基于超声技术的焊接熔深测试研究可行性研究报告.docx
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基于超声技术的焊接熔深测试研究可行性研究报告
基于超声技术的焊接熔深测试研究
可行性研究报告
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一、选题的必要性
1、项目所处技术领域产业政策；
项目所处技术领域为材料加工工程领域，目前江西省正大力发展制造业信息化、自动化，提升技术含量，同时提倡加强劳动保护，改善工人劳动条件。
具体来说，项目的研究内容与材料加工工程中的焊接加工密切相关。
众所周知，焊接弧光辐射会伤害眼睛，手工焊接劳动强度极大，对于重要件的焊接，也很难保证焊接质量。
基于超声技术焊接熔深测试研究的内容，对于保证焊接质量，实现焊接自动化，降低工人劳动强度，改善工人劳动条件，提高生产效率具有重要的意义。
（具体立项必要性和项目意义可参见项目申报书立项依据内容）
2、项目所处技术领域技术发展现状；
（1）国内外研究现状及发展趋势
熔深检测与控制技术是保证焊接质量与实现焊接自动化的关键因素，是焊接自动化和焊接机器人研究发展的基础，因此，各工业发达国家给予了高度的重视，国内外对此都开展了大量的研究。
清华大学潘际銮院士采用线性电荷耦合器件（CCD）及光纤从焊缝背面检测熔透度信息，继而又采用面阵CCD创造了比色求温度场的方法，通过实时检测温度场达到了闭环控制焊接熔透的目的。
南昌大学张华教授通过ICCD实测焊接工件背面温度厂热图像，发展了焊缝偏差和熔深识别集成智能控制系统。
哈尔滨工业大学陈善本教授和吴林教授等采用CCD摄取熔池图象信息，通过自学习模糊神经网络，对脉冲钨极气体保护电弧焊（GTAW）的熔池尺寸（主要为熔宽）进行控制，试验表明该方法有效地提高了焊缝成形质量。
华南理工大学黄石生教授通过建立焊缝质量神经网络数学模型实现了熔池尺寸的控制和熔深的检测。
荷兰的AENDENROOMERA.J.R.等人利用附加脉冲电流引起熔池振荡，研究了振荡频率峰值与焊缝熔透程度即熔深之间的关系，找出了未熔透、全熔透和过熔透状态与熔池振荡频率之间的内在规律，实现了脉冲GTAW的熔深监控。
美国的LANKALAPALLIK.采用红外敏感元件对焊接温度场进行检测，并建立了焊接过程的动、静态模型，构成了一个激光焊闭环熔深估计器，为熔深自动控制提供了一种新的方法。
美国的CHRISSTNERB.K.设计了一种自适应控制方法，通过调整电弧电压实现了钨极氩弧焊（TIG焊）熔深的在线控制。
上海交通大学的齐志扬教授针对熔透控制这类大时滞系统，研究了一种动态矩阵控制法，并应用其预测性进行熔深控制，克服了熔深传统比例积分微分（PID）控制方法易引起系统振荡的缺点。
上海交通大学何德孚教授对焊接熔池振荡检测及焊缝成形的自适应控制进行了研究。
另外，还有利用熔池穿透时电弧的声频讯号进行熔深检测的声电法，利用在等离子弧焊、埋弧焊以及MAG焊图挨肩下利用穿透熔池时的电弧的导电性的弧焰接触导电法，声发射法和基于电弧参数、坡口尺寸的前馈控制法以及红外检测法等。
上述方法均为焊缝熔深控制提供了有力的工具，由于焊缝熔深难以在实时条件下直接检测，因此这些方法基本上都是通过对相关量的间接检测而实现的。
而焊接过程是一个典型的非线性、强耦合、时变和不确定的多变量复杂系统，这给焊缝熔深特征信息的实时提取带来了一定的困难。
对于焊接温度场方法测量熔深，如果采用光纤传感器需要事先埋入光纤，成本较高，对于焊接自动化过程很难具备通用性；如果采用红外传感方法，通过温度场分析来测量熔深，给测量实时性和精度的提高增加了困难。
对于视觉方法测量熔深，由于焊接弧光干扰，以及图像处理数据量较大，同样难以提高测量实时性和测量精度。
对于电弧传感测量熔深，由于采用焊接过程自身传感器测量熔深具有一定的优势，但由于受焊接过程非线性、强耦合、时变和不确定、多因素特点影响，在精度上存在一定的缺陷。
基于超声技术的焊接熔深检测方法，通过利用超声技术检测熔深界面的反射信息，直接获得熔深深度，由于处理数据量较少（只处理界面反射信号峰值和声速信息），且不受焊接过程弧光、非线性、强耦合等因素的影响，因此，具有巨大的优势和重要的研究价值。
国外上世纪八十至九十年代曾进行了这方面的初步研究，获得了一定的研究成果。
但由于受超声技术和信号处理技术以及硬件速度的限制，使得测试精度和实时性还有待提高。
总的来说，近几年来世界各国对熔深检测的研究和开发主要集中在焊缝熔深检测传感器的研制方面，包括电弧传感器、视觉传感器、温度传感器、拾音传感器和超声波传感器等。
超声波传感器作为外部传感器直接测量熔透深度，具有不受焊接过程自身的非线性、强耦合等复杂因素影响的特点（不象电弧传感器受焊接过程自身影响较大），并且直接测量熔透深度，快捷迅速，随着超声技术和信号处理技术的发展，必将凸显她的优势
（2）应用前景
本研究的成果可以应用于焊接过程熔深检测和焊接质量实时控制，对于焊接自动化技术和焊接质量控制技术具有重要的意义。
（1）焊缝熔深超声实时检测模型的建立，可以直接应用于焊接熔深测试和焊接质量控制，特别适合于变化焊接条件或者险恶环境下（如深水下）的焊接质量检测控制；
（2）超声熔深检测传感器的耦合介质是水，可以直接应用于目前研究热点之一的水下焊接的熔深检测与质量控制。
对于常规陆上焊接，可以在超声传感器端部安装喷头，可以同样达到水耦合的目的，用于常规焊接熔深检测与质量控制。
（3）研究中的水－工件接触为边界条件的焊接温度场分析可以应用于水下焊接技术及焊缝形成与质量分析，同时可以为其他特殊情况下的焊接温度场分析提供借鉴与参考。
3、项目技术先进性，对相关领域技术进步的推动作用；
项目的技术先进性在于运用超声无损检测技术及相关方法（包括现代信号处理技术、特殊边界焊接温度场分析等），对焊接熔深进行实时可靠检测，克服了传动方法焊接熔深检测方法易受焊接过程干扰及很难实现实时性的特点。
对相关领域技术进步的推动作用主要表现在：
（1）对于焊接加工领域：
焊接熔深检测与控制技术是焊接自动化领域研究的热点与难点，对于保证焊接质量，实现焊接自动化具有重要的意义。
由于焊接过程是一个非线性、强耦合、时变和不确定的多变量复杂系统，焊接熔深的实时和高精度测量是一件非常困难的事情。
基于超声技术的焊接熔深检测借助于现代超声技术与信号处理技术的发展，对于焊接熔深进行实时直接检测，摒弃了一些传统方法受焊接过程或弧光干扰的缺点，对于保证焊接质量和焊接自动化研究具有极其重要的参考价值，对于目前研究热点之一的水下焊接研究也具有积极的促进作用（而且还可以直接将成果应用于江西省科技攻关项目“水下焊接机器人”上）。
（2）对于超声无损检测技术领域：
无损检测技术的发展及应用相对于国外还存在着很大的差距，超声无损检测技术在焊接熔深实时检测中的应用研究（包括熔深界面超声信号反射特点分析、超声信号处理技术、信号反射增强研究、超声硬件应用等）和有益探索，必将促进我国超声无损检测应用技术的发展，提升无损检测人员的科研兴趣。
4、项目目前进展情况。
（1）项目所用的超声检测设备目前正签订合同，所用导轨式焊接机器人已研制成功，目前正进行超声波传感器夹持机构（焊接夹具）的设计加工工作。
（2）项目中所用的超声波传感器已联系好了生长厂家，以及热电偶、焊接原材料板、焊丝待经费到位后，就可直接进行购买。
目前所进行的工作主要是检测平台的搭建工作。
二、技术方案论述
1、项目技术关键点或创新点论述，项目完成时达到的技术水平；
（1）拟解决的关键问题
超声熔深检测是焊缝熔深检测的一种重要手段，关键在于提取熔深界面的超声反射信息以及所经历的相应超声渡越时间。
但由于熔深界面的不规则性或固液界面不明显，会引起干扰或减弱超声反射信号，声束直径大小也会产生测试影响，拟解决的关键问题之一即使得声束能量集中，提高反射信号强度，以及相应的超声信号除噪及增强技术。
由于超声波在不同温度范围的金属内传播速度不一样，而焊接过程是一个非平衡、强耦合、瞬变的复杂过程，由熔池底部到工件表面，存在着很大的温度梯度分布。
拟借助有限元法和热电偶实测数据建立准确的所应用焊接方法的焊接温度场分布模型，尤其得到超声波传播方向上的温度梯度分布。
由于超声波在温度梯度分布较大的焊接温度场内传播，传播速度在同一材料的不同温度下存在着变化，需解决在不同温度超声传播特性变化情况下的距离测定问题。
拟通过超声传播实验实测数据，获得超声波在温度场内的传播模型和声速变化规律，以解决该情况下的距离测定问题。
焊接熔深的实时检测是焊接熔深检测的难点之一，项目拟借助高速卡式超声发射采集系统及超声焊接熔深测试模型，实现焊接熔深实时在线检测。
（2）创新点与主要特色
创新点：
据作者所查阅资料，I.在国内首次采用超声方法进行焊接熔深检测，并借助于现代超声技术和信号处理技术的发展，得到精确可靠的熔深信息，进行熔深实时检测。
II.在国内首次将超声信号和焊接温度场温度梯度相结合，进行焊接熔深测定，提高熔深测试精度。
并进行水－工件特殊边界条件下（焊接领域研究热点之一的水下焊接）的焊接温度场分析。
特色：
本项目的特色在于利用超声无损检测方法进行焊接熔深检测，该方法可直接测量熔池熔透深度，丰富了焊接熔深测量手段，其实时检测性，更有利于焊接质量控制，对于焊接自动化以及生产实践具有重要的意义。
（3）项目完成时达到的技术水平
项目完成时达到的技术水平在超声焊接熔深检测方面属于国内领先，填补国内超声焊接熔深实时在线检测空白。
2、项目技术方案论述：
生产技术、工艺流程、主要技术参数；
（1）熔深超声检测系统
熔深超声检测系统原理如图1所示，系统主要有工控机、导轨式焊接机器人、超声卡等部分组成，工控机主要通过运动控制卡、驱动控制器等完成对导轨式焊接机器人的运动控制，同时，通过超声卡、超声波换能器控制超声波发射、接收电路，实现超声波的发射与接收，以及超声信号的分析与处理。
系统中导轨式焊接机器人是实验室已研制成功的产品，如图2所示，其通过电焊机控制系统、十字滑块可以实现水下、水上焊接控制以及焊缝跟踪。
超声卡采用具有PCI接口的超声波发射接收板卡PCIUT3100，该设备是学校211建设购置设备，如图3所示。
它集数据采集、模数转换于一体，采样频率可高达100MHz，除可快速的计算和得到熔深信息外，还可用于熔深界面超声反射信号的分析。
系统中主要完成超声波的发射、接收，模数转换，数据采集等功能。
超声波换能器是声电转换传感器，可以实现声电信号转换，由电信号产生超声波进入工件，并将工件反射回的超声波信号转换为电信号。
超声波换能器通过设计的焊接夹具结构，可以和导轨式焊接机器人焊枪保持同步运动，其相对位置关系如图4中所示。
系统通过控制导轨式焊接机器人和超声发射、接收装置，通过信号分析处理，实现焊接熔深的实时检测。
图1熔深超声检测系统简图
图2导轨式焊接机器人
图3PCIUT3100超声卡
（2）熔深超声检测原理
熔深超声检测原理简图如图4所示，超声波换能器（探头）产生的超声波信号进入工件内部，当遇到焊接熔池底部固液界面时，由于已熔金属和未熔金属的声阻抗不一样，超声波将产生反射和透射。
反射的超声波信号经过超声波换能器、超声卡进入到计算机。
利用超声波反射信号所经历的渡越时间和超声波在焊接工件中的传播声速，就可以得到熔池熔深信息。
图中水既可作为超声波换能器与工件间存在微小间隙时的耦合剂，同时又可作为焊接温度场分析时的边界条件和对流条件。
针对不同的焊接方式可选择不同形式的超声波换能器，如小直径直探头，不同角度的斜探头等，根据需要可以放置在工件底部或工件上部熔池两侧。
对于陆上常规焊接，则需要在超声波换能器端部安装喷射头，在焊接过程中边随超声波换能器和焊枪运动，边进行喷水，可以达到同样的效果和目的。
（图4中未画斜探头复杂路径情况和喷水情况）
1工件2入射超声波信号3焊枪4熔池
5水6反射超声波信号7超声波换能器
图4熔深超声检测原理简图
（3）焊接温度场分析和不同温度声速实验
由于超声波在同一材料不同温度范围内的传播速度不一样，而焊接过程是一个非平衡、强耦合、瞬变的复杂过程，由熔池底部到工件表面，存在着很大的温度梯度分布，所以要进行焊接温度场分析和不同温度声速实验。
焊接温度场分析拟采用有限元法进行理论建模，并借助热电偶实测数据建立准确的焊接温度场分布模型，尤其得到超声波传播方向上的温度梯度分布。
常规焊接温度场分析本实验室已有研究基础，已经从事过焊接温度场数值模拟的江西省自然基金科研工作。
我们可结合实验方案水下焊接以及喷水情况下陆上焊接的实际情况，进行重新建模和实测温度场数值修正，得到水－工件边界条件焊接温度场分布及超声波传播方向上的温度梯度分布。
在低碳钢焊接材料不同温度声速实验，拟采用在热处理加热炉中对焊接工件试样进行加热，利用超声波换能器、超声卡、固态耦合剂，通过超声卡采集工件反射信号的渡越时间和已知的工件试样厚度，进行不同温度的试样声速检测。
利用所得到焊接温度场温度分布和不同温度的超声波传播声速数值，通过焊接熔深超声测试模型和温度梯度声速修正，就可以得到准确的焊接熔深信息，达到测定熔深，控制焊接质量的目的。
3、项目技术质量指标：
项目产品达到的主要技术性能指标、执行的质量标准、通过的国家相关行业许可认证等；
项目预期目标（指标）主要为：
（1）获得弧焊熔深界面超声反射信号特点和增强界面超声反射信号的方法，以提高焊缝熔透测试精度。
（2）获得水－工件边界条件弧焊过程温度场分布特点及在超声波传播方向上的焊接温度梯度分布。
（3）获得基于温度梯度和超声反射传播方法的焊缝熔透测试模型和计算公式。
（4）获得准确的测试数据和实用的测试方法，为焊接熔透及焊接质量控制研究提供基础。
（5）获得实验检测系统，为企业开发类似系统提供支持或直接借鉴或直接为企业开发类似系统。
预期目标成果形式为测试数据、研究报告和科研论文。
（1）提供实验测试数据，该数据为焊接熔深分析、超声传播特性、焊接温度场分布特征提供理论分析依据和实践参考依据；
（2）针对超声焊接熔深测试实验和理论测试模型提供研究分析报告；
（3）国家一级期刊或国际学术会议发表3篇以上被SCI、EI或ISTP收录的学术论文。
4、分阶段描述项目执行过程中各阶段目标；
第一阶段（2007.01-2007.08）：
焊接熔深超声检测平台（系统）的搭建完成。
焊接熔深超声检测系统的搭建完成包括超声系统的搭建调试、导轨式焊接机器人的调试、超声波传感器（换能器）的到位调试、超声波传感器夹持机构（焊接夹具）的设计加工完成。
第二阶段（2007.09-2008.07）：
超声熔深检测实验，焊接温度场分析实验，熔深检测破坏性实验，超声熔深检测建模。
此阶段内容主要包括各种实验和数据分析。
第三阶段（2008.08-2008.09）：
综合分析完善完成超声熔深检测建模和检测公式。
此阶段内容主要包括综合分析和检验，得到最终模型和检测公式。
第四阶段（2008.10-2008.12）：
撰写研究报告，进行项目的鉴定推广工作。
此阶段内容主要为项目总结和进行鉴定工作。
5、项目经费预算情况：
项目投资总额、项目已完成投资、项目须新增投资及投资构成和投资预算、申请科技三项经费的使用预算（见附表）。
三、项目实施支撑条件
1、项目技术来源；
本项目的研究属于交叉学科，一部分技术基础是申请人在浙江大学读博士期间所进行研究的部分内容，主要是关于超声检测理论和超声检测技术；另一部分技术基础是实验室长期从事的研究领域，包括焊接熔深检测理论和焊接自动化的研究内容以及焊接温度场分析内容，实验室已完成过有关此方面的多个科研项目，但此次是从一个全新的角度进行的研究（包括焊接熔深超声检测、水－工件边界条件的焊接温度场分析以及基于超声技术的焊接熔深及焊接质量控制）。
2、项目实验、检测条件；
目前实验室基本已具备了超声检测系统条件（如超声卡、工控机等），但需要进一步搭建（搭建实验平台属于项目研究内容）；对于焊接实验条件及熔深破坏性检测条件也已基本具备（如电焊机、导轨式焊接焊接机器人、伺服电机及其驱动控制器、金相显微镜、锯切机、磨抛机等），但还尚缺一些具体的实验材料；对于不同温度低碳钢焊接材料声速实验和协作单位共同协作完成。
3、项目申请单位人才资源情况：
技术人员总数、中高级技术人员比例；
申请人所在的实验室是江西省重点实验室，从事过焊接自动化方面国家863、973、国家自然基金等多项国家级课题和省部级课题，形成了一个严谨高效的科研梯队，既有经验丰富、造诣身后的院士、博导、教授、副教授，又有干劲足，活力四射的硕士研究生和博士研究生，目前研究梯队中有院士1人，博导（教授）1人，副教授3人，高级工程师1人，博士后3人，博士研究生6人，硕士研究生12人。
4、项目组人员专业结构、职称结构；
项目组人员专业、职称结构可见项目申请书“项目组人员情况表”，具体构成如下：
职称结构：
项目组共有副教授1名，研究员级高级工程师1名，高级工程师1名，博士生2名（其中1名既是高级工程师，又是博士研究生），研究生3名（其中1名，既是工程师，又是研究生）。
所学专业结构：
机电工程4名，无损检测1名，控制工程1名，电子工程1名。
5、项目新增投资筹集情况。
项目已进行了设备投资的前期工作，目前正进行科研攻关的研究内容，新增投资拟申请市科技局科研攻关基金支持。
四、项目预期经济效益
1、预期市场需求；
自动化焊接生产线、特殊环境情况下焊接（如水下钻井平台、水下船体）以及重要质量焊接场合和焊接质量研究场合，迫切需要熔深实时检测技术
2、预期盈利水平；
技术成熟后可以直接出售技术或出售检测系统，双项皆可获得较大盈利。
3、预期产业化前景；
属于技术攻关型，可以出售技术，也可出售检测系统。
4、项目实施风险分析。
项目新增投资仅3万余元，且项目研究已具备工作基础和设备仪器基础，所以基本无风险。
五、项目预计社会效益、环境效益
1、对社会发展的作用；
焊接是最为古老、应用最为广泛的加工方法之一，也是现代制造工业中最重要的工艺技术之一，据统计，目前发达国家的焊接结构用钢超过其本国钢产量的60%，而我国也有近40%的钢结构是通过焊接来完成的。
焊接质量直接决定着产品的内在和外观质量，焊接熔深检测与控制技术是保证焊接质量与实现焊接自动化的关键因素，其测试精度和实时性一直焊接熔深检测的难点。
本项目的目的就是借助于超声技术和现代信号处理技术的发展，得到基于超声技术的焊接熔深实时检测方法，并达到较高的精度，为焊接质量研究与保证焊接质量以及实现真正焊接自动化提供基础，因此，对社会的发展、对焊接行业及焊接自动化的发展，必将起到积极的促进和推动作用。
1．可以助于实现焊接自动化，提高生产效率。
项目的完成，可以实时检测熔深，有助于焊接质量控制，实现焊接真正自动化。
2．可以降低工人劳动强度，改善工人工作条件。
众所周知，焊接弧光辐射会伤害眼睛，而且手工焊接劳动强度极大，对于重要件的焊接，也很难保证焊接质量。
熔深检测与控制技术的实现，可以很好的保证焊接质量，实现焊接自动化，可以降低工人劳动强度，改善工人工作条件。
3．可以保证焊接质量，减少焊接废件的产生，有利于节约资源，保护环境。
焊接质量不合格，会造成焊接废件，即使补焊也会造成焊接成本（人力、物力）的增加。
焊接熔深检测与控制，可以保证焊接质量，减少焊接成本，节约资源。
4．焊接熔深的识别检测，可以推广应用到焊接生产线或焊后熔深检测，不需要做破坏性金相观测，提高了检测效率，节约了检测成本。
2、对资源利用情况；
焊接熔深实时检测与控制技术的实现，可以保证焊接质量，减少焊接废件的产生，有利于节约资源，保护环境。
焊接质量不合格，会造成焊接废件，即使补焊也会造成焊接成本（人力、物力）的增加。
焊接熔深检测与控制，可以保证焊接质量，减少焊接成本，节约资源。
3、对人才培养情况；
本项目的实施可以培养多名硕士生和博士生，主要涉及到超声无损检测领域，特殊边界条件焊接温度场分析（有限元温度场分析）、自动控制与焊接自动化、信号处理与分析领域。
4、环境影响及效益。
本项目的实施对环境无不利影响，而且可以降低工人劳动强度，改善工人工作条件。
众所周知，焊接弧光辐射会伤害眼睛，而且手工焊接劳动强度极大，对于重要件的焊接，也很难保证焊接质量。
熔深检测与控制技术的实现，可以很好的保证焊接质量，实现焊接自动化，可以降低工人劳动强度，改善工人工作条件。
表一
项目投资与资金筹措表
单位：
万元
序号
项目
金额
1
投资总额
23.68
固定资产投资
21.20
流动资金
2.48
2
资金筹措
自筹资金
20.00
其中：
已完成投资
20.00
新增投资
0
申请科技三项经费
3.68
借（贷）款
0
表二
项目拟购设备清单
序号
设备名称
规格型号
单位
数量
单价（万元）
金额（万元）
1
超声检测系统
PCIUT3100、工控机等
台
1
15.00
15.00
2
导轨式焊接机器人
十字滑块、伺服电机、运动控制卡工控机等
台
1
5.00
5.00
3
超声波换能器
水浸平直或聚焦
只
12
0.96
0.96
4
热电偶、焊接钢板、焊丝
原材料
0.24
0.24
备注：
超声检测系统学校已批准，正签订合同，是211规划建设设备。
导轨式焊接机器人，已研制成功，是省基金支持的建设项目。
表三
申请科技三项经费使用预算表
序号
名称
单位
数量
金额（万元）
使用时间
1
开发费
南昌大学
2.12
07.01-08.07
项目开发人员费
南昌大学
7人
0
原材料动力费
南昌大学
0
设计加工费
南昌大学
0.12
07.01-07.03
检测费
南昌大学
0.50
07.06-08.08
调研费
南昌大学
0.72
07.01-07.03
查新费
南昌大学
0.10
07.01-07.03
技术咨询费
南昌大学
0.08
07.01-07.03
转让、合作费
南昌大学
0.60
07.06-08.08
2
设备费
南昌大学
1.2
07.01-08.03
申请三项经费资助设备：
超声波换能器，热电偶，焊接钢板、焊丝若干
南昌大学
1.2
3
试制费
南昌大学
0
人员费
南昌大学
0
原材料动力费
南昌大学
0
检测费
南昌大学
0
4
鉴定验收费
南昌大学
0.36
08.10-08.12
升级会员 