基于焊接处应力变化的焊缝偏差提取及变形控制方法

本发明属于焊缝偏差信息提取，具体涉及一种基于焊接处应力变化的焊缝偏差提取及变形控制方法。

背景技术：

1、在建造大型水面船体时，普遍都采用高强度船体钢薄板，用以减轻船体自重，提高船体的承载能力。然而，由此也带来了如何控制薄板焊接变形和实现自动化焊接工艺的难题。为解决这几个问题，大部分研究者采用焊接工装及装配夹具，同时采用热输入量更集中的激光焊接技术焊接薄板结构，虽然可以通过硬件方式控制焊接变形，但是无法做到即时控制热变形和高效自动化焊接，从而对一种基于焊接应力应变传感的焊缝偏差提取及最小变形控制方法的研究刻不容缓。

2、专利号cn107914067b该发明通过焊缝图像中电弧中心位置而设计一种获取接头轮廓线上的焊枪跟踪点的算法，进而结合视觉标定技术和图像处理系统，从而获取焊枪在世界坐标中的具体位置，以焊枪的具体位置确定焊枪的三维偏差信息。虽然采用该方法提取的偏差更准确，同时也可以做到焊枪对两个方向进行纠偏，但是视觉标定很难适用于反光的不锈钢中，且算法的运算过程繁琐，故对于焊接过程所需的实时性很难满足。通过对电弧几何中心位置进行采集坐标点本身就存在误差，从而会促使所采集到的焊缝图像有一定的偏差。

3、专利号cn104959706b该系统通过传感器的摆动装置对传感器进行不同程度的角度摆动，通过扫描薄板焊缝坡口来检测焊缝的偏差信息，将得到的偏差信息通过数据转换及处理模块处理，再由主控制器的运算模块运算后，再结合跟踪执行模块补偿焊缝偏差从而实现薄板对接和搭接焊缝的自动化跟踪。虽然该发明结构简单紧凑，造价低廉，且跟踪精度高，适应性广，能有效地实时补偿焊接过程中产生的热变形，但是由于边缘效应可能产生的附加电容量将与传感器的电容量直接叠加起来，导致传感器的输出特性是非线性的，同时还会降低传感器的灵敏度。

技术实现思路

1、为了克服上述现有技术的不足，本发明的目的是提供一种无需夹具能够降低薄不锈钢焊接过程中热变形且通过非接触式位移测量装置系统实现薄不锈钢的焊缝偏差信息提取适应性和稳定性的基于焊接处应变传感的焊缝偏差提取及变形控制方法。

2、本发明的目的是通过以下技术方案实现的：通过一种基于焊接处应力变化的焊缝偏差提取及变形控制方法实现在无需夹具情况下，实现较大型薄不锈钢板的焊缝偏差信息实时可靠提取以及减小热变形对焊缝信息提取的影响，主要利用焊枪周围安装的ccd摄像系统和红外光传感器来采集不同阶段的图像数据，然后输入到计算机图像处理中心，利用有限元分析法和非接触式位移测量法计算出横向和纵向的变形量，其次将温度分布场中最大温度变化差值和最小综合变量差数据作为两次的焊缝偏差信息的依据，从而实现以焊接处应力变化状态作为焊缝偏差信息提取的新方式，最后结合判断式加权融合算法优化输出最优焊缝偏差信息。

3、进一步地，所述的首先在焊接开始阶段，开启阵列置于焊枪周围的n对红外光传感器(3)内部的温度感应器(7)采集焊缝两边表面圆形范围内的实时温度差变化数据，再通过红外光传感器(3)将温度感应器(7)所采集的温度点信号聚集形成由点-线-面的模型信号，以形成不同层次的温度场变化，将温度场变化数据输入到与红外光传感器相连的计算图像控制中心上，根据温度分布场(8)的温度差获取正常状态下热变形第一次焊缝轨迹图像信息。然后构建电弧输入热量和焊接工艺参数的函数关系式，通过所建函数反馈热量输入变化情况作为实时调整焊接参数的标准量，其次利用平行于焊缝(5)且置于焊枪(1)前后位的ccd摄像机(2)在最小热变形下分别采集焊缝两边前后变化的纵向挠曲变形量θi和横向角变形量εi数据，从而形成焊缝左右两个最小综合变形量，最后比较焊缝两边最小综合变形量大小确定第二次焊缝轨迹图像信息，利用判断式加权融合法将两次焊缝轨迹图像信息融合为最优化焊缝偏差信息，为焊接过程中会产生较大变形量的超大型薄不锈钢板的高效自动化焊缝跟踪提供一种新型焊缝偏差信息提取及最小变形控制方法。

4、进一步地，所述的附着于焊枪装置包括一对ccd摄像头(2),红外光传感器(3)，红外光传感器内部温度感应器(7)，红外光传感器(3)阵列对称分布在平行于焊缝两边上，其中内部的温度感应器(7)对焊缝温度场变化场景进行实时检测和提取每时刻温度变化区间t数据，将采集某一时刻内三组温度变化区间情况，分别表示为ti-1，ti，ti+1，当满足ti＞ti+1和ti＞ti-1的两个条件时，即可判定tmax＝ti作为该温度场的最高温度范围值，将该温度变化数据作为第一次焊缝轨迹偏差信息。同时利用垂直地面且平行于焊缝上方布置的一对ccd摄像头(2)将分别采集到焊缝两边前后横向位移差和纵向变形量。

5、进一步地，所述的焊缝两边纵向绕曲变形量和横向角变形量是通过ccd摄像机采用拍摄手法获取前期人为在薄不锈钢上的标记点的变形前后图像信息，再利用图像处理方法获取纵向的变形信息，通过有限元分析法和非接触式位移测量法分别将纵向位移量δz和横向角变形位移量δx累积求和，从而进一步计算出焊缝两边的纵向绕曲变形量θi和角变形量εi。如图6所示，物体点由s1(x，y)处经过热变形到s2(x，y)处，同时取热变形前的某块m·n像素区域a作为标准块，将热变形后相应的m·n像素区域b作相关比较运算如下：

6、

7、式中c为变形前后位移的相关系数；fa(xi，yj)和fb(xi，yj)分别是区域块a和b的灰度集合函数；和分别是a和b平均灰度值。

8、由上述相关函数可以取到区域块的最大值，通过采用亚像素插值来计算热变形后b点的准确位置，从而确定横接截面焊缝两边对应点之间的相对位移，对相对位移进行求导从而获得该时刻焊缝两边的横向截面应变数据，如图4和5所示，计算如下：

9、

10、

11、式中f前(t,z)和f后(t,z)分别是焊缝纵向截面函数；c为横截面变形前后位移的相关系数。

12、进一步地，所述的将最小热变形下焊缝两边角变形量εi和纵向挠曲变形量θi利用平方和公式计算出两个量的最小综合变形量把最小综合变形量作为判断加权量的标准，再利用比较两边最小综合变形量大小法来确定薄不锈钢第二次焊缝的实时偏差信息，再结合第一次焊缝轨迹图像，采用判断式加权融合法提取最优焊缝偏差信息，其中判断式加权融合法的主要融合标准为：

13、(1)若最小综合变形量δ＞标准量δ0，计算出最小综合变形变化率则将1-δδ乘以第二次的焊缝偏差信息数据值，同时将δδ乘以第一次的焊缝偏差信息数据值，最后将两者数据值输入计算控制中心系统中，利用判断式加权融合法计算，获取最小变形下融合后的最优焊缝偏差信息。

14、(2)若最小综合变形量δ≤标准量δ0，计算出最小综合变形变化率δδ，则将δδ乘以第二次的焊缝偏差信息数据值，用1-δδ乘以第一次的焊缝偏差信息数据值，最后将两者数据值输入计算控制中心系统中，利用判断式加权融合法计算，获取最小变形下融合后的最优焊缝偏差信息。

15、本发明的主要特点是：通过ccd摄像系统分别采集焊接前后薄不锈钢板的焊缝横向变形和纵向变形量，再利用前后变形量做差值获得在最小热变形下横向角变形和纵向弯曲变形，结合有限元分析法和非接触式位移测量法算出实时最小综合变形量，根据不同薄不锈钢的厚度及材料成分等参数获取标准变形量，进一步计算出最小综合变形变化率，然后利用判断式加权融合准则来优化焊缝偏差信息，根据所构建的输入热量和焊接工艺参数函数关系，与优化焊缝偏差信息结合，极大的控制焊接过程中薄不锈钢的热变形最小范围，提高薄不锈钢高效自动化焊缝跟踪的准确性。

16、本发明的有益效果是提供一种基于焊接处应力变化的焊缝偏差提取及变形控制方法，利用ccd摄像系统和红外光传感器分别对焊接前后焊缝表面的横向变形量和纵向变形量和温度分布场的温度变化差进行实时数据采集，实现根据焊缝表面横向和纵向变形结合焊缝温度分布场融合输出优化焊缝偏差信息。在焊接过程中，构建电弧输入热源和焊接工艺参数函数关系式，通过函数所反馈热量输入情况以重新调整焊接参数，确保焊缝过程中输入热源保持相对较低的最小热变形范围，对于受热变形较大的薄板来说获取焊缝信息更加精确性，更加适应性，同时构建的函数关系式可极大减小薄板焊接过程的热变形影响。根据非接触式位移测量传感系统可灵活采集分析实时数据，不需要其他夹具硬件来辅助焊接过程，大大提高了焊接的灵敏性和自动化程度。