Real-time Feedback Control for Uniform Weld Bead using Adaptive PID Controller with Infrared Image Processing in Fiber Laser Welding of Low Carbon Steel

Abstract

ไฟเบอร์เลเซอร์มีข้อดีหลายประการได้แก่ ประสิทธิภาพการหลอมสูง พลังงานสูง และลักษณะความหนาแน่นของพลังงาน อย่างไรก็ตามในระหว่างกระบวนการเชื่อมเลเซอร์หากชิ้นงานมีความหนาไม่คงที่หรือเกิดความบกพร่องระหว่างการเชื่อมนั้นส่งผลกระทบต่อการควบคุม เพื่อให้ได้ความสม่ำเสมอของแนวเชื่อม ดังนั้นงานวิจัยนี้เสนอการควบคุมคุณภาพรอยเชื่อมแบบทันที (Real Time) ของกระบวนการเชื่อมเหล็กกล้าคาร์บอนต่ำด้วยไฟเบอร์เลเซอร์ที่มีความหนาต่างกันตั้งแต่ 0.5 มม. ถึง 1.0 มม. โดยใช้การประมวลผลภาพอินฟาเรดในการวิเคราะห์ภาพของบ่อหลอมระหว่างกระบวนการเชื่อมและส่งข้อมูลเป็นข้อมูลนำเข้าให้ระบบควบคุมป้อนกลับพีไอดีแบบปรับค่าได้ (Adaptive PID) เพื่อควบคุมความกว้างของแนวเชื่อมให้มีความสม่ำเสมอ (Uniform Weld Bead) โดยใช้ความกว้างของบ่อหลอมที่ได้จากการประมวลผลภาพเป็นตัวแปรนำเข้าหลัก สำหรับควบคุมกำลัง (Power) ของไฟเบอร์เลเซอร์ให้สัมพันธ์กับความหนาของชิ้นงาน ซึ่งพบว่าระบบควบคุมป้อนกลับพีไอดีแบบปรับค่าได้ สามารถควบคุมกำลังเลเซอร์เพื่อรักษาความกว้างของบ่อหลอมให้อยู่ในช่วงความแม่นยำ ±1.0 มม. จากจุดตั้งค่า ผลการทดลองพบว่าแนวเชื่อมมีการหลอมลึก (Full Penetration) และสม่ำเสมอ โดยมีค่าส่วนเบี่ยงเบนมาตรฐานกรณีการเปลี่ยนแปลงความหนาในทิศทาง 0.5 ถึง 1.0 มม. เท่ากับ 0.22 และในทิศทาง 1.0 ถึง 0.5 มม. เท่ากับ 0.23 ดังนั้นเทคนิคการควบคุมป้อนกลับดังกล่าวมีความเหมาะสมกับระบบการเชื่อมด้วยเลเซอร์อัตโนมัติของแผ่นโลหะที่ไม่ทราบความหนาที่อยู่ระหว่างความหนา 0.5 มม. ถึง 1.0 มม.

Fiber laser has considerable advantages; that is, high melting efficiency, high power, and power density. However, during the welding process, if the thickness of the steel sheet is not stable or the process has a defect, this could affect the control. To make the continuity in welds, the research is intended to propose a quality control system for the real-time weld beads. The process involves the welding of the low-carbon steel sheet by laser fiber of varying thicknesses of 0.5 to 1.0 mm. The infrared image processing is used to determine the molten pool during the welding process. Then, this data is input to the adaptive PID feedback control system in order to control the width of the weld bead quality (Uniform Weld Bead). In this regard, the width of the molten pool is used as the main input parameter for controlling the power of the fiber laser in accordance with the steel sheet thickness. The research results indicate that the adaptive PID can control the power of the fiber laser so that the molten pool width is maintained within ±1.0 mm. accuracy from the setting point. Moreover, the experiment shows that the weld beads have full penetration and continuity. The standard deviations of the thickness adjustment in the 0.5-1.0 mm. and 1.0-0.5 mm directions are 0.22 and 0.23 respectively. Therefore, the feedback control technique is appropriate for the automatic laser welding of the worksheets with a thickness of 0.5-1.0 mm.