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在GTAW焊接自动化过程中,保证焊缝质量的有效方式是实时采集焊接过程熔透信息并设计合理的控制方案形成闭环控制。而控制模型的建立和传感方法的选择是其中的关键。熔池表面承载着大量表征焊缝质量的信息,无论是熔池自由表面三维形貌,还是在受激状态下熔池表面的振荡状态,都与焊缝质量的重要参数熔深和熔透有直接的对应关系,建立熔池表面动态行为与焊接质量参数的定量关系,将为建立GTAW全熔透控制模型提供数据支持。因此,本文利用熔池表面良好的类镜面反射特性,以及光电转换器传感效率高、结构简单等优点,提出了一种基于光电转换的新方法—激光光电法,可以实现对熔池表面特征信息的实时检测与传感。在该传感方法的基础上,本文进行了以下几方面的全熔透控制研究:(1)在介绍了激光光电法传感光电信号过程的基础上,进一步提出了利用该方法在直流GTAW和脉冲GTAW焊接条件下的全熔透检测与控制原理,并设计了以LABVIEW为主体,嵌入MATLAB节点做为支撑的软件系统,配套搭建了相应的硬件控制平台。(2)通过对直流GTAW焊接过程中采集的光电信号进行分析,发现熔透状态从未熔透转变为临界熔透时熔池表面由凸面突变为凹面,激光反射条纹快速聚焦,从而引起光电法电压信号迅速变化的现象。利用该特征现象,基于实验建模法构建了经典控制理论中单输入单输出(SISO)的全熔透控制模型,其中光电信号作为输入信号,背部熔宽作为输出信号,并通过仿真验证了该模型具有良好的动态性能和稳定性。接着设计了焊接全熔透控制方案,对不同板厚的304不锈钢分别进行了全熔透控制试验,最终获得了良好的焊缝成形,其正、背面熔宽均匀,熔深一致,这证明了全熔透控制试验平台以及控制方案具有良好的实时性、可靠性和稳定性。(3)直流GTAW对于熔池表面信息的传感属于被动方式,而基于激光光电法的脉冲GTAW通过传感熔池振荡频率来反映熔透状态则属于主动检测方法。首先利用机理分析法,建立了脉冲GTAW不同熔透状态下熔池振荡频率与背部熔宽的SISO模型,并将实验测量数据与计算值进行了对比,结果表明所建立模型输出量对应于的输入量的变化趋势与实验值基本相符,该模型可应用于步进焊接条件下的全熔透控制。根据熔透状态从未熔透转变为全熔透时,熔池振荡频率突变的现象,设计了步进焊接条件下的全熔透控制方案,对不同板厚、不同步距的试样进行熔透控制试验,最终均获得了均匀一致的焊接接头。(4)对于激光光电法全熔透控制系统,要求对于实际工况下多种干扰因素具有较强的自适应性。在存在步进焊接步距、对缝间隙和错边量、散热条件变化等干扰因素下,分别进行了基于激光光电法的全熔透控制试验,结果表明:该控制系统对以上影响因素具有良好的自适应性,控制过程中传感信号的采集与分析基本不受影响,控制信号的通信保持稳定,最终获得的焊缝成形均匀稳定。