本发明涉及k-tig焊接，具体为一种k-tig多位置焊接熔透控制系统及方法。
背景技术：
1、锁孔效应钨极惰性气体保护焊(k-tig焊)是传统tig焊的一种创新。k-tig焊是一种高效率的深熔焊接技术，当在焊接过程中输入足够的热量来熔化被焊接件时，会在焊缝形成锁孔。锁孔的形成可以在被焊工件的表面和内部之间形成一个狭窄的通道，可以直接将能量传递到焊接接头，提高能量传递效率。只要工件处于熔透的状态，在整个焊接过程中，锁孔将能稳定地存在。k-tig焊接过程中的熔透状态对焊接质量有着巨大的影响，在保证焊接过程中时刻存在稳定的锁孔处于熔透状态，能获得更好的焊接质量。
2、现有的k-tig焊接系统通常包括焊接电源、k-tig焊枪、氩气瓶、冷却水箱和机器人等，其中焊接电源用于设置焊枪的焊接电流、机器人用于设置k-tig焊枪的焊接速度。对于平焊，即焊接角度为0°时，现有的k-tig焊接系统通过改变焊接电流和焊接速度等焊接参数，就能在焊接过程中形成稳定的锁孔，达到稳定的熔透状态。但是当焊接的角度发生改变后，例如在进行大型圆形储罐的焊接或者在垂直工件焊接的场景时，由于重力的影响，在k-tig焊接过程中，熔池发生向重力方向下淌的现象，难以形成稳定的锁孔和熔透状态，导致焊缝成形受到影响，焊接成形后的焊缝出现咬边的现象，同样会影响焊接接头的机械性能。
技术实现思路
1、针对现有技术中存在的问题，本发明的目的是：提供一种k-tig多位置焊接熔透控制系统及方法，能够抑制多角度焊接过程中的熔池下淌，有利于形成稳定的锁孔和熔透状态，提升焊缝成形效果。
2、为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
3、一种k-tig多位置焊接熔透控制系统，包括焊接系统；
4、焊接系统包括磁场装置和与磁场装置同轴安装的k-tig焊枪，以及连接在k-tig焊枪上的焊接电源；
5、磁场装置包括铁芯和线圈，铁芯套设于k-tig焊枪上，线圈缠绕在铁芯上，线圈两端外接有直流电源，通过直流电源调节输出电流以改变磁场装置在k-tig焊枪尖端产生磁场的磁场强度，进而通过磁场与熔池中流过的电流相互作用产生与重力方向相反的洛伦兹力，抑制k-tig倾斜焊接过程中熔池下淌的趋势。
6、进一步，还包括声音信号采集系统和控制系统，声音信号采集系统用于实时采集焊接过程中的电弧声信号并进行模数转换传入控制系统，控制系统用于对电弧声信号进行预处理和识别，确定当前焊接过程的实时熔透状态，再根据实时熔透状态调节焊接电源的电流大小从而影响焊件表面的热输入来控制焊缝始终处于稳定的正常熔透状态，进而保证良好的焊缝成形和焊缝性能。
7、进一步，声音信号采集系统包括传声器、供电器和数据采集卡，传声器安装于与焊接工件平面呈一定夹角的锥面上，供电器用于为传声器供电，同时将采集到的声音信号进行放大后传入数据采集卡，数据采集卡连接于控制系统。
8、进一步，控制系统包括工控机和plc，工控机分别连接于数据采集卡和plc，用于运行训练好的tf-cnn神经网络实时识别焊接过程中的熔透状态并将识别结果通过模糊控制的策略和plc控制调节焊接系统的电流大小，其中，tf-cnn网络模型由依次连接的输入层、第一自注意力机制层、第一池化层、第二自注意力机制层、第二池化层、注意力机制模块、全连接层和输出层构成。
9、一种k-tig多位置焊接熔透控制方法，包括以下步骤，
10、将磁场装置的铁芯套设于k-tig焊枪上，线圈缠绕在铁芯上，线圈两端外接直流电源；在焊接前，根据焊接工件的倾斜角度不同，调节直流电源的输出电流，改变磁场装置在k-tig焊枪尖端产生磁场的磁场强度，进而通过磁场与熔池中流过的电流相互作用产生与重力方向相反的洛伦兹力，抑制k-tig倾斜焊接过程中熔池下淌的趋势。
11、进一步，焊接过程包括以下步骤，
12、s1，采集数据，调节焊接系统中的焊接参数，采集到k-tig焊多位置下不同熔透状态的电弧声信号，形成电弧声信号数据库；
13、s2，预处理，对采集到的k-tig多位置焊接过程中的电弧声信号进行预处理；
14、s3，训练模型，将预处理后的电弧声信号数据库作为输入量，对改进后的tf-cnn神经网络模型进行模型训练，建立适用于k-tig多位置焊接下熔透识别的tf-cnn神经网络；
15、s4，实时控制过程，实时采集k-tig多位置焊接过程中的电弧声信号，并将电弧声信号传入控制系统中，重复s2的预处理过程，然后通过s3建立的适用于k-tig多位置焊接熔透识别的tf-cnn神经网络模型，实时识别焊接过程中的熔透状态并通过模糊控制的方法对焊接电流进行闭环控制。
16、进一步，调节的焊接参数包括焊接电流、焊枪尖端磁场强度、焊接速度和焊接工作台角度，其中焊接电流的调节范围为420a-600a，焊接速度的调节范围为3mm/s-4mm/s，焊接工作台角度的调节范围为0-90°，在焊接前，根据焊接工件的倾斜角度的不同，通过调节直流电源的输出电流，改变磁场装置在k-tig焊枪尖端产生磁场强度的调节范围为0-50mt，最终得到在平焊和横焊之间不同焊接角度下正常熔透、过熔透和未熔透三种熔透状态下的电弧声信号形成电弧声信号数据库。
17、进一步，对电弧声信号进行预处理包括，首先去除零点漂移，截取起弧前10s时间段的声信号，通过均值计算出零点漂移直流分量，从整体信号中去除漂移量；然后利用改进谱减法对采集到的电弧声信号进行降噪处理，将起弧前的声信号定义为环境噪声，起弧后采集到的的声信号可以看作起弧前的环境噪声和纯净电弧声的耦合，所述改进谱减法是在含噪信号功率谱中减去噪声功率谱，以得到较为纯净的声信号；再利用汉宁窗对降噪后的声音号进行分帧处理，以50ms为一帧，相邻帧之间存在一定的重叠部分，最后得到多段长度为50ms的多位置k-tig焊接过程中的电弧声信号。
18、进一步，将预处理后的多位置k-tig焊接过程中的电弧声信号段落，分为未熔透、正常熔透、过熔透三种熔透状态打上标签，再按照8:2的比例分配为训练集和验证集，对改进后的tf-cnn网络模型进行模型训练，建立适用于k-tig焊接电弧声信号熔透识别的tf-cnn网络模型。
19、进一步，模糊控制方法包括，以当前焊接位置的熔透状态量作为输入量，其中过熔透状态为-1，正常熔透状态为0，未熔透状态为1，令当前时刻的识别到的熔透状态为s(t),前三个时刻识别到的熔透状态分别为s(t-3),s(t-2),s(t-1),取值范围为[-1,1]划分为3个模糊集，分别为ns(负小),zo(零),ps(正小)，计算当前时刻的前三个时刻的状态和σs(t)＝s(t-3)+s(t-2)+s(t-1)，取值范围为[-3,3]，划分为7个模糊集,分别为nb(负大),nm(负中)，ns(负小),zo(零),ps(正小),pm(正中),pb(正大)，将输出量i(t)的取值范围设为[-14,14]，划分为7个模糊集，分别为nb(负大),nm(负中)，ns(负小),zo(零),ps(正小),pm(正中),pb(正大)，对s(t)、σs(t)进行模糊化，采用高斯隶属函数作为隶属度函数，根据模糊化后的熔透状态隶属度向量σs(t)和s(t)作为输入进行模糊推理，得到电流的隶属度向量i(t)，采用最大隶属度法对i(t)进行解模糊得到焊接电源电流控制量δi(t)作为输出，再将利用模糊控制规则输出的焊接电源电流控制量δi(t)发送到plc，利用plc操控电磁继电器的开关，多次触发焊接电源的电流调节开关，对焊接过程中的电流进行实时调节以使焊接过程中的焊缝质量满足要求。
20、总的说来，本发明具有如下优点：
21、本发明通过在k-tig焊枪上设置磁场装置，焊接时，磁场装置的线圈能够在k-tig焊枪尖端产生轴向磁场，改变直流电源的输出电流大小就可以改变磁场装置在k-tig焊枪尖端产生磁场的磁场强度，通过磁场与熔池中流过的电流相互作用产生与重力方向相反的洛伦兹力，从而抑制倾斜角度的k-tig焊接过程中熔池下淌的趋势，有利于提升焊缝成形效果和焊缝质量。同时在实时焊接过程中通过改进的tf-cnn神经网络对熔透状态进行识别，进而利用模糊控制的策略控制焊接系统中焊接电源的电流大小来控制实时焊接过程中施加在焊件表面的热输入大小，从而形成稳定的锁孔，使焊接过程中始终处于稳定熔透状态，使焊接过程中的焊缝质量满足要求。
1.一种k-tig多位置焊接熔透控制系统，其特征在于：包括焊接系统；
2.根据权利要求1所述的一种k-tig多位置焊接熔透控制系统，其特征在于：还包括声音信号采集系统和控制系统，声音信号采集系统用于实时采集焊接过程中的电弧声信号并进行模数转换传入控制系统，控制系统用于对电弧声信号进行预处理和识别，确定当前焊接过程的实时熔透状态，再根据实时熔透状态调节焊接电源的电流大小从而影响焊件表面的热输入来控制焊缝始终处于稳定的正常熔透状态，进而保证良好的焊缝成形和焊缝性能。
3.根据权利要求2所述的一种k-tig多位置焊接熔透控制系统，其特征在于：声音信号采集系统包括传声器、供电器和数据采集卡，传声器安装于与焊接工件平面呈一定夹角的锥面上，供电器用于为传声器供电，同时将采集到的声音信号进行放大后传入数据采集卡，数据采集卡连接于控制系统。
4.根据权利要求3所述的一种k-tig多位置焊接熔透控制系统，其特征在于：控制系统包括工控机和plc，工控机分别连接于数据采集卡和plc，用于运行训练好的tf-cnn神经网络实时识别焊接过程中的熔透状态并将识别结果通过模糊控制的策略和plc控制调节焊接系统的电流大小，其中，tf-cnn网络模型由依次连接的输入层、第一自注意力机制层、第一池化层、第二自注意力机制层、第二池化层、注意力机制模块、全连接层和输出层构成。
5.权利要求1-4任一项所述的一种k-tig多位置焊接熔透控制系统的方法，其特征在于：包括以下步骤，
6.根据权利要求5所述的一种k-tig多位置焊接熔透控制方法，其特征在于：焊接过程包括以下步骤，
7.根据权利要求6所述的一种k-tig多位置焊接熔透控制方法，其特征在于：调节的焊接参数包括焊接电流、焊枪尖端磁场强度、焊接速度和焊接工作台角度，其中焊接电流的调节范围为420a-600a，焊接速度的调节范围为3mm/s-4mm/s，焊接工作台角度的调节范围为0-90°，在焊接前，根据焊接工件的倾斜角度的不同，通过调节直流电源的输出电流，改变磁场装置在k-tig焊枪尖端产生磁场强度的调节范围为0-50mt，最终得到在平焊和横焊之间不同焊接角度下正常熔透、过熔透和未熔透三种熔透状态下的电弧声信号形成电弧声信号数据库。
8.根据权利要求6所述的一种k-tig多位置焊接熔透控制方法，其特征在于：对电弧声信号进行预处理包括，首先去除零点漂移，截取起弧前10s时间段的声信号，通过均值计算出零点漂移直流分量，从整体信号中去除漂移量；然后利用改进谱减法对采集到的电弧声信号进行降噪处理，将起弧前的声信号定义为环境噪声，起弧后采集到的的声信号可以看作起弧前的环境噪声和纯净电弧声的耦合，所述改进谱减法是在含噪信号功率谱中减去噪声功率谱，以得到较为纯净的声信号；再利用汉宁窗对降噪后的声音号进行分帧处理，以50ms为一帧，相邻帧之间存在一定的重叠部分，最后得到多段长度为50ms的多位置k-tig焊接过程中的电弧声信号。
9.根据权利要求8所述的一种k-tig多位置焊接熔透控制方法，其特征在于：将预处理后的多位置k-tig焊接过程中的电弧声信号段落，分为未熔透、正常熔透、过熔透三种熔透状态打上标签，再按照8:2的比例分配为训练集和验证集，对改进后的tf-cnn网络模型进行模型训练，建立适用于k-tig焊接电弧声信号熔透识别的tf-cnn网络模型。
10.根据权利要求9所述的一种k-tig多位置焊接熔透控制方法，其特征在于：模糊控制方法包括，以当前焊接位置的熔透状态量作为输入量，其中过熔透状态为-1，正常熔透状态为0，未熔透状态为1，令当前时刻的识别到的熔透状态为s(t),前三个时刻识别到的熔透状态分别为s(t-3),s(t-2),s(t-1),取值范围为[-1,1]划分为3个模糊集，分别为ns(负小),zo(零),ps(正小)，计算当前时刻的前三个时刻的状态和σs(t)＝s(t-3)+s(t-2)+s(t-1)，取值范围为[-3,3]，划分为7个模糊集,分别为nb(负大),nm(负中)，ns(负小),zo(零),ps(正小),pm(正中),pb(正大)，将输出量i(t)的取值范围设为[-14,14]，划分为7个模糊集，分别为nb(负大),nm(负中)，ns(负小),zo(零),ps(正小),pm(正中),pb(正大)，对s(t)、σs(t)进行模糊化，采用高斯隶属函数作为隶属度函数，根据模糊化后的熔透状态隶属度向量σs(t)和s(t)作为输入进行模糊推理，得到电流的隶属度向量i(t)，采用最大隶属度法对i(t)进行解模糊得到焊接电源电流控制量δi(t)作为输出，再将利用模糊控制规则输出的焊接电源电流控制量δi(t)发送到plc，利用plc操控电磁继电器的开关，多次触发焊接电源的电流调节开关，对焊接过程中的电流进行实时调节以使焊接过程中的焊缝质量满足要求。
