一种基于温度场调控的脉冲GMAW复合磁场焊接方法与流程

本发明涉及熔化极气体保护焊，具体涉及一种基于温度场调控的脉冲gmaw复合磁场焊接方法。

背景技术：

1、熔化极气体保护焊（gmaw）因具有焊接效率高、适应性广等工程优势，被广泛应用于工业制造领域。在旨在进一步提升生产效率的高速gmaw工艺中，当焊接速度超过临界阈值时，极易诱发咬边与驼峰等成形缺陷。为抑制上述缺陷，现有技术引入了外加复合磁场辅助焊接工艺，即通过在焊枪外部施加交变磁场以诱导电弧偏转并控制熔滴过渡行为。

2、然而，现有的复合磁场辅助脉冲gmaw焊接技术普遍采用开环控制架构，其核心技术缺陷在于：控制系统缺乏对熔池实时热流体物理状态的动态自适应能力。在实际的高速焊接工况下，焊缝的最终成形质量高度依赖于熔池内部的纵向流体动力学行为（如液态金属的后向排挤与堆积程度）以及横向热传导状态（如热量向焊趾两侧的扩散分布）。由于电弧物理特性的瞬态波动、母材局部热积累差异或主工艺参数的微小扰动，熔池的三维空间温度场分布与流体动态特征会发生实时偏移。现有开环控制技术仅能依赖预先标定的静态励磁参数（固定的励磁电流与励磁频率）进行盲调。当纵向热流体状态突变导致温度梯度陡增（表征液态金属严重后向流动，系驼峰缺陷前兆），或横向热量传递受阻导致热分布向物理中心单点聚集（表征焊缝边缘加热不足，系咬边缺陷前兆）时，由于缺乏针对熔池瞬态温度分布特征的量化反馈链路，现有系统无法感知这种局部的热物理失衡。这导致控制系统无法在缺陷萌芽阶段实时调整洛伦兹力的作用矢量与高频振荡特性，电磁机械力与熔池真实流体动力学状态产生严重失配，从而导致高速焊接过程对工艺波动的抗干扰能力极差，不仅难以在变工况条件下实现对焊接缺陷的在线主动抑制，也严重制约了该技术在工业批量生产中的质量再现性。

技术实现思路

1、为实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：

2、本发明提供了一种基于温度场调控的脉冲gmaw复合磁场焊接方法，包括以下步骤：s100，构建复合磁场及温度检测系统：将复合磁场发生装置配置于gmaw焊枪前端，以在焊接区域产生交变的复合磁场；同时将红外热像仪布置于能够完整获取熔池上表面红外灰度图像的位置；

3、s200，温度场标定与映射关系建立：在正式焊接前，利用所述红外热像仪与热电偶对工件进行同步温度测量联合标定，计算熔池液态金属的发射率，建立熔池上表面红外灰度图像与实际温度分布的转换关系；

4、s300，温度场图像实时采集与特征提取：在脉冲gmaw焊接过程中，利用所述红外热像仪实时采集熔池上表面的红外灰度图像，并基于所述转换关系还原为实际温度场图像；从所述实际温度场图像中实时提取熔池的温度场分布特征参数；

5、s400，基于规则的励磁参数闭环反馈调控：以所述温度场分布特征参数作为反馈判据，根据预设的温度场与励磁参数调控规则，动态调节所述复合磁场发生装置的励磁参数，通过控制电弧形态与熔池流体动力学行为，实现对焊缝成形缺陷的主动抑制。

6、进一步地，在所述s100步骤中，所述复合磁场发生装置的结构及电路配置具体包括：

7、所述复合磁场发生装置包含三个与所述gmaw焊枪呈45°角倾斜布置的铁芯，各个铁芯上分别绕制有设定匝数的励磁线圈；

8、所述励磁线圈通过串并联形成两组独立的线圈绕组且绕线方向相反，两组所述线圈绕组分别接入双路交变励磁电源，以接收相位差为180°、基值电流为0a的双路交变励磁电流，从而在所述焊接区域同时激发横向磁场与交替的平行磁场；

9、在所述s100步骤中，布置所述红外热像仪以获取熔池图像的具体操作包括：

10、将所述红外热像仪安置于熔池尾部的后方，且其镜头光轴与水平方向呈15°至30°的夹角向下指向所述熔池区域；

11、在所述红外热像仪的镜头前端加装窄带滤光片，用以滤除脉冲gmaw焊接过程中产生的强弧光干扰，所述窄带滤光片的中心波长选自920±10nm或1080±10nm。

12、进一步地，在所述s100步骤中，还包括对所述红外热像仪进行空间几何标定的步骤：

13、在焊接开始前，采用具有已知间隔长度尺寸的标定靶纸放置于预期焊接轨迹区域；

14、利用所述红外热像仪采集所述标定靶纸的图像，建立图像像素坐标与实际空间坐标之间的映射关系，以校正因所述红外热像仪倾斜拍摄视角所导致的图像几何畸变。

15、进一步地，在所述s200步骤中，实施所述联合标定时的具体测温工况与采集机制包括：

16、采用低电流tig电弧作为稳定热源对工件进行加热，并在所述工件的测温侧预先涂覆耐高温黑色涂层，以提升测量区域表面发射率的一致性；

17、通过贴附于所述工件测温侧的热电偶连续获取局部的实际温度值，并同步触发所述红外热像仪以80hz至100hz的采集帧率和不低于288×382像素的图像分辨率，获取包含所述热电偶接触点位置的动态红外灰度图像。

18、进一步地，在所述s200步骤中，计算发射率并建立转换关系的具体数据处理逻辑为：

19、步骤2.1：在所述动态红外灰度图像中，提取所述热电偶接触点周围的9个相邻像素点构成标定基准区域，并计算该标定基准区域内红外温度的平均值，将其定义为红外测量温度；

20、步骤2.2：将所述红外测量温度与所述热电偶当前时刻输出的实际温度值，同步代入基于普朗克黑体辐射定律推导的辐射系数计算模型中，反向解算求得所述工件表面熔融状态下的实际发射率；

21、步骤2.3：将解算获得的所述实际发射率作为全局补偿参数写入数据采集与控制系统，在后续焊接过程中，利用所述实际发射率将实时采集的熔池红外灰度图像逐像素还原为实际温度场图像。

22、进一步地，在所述s300步骤中，实时提取熔池的温度场分布特征参数之前，需先在所述实际温度场图像中建立多维度空间特征参考基准，具体包括以下定义步骤：

23、定义与所述gmaw焊枪焊丝轴线垂直相交的直线为参考a线；

24、定义通过所述熔池尾部边缘的直线为参考c线；

25、定义位于所述参考a线与所述参考c线之间总长度的1/2处、且垂直于焊缝延伸方向的直线为参考b线；

26、定义沿所述焊缝中心线延伸方向的直线为参考d线。

27、进一步地，在所述s300步骤中，基于所述多维度空间特征参考基准，从所述实际温度场图像中实时量化提取的所述温度场分布特征参数至少包括：

28、纵向流体特征：提取沿所述参考d线方向的温度分布曲线，并基于该曲线计算当前的温度梯度，用于表征熔池液态金属的后向流动剧烈程度；

29、横向热传导特征：提取沿所述参考b线方向的温度分布曲线，并识别其温度分布形态特征处于单峰型分布状态或双峰型分布状态，用于表征热量向焊缝两侧的横向扩散程度；

30、宏观尺寸特征：提取所述参考a线与所述参考c线之间的实时物理间距作为熔池长度参数；并提取所述参考b线上温度值高于预设液态金属液相线温度的连续区域宽度，作为熔池宽度参数；

31、特征温度极值：分别提取所述参考d线温度分布曲线中的最低温度值作为熔池中心线最低温度，以及所述参考b线温度分布曲线中的最高温度值作为焊缝两侧峰值温度。

32、进一步地，在所述s400步骤中，所述根据预设的温度场与励磁参数调控规则动态调节复合磁场发生装置的励磁电流和励磁频率，其内部执行的专家诊断与响应逻辑具体包括：

33、响应逻辑c1：当所述温度梯度大于15°c/mm时，判定液态金属后向流动速度过大，控制系统输出指令将所述励磁电流增大2a至5a，以增强电弧前倾角度；

34、响应逻辑c2：当沿所述参考b线方向的温度分布呈现单峰型分布且峰值位于熔池中心时，判定热量向焊缝两侧扩散不足，控制系统输出指令将所述励磁频率增大3hz至8hz，直至该方向的温度分布转变为双峰型分布；

35、响应逻辑c3：当所述熔池长度参数大于30mm时，判定液态金属后向堆积存在驼峰缺陷高风险，控制系统输出指令同步将所述励磁电流增大2a至8a、所述励磁频率增大5hz至10hz；

36、响应逻辑c6：当所述熔池长度参数小于23mm且所述熔池宽度参数小于13mm时，控制系统输出指令将所述励磁电流减小2a至5a。

37、进一步地，在所述s400步骤中，当检测到整体热输入严重不足时，控制系统中止单向响应逻辑并触发启发式励磁参数自优化程序，具体步骤如下：

38、步骤4.1：触发条件判定，当提取到的所述熔池中心线最低温度小于1400°c且所述焊缝两侧峰值温度小于1500°c时，启动所述自优化程序；

39、步骤4.2：锁定当前脉冲gmaw的焊丝干伸长度与保护气体流量保持恒定，以设定的励磁电流区间和励磁频率区间作为搜索空间；

40、步骤4.3：以最大化所述熔池宽度参数为目标函数，按照设定的电流步长和频率步长进行全局网格化参数扫描，并在每次参数跃迁后实时监测所述熔池宽度参数的变化量；

41、步骤4.4：当连续多次步长变化后检测到所述熔池宽度参数的增长量小于预设饱和阈值时，终止搜索，并将当前参数组合锁定为当前工艺条件下的最优励磁参数执行闭环控制。

42、进一步地，在执行所述s400步骤的闭环反馈调控之前或过程中，还包含应对主工艺参数波动的基准值自适应前馈调整机制：

43、当焊接速度v发生变化时，控制系统根据预先标定的线性函数关系自动预设励磁电流基准值与励磁频率基准值，其中励磁电流基准值与焊接速度v呈正相关线性映射，励磁频率基准值与焊接速度v亦呈正相关线性映射；

44、当有效焊接电流i发生变化时，控制系统根据预先标定的电流映射方程自动调整励磁电流基准值，以提供足以克服因脉冲峰值电流增大导致电弧挺度增加所需匹配的偏转电磁力；

45、在上述前馈调整机制确立基准值后，再叠加所述s400步骤中的基于红外温度场特征的闭环反馈调控进行微调。

46、有益效果

47、本发明通过实施红外辐射率动态标定与光学畸变逆映射，实现了对熔池多维空间温度场特征的实时精准量化，并以此作为反馈判据，构建了融合多条件分支专家诊断与非线性参数寻优算法的复合磁场闭环调控架构；有效克服了传统开环系统对熔池热流态偏移缺乏感知与响应能力的技术瓶颈，系统能够依据熔池真实的物理热传导演变与流体动力学失衡趋势，毫秒级自适应输出交变励磁参量，通过动态修正电弧的空间前倾角度与高频横向扫掠速率，精确重构干预熔池流动的电磁推力矩阵，在多变的高速脉冲gmaw工况下实现了对咬边与驼峰缺陷的在线前馈预警与闭环主动抑制，提升了高速焊接成形质量的抗扰动能力与工业级批量再现性。