一种铸管模埋弧堆焊热循环反馈热输入自适应控制方法与流程

本发明涉及铸管模埋弧堆焊领域，特别涉及一种铸管模埋弧堆焊热循环反馈热输入自适应控制方法。

背景技术：

1、铸管模是离心球墨铸铁管生产中的关键成形工具，工作表面长期承受高温金属液冲刷、热疲劳及机械磨损，易出现热裂纹、龟裂、剥落和尺寸损耗。埋弧堆焊因熔敷效率高、连续作业稳定、焊层质量可控，已成为铸管模工作表面大面积修复的主要手段。

2、铸管模表面堆焊通常采用多道搭接与多层沉积方式。由于铸管模尺寸大、热容量大，前一道或前一层留下的余热、后续焊道的搭接再热以及道间等待时间的差异，会使后续待焊位置的温度状态呈现显著的空间分布不均。若焊接速度保持恒定，局部热积累偏高处容易出现熔深过大、晶粒粗化甚至烧穿，而热积累偏低处则可能出现熔合不足、余高偏高等成形缺陷。因此，仅依靠固定工艺参数难以保证整个修复表面的一致性。

3、现有技术中已有一些按实时温度调整焊接参数的方法，但这类方法往往只关注焊前瞬时温度，忽略了该位置在先前焊道中是否已经历过多次搭接再热或相邻焊道热影响。换言之，同一焊前温度可能对应不同的热历史：一处温度较高可能是因为刚经过搭接再热、冷却时间不足；另一处温度相近则可能是由于整体预热偏高但冷却充分。两者所需的后续热输入并不相同。因此，单纯以当前温度为唯一判据进行调速，容易出现误判。

4、此外，铸管模埋弧堆焊设备通常已配备焊接电源、旋转驱动、轴向行走和可编程控制器。若能在现有设备基础上，仅增加前置红外测温与位置编码功能，并以不依赖复杂在线热模型的查表方式实现控制，将显著降低改造成本，更便于现场推广应用。

技术实现思路

1、针对铸管模多层多道埋弧堆焊中因余热、搭接再热和冷却间隔不同导致的空间热状态差异，本发明要解决的技术问题是：提供一种可基于当前温度与该位置既往受热记录进行综合判定的分段热输入自适应控制方法，并在保持焊接电流、电弧电压及搭接关系稳定的前提下，通过调节相对行走速度实现局部热输入补偿，从而提高焊道成形的均匀性。

2、为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种铸管模埋弧堆焊热循环反馈热输入自适应控制方法，包括以下步骤：

3、s1、将铸管模待修复表面沿预定的多层多道堆焊轨迹划分为多个空间控制段，并为各空间控制段建立包含空间坐标及所属堆焊层、堆焊道信息的位置标识；

4、s2、在焊接热源到达目标空间控制段之前，获取该目标空间控制段的焊前实时温度tp，并根据所述位置标识读取与该目标空间控制段关联的历史热循环状态，所述历史热循环状态至少包括等效有效受热次数neq以及距最近一次有效受热作用的冷却时间tc；

5、s3、将焊前实时温度tp、等效有效受热次数neq和冷却时间tc分别与目标空间控制段对应的参考温度、参考等效有效受热次数和参考冷却时间进行比较，并按照预先建立的分级判定规则确定该控制段的热状态偏差量δh或热状态等级；其中，所述等效有效受热次数neq由直接焊接作用、搭接区域在热作用和相邻焊道热影响中满足有效受热判据的热作用，按各自对应的等效系数累加确定；

6、s4、在焊接电流和电弧电压处于预设稳定工艺范围的条件下，根据所述热状态偏差量δh或所述热状态等级确定目标相对行走速度v*；当所述热状态偏差量δh或所述热状态等级表征热积累偏高时提高v*，表征热积累偏低时降低v*，并对v*设置控制死区、速度上下限及速度变化率约束中的至少一种；所述相对行走速度为电弧作用点沿实际堆焊轨迹相对于工件表面的线速度；

7、s5、按照所述目标相对行走速度完成目标空间控制段的堆焊，并根据本次直接焊接作用以及后续搭接区域在热作用或相邻焊道热影响中满足所述有效受热判据的热作用，更新该空间控制段的等效有效受热次数neq和最近有效受热时刻，以供后续焊道或后续沉积层再次经过对应空间位置时评价热状态。

8、优选的，所述位置标识至少包括铸管模轴向坐标x、周向角坐标θ、层号i和道号j；其中，周向角坐标θ由装设于铸管模旋转轴的旋转编码器获得，轴向坐标x由轴向行走机构所配编码器、位移传感器或伺服反馈获得。

9、优选的，焊前实时温度tp通过布设于焊接热源运动方向前方的非接触式温度检测装置获取，所述温度检测装置的检测区域位于焊剂覆盖区域之前；连续采集的温度数据经异常值剔除以及平均滤波或中值滤波处理后作为所述焊前实时温度tp。

10、优选的，所述等效有效受热次数neq按下式确定：

11、，

12、式中，为第k类有效受热作用的发生次数，为第k类有效受热作用对应的等效系数，m为有效受热作用类型的总数；所述有效受热判据根据控制段达到预设特征温度、进入预设搭接区域或进入热影响邻域中的至少一种条件确定。

13、优选的，所述历史热循环状态还包括历史峰值温度tmax和超过预设特征温度t*的累计高温时间t0中的至少一种；在具备连续温度历史采集条件时，将tmax和/或t0作为热状态偏差量δh的附加修正项参与分级判定。

14、优选的，所述热状态偏差量δh或热状态等级由控制单元采用分级查表、规则判断或加权评分中的至少一种方式，依据tp、neq和tc与对应参考值的比较结果确定，并可根据层号、道号和搭接关系调用不同的分级判定表。

15、优选的，对目标相对行走速度v*设置控制死区、滞回区、速度上限vmax、速度下限vmin及速度变化率限制；当热状态偏差量δh落在控制死区内时，保持基准相对行走速度v0不变。

16、优选的，对于由铸管模旋转与焊接机头轴向进给形成的螺旋堆焊轨迹，在改变相对行走速度时，按照预定的螺距或搭接率同步调整铸管模周向线速度和轴向进给速度，使螺距或搭接率保持在预设允许范围内。

17、优选的，当温度检测、位置反馈、历史热循环数据或速度执行信号异常时，停止继续扩大速度补偿，并使相对行走速度回退至预设基准速度v0或暂停焊接。

18、本发明还提供一种铸管模埋弧堆焊热输入自适应控制系统，包括铸管模旋转机构、埋弧堆焊机头、轴向行走机构、焊前温度检测装置、位置检测单元、控制单元和速度执行机构；所述控制单元被配置为：沿实际堆焊轨迹建立空间控制段及其位置标识，存储各空间控制段的等效有效受热次数neq和最近有效受热时刻，将焊前实时温度tp、neq和冷却时间tc与预存的参考值进行比较并查表确定目标相对行走速度，并在焊接作用后更新对应空间控制段的历史热循环状态；所述速度执行机构包括铸管模旋转驱动器和轴向行走驱动器，所述控制单元按照目标相对行走速度及预定螺距或搭接率向两驱动器输出协调的速度指令。

19、本发明的技术效果和优点：

20、1、与固定速度或仅按瞬时温度调速的现有方法相比，本发明将待焊位置的当前温度与该位置已经发生的有效受热记录同时纳入控制，可对多层多道堆焊中的局部热积累差异进行分段补偿。通过等效有效受热次数neq和冷却时间tc的引入，控制判据能够区分“当前温度高但热历史轻”与“当前温度相近但热积累重”两种不同情形，从而减少误判。

21、2、本发明以相对行走速度为主要执行变量，在保持焊接电流和电弧电压稳定的同时调节单位长度热输入，不改变原有电弧稳定性和熔滴过渡状态，有利于保持工艺稳定性。螺旋堆焊时通过两轴协同调速，可在调节局部热输入的同时维持螺距或搭接率不变，避免因速度补偿破坏焊道搭接关系；控制过程主要依赖红外测温、编码定位、plc查表、变频器或伺服驱动等成熟部件，不要求在线求解复杂热传导模型，便于在现有铸管模埋弧堆焊设备上改造实施，并有助于减小局部过热、热输入不足和焊道成形波动，提高再制造质量一致性。