GMAW-P熔池表面动态行为和熔透实时控制机理及策略研究

In the pulsed gas metal arc welding (GMAW-P) process, a structured light reflection method is employed in sensing the weld pool surface, especially the depth information of “concavity” which is covered in a bright arc. Series of weld pool surface will be parameterized and characterized in GMAW-P. The weld pool surface measured in practice is used as an initial condition in numerical simulation in order to study the dynamics of weld pool in GMAW-P. Nonlinear system identification method is used to identify the weld penetration control system. Compared the identified system to the experimental /numerical results, the nature of the dynamic weld pool and weld penetration control system will be fully investigated, and the strategies for real-time weld penetration control will be discussed in depth.

在脉冲熔化极气体保护焊(GMAW-P)过程中利用结构光反射法采集系列熔池表面反射条纹图像，着重获取强电弧笼罩下的熔池表面“凹坑”深度信息，并将系列熔池表面信息参数化和特征化。利用实测熔池形状信息，作为熔池数值模拟的初始条件，并以数值模拟为手段研究熔池内部动态行为机理。采用非线性系统辨识手段建立熔池表面信息和熔透之间的动态系统模型，将其与试验测量结果/数值模拟结果对比，深入研究GMAW-P过程中熔池动态行为及熔透控制系统的内在机理，并进一步讨论熔透实时控制策略。

熔透控制是焊接自动化领域重要的课题之一。项目以熔化极气体保护焊（GMAW-P）为研究对象，探索焊接熔透控制机理。在GMAW-P峰值期间，即强弧光条件下，获得了熔滴过渡前清晰的熔池表面反射激光条纹图像。利用峰值期间激光反射条纹图像像素累加，反映熔池表面波动，进而表征焊接熔透。结合峰值期间电弧电压均值（反映熔池下榻），采用峰值期间电弧电压变化（反映熔池表面波动），即采用熔池表面波动系数反映焊接熔透。电弧电压信号现场容易获得，是良好的现场实时控制反馈信号。将焊接熔深/熔透控制传感从单纯熔深控制拓展到更大范围，涵盖临界熔透和全熔透控制。从为熔透至临界熔透再至全熔透甚至过熔透，峰值期间电弧电压均值经历先增大后减小的过程，而峰值期间电弧电压变化经历先减小后增大过程。临界熔透对应这拐点。试验研究和数值模拟研究表面，熔池体积大或熔深大时，熔池惯性大，熔池表面波动范围小，是良好的熔透传感信号之一，可以用激光条纹波动或电弧电压波动来表征。系统辨识结果表明，焊接熔透控制系统可以用带有干扰的Hammerstein模型来表述，其线性系统部分为3阶。系统存在非线性、大时延、时变等特征。针对焊接熔透控制系统特点，开发了自适应预测非线性控制器，实现了GMAW-P熔深的实时控制，控制精度较高，鲁棒性较强。在精度要求不高的场合下，可将焊接熔深控制系统简化为线性系统进行实时控制。项目完成对于探讨熔透控制机理，实现现场焊接熔透实时控制有重要意义。