激光焊接偏差智能识别与质量控制研究

摘要：基于现有数控焊接工作台，对工作台控制部分进行了进一步的研发。建立焊接工艺优化及预测模块，结合工作台的运动控制模块，实现焊接智能控制。文中选择视觉识别对激光焊工艺参数进行优化，同时，分析不同焊接工艺对焊缝性能的影响。最终建立焊接工艺参数预测系统和焊缝性能预测系统，实现焊接工作台的智能化控制。

关键词：工艺优化;BP神经网络;焊缝性能预测

激光焊工艺对焊接质量起着决定性的作用，焊接工艺参数的优化非常重要且很复杂。通常焊接工作者为了获得合适的焊接工艺参数，必须在焊接作业前进行多次焊接试验，然后进行焊接工艺评定，最后才能获得合理的工艺参数，这样会消耗大量的人力、物力、财力。

1.激光焊接工艺与方法

1.1双/多光束焊接

双/多光束焊接的提出最初是为了获得更大的熔深和更稳定的焊接过程和更好的焊缝成形质量，其基本方法是同时将两台或两台以上的激光器输出的光束聚焦在同一位置，以提高总的激光能量。后来，随着激光焊接技术应用范围的扩大，为减小在厚板焊接，特别是铝合金焊接时容易出现气孔倾向，采用以前后排列或平行排列的两束激光实施焊接，这样可以适当提高焊接小孔的稳定性。

1.2激光-电弧复合焊

激光-电弧复合焊是近年激光焊接领域的研究热点之一。该方法的提出是由于随着工业生产对激光焊接的要求不断提高，激光焊接本身存在的间隙适应性差，即极小的激光聚焦光斑对焊前工件的加工装配要求过高，此外，激光焊接作为一种以自熔性焊接为主的焊接方法，一般不采用填充金属，因此在焊接一些高性能材料时对焊缝的成分和组织控制困难。而激光-电弧复合焊集合了激光焊接大熔深、高速度、小变形的优点，是一种优质高效焊接方法。

2熔池识别与焊接偏差在线检测方法

2.1基于SACB-Segformer的语义分割模型

Segformer框架的特点如下。首先，由4个Transformer模块堆叠而成的编码器在输出多尺度特征的同时不需要位置编码，从而避免了当训练和测试分辨率不同且需要位置编码插值时导致的精度下降问题；其次，Segformer模型将MLP代替复杂的解码器，在保证模型轻量化的前提下聚合不同层的特征信息，具有较强的表征能力。

2.2焊接偏差定量计算

通过SACB-Segformer模型分割出动态熔池与焊接接头间隙后，还需进一步对分割出的掩码图像进行处理，计算熔池质心与焊接接头间隙中心线之间的距离作为焊接偏差，从而通过实时修正偏差值实现精密焊接过程中的焊缝跟踪。具体步骤如下。

1）将分割得到的掩码图像进行二值化。

2）寻找二值化掩码图像中的连通域，通过连通域面积大小区分熔池区域Rm和焊接接头间隙区域Rs。

3）根据熔池区域Rm的几何形态确定其质心坐标（umc，vmc）。

4）将焊接接头间隙Rs检测到的最长直线的斜率k作为中心线斜率，并确定中心线方程vsc=kusc+b，其中（usc，vsc）为中心线上的任意一点。

5）将熔池质心与焊接接头间隙中心线v方向上的差值记为焊接偏差δ=vsc-vmc。

3激光焊接过程的监测与质量控制

激光焊接过程的监测与质量控制一直是激光焊接领域研究和发展的一个重要内容，利用电感、电容、声波、光电、视觉等各种传感器，通过人工智能和计算机处理方法，针对不同的激光焊接过程和要求，实现诸如焊缝跟踪、缺陷检测、焊缝成形质量监测等，并通过反馈控制调节焊接工艺参数，从而实现高质量的自动化激光焊接过程。

3.1激光焊接过程监测

利用各种传感器对激光焊接过程中产生的等离子体进行检测是常用和有效的方法。根据检测信号的不同，激光焊接质量检测主要包括以下几种方式：

3.1.1光信号检测。

检测对象为激光焊接过程中的等离子体（包括工件上方和小孔内部）光辐射和熔池光辐射等。从检测装置的安装来看，主要包括与激光束同轴的直视检测、侧面检测和背面检测。使用的传感器主要有光电二极管、光电池、CCD和高速摄像机以及光谱分析仪等。

3.1.2声音信号检测。

检测对象主要为焊接过程中等离子体的声振荡和声发射。

3.1.3等离子体电荷信号。

检测对象为焊接喷嘴和工件表面等离子体的电荷。

利用光电传感器检测激光焊接过程中等离子体光辐射强度的变化是激光焊接过程监测与控制的重要方法之一。国内外研究工作表明，利用光电传感器可以自动检测出焊接过程中因激光功率、焊接速度、焦点位置、喷嘴至工件表面距离、对接间隙等工艺条件的波动引起的焊缝熔深和成形质量的变化，不仅可以诊断出诸如咬边、烧穿、驼峰等焊缝成形缺陷，而且在一定工艺条件下还可以检测焊缝内部质量。

3.2激光焊接过程控制

激光焊接过程控制的主要内容就是对焊接工艺参数的控制。在激光焊接时，光束焦点位置是影响激光深熔焊质量最关键而又最难监测和控制的工艺参数之一。在一定激光功率和焊接速度下，只有焦点处于最佳焦点位置范围时，才可获得最大熔深和良好的焊缝成形。偏离这个范围，熔深则下降，甚至破坏稳定的深熔焊过程，变为模式不稳定焊接或热导焊。但实际激光焊接时，存在多种因素影响焦点位置的稳定性，包括因非平面工件和焊接变形引起的焊接喷嘴-工件距离变化，激光器窗口、聚焦镜等元件热透镜效应引起焦点位置的变化，以及光束在飞行光路中不同位置引起焦点位置的变化等。

结论

（1）建立激光功率、焊接速度、光斑直径与抗拉强度之间的关系模型，并做出相应关系图，可通过工艺参数预测出抗拉强度值。

（2）建立了焊接体能量与焊缝抗拉强度的预测系统。

（3）建立不同厚度的304不锈钢板的焊接体能量与焊缝抗拉强度值之间的关系，找出不同板厚对应的最佳焊接体能量值，建立了母材板厚与焊接体能量之间的关系模型，并且能够通过板厚预测焊接体能量值。

（4）将预测出的焊接体能量值，根据焊接工艺参数与抗拉强度之间的关系模型，分解成最佳的焊接工艺参数值。

参考文献

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