝间隙变小时，频率高，导致音调变高，焊缝间隙变大时，频率低，导致音调变低。本发明就是根据以上原理提出了焊缝间隙变化检测方法，即首先利用声音采集装置对由气流和焊缝间隙共同作用而产生的音频信号进行采集，然后将采集到的音频信号与选定的对标信号进行比较分析，即可获取沿焊缝路径上的至少一部分焊缝间隙的变化值，从而了解焊缝间隙的实际变化情况。
本发明的技术方案具有原理简单、成本低廉、抗弧光干扰性强等特点，且相较于现有技术而言具有较好的接近性，能够对可达性差的焊缝进行检测，提高了与不同焊缝之间的适应性。
优选地，声音采集装置为声音传感器，利用声音传感器采集气流运动过程中所产生的音频信号，结果更加精确。
优选地，焊缝间隙为坡口焊的焊缝间隙。
下面以气流沿焊缝间隙的延伸方向经过为例，对焊缝间隙检测方法进行详细介绍：
优选地，S100、采集气流经过焊缝间隙产生的音频信号包括：首先控制气流沿焊缝间隙延伸所形成的焊缝路径运动，然后采集气流在运动过程中因为焊缝间隙变化产生的音频信号，再将采集到的音频信号处理为可用于分析反馈的电信号。
其中，电信号是指包含声音信息的信号。
优选地，将采集到的音频信号处理为可用于分析反馈的电信号包括：将采集到的音频信号进行放大，然后对音频信号进行滤波，再检测音频信号的峰值，最后对音频信号进行整形输出，形成可用于分析反馈的电信号。
优选地，S200、对比音频信号与对标信号，获取焊缝间隙变化信息包括：从对标数据库中选取适合的对标信号，然后将转化为电信号的音频信号与所选取的对标信号进行对比，再根据对比结果得到焊缝间隙变化信息。
其中，音频信号和对标信号呈现的都是波形图，对比时，是将音频信号的波形图上的离散点与对标信号的波形图上对应的离散点进行比较，得到音频信号的波形图与对标信号的波形图的差异，从而得出焊缝间隙变化信息。
对标数据库是指预先对多个板厚和焊接坡口形式所建立的均匀焊缝间隙下的特征音频信号集，对标数据库是对处理后的音频信号进行对比分析的基础。
优选地，根据对比结果得到的焊缝间隙变化信息包括以下两种：
第一种：如果音频信号的电平信号低于对标信号的电平信号，则可知焊缝间隙的宽度大于对标信号所对应的均匀焊缝间隙的宽度；
第二种：如果音频信号的电平信号高于对标信号的电平信号，则可知焊缝间隙的宽度小于对标信号所对应的均匀焊缝间隙的宽度。
当控制气流沿垂直于焊缝间隙的延伸方向经过时，焊缝间隙检测方法与前述的方法类似，只是气流的运动方向发生改变而已。
本发明还提供了一种焊接方法，包括：
S100、采集气流经过焊缝间隙产生的音频信号；
S200、对比音频信号与对标信号，获取焊缝间隙变化信息；
S300、根据焊缝间隙变化信息调节预定焊接工艺。
其中，音频信号是指由于气流经过焊缝间隙引起的振动频率高低变化所形成的信号。
“气流经过焊缝间隙”包括气流沿焊缝间隙的延伸方向经过，还包括气流沿垂直于焊缝间隙的延伸方向经过，优选为气流沿焊缝间隙的延伸方向经过。
“经过”包括气流与形成焊缝间隙的侧面的至少一部分接触。
采用本发明的焊接方法，由于融合了前述的焊缝间隙变化检测方法，可以使焊接工艺更加适应焊缝间隙的变化，自动对预定焊接工艺进行补偿修正，以达到在自动焊接过程中对焊缝间隙的不均匀性的自适应的目的，提高焊接质量。
优选地，声音采集装置为声音传感器，利用声音传感器采集气流运动过程中所产生的音频信号。
优选地，焊缝间隙为坡口焊的焊缝间隙。
下面以气流沿焊缝间隙的延伸方向经过为例，对焊接方法进行详细介绍：
优选地，S100、采集气流经过焊缝间隙产生的音频信号包括：首先控制气流沿焊缝间隙延伸所形成的焊缝路径运动，然后采集气流在运动过程中因为焊缝间隙变化产生的音频信号，再将采集到的音频信号处理为可用于分析反馈的电信号。
其中，电信号是指包含声音信息的信号。
优选地，将采集到的音频信号处理为可用于分析反馈的电信号包括：将采集到的音频信号进行放大，然后对音频信号进行滤波，再检测音频信号的峰值，最后对音频信号进行整形输出，形成可用于分析反馈的电信号。
优选地，S200、对比音频信号与对标信号，获取焊缝间隙变化信息包括：从对标数据库中选取适合的对标信号，然后将转化为电信号的音频信号与所选取的对标信号进行对比，再根据对比结果得到焊缝间隙变化信息。
其中，音频信号和对标信号呈现的都是波形图，对比时，是将音频信号的波形图上的离散点与对标信号的波形图上对应的离散点进行比较，得到音频信号的波形图与对标信号的波形图的差异，从而得出焊缝间隙变化信息。
对标数据库是指预先对多个板厚和焊接坡口形式所建立的均匀焊缝间隙下的特征音频信号集，对标数据库是对处理后的音频信号进行对比分析的基础。
优选地，根据对比结果得到的焊缝间隙变化信息包括以下两种：
第一种：如果音频信号的电平信号低于对标信号的电平信号，则可知焊缝间隙的宽度大于对标信号所对应的均匀焊缝间隙的宽度；
第二种：如果音频信号的电平信号高于对标信号的电平信号，则可知焊缝间隙的宽度小于对标信号所对应的均匀焊缝间隙的宽度。
因此，焊缝间隙变化信息是相对于对标信号所对应的均匀焊缝间隙而言的。
优选地，S300、根据焊缝间隙变化信息调节预定焊接工艺包括：
根据音频信号与对标信号的比对所得出的电平信号高低差值对预定焊接工艺中的焊接电流、焊接电压、焊接速度以及摆动参数进行调节，以使调节后的焊接工艺更加贴近焊缝间隙的实际变化，提高焊接效果。
与前述的焊接方法相适应，本发明还提供了一种焊接装置，包括依次连接的声音传感器以及对比器，其中声音传感器随气流一起经过焊缝间隙，以采集气流在这一过程中产生的音频信号，并将音频信号发送给对比器，对比器接收音频信号之后，将音频信号与从对标数据库中获取的对标信号进行对比，得到的对比结果即为焊缝间隙变化信息，通过该该对比结果可以对预定焊接工艺进行修正，提高焊接的质量。
优选地，在声音传感器与对比器之间连接有处理器，可以将声音传感器所采集的音频信号转化为电信号，方便与对标信号进行对比。
优选地，处理器包括依次连接的放大电路、带通滤波电路、峰值检波电路以及整形输出电路，其中放大电路用于将音频信号进行放大，带通滤波电路用于将音频信号进行滤波，峰值检波电路用于检测音频信号的峰值，整形输出电路用于对音频信号进行整形输出，最终形成可以与对标信号进行对比的电信号。
结合参见图2，下面结合实际操作方案对本发明进行进一步的阐述。
如图2所示，焊接工件1为简化的各类实际工件，两个焊接工件1之间的焊缝可以是各类常见直线型和圆弧形的，焊缝坡口形式可为常见的I型、V型、X型等，焊缝间隙2为两个焊接工件1在组对拼装时两个焊接工件1的焊接坡口之间的间隔，本发明尤其适用于坡口边缘较为锐利且间隙较小的两个焊接工件1之间的焊接，焊枪3为等离子焊枪或基于等离子束的复合焊枪，在焊前有大流量的等离子气流从焊枪3的喷嘴处的压缩小孔喷出，声音传感器4为可采集声波信号的传感器，该声音传感器4具有检测范围广、灵敏度高以及抗干扰能力强的特点。
现有技术中，等离子电弧是一种受机械压缩、热压缩和电磁收缩效应共同作用的高度压缩电弧，等离子电弧可分为两种，一种为非转移弧，即在钨极等压缩喷嘴之间燃烧，一种为转移弧，即在钨极与工件之间燃烧。本实际操作方案以非转移弧为例，当非转移弧通过高频振荡器的激发起弧后，在高速等离子气流的压送下，从焊枪3的喷嘴处的压缩小孔中喷出，形成等离子焰，这种等离子焰具有挺直度高、指向性好、等离子气流大等特点。当等离子气流吹过焊缝间隙时，大量的等离子气流从一个较小的出口涌出，在出口处的气体产生振动，发出具有一定音调的声音，类似于日常生活中的“口哨音”。而当坡口的焊缝间隙发生变化时，会引起这种“口哨音”的音调（频率）发生变化，一般来说，间隙变小时，音调变高（频率高），间隙变大时音调变低（频率低）。
实际操作中，首先利用声音传感器4对由等离子气流和坡口的焊缝间隙共同作用而产生的音频信号进行采集，并通过放大电路、带通滤波电路、峰值检波电路、整形输出电路将音频信号处理成可用于分析反馈的电信号，然后与选定的对标信号进行比较分析，即可获取沿焊缝路径的焊缝间隙变化信息，最后采用预先设定的补偿算法对预定焊接工艺进行补偿修正，以达到在自动焊接过程中对焊缝间隙的不均匀性的自适应的目的。
以气流沿焊缝间隙的延伸方向经过为例，本实际操作方案的简要实施过程如下：
1、对两个焊接工件1进行定位组对，并将这两个焊接工件1固定置于相应的焊接平台上，完成焊枪3的对中以及其他焊前准备工作；
2、开启焊枪3、声音传感器4以及放大电路、带通滤波电路、峰值检波电路、整形输出电路，采用人工示教或焊缝跟踪的方法使焊枪3沿焊接路径预运行一次，并采集在此过程中由于焊缝间隙变化引起的等离子气流振动频率高低变化所形成的音频信号；
3、对采集的音频信号进行放大、滤波、峰值检验以及整形输出处理，并与选定的对标信号进行对比，获取焊缝间隙变化的量化信息；
4、焊接试件，在焊接前将已从标准焊接工艺规范中选定的预定焊接工艺按照上一步中得到的焊缝间隙变化的量化信息进行实时调节，实现在焊接过程中对焊缝间隙变化的自适应调节。
从以上的描述中，可以看出，本发明上述的实施例实现了如下技术效果：
1、本发明采用声音传感器检测由等离子气流和焊缝间隙共同作用产生的音频信号，并通过与对标信号进行对比分析获取焊缝间隙变化的量化信息，具有原理简单、特征量明显、运算量小、精度较高的特点；
2、本发明中所检测的声音特征量与现有技术中利用的电弧弧光为不同的物理量，声音特征量具有较强的抗干扰性，所用声音传感器也具有寿命长，成本低廉的特点。
3、本发明比一般焊缝跟踪技术的接近性更好，能够对可达性差的焊缝进行检测。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (11)
1.一种焊缝间隙变化检测方法，其特征在于，包括以下步骤：
采集气流经过焊缝间隙产生的音频信号；以及
对比所述音频信号与对标信号，获取焊缝间隙变化信息；
其中，所述音频信号是指由于所述气流经过所述焊缝间隙引起的振动频率高低变化所形成的信号。
2.根据权利要求1所述的焊缝间隙变化检测方法，其特征在于，所述采集气流经过焊缝间隙产生的音频信号的步骤包括：
控制所述气流沿所述焊缝间隙的延伸方向运动；
采集所述气流在运动过程中产生的所述音频信号；以及
将所述音频信号处理为电信号。
3.根据权利要求2所述的焊缝间隙变化检测方法，其特征在于，通过声音传感器采集所述气流在运动过程中产生的所述音频信号。
4.根据权利要求2所述的焊缝间隙变化检测方法，其特征在于，所述将所述音频信号处理为电信号的步骤包括：
对所述音频信号进行放大；
对所述音频信号进行滤波；
检测所述音频信号的峰值；以及
对所述音频信号进行整形输出，形成所述电信号。
5.根据权利要求1所述的焊缝间隙变化检测方法，其特征在于，所述对比所述音频信号与对标信号，获取焊缝间隙变化信息的步骤包括：
获取所述对标信号；
将所述音频信号与获取的所述对标信号进行对比；以及
根据对比结果得到焊缝间隙变化信息。
6.根据权利要求5所述的焊缝间隙变化检测方法，其特征在于，所述获取所述对标信号的步骤包括：
从对标数据库中获取所述对标信号；
其中，所述对标数据库是指预先对多个板厚和焊接坡口形式进行采集所建立的均匀焊缝间隙下的特征音频信号集。
7.根据权利要求5所述的焊缝间隙变化检测方法，其特征在于，所述根据对比结果得到焊缝间隙变化信息包括：
所述音频信号的电平信号低于所述对标信号的电平信号，得到所述焊缝间隙的宽度大于所述对标信号所对应的均匀焊缝间隙的宽度；以及
所述音频信号的电平信号高于所述对标信号的电平信号，得到所述焊缝间隙的宽度小于所述对标信号所对应的均匀焊缝间隙的宽度。
8.一种焊接方法，包括以下步骤：
采集气流经过焊缝间隙产生的音频信号；
对比所述音频信号与对标信号，获取焊缝间隙变化信息；以及
根据所述焊缝间隙变化信息调节预定焊接工艺；
其中，所述音频信号是指由于所述气流经过所述焊缝间隙引起的振动频率高低变化所形成的信号。
9.一种焊接装置，其特征在于，包括：
声音传感器，用于采集气流经过焊缝间隙产生的音频信号；以及
对比器，与所述声音传感器连接，用于将所述音频信号与对标信号进行对比，以获取焊缝间隙变化信息；
其中，所述音频信号是指由于所述气流经过所述焊缝间隙引起的振动频率高低变化所形成的信号。
10.根据权利要求9所述的焊接装置，其特征在于，所述声音传感器与所述对比器之间还连接有处理器，用于将所述音频信号处理为电信号。
11.根据权利要求10所述的焊接装置，其特征在于，所述处理器包括：
放大电路，用于将所述音频信号进行放大；
带通滤波电路，用于将所述音频信号进行滤波；
峰值检波电路，用于检测所述音频信号的峰值；以及
整形输出电路，用于对所述音频信号进行整形输出，形成所述电信号。
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