MIG/MAG焊接電弧動態過程綜合測量系統及應用

白韶軍 ，章朋田 ，陳樹君 ，黃繼強，薛 龍

（1.北京工業大學 機械工程與應用電子技術學院，北京 100022；2.北京石油化工學院 光機電裝備技術北京市重點實驗室，北京 102617）

0 前言

焊接過程動態參數測量對指導工藝研究有重要意義。近年來，伴隨著傳感器技術和圖像處理技術在焊接工程領域的應用，關于電弧弧焊過程中電弧狀態、金屬熔滴過渡形式及短路過渡頻率、熔滴過渡均勻性和穩定性的研究不斷深入，研究特殊環境下如不同外加磁場、外加機械力等多個工藝參數耦合作用下MIG/MAG電弧和熔池的交互行為效果，可以揭示在不同熔焊工藝條件下所發生的復雜焊接熱物理現象，以滿足特殊環境下焊接生產過程質量的實時監控的迫切要求，針對特殊環境下的焊接質量控制要求，以多傳感器信息融合技術作為支撐，建立了基于虛擬儀器技術的MIG/MAG弧焊過程電弧物理現象及電參數可視化焊接質量動態分析系統，并進行了特殊環境下焊接電弧電信號與圖像信息特征動態綜合實驗，研究電弧受不同外場作用時，MIG/MAG短路過渡電弧焊接過程電弧電壓、焊接電流概率密度分布及熔滴過渡時間頻率分布規律[1]。

1 焊接動態過程測量與分析系統

1.1 焊接電弧測量系統

MIG/MAG焊接動態過程測量試驗系統如圖1所示，系統包括焊接電弧電參數檢測系統、電弧熔滴過渡高速攝像系統和外圍同步處理單元。電參數測量傳感器包括CHB-500T霍爾電流、CHV-25P電壓傳感及濾波控制單元等，試驗測試焊接電源選用Fronius公司的TransPuls Synergic 3200、EWM公司的PHOENIX 521 Progresspulscold Arc和Kemppi公司的Fast MIGTMPulse 450等。應用測試系統完成CMT焊接鋁合金、輔助磁場下CO2氣體保護焊接鋼、加壓環境下MIG/MAG焊接動態過程數據采集與分析。

圖1 焊接電弧和電參數測量系統Fig.1 Arc and electrical parameters measurement system

1.2 短路過渡高速攝像

通過采用電弧熔滴過渡高速攝像系統對焊接電弧熔滴過渡過程中電弧運動狀態、熔滴過渡形態、焊接過程穩定性及飛濺等進行精確的觀察分析，背光采用CHF-XM500氙燈光源，試驗采用了MS55K和Motion Pro Y4-S2高速攝像機，通過外部脈沖觸發系統模式同時啟動高速攝像和焊接質量分析系統，實時記錄電弧和熔滴過渡形態和電弧電參數，常規GMAW-S短路過渡高速攝像如圖2所示，圖像采集為3 000 fps，分辨率512×512曝光時間為2～3μs，可以看出，常規的GMAW-S工藝焊接時，由于短路峰值電流較大，在縮頸破斷瞬間電弧空間氣化膨脹，同時產生較多的大顆粒飛濺。

圖2 GMAW短路過渡高速攝像φ（Ar）80%+φ（CO2）20%Fig.2 High-speed photographs of short circuiting transfer in GMAW-Sprocess

1.3 短路過渡電弧與電參數信息綜合

基于LabVIEW虛擬儀器的MIG/MAG焊接電弧參數采集系統包括脈沖觸發電弧高速攝像控制模塊、MIG/MAG電弧電參數多通道數據采集模塊、電弧參數復現回放分析模塊等。系統采用外觸發方式控制數據采集與圖像采集，當TTL電平上沿通過“TRIG IN”啟動高速攝像，每采集一幀系統就由“SYNC OUT”輸出同步脈沖觸發NI數據采集卡進行數據采集，采樣頻率在200 kS/s。

將電弧電壓Uf經過分壓經線性光電耦合器6N136實現信號隔離，輸出接LM393N壓頻轉換電路得到MIG/MAG短路過渡脈沖信號用來觸發高速攝像系統，亦可設計頻率可調整的TTL電平觸發信號來保證輸出到同步觸發脈沖信號與過渡頻率相一致，高速攝像脈沖觸發電路的輸出為4.5 V，輸出電流不大于10 mA，以確保高速攝像系統安全工作。

當電弧形態和電參數數據采集結束后，通過調用READ-CAM子程序讀取高速攝像圖片并上載存儲到PC中，調用數據復現子程序對電弧形態和焊接電參數回放，調用分析程序模塊實現離線分析，程序動態連接了系統自帶的AVI.play和image.view程序用于分析處理圖像等，并分別求出電弧電流和電壓的標準差SD、平均數M、變異系數CV，并做出動態電弧電流和電壓U-I波形，如圖3所示。

圖3 電弧形態與電參數系統軟件整合Fig.3 Integration system of Arc shapeand electrical parameters

回放顯示效果需要根據數據采集卡的采樣頻率、通道個數和高速攝像的拍攝頻率來進行協調，保證在讀取電流電壓數據的同時對應讀取一張焊接電弧圖片。在特殊環境下針對試驗使用的FASTCAM-TRIGGER IN，采用遠端控制PT2262發射PT2272接收電路，通過正確譯碼同時觸發啟動高速攝像和數據采集系統。

2 焊接電弧動態過程性能評價指標

焊接動態過程電參數測試利用漢諾威弧焊質量分析AH-XIX系統，實時檢測電弧電壓Ua（t）、焊接電流ia（t）瞬時值，并生成電弧電壓U-PDD、焊接電流I-PDD概率密度統計分布，短路時間T1-CFD、燃弧時間T2-CFD、加權燃弧時間T3-CFD和過渡周期時間Tc-CFD頻率分布，并得到電弧電壓、焊接電流及各短路時間參數統計平均值M、標準偏差SD和變異系數CV等[2-5]，對短路過渡時間特征參數進行了定義如圖4所示。

當短路頻率越高則焊接過程的穩定性越好；短路周期的平均值Tc-M、標準差Tc-SD和變異系數Tc-CV能較好反映短路過渡過程周期的分散程度和穩定性。標準差SD為

圖4 短路過渡特征參數定義Fig.4 Features of short circuits

對于焊接過程來說，過渡周期標準差SD僅適用于過渡周期平均值相同時的多次焊接過程差異性的對比，變異系數CV，也可表征被檢量的穩定性或一致性，其值等于數據的標準差SD除以其平均值M。短路過渡周期變異系數可表示為：

式中 Tc，i為第i個過渡周期時間（單位：ms）；Tc，M為過渡周期平均值（單位：ms）。

3 不同外場作用下的MIG/MAG電弧動態特性

3.1 特殊環境下焊接規范對Tc和CV的影響

測試系統通過漢諾威焊接質量分析儀實時采集不同試驗條件下的MIG/MAG電弧電流和電壓的波形，如圖5所示。對獲得的短路過渡統計規律參數進行對比分析，特性研究包括外加力場CMT焊接電弧、輔助磁場焊接電弧和加壓條件下CMT及一元化焊接條件下的短路過渡時間特征統計規律參數進行對比分析，來評判焊接動態過程。

通過漢諾威分析儀對獲得的短路過渡周期Tc統計規律進行對比分析，焊接實驗條件CMT焊接鋁焊接電流CMT 150 A，Fast MIG輔助磁場焊鋼焊接電流200 A，Cold arc MAG焊鋼焊接電流200 A，加壓倉下MIG/MAG焊鋼焊接電流150 A、送絲速度在4 m/min，結果表明在CMT焊接規范時短路過渡周期Tc分布均勻，在150 A規范條件下，短路過渡周期Tc的變異系數CV最小。不同外場作用下實際焊接試驗獲得的短路過渡周期Tc和其變異系數CV的對比結果如表1所示。

3.2 磁場作用下對短路過渡過程的檢測

圖5 不同焊接電源電壓-電流波形Fig.5 Voltage-current waveforms in different welding

短路過渡焊接時飛濺的大小主要取決于短路末期的電爆炸飛濺，縮頸處電流密度較大引起電磁力使短路液橋爆斷，造成電弧不穩。當在熔滴短路階段，施加一個預置脈沖輔助磁場，借助“輔助磁場力”來擾動短路液橋，使其在電爆炸之前破斷，則可降低電爆炸造成的飛濺。當焊炬帶有附加磁場裝置進行試驗我們發現：當輔助磁場產生電磁力的方向與焊接方向相一致時，縮頸處受到輔助電磁力與液態金屬偏斜方向一致，有利于縮頸的破斷；應用焊接質量分析系統研究在CO2焊接或MAG焊接時，激磁電壓Ue與短路過渡周期Tc的變化規律，在最佳激磁電壓Ue條件下，輔助磁場對電弧的作用效果好；在純CO2保護氣、送絲速度vf=3.5 m/min，電弧電壓Ua=19 V，焊接速度vw=29 cm/min，干伸長Le=15 mm條件下進行焊接，未加磁場時氣體爆炸現象嚴重，當施加輔助脈沖磁場后（Ue=65 V，ton=3.8 ms）電爆炸飛濺得到抑制，短路過渡周期Tc的CV最低，短路過渡過程均勻、穩定，如圖6所示。

表1 不同外場作用下短路過渡周期Tc和CV的影響Tab.1 Influenceof short circuit Tcand CV in different fields

圖6 施加磁場前后的高速攝像圖片Fig.6 High-speed camera pictures before and after Magnetic field

4 結論

（1）針對不同外場環境下對MIG/MAG焊接質量控制的要求，建立了基于虛擬儀器的MIG/MAG焊接電弧動態過程分析系統，實現了不同環境下MIG/MAG焊接過程動態檢測、監控和分析。

（2）短路過渡周期Tc的變異系數CV值是評價MIG/MAG焊接工藝性能的有效指標。

[1]黃玉鳳.分析儀在焊接電參數測試中的應用[J].新技術新工藝，2008（4）：74-75.

[2]劉富強，王 寶.漢諾威弧焊質量分析系統及其在焊接材料測試技術中的應用[J].兵器材料科學與工程，2008，31(2)：87-90.

[3]王 寶，宋永倫，Rehfeldt D.焊接材料工藝性的分析與評價[J].電焊機，2006，36（11）：11-19.