焊接温度場

焊接温度場實時檢測一直未能解決，這主要是温度場檢測本身就十分困難，它存在對檢測距離、目標材料發射率等依賴性比較大的問題，而焊接過程中熱過程的瞬時性、局部性、熱源運動及熔池液體金屬激烈運動等使得焊接温度場檢測更加困難。目前焊接過程的研究已從宏觀過程控制深入到焊接微觀質量控制中，同焊接宏觀質量控制一樣，微觀質量控制的主要困難是獲得表徵這些微觀質量的傳感技術。焊接温度場的分佈，決定了焊接的熱循環，在材料成分一定的情況下也決定了焊接微觀組織皮其變化，決定了焊縫及其熱影響區的宏觀性能，因此焊接温度場能夠比較全面和深入反映焊接質量，它的實時檢測及熱循環參數的提取對實現焊接微觀質量控制具有重要的意義 ^[1]  。

影響温度場的因素很多，如熱源的性質和功率、被焊金屬的熱物理性質（導熱係數等）、焊接工藝參數（焊接速度、板厚、接頭形式、坡口、預熱、間隙）等。例如，與薄板相比，厚板由於散熱快而使熱影響區的寬度要小得多。

首先介紹了圖像比色法焊接温度場實時檢測系統構成及檢測原理，研究了從温度場中提取焊接熱循環參數的方法，實現了焊縫背面等温線寬度的閉環控制並取得了良好的控制效果，這種閉環控制系統實際上同時解決了熱循環參數閉環控制和焊接熔透閉環控制的問題。

圖像比色法温度場檢測系統，主要由雙色傳感器、計算機雙色熱圖像處理系統組成。其中關鍵是雙色傳感器，它由光學成像器件、雙色調製盤、ICCD探測器等構成。系統檢測過程是：物體輻射經過光學成像器件並由雙色調製盤高速旋轉調製在ICCD上交替形成雙色熱圖像，使用計算機圖像處理系統濾波等處理，之後進行雙色灰度比值得到目標物體温度場分佈。

目標物體輻射源經過包括雙色調製盤在內的光學成像系統在ICCD光敏面上，然後經過ICCD光電轉換成電荷量。

ICCD的響應特性和物體的温度，對於設計定型的檢測系統，雙色熱圖像灰度比色值分佈與温度場分佈有一一對應的關係，因此可以利用ICED雙色熱圖像進行比色處理來實時檢測温度場分佈 ^[2]  。

由於焊接温度場的温度範圍比較大而ICCD動態範圍比較小，因此焊接温度場實時檢測存在很大困難。這裏對焊縫及熱影響區分成三個區域：高温區、中温區、低温區，相應傳感器中ICCD的曝光時間分別為0.1ms，0．5ms，2ms。經過分區檢測處理連接後可以得到整個温度場分佈，系統檢測時間在0.5s之內，檢測温度範圍為800℃-1400℃ ，對於單個温度區的檢測時間小於0.15s，完全滿足焊接温度場實時檢測及控制要求。

採用TIG焊接方法的實時檢測焊接温度場分佈，焊接條件是：焊件為低碳鋼60mm×50mm×2mm。保護氣體為氬氣，流量是0.5m³/h，焊接電壓12V，焊接電流60A，焊接速度5mm/s，電極為鎢極。從焊接温度場可以獲得很多信息如任意等温線的分佈、焊接方向温度分佈、焊接橫截面温度分佈，因此能夠得到焊接熔化區大小、焊接熱影響區太小、焊縫及熱影響區任意一點的熱循環。

在穩定的焊接規範下，焊接温度場認為是準靜態温度場，在焊接方向任意一條直線上的温度分佈可以認為是該直線上任意一點所經歷的温度變化，也就是該點的熱循環過程 ^[3]  。

等温線寬度的控制對於焊接質量控制具有重要的意義，如對於焊接背面接近熔點温度(對於低碳鋼如1350℃)的等温線寬度進行控制，實際上就是完成了完全熔透的背面焊縫寬度控制，同樣也可以對熱影響區某區域大小進行控制，從而實現焊縫及熱影響區的微觀組織控制。控制系統的輸入量選擇焊接電流，輸出量為焊接温度場。根據對象的特性對PID參數進行初值估計。閉環控制之後進行在線優化。

温度場等温線寬度的閉環控制實際上也是給定焊接背面離焊縫中心一定距離點的熱循環參數最高温度閉環控制．這樣對焊接温度場等温線寬度的閉環控制的同時實際上完成了焊接熱循環最高温度參數的閉環控制 ^[1]  。

焊接是非常複雜的過程，為了獲得良好的焊接質量，控制系統應具有抗各種干擾能力。干擾的形式包括焊件厚度的變化、焊接速度的變化、對接縫隙的變化、焊接材料的改變等。這裏主要將就抑制三種干擾：焊件厚度變化、焊接速度變化、對接縫隙變化進行試驗研究。

焊件厚度的變化，對於恆速焊接來説將導致焊縫寬度的變化：厚度大的地方焊縫寬度較小，而厚度小的地方焊縫寬度較大。為了獲得背面均勻的焊縫寬度，對焊接電流進行控制。

對接焊是常用的坡口焊接形式。影響對接焊因素有焊件厚度、對接縫隙，在恆定的焊接電流情況下。將得到背面不同寬度的焊縫。開始端無縫隙。結束端有0.6mm的間隙，儘管對接焊件的縫隙變化，但背面焊縫寬度還是比較均勻，達到了控制的目的 ^[1]  。

通過焊接温度場分區處理，可以獲得整個温度場分佈，檢測時間在0.5s之內．温度範圍為800℃-1400℃ ，單個區域檢測時間小於0.15s，滿足焊接温度場實時檢測及控制要求。從實時檢測的温度場中可以獲得焊接區域任意一點的熱循環參數，為焊接微觀質量控制提供了基礎。對等温線寬度控制也就是熱循環參數最高温度控制可以達到對焊接背面焊縫寬度的控制，即完全熔透控制。控制系統具有良好的響應性能和抗干擾性能，可以在焊件厚度、焊接速度、工件縫隙等變化時仍可獲得全熔透比較均勻的背面焊縫寬度 ^[1]  。