高压环境下全位置脉冲TIG焊弧长跟踪系统研究
高速旋转电弧传感器焊缝自动跟踪系统的研究的开题报告
高速旋转电弧传感器焊缝自动跟踪系统的研究的开题报告一、选题背景与意义随着工业自动化水平的不断提高，焊接技术也逐渐趋向自动化，自动化焊接技术对于提高生产效率、减少劳动力成本、提高焊接质量等方面都有了很大的促进作用。
而自动焊接技术中的自动跟踪系统是其中最重要的部分之一。
在传统的手动焊接中，焊工需要自己掌握焊接技巧，对于焊缝方向的控制也需要进行较为准确的把握。
但在高速旋转电弧焊接技术中，由于焊接速度和旋转速率非常快，要使焊缝跟踪准确又没有智能自动跟踪系统，人工控制显然无法胜任，这时候就需要自动跟踪系统的帮助来完成焊接过程。
因此，开发高速旋转电弧传感器焊缝自动跟踪系统具有重要的实际应用价值和深远的研究意义。
二、研究内容和目标本论文的研究重点是基于高速旋转电弧传感器构建自动跟踪系统，实现对焊缝走向的自动感知并执行相应的焊接动作，从而实现自动化焊接。
具体内容包括以下三个方面：1、设计高速旋转电弧传感器的硬件系统，完成对焊缝传感的实时采集和控制。
2、基于传感器采集的数据，利用图像识别和图像处理技术分析焊缝位置和方向，实现自动把握焊缝方向和跟踪焊缝。
3、根据焊缝方向和跟踪特性，使用PID控制算法或神经网络控制算法，实现对焊接速度和转速的自适应控制。
三、研究方法和技术路线1、硬件系统设计：采用高速旋转电弧传感器作为焊缝采集装置，通过通信模块将采集到的数据传输到上位机进行处理。
传感器硬件模块由传感器模块、驱动模块、采集模块、信号处理模块和通信模块组成。
2、图像识别和处理：采用数字图像处理技术，对采集到的图像进行处理和分析，识别出焊缝的位置和方向。
本研究中使用OpenCV库进行图像处理。
3、控制算法：本研究中将使用PID控制算法和神经网络算法，根据上述分析结果进行自适应控制。
四、论文结构及时间安排第一章绪论1.1 选题背景和意义1.2 国内外研究综述1.3 预期目标与创新点第二章硬件系统设计2.1 传感器模块设计2.2 驱动模块设计2.3 采集模块设计2.4 信号处理模块设计2.5 通信模块设计第三章图像识别和处理3.1 图像预处理3.2 焊缝检测和定位3.3 焊缝跟踪第四章控制算法4.1 PID控制算法4.2 BP神经网络控制算法4.3 模糊控制算法第五章系统集成和实验验证5.1 系统集成5.2 实验测试和性能评估第六章总结与展望6.1 主要研究内容与成果6.2 存在问题和不足6.3 后续研究工作时间安排：第1-2周选题和初步文献调研第3-4周设计硬件系统第5-6周进行图像识别和处理研究第7-8周研究PID控制算法和BP神经网络第9-10周模拟仿真和性能评估第11-12周论文撰写和修改第13周完成任务书、计划书和开题报告。
高频脉冲TIG焊的电弧控制及高频效应
高频脉冲TIG焊的电弧控制及高频效应
赵家瑞;李义丹
【期刊名称】《天津大学学报》
【年(卷),期】1989(000)003
【摘要】本文通过研究脉冲焊电弧的电流、电压波形,发现电弧功率随频率增加而提高。
由此提出自由电弧在脉冲电流作用下,其形态的动态过程属惯性系统的假设,并用20000幅/S的高速摄影进行了验证。
通过对惯性系统电孤的可控性分析,发现自由电孤可由高频脉冲电流控制在非稳定状态上,此时电弧脉冲电压明显提高,这就是电弧的高频效应。
本文还研究了影响高频效应的几个主要因素,着重分析了维弧电流的作用,提出高频时由于电弧的惯性,瞬间电流停止并不会导致电弧熄灭,因此得出高频焊不需要维弧电流的结论。
【总页数】8页(P25-32)
【作者】赵家瑞;李义丹
【作者单位】不详;不详
【正文语种】中文
【中图分类】TG444.74
【相关文献】
1.超高频脉冲TIG焊电弧形态分析 [J], 黄鹏飞;丁斌;胡伊通;周震国;卢振洋
2.外加高频纵向磁场作用下的TIG焊电弧数值模拟 [J], 肖磊;樊丁;黄健康;王新鑫
3.数字控制复合型高频脉冲TIG焊接系统及其工艺特性 [J], 闫思博;宋永伦;张万春;
罗传光
4.高频脉冲TIG焊电弧的阳极行为 [J], 赵家瑞;张选明
5.高频脉冲TIG焊电弧阳极行为的研究 [J], 赵家瑞;张选明
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航空弧焊新技术之超高频脉冲TIG焊接技术
航空弧焊新技术之超高频脉冲TIG焊接技术超高频脉冲TIG焊接技术可实现20kHz以上的电流变换频率且具有超快速的电流沿变化速率(di/dt≥50A/us)，在其基础上可分别进行超高频直流脉冲TIG焊及超高频变极性脉冲TIG焊，完成对钛合金、铝合金等航空工业常用金属材料的焊接加工。
结果表明，超高频脉冲TIG焊接技术可有效降低焊缝的气孔敏感性，细化晶粒，显著提高焊接接头力学性能，能大幅提升航空飞行器焊接结构件的综合性能，具有重要的工程意义和广泛的应用前景。
焊接作为一种传统的材料加工技术，在航空工业占有重要地位，广泛应用于飞机结构件连接、发动机制造等领域，其主要对象为钛合金、铝合金等金属材料，目前，尽管高能束流焊接（电子束、激光焊等）和固态焊接技术（搅拌摩擦焊等）都取得了较大进步，但钨极氩弧焊（TIG 焊）作为航空工业中针对钛合金、铝合金的常用焊接方式，仍将以其独特的优势和工艺特点在今后相当长一段时间内占据重要地位。
钛合金具有较高的比刚度、优异的抗腐蚀性能，同时具有密度小，韧性和焊接性好等特点，在航空器制造中应用广泛，目前使用的钛合金中有50%为a + b双相Ti-6Al-4V钛合金。
2219高强铝合金因为其优良的性能在航空领域也得到广泛应用。
由于TIG焊局部加热的工艺特点，常规TIG焊钛合金焊件普遍存在接头晶粒粗大和组织不均匀的问题；2219铝合金常规TIG焊接头强度仅为母材金属的50%~60%，接头软化严重，气孔倾向性大。
以上问题都阻碍了航空工业中常用金属材料的焊接加工，因此需要改进常规TIG焊技术以满足工程需求。
随着现代先进电源变换理论的发展，脉冲TIG焊作为一种先进的焊接工艺方法逐步在航空焊接中得到了广泛应用和推广，研究表明在自由电弧的基础上加入高频脉冲电流可提高电弧稳定性，促进焊缝晶粒细化，提高接头力学性能，有利于改善焊接质量。
超高频脉冲TIG焊接技术基于新型电源拓扑大幅提升了电流沿变化速率(di/dt≥50A/us)，可输出20kHz以上的超高频脉冲方波电流，进一步增大了电弧能量密度、电弧力，提高了焊缝质量，并将在钛合金、铝合金等金属材料的航空器零部件加工中逐步得到应用，对焊接结构件的综合性能提升作用显著，具有重要的工程应用价值。
超高频脉冲TIG焊电弧形态分析
第39卷第2期焊 接 学报 V〇1.39(2):029- 032 2 0 1 8年 2月TRANSACTIONS OF THE CHINAWELDINGINSTITUTION F e b r u ar y2018超高频脉冲T IG焊电弧形态分析黄鹏飞％,丁斌%,胡伊通%,周震国2，卢振洋1(1.北京工业大学机械工程及应用电子技术学院，北京100124 ; 2.北京京东方光电科技有限公司，北京100176)摘要：设计出了一种新的高速摄像拍摄技术，可以拍摄脉冲焊中任意时刻电流对应的电弧.利用脉冲焊中电流 周期性变化的规律，在不同脉冲电流周期的相同点拍摄几十张照片并取其直径的平均数，解决了一般性能的高速 摄像机拍摄速度低于超高频脉冲电流变化速率的问题.基于自主研制的高频TIG焊接设备进行了工艺焊接试验，并利用MATLAB技术处理图像，研究了基值电流N?为50 A，峰值电流/p为100 A的焊接电弧.结果表明，电弧随脉 冲变化时间常数为几十微秒.在脉冲电流突变时，对脉冲电弧加热及散热进行了分析，发现电弧扩张速度大于收缩 速度.关键词：脉冲焊；高速摄像；电弧变化；时间常数中图分类号：TG403 文献标识码：A doi：10.12073/j.hjxb.20183900350序 言电弧研究对于焊接质量的提高具有重要的意 义，国内电弧物理的研究十分薄弱，与21世纪焊接 技术的发展水平很不相称[1].由于焊接过程中电弧 发出强烈的光和热，给熔池和电极的观察带来了相 当大的困难.采用通常方式的观察或摄像，往往只 能看到等离子体电弧的强烈光亮，而无法看清被等 离子体电弧所包围的电极变化以及处在等离子体电 弧下面的焊接工件表面熔池的流动情况[2].高速摄 像技术是一种先进的测试手段，它能把一个高速的 运动过程或者高速瞬变过程的空间信息和时间信息 联系在一起[3].结合滤光镜技术，高速摄像机可以 清晰的拍到电弧形态[4-5].因此越来越多的学者用 高速摄像来研究电弧物理，但是鲜有论文对高频焊 接过程中高速摄像机拍摄技术进行研究.高频脉冲焊是现在众多学者研究的热点，研究 表明，矩形波脉冲电流的高频压缩效应最为显著[6].北京航空航天大学研究团队自主研发了快变换超音 频直流脉冲t i g焊设备，通过改变脉冲电流频率、电流峰值、基值、占空比等焊接参数，研究电弧电学特 性、电弧力、电弧形态及稳定性等，发现高频脉冲焊 各方面均优于常规直流（G焊%7-9].随着高性能晶 体管的出现，高频脉冲焊中电流变化频率可达80 kHz，而一般性能的高速摄像机拍摄速度很难达到每收稿日期：2017-10-12基金项目：国家自然科学基金资助项目（51475008)秒8万张.脉冲焊中电流是周期性变化的，高速摄 像机每秒拍摄的几千甚至上万张照片并不容易与脉 冲电流值相对应.高速摄像拍摄技术的不成熟给脉 冲焊的电弧研究造成极大的阻碍.亟须一种拍摄技 术去解决以上两个问题，以便更好的研究脉冲焊接 中的电弧形态变化.探讨一种新的高速摄像拍摄脉 冲焊电弧的方法，这种方法既可以使拍摄的众多照 片和脉冲电流值一一对应，又可以解决一般性能的 高速摄 拍摄速度 于超高 脉冲电 的.1高速摄像系统应用高速摄像机拍摄焊接电弧需要一套完整的 拍摄系统.由于强烈的弧光干扰，在高速摄像机拍 摄电弧时需要专用的背光灯光源和滤光片.除此之 外，还需要与计算机连接的存储装置和三角架等. 文中使用的高速摄像机是美国IDT公司生产的Y4 系列的Y4-S1型，其摄像的最大分辨率为1024 x 1024点阵.拍摄前在装有其专用的软件的计算机屏 幕上进行相关设置，主要设置曝光时间、拍摄张数、触发模式和图片大小等.外部触发模式下摄像机的 最小曝光时间为5 !，设置外部触发脉冲高电平时 间为4 !s.Y4-S1自带存储装置，实际使用时只需用 网线把存储装置和任意电脑联接在一起，并更改电 脑I地址，拍摄后就可以在电脑上直接读取图片或性 存. 讨的高速摄 拍摄 ，系统基础上增加一个外部触发装置.单片机输出的脉30焊接学报第39卷冲，通过触发装置的硬件电路可以直接驱动摄像机 进行拍摄.2软件和硬件电路高频脉冲焊 过开关管的交 换电波电流进行焊接的 焊接方式.北京工业大学自 计的高频脉冲TIG焊机电流波形如图1所.其中基值电N，值电 N.脉冲焊机中，核心板中单片 出脉冲并进 f 大来驱动IGBT导通与关断.高速摄像驱 ‘基于单片机的脉冲，运用一些算法 出另的脉冲并进 大后驱动高速摄像.图1脉冲焊电流示意图Fig. 1Current waveform diagram of pulse welding的脉冲的下降沿进入中断，然后通过计时器进 ，到 的高电平，高电平 =然后 周期之后 脉冲，每个脉冲相对于电流下降沿 可自由设定.由于脉冲 高，设计 的快反应电 ‘单片 的脉冲进 大.同步触具体电路图如图2所示.从单片机dsPIC30F6011A中出来的脉冲经过UCC27424 后，再经过光耦6N137图2高速摄像驱动整体框图Fig.2 Diagram of drive circuit for high-speed photography 的隔离，驱高速摄像机.其结构简单，做成的小电 板.定 脉冲电流5个周期输出 高速摄像驱动脉冲，脉冲持续 4 !，其实际波形如图3所.其中焊机电20 kHz.图3a是驱高速摄像的脉冲在焊机脉冲周期的高电平起始阶 前4 3b可以看出，每5 周期输出一个脉冲，而且脉冲 后 秒.图3高速摄像驱动波形Fig.3 Waveform of drive circuit for high-speed photography3焊接工艺试验试验选用脉冲电流频率为5和10 kHz两个参 数，基值电流N为50 A，脉冲峰值电流/p为100 A.工件选用5 mm厚的 Q235 #用直径为3.0 mm的，成固定角度70°;采用直流正接的方式；端距离钢板5 mm，喷嘴外径16 mm，径11mm，距钢板距离11 mm;保护气用纯氩气，气流量15 L/min;行构速度为0.35 m/min，焊前用角 打磨工件去除表面铁镑.验参数为/=10 kHz，/? =50 A，N =100 A 时，在脉冲周期 取20个定点.10 kHz频率的脉冲电流周期为100 !W，5 !s取一*个点，脉冲电流上取点 如图4所示.对称取点于统计及第#期黄鹏飞，等：超高频脉冲TIG 焊电弧形态分析31QIIIII■0 20 40 60 80 100时间t/ |J L S图4 10 kHz 时脉冲取点位置示意图Fig . 4 Diagram of point getting position w ith pul^e fre quency of 10 kHz平均等后期操作.驱动高速摄像脉冲高电平4 !左右，试验如将P 速摄 曝光时5实际焊接中，对于10 k H z 频率的脉冲，高速摄像拍#0张片 拍摄周期.假设只拍#〇张照片，从摄 出照片之后，仍然难以辨认20张照片对应的电流值.设计了，让脉冲高电平开始的第 点连续拍5张片，其点都拍摄一张， 拍摄周期拍摄24张片.在高速摄拍摄之后，做后期统计时，找到5张连续的且一的电 ，高电 平第点 ;根据以上取点拍摄方法， 拍摄周期拍摄的20张 片如图5所示.电流频率为10 k H z 时第1个取点到第10 取点在脉冲电流的高电平，第11取点到第20 取点在脉冲电流的低电平.从拍摄的照片可以看出第1张到第10张片电弧直 径 增大，第11张片到第20张片电弧直径，与实际情况相符，验证了方法的可行性.4电弧变化时间常数脉冲焊电流变化具有周期性，同脉冲焊电弧变具有周期性.基于新的高速摄像拍摄，脉冲焊电弧变 进 .由于拍摄照片较多，而且 统计存在误差，故用M A T L A B 软件对拍摄照片进行处理，处完自出电弧直径数据.次统计电弧中间区域直径， 据点是30 相同点电弧直径平均值，统计出5和10 k H z 直径变化 势如图6所.由于5 k H z 时周期较大，电流突变时电弧直径 变化较快， 点较密集，5!取一个点.高电电 后期 ， 电 变 较 ， 了统(a )第1张 （b )第2张 （c )第3张 （d )第4张nnnn(e )第5张（f )第6张（g )第7张（h )第8张(i )第9张（j )第10张（k )第11张（1)第12张(m )第13张 （n )第14张（。
全位置管道自动焊接设备的研究
全位置管道自动焊接设备的研究摘要：随着我国高科技产品的不断更新，全自动化设备受到人们的青睐。
日常生活中管道输送成为重要事项。
管道输送安全性能较高，同时能有效改善社会环境破坏问题。
因此管道在建设过程中焊接工艺起着重要组成部分，焊接技术直接影响着管道的使用寿命。
本文将对管道自动焊接设备进行研究。
关键词：管道环缝；自动焊；自动跟踪前言我国管道在焊接过程中仍普遍出现手工焊接现象，直接影响管道使用的整体性能。
手工焊接需要较长工期，同时需要投入大量成本。
管道使用手工焊接直接影响管道的使用效率，而自动焊接不但能减少焊接工期，同时也对管道使用提供有效保护。
1.全位置管道自动焊接技术现状1.1.自动焊接技术发展现状全位置焊接主要将管道进行固定，运用机械与电气方法，使焊接设备有效带动焊枪进行焊缝环绕工作，实现全位置管道自动焊接技术。
目前我国全位置管道焊接工作存在一定难度，从而不能有效运用在管道焊接工作中，其主要原因是由于直径厚壁压力管道难以到达环缝组装达到一致的精准度，因此需要全位置焊接设备自动调整焊枪位置，将坡口尺寸偏差进行自动调节[1]。
焊接工作容易产生弧光、灰尘、振动等现象，因此自动调节跟踪无法达到理想要求。
美国已经成功研制出自动焊接设备，大量应用于石油天然气管道的建设中。
管道主要作用是将水流进行传输工作，因此有效控制管道缝隙衔接尤为重要，如出现偏差将产生严重影响，我国管道多数建设在地下，如出现破损将加大施工难度，需要工人长时间排查工作，因此管道焊接工作尤为重要。
焊接技术自动调节方面，我国相关部门研制出自动自动焊接工艺，并且建立在大量焊接工艺初期试验中，并且实际数据与试验数据存在一定数差现象。
这种现象不但降低管道自动焊接效果，同时加大管道焊接施工难度，为工作人员带来大量的工作难度。
其次我国自动焊接技术多数采用摆钟式原理，需要左右摆动进行交替工作，这种现象将提升数据偏差数值。
1.2.新研制管道自动焊接设备特点针对我国管道自动焊接存在的问题，相关部门进行研究，研制出新型自动焊接设备，主要对管道环形位置进行细致检测，同时减少焊枪存在的偏差问题，有效进行管道焊接工作。
TIG焊弧长自动控制系统
直流脉冲TIG焊弧长控制系统（讨论稿）（一）研发自动弧长控制系统的目的及意义TIG焊作为一种高质量的焊接方法在多个行业中已经得到广泛的应用，而与直流TIG焊相比脉冲TIG焊由于其电弧挺度好、热输入小、焊缝容易成形、金属性能好等优点被应用在全位置焊接、薄板焊接及厚板的打底焊中，交流TIG焊常被应用于铝镁及其合金的焊接。
近些年来TIG焊正在向焊接过程的自动化和智能化方向发展，要实现自动化过程的前提就是要实现焊接电弧弧长的跟踪、焊缝的跟踪及焊接质量的控制。
在自动焊接过程中，焊接电弧弧长是影响焊接质量的重要因素，由于工件表面高度变化的不确定性和焊缝变形的存在（组对不准确或焊接热变形导致），都可能导致电极与工件间的距离产生变化，使弧长的变化存在不确定性。
如果弧长过长，电极与工件的距离过大，会降低电弧对母材的熔透能力，也会破坏气体保护的效果。
相反如果弧长过短，容易使电极与熔池接触造成短路烧损钨极和产生夹钨。
因此在自动化焊接过程中应采用合理的弧长跟踪设备稳定焊接电弧的弧长，以保证焊接的质量。
（二）自动焊中常用的弧长跟踪方法及手段电弧弧长的跟踪方式有很多种，主要有直接跟踪法和间接跟踪法，直接跟踪法主要为机械式传感通常采用探针或滚轮探测工件表面的变化并将其转化为电信号，采用机械式传感可以在一定范围内保证弧长不变，这种方式误差较大。
间接跟踪法可分为光电式、电磁式等，光电式主要有弧光传感跟踪弧长，需要加装光学镜头来摄取信号，再用光电转换电路转化为电信号，这种方法控制系统复杂，使用不便而且成本高。
以上方法如果用于全位置焊接时也都存在很大困难。
间接跟踪还有电弧电压传感和电弧电流传感，由于电压信号具有易提取的特点，与其它方法相比电弧电压传感简便易行，实时性好，没有附加误差，因此通过电弧电压传感来控制弧长的方式被广泛的应用。
（三）目前研究所将要开发的弧长跟踪检测项目1.跟踪方式及原理我们研究所将要进行的弧长检测项目也应从电弧电压传感方式着手，而无论是直流TIG焊、直流脉冲TIG焊还是交流TIG焊都可以通过控制电弧电压的稳定性达到间接控制弧长的目的。
管钳式冷丝TIG全位置管道焊接操作浅析
管钳式冷丝TIG全位置管道焊接操作浅析摘要：工艺管道是能源工程类工艺模块的核心“动脉”，施工主要分为预制及安装两个阶段，数十年来，工艺管道施工经过由自动化程度较低的手工及半自动转变为全自动、“现场预制后现场安装”转变为“工厂预制后现场安装”探索和实践，越来越多的工程项目让我们意识到管道施工在全生命周期的自动化、智能化是未来发展的一个重要方向。
关键词：工艺管道；冷丝TIG；全位置前言管道工程是石油化工工程的核心工程之一，管道工程的施工进度直接关系到整个石油化工工程的进度。
管道工程同时又是质量要求最高，工人技能要求最高，用工数量最多的工程。
在人工成本的不可逆转的持续攀升，市场竞争日趋激烈的市场环境下，作为劳动力密集型企业的施工企业面临着成本居高不下的巨大压力。
想尽一切办法减少用工数量，提高劳动效率，成为施工企业实现赢利和发展的唯一途径。
如何减少用工？国家提出了“中国制造2025计划”的智能化行动纲领。
大多数企业忽略中小管径管道的自动化预制的重要性，片面得认为提升大管径焊接效率是关键。
而实际生产中，中小管径（≤14寸）的管道数量约占工程总体60%-80%。
1 管钳式冷丝TIG全位置管道焊接特性1.1 自动打底自动打底是工艺管道自动焊接质量保证、提高预制效率、降低工人技能要求及成本的根本前提和基础条件。
焊接为管道智能制造中的核心工作，此焊接工艺的采用无间隙组对技术、弧压自动跟踪技术，实现1G位置TIG打底焊单面焊双面成型工艺，焊接速度达到80 mm/min -100mm/min。
TIG打底焊，单面焊双面成型工艺，满足错边量≤1.5mm的1G位置焊接。
解决管道工程难题，实现“机器替代人工”，实现高质量、高效率、低成本的运营目标是一个系统工程，也是一个具有创新的焊接工艺。
1.2 独特的专利技术采用独特的专利技术管钳（U型变位机）为主要回转工装，适用于两端和中间具备三通的管件－直管－三通－管件的复杂管道预制形式，管钳中间开U型卡盘便于管道从上而下放入U型卡盘工装。
脉冲TIG弧热力学特性研究现状
脉冲TIG弧热力学特性研究现状摘要：本文对脉冲tig弧热力学特性的研究现状进行了总结、探讨，认为现阶段对脉冲tig弧热力学特性研究的基础和对象有了清晰地认识，研究方内容主要集中于脉冲tig弧的电弧内部粒子分布、组成、密度、温度，以及电弧的过零的弛豫现象等方向。
关键词：脉冲tig弧；热力学特性；研究现状abstract: this paper summarizes and discusses the research status of the pulse tig arc thermodynamic properties, considering that at present we have a clear understanding of the foundation and subjects of pulse tig arc thermodynamic properties, with the research content focusing on the internal particle distribution, composition, density, temperature of the pulse tig arc, and the relaxation phenomenon of zero passage.key words: pulse tig arc; thermodynamic properties; research status中图分类号：o414.1 文献标识码：a 文章编号：2095-2104（2012）脉冲tig焊脉冲tig焊在工艺上的主要特点在于采用可控的脉冲电流来加热工件，其电弧线能量低，适于焊接薄板或者超薄板；电脉冲规范调整参数多，有利于精确控制焊接能量及其分布。
脉冲tig焊按照直交流划分为直流脉冲tig焊和交流脉冲tig 焊。
脉冲tig焊使用的脉冲频率范围目前主要有两个区域：一个区域是0.5～10hz，是应用最广泛的一种，称为低频tig焊，另一个区域是10khz～30khz，称为高频tig焊。
一种脐带缆用S32750钢管单元全位置脉冲TIG焊接工艺研究
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基于DSP的管道TIG焊焊缝跟踪系统
焊工 的经 验来选 择 。
１ 焊 缝跟 踪 试 验 系 统
要 实现 管道焊接 的全 自动 化 ，首先 需要研 制焊缝 跟踪 系统 ，对焊 缝进行 识 别 ，并 通过调 节焊 炬位 置和 焊接 参 数来适应 各 种焊接 状态 。将视 觉传 感技术应 用 于焊缝 跟踪 是 当前 焊缝 跟踪 系统研 究 的主 流 。
本文 以水 下高压 管道 Ｔ Ｉ Ｇ焊 为背 景 ， 提 出 了一种管 道焊缝 跟踪 系统 。该系统 包括 ５轴 管道焊接 装 置及 其配 套 的控 制器 和视 觉传感 系统 ，可 以使焊炬 和视觉 传感 器 自动地 到达 即将焊接 的位 置 。视觉 传
０ 引 言
在 海洋 石油 开发 中，诸如 钢塔 建造 以及水 、油 、气输送 等 工程项 目实 施要求 大规 模制造 和精确 地 焊接 管 道结构 。管 道焊接 中应 用最广 泛 的是 圆周 电弧焊 ，包 括打 底焊 和填 充焊 。管道坡 口的制造误 差 会 导致 变形和 偏心 ，且缝 隙大 小与焊 缝位 置不 匹配 。由于 打底成 形 的不规 则性 ，不 能将 焊接 参数和 焊 炬位 置 设置为恒 定 参数 。因此 ， 实现 管道焊 接全 自动化 非常 困难 ， 通 常需要 熟练 的焊 工进行 人工干 预 。
的清 晰程 度 ，有两个 办 法可 以用 来减 少这 种干 扰 【 ５ ］ ，一种 办法 是利 用某 一种 金属元 素 的线状 光谱来 过 滤氩 元 素 的线 状光 谱 ，这种 办 法要 求 带宽很 窄 的滤 光 镜 ；另一 种办 法是 过滤 线状光 谱 ，仅使 用强度 相 对较 低 的连续 光 谱 。 本文 中的滤 光系 统采 用 的是后 者 。 从 光谱 图上 可 以明显地 发现 ， 在波 长大 于 ８ ６ ０ ｎ ｍ 的近 红外 光谱 范 围 内，几乎 没有 线状 光谱 ，而连 续 光谱 的强度 也很 弱 ，如 图 ２ ｆ ｂ ） 所 示 ，因此 ，这个 范
脉冲TIG弧电学特性研究现状
脉冲TIG弧电学特性研究现状摘要：本文对脉冲TIG弧电学特性的研究现状进行了总结、探讨，认为现阶段对脉冲TIG弧电学特性研究的基础和对象有了清晰地认识，研究方内容主要集中于脉冲TIG弧的挺度、压力、阳极行为、功率、频率、物理特性、电弧稳定性等方向，但在波形和频率等方向尚有不足。
关键词：脉冲TIG弧；电学特性；研究现状；Abstract: This paper summarizes and discusses the study status of pulse TIG electricity properties, thinking that the understanding of the foundation and objects of pulse TIG electricity properties is clear at present, with the direction of stiffness, pressure, anode behavior, power, frequency, physical characteristics, arc stability, while the defects in waveform and frequency.Key words: pulse TIG arc; electricity properties; study status1．脉冲TIG焊脉冲TIG焊在工艺上的主要特点在于采用可控的脉冲电流来加热工件，其电弧线能量低，适于焊接薄板或者超薄板；电脉冲规范调整参数多，有利于精确控制焊接能量及其分布。
脉冲TIG焊按照直交流划分为直流脉冲TIG焊和交流脉冲TIG焊。
脉冲TIG焊使用的脉冲频率范围目前主要有两个区域：一个区域是0.5～10Hz，是应用最广泛的一种，称为低频TIG焊，另一个区域是10KHz～30KHz，称为高频TIG焊。
其中，在10Hz～10KHz范围内，由于电弧的闪烁和噪声而应用很少。
4452J超纯铁素体不锈钢脉冲TIG焊焊接性研究的开题报告
4452J超纯铁素体不锈钢脉冲TIG焊焊接性研究的开题报告一、研究背景及意义超纯铁素体不锈钢（ultra-pure ferritic stainless steel）是指其铬含量大于13%，而镍含量为0或者极低的一类高纯度不锈钢。
该材料具有优异的耐蚀性、抗氧化性和高温强度等性能，广泛应用于化工、石油天然气等领域中高温和高压的腐蚀环境中，如烟气处理设备、化工反应器、高温换热器等重要设备中。
而脉冲TIG焊是一种高质量、高效率的金属焊接方法，常用于超纯铁素体不锈钢的焊接。
本文旨在通过研究4452J超纯铁素体不锈钢脉冲TIG焊接性能，探索优化焊接工艺参数，提高焊接质量，促进4452J超纯铁素体不锈钢的应用。
二、研究内容1. 分析4452J超纯铁素体不锈钢的焊接特性通过对4452J超纯铁素体不锈钢的材料特性进行分析，研究其在脉冲TIG焊接过程中的变化规律。
2. 研究4452J超纯铁素体不锈钢的脉冲TIG焊接成型规律通过实验和仿真对4452J超纯铁素体不锈钢的脉冲TIG焊接成型过程进行分析和研究，得到其成型规律，并且分析影响成型的因素。
3. 优化4452J超纯铁素体不锈钢的脉冲TIG焊接工艺参数根据成型规律和焊接特性，设计合理的焊接工艺参数，通过实验对焊缝的性能进行测试和分析，并评价焊接的质量和可行性。
三、研究方法1. 材料特性测试通过扫描电镜、X射线衍射、硬度测试等方法，分析4452J超纯铁素体不锈钢的材料特性，研究其影响。
2. 脉冲TIG焊接试验利用TIG焊接设备进行4452J超纯铁素体不锈钢脉冲TIG焊接实验，改变焊接工艺参数，观察和分析焊接过程中的变化和成型规律，获取焊接参数和焊接性能数据。
3. 成型规律数值仿真通过ANSYS等软件对焊接过程进行数值仿真，并根据实验和仿真结果，建立4452J超纯铁素体不锈钢脉冲TIG焊接数学模型，得到其成型规律和影响因素。
四、研究结果和预期贡献通过对4452J超纯铁素体不锈钢的材料特性和脉冲TIG焊接的研究，可以深入了解4452J超纯铁素体不锈钢的特性和脉冲TIG焊接的成型规律，进而进行焊接参数的优化和控制，提高4452J超纯铁素体不锈钢的焊接质量，促进其在高温、高压、高腐蚀环境下的应用。
导管全位置脉冲TIG焊电弧磁偏吹现象
导管全位置脉冲TIG焊电弧磁偏吹现象
窦希宇;高文静;马康;方志钰;彭星辉
【期刊名称】《焊接》
【年(卷),期】2024()4
【摘要】在航天运载器管路焊接过程中,常会遇到电弧磁偏吹现象。
受零件材料、环境及设备等因素的影响,电弧磁偏吹产生原因往往难以确定,而磁偏吹会使焊接位置偏移带来咬边、未焊透、未熔合等缺陷,严重时将无法施焊,为管路焊缝成形带来困扰。
为此分析了运载器磁性零件焊接过程中电弧磁偏吹的产生机理,并为后续库存磁性零件的焊接总结出了抵抗电弧磁偏吹的方法。
【总页数】4页(P70-73)
【作者】窦希宇;高文静;马康;方志钰;彭星辉
【作者单位】天津航天长征火箭制造有限公司
【正文语种】中文
【中图分类】TG444
【相关文献】
1.浅谈电弧焊磁偏吹的解决办法
2.深海脐带缆内套钢管全位置脉冲TIG对接焊研究
3.全位置TIG焊管机电弧长度自适应控制技术
4.UNS N04400管道全位置脉冲TIG焊数值模拟及工艺研究
5.小直径薄壁不锈钢导管全位置TIG焊数值模拟
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人
of arc length steady-state part has been extracted through real-time sampling and further treating the arc voltage during the peak current，
and a type of arc tracking system of pulsed TIG welding has been designed．It has been successfully applied to all-position pipeline backing
在下一个峰值电流来临时，弧压积分器清零，并
Electric Welding Machine ·63·
专题讨论
电焊机
Hale Waihona Puke 在 T1 时刻后重新开始积分。
3 脉冲方式下弧长跟踪系统设计
脉冲方式下弧长跟踪系统主要由控制器、弧压 峰值采集电路、弧压信息处理电路、步进电机驱动 电路、焊枪高低移动电机和焊枪高低调节机构等组 成，如图 4 所示。
题
讨
Study on the arc tracking system of all-position pulsed TIG welding
论
under high-pressure environment
︱ ︱
LIANG Ya-jun，XUE Long，LV Tao，ZOU Yong，HUANG Ji-qiang，JIANG Li-pei
图 2 脉冲 TIG 焊电弧电压波形
2 弧压信号处理
电弧电压信号处理的基本思路是： (1)对采集的弧压信号进行滤波，降低高次谐波 和其他干扰的影响，同时保护后级电路。
(2)通过峰值采集电路在每个脉冲周期的峰值 阶段采集弧压。
(3)去除基值到峰值初期过渡过程的影响，在 每个脉冲周期内对所得到的稳态弧压信号进行积 分。
1 弧长信号检测
弧长检测方法有很多，主要有机械传感式、光电 式、电磁式等。机械传感式通常采用探针或滚轮探测
专题讨论
梁亚军等：高压环境下全位置脉冲 TIG 焊弧长跟踪系统研究
第4期
工件表面的变化并将其转化为电信号，这种方法误 差较大；而光电式需加装光学镜头来摄取信号，再 用光电转换电路转化为电信号，这种方法控制系统 复杂，使用不便；这些方法在全位置焊接中使用都 存在很大的困难[4]。
收 稿 日 期 ：2009－03－26 作者 简 介：梁亚军(1971—)，男，山西平遥人，工程师，主要从
事机电一体化技术的研究工作。
·62· Electric Welding Machine
损钨极和产生夹钨。北京石油化工学院参与的国家 十五“863”重大项目“水下干式管道维修系统课 题之子课题水下干式高压焊接”中，焊接试验是在 高压舱中进行的。由于在高压环境下，电弧稳定性 变差[3]，焊接过程中弧长的及时调整尤其重要，由于 焊接过程需要通过监视器监控，视野的局限使得焊 工对电弧弧长的调整很难达到预期效果，影响焊缝 质量，加之每次试验舱加压需要较长时间，如果焊 接时钨极烧损，更换钨极极其不便。所以要提高实 验效率，获得高质量的焊缝，必须选用合理的弧长 跟踪方法。
用上述参数在直流 TIG 方式下进行弧长跟踪 试验，效果相同。
4．3 常压下焊接试验
5 结论
(1)通过检测并控制电弧电压的方法间接控制 弧长，只需加装弧压采集和信号处理电路，无需增 加机械结构，灵活性好，容易与焊接机器人结合。
(2)该弧长跟踪系统同样适用于直流 TIG 焊。 (3)试验证明，该弧长跟踪技术不仅在普通环境 下可行，在高压环境下同样取得了良好的效果。
第 39 卷 图 5 0．4MPa 压力下打底焊试验
图 4 弧长跟踪系统总体结构
出于高压实验舱的安全考虑，本系统采用接触
专 题
引弧。在引弧结束后，由程序控制自动转入弧长跟
讨 踪系统，对焊接过程中的弧长进行自动调整。
论
︱ 4 焊接试验
︱ 焊
4．1 试验设备
接
焊接电源：时代 WSM－400；焊接方式：脉冲 TIG；
焊 (Opto-Mechatronic Equipment Technology Beijing Area Major Laboratory，Beijing Institute of Petro-chemical
接 Technology，Beijing 102617，China) 机
器
Abstract：The arc voltage of pulsed TIG welding has been analysed based on the relationship of arc voltage and arc length．The characterization
(4)比较积分值和设定值，得出高低移动电机的 运动方向信号。
(5)驱动步进电机调节弧长。 弧压信息采集与处理各阶段对应的波形如图 3 所示。
专 题 讨 论 ︱ ︱ 焊 接 机 器 人
图 3 弧压信息采集与处理各阶段对应波形
将焊接电流记为 I(t)，电弧电压记为 U(t)，通过 弧压峰值采集电路将峰值电压 Up(t)从 U(t)中提取出 来。在峰值电流开始后的 T1 时刻，峰值电压进入稳 态过程，弧压积分器开始对峰值电压进行积分，积 分时间 T2 的取值决定于弧压在峰值阶段处于稳态 阶段的时间长短。在峰值电路结束时，比较弧压积分 值 Ui 与给定值 Ue，得出弧长偏差电压 Ud，这个过程 通过一个比较电路来实现。
第 39 卷 第 4 期 2009 年 4 月
电焊机 Electric Welding Machine
高压环境下全位置脉冲 TIG 焊弧长 跟踪系统研究
Vol．39 No．4 Apr．2009
梁亚军，薛 龙，吕 涛，邹 勇，黄继强，蒋力培
(北京石油化工学院 光机电装备技术北京市重点实验室，北京 102617) 摘要：在电弧电压与弧长对应关系基础上，对脉冲 TIG 焊中电弧电压进行了分析；通过实时采样峰值
welding． The test proved that the system works stably and tracks accurately．
Key words：high-pressure environment；all-position welding；pulsed TIG welding；arc length tracking
J．H．Nixon 的研究表明，在不同压力、不同保护 气体条件下，TIG 焊电弧电压与弧长仍保持着较好 的线性关系[5]，如图 1 所示，因此可通过控制弧压来 间接控制弧长。与前几种方法相比，这种方法简便易 行，实时性好，没有附加误差。在脉冲 TIG 中，峰值 电流和持续时间是决定焊缝熔深和熔宽的主要因 素，基值电流的主要作用是维持钨极与熔池之间的 导电状态，保持电弧的稳定燃烧，而且由于基值电 流较小，相同弧长下的电弧电压波动较大，不适合 表征弧长，因此采用峰值电流时的电弧电压来表征 弧长。
参考文献：
[1] 韩国明．焊接工艺理论与技术[M]．北京：机械工业出版社， 2008：165－167．
[2] 龚 海，洪 波，屈岳波，等．摆动式 TIG 焊焊缝跟踪技术[J]． 电焊机，2006，36(10)：26－28．
[3] 史耀武，张新平，雷永平．严酷条件下的焊接技术[M]．北京： 机械工业出版社，2000：20－22．
采用上述焊接设备进行打底焊试验(焊接电流 135 A，弧长 4 mm)。试验过程中，电弧燃烧稳定，焊缝 成形较好。
4．4 高压环境下焊接试验
将试验设备放入高压舱中，分别加压至 0．2 MPa 和 0．4 MPa，焊接电流分别调整为 125 A 和 120 A， 加大保护气流量，进行打底焊试验，如图 5 所示， 打底效果较好。在 0．4 MPa 压力下，工艺试验所得 焊缝成形如图 6 所示。焊缝成形美观，焊缝背面成 形良好。
0 前言
与直流 TIG 焊相比，脉冲 TIG 由于其电弧挺度 好、热输入小、焊缝容易成形、金属性能好等优点在 全位置焊、薄板构件焊接和厚板打底焊中得到了广 泛应用[1]。
在全位置脉冲 TIG 焊接过程中，焊接参数主要 包括弧长、焊接电流和焊接速度，其中弧长控制是 较为关键的因素[2]。由于工件表面高度变化的不确 定性和焊缝变形的存在，使弧长变化存在不确定性。 如果电弧过长，电极与母材间的距离过大，会降低 电弧对母材的熔透能力，也会破坏气体保护的效 果。反之，如果过短，容易造成电极与熔池接触，烧
图 1 环境压力和保护气成分对 TIG 焊电弧电压的影响
在电流从基值切换到峰值的初期,电弧电压有 个明显的过渡过程，如图 2 所示，而过渡过程受工 作回路分布电感、电容等参数的影响表现出很强的 不确定性，此阶段的电弧电压是不能用来表征弧长 的。考虑到受焊接电源本身开关电路所产生谐波的 影响，弧压有一定的波动，所以必须对采集的弧压 信号进行进一步处理。
[4] 雷 毅．全位置 TIG 焊管机电弧长度自适应控制技术[J]．石 油化工设备，2007，34(4)：56－59．
[5] Nixon J H．Underwater repair technology[M]．Britain：Cambridge England，2000：41－43．
·64· Electric Welding Machine
机 保护气体：氩气；电极：φ 3．2mm 铈钨极；焊丝：φ 0．8 mm
器 人
实心焊丝；试件：输送管线钢，尺寸 φ 168．3×9．5(外
径×厚度)，V 型坡口。
4．2 弧长跟踪试验
图 6 0．4 MPa 压力下打底焊焊缝
分别设定弧长为 2 mm、4 mm、6 mm 进行弧长 跟踪试验，引弧后，焊接机器人绕试件一周。试验过 程中，电弧燃烧稳定，无短路或断弧发生。经测量，弧 长偏差不超过 0．5 mm。