鋼軌閃光焊接高速數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)研究

賀 頌 上海鐵路局科研所

陳雪芬 上海航天精密機械研究所

1 引言

隨著鐵路的快速發(fā)展，鋼軌閃光焊接技術(shù)以其焊接接頭質(zhì)量好、焊接生產(chǎn)率高等特點，成為目前國內(nèi)外大部分鋼軌焊接普遍采用的焊接方法。由上海鐵路局科研所和南車戚墅堰機車車輛研究所共同開發(fā)的移動式鋼軌閃光焊機擁有了我國鐵路移動式鋼軌焊接大部分市場，對加快我國鐵路安全建設(shè)起到了不可估量的貢獻。

移動式閃光焊機在上線作業(yè)前，根據(jù)規(guī)定需要對其焊接后的鋼軌接頭進行型式檢驗，包括落錘、靜彎、疲勞和拉伸等試驗。其中落錘試驗的要求是在確保接頭缺陷不超標的情況下，連續(xù)十五根鋼軌不斷裂（錘頭質(zhì)量1 000 kg，錘高5.1 m一錘不斷；錘高3.2 m兩錘不斷）。在做型式檢驗的時候，技術(shù)人員要調(diào)試63個參數(shù)，找出一組最佳焊接參數(shù)使鋼軌的焊接接頭符合落錘試驗的要求。由于調(diào)試的過程受到設(shè)備、操作人員、鋼軌質(zhì)量及作業(yè)氣候等因素的影響，要調(diào)試出一臺合格的焊機工作量相當大。

2 系統(tǒng)設(shè)計

在鋼軌焊接結(jié)束時，由工控機生成的焊接曲線，是技術(shù)人員在調(diào)試過程中的重要參考依據(jù)，根據(jù)它可以對焊接參數(shù)進行修改完善。現(xiàn)有的焊機數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是將數(shù)據(jù)由機頭傳輸?shù)絇LC中，工控機再從PLC中讀取數(shù)據(jù)并保存記錄，最后形成焊接曲線，采集頻率為4 Hz，形成的曲線和數(shù)據(jù)庫，不能確切的反應(yīng)焊接過程中存在的問題。因此，提高系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集速率，在單位時間內(nèi)記錄保存更多的數(shù)據(jù)，使最后生成的焊接曲線更加的完善和直觀，對提高焊接工藝參數(shù)調(diào)試的效率和質(zhì)量，顯得尤為重要。

2.1 系統(tǒng)設(shè)計思路

本次設(shè)計采用了美國NI儀器公司生產(chǎn)的USB-6009高速數(shù)據(jù)采集卡，利用其搭配的labview8.6圖形化數(shù)據(jù)采集軟件，建立了一套鋼軌閃光焊接高速數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)，采集頻率達到200 Hz，較之前提高了50倍。原理如圖1所示，圖2為傳統(tǒng)采集模式。

圖1 新型數(shù)據(jù)采集模式

圖2 傳統(tǒng)數(shù)據(jù)采集模式

2.2 USB-6009

本次課題主要是以NI儀器公司的USB6009數(shù)據(jù)采集卡為主要系統(tǒng)硬件，如圖3所示，它具有8路模擬輸入(14位，48 k/s)；2路模擬輸出 (12位,150 k/s);12路數(shù)字I/O；32位計數(shù)器；總線供電，實現(xiàn)高移動性；內(nèi)置信號連接。

圖3 USB 6009

3 系統(tǒng)軟件功能介紹

3.1 系統(tǒng)界面

本次系統(tǒng)編程采用的是labview8.6圖形化可編程開發(fā)軟件，它是美國NI公司專門為測量測試開發(fā)的，其在這塊領(lǐng)域應(yīng)用很廣泛，虛擬測量儀器是其中重要的組成部分。通過用編程軟件和計算機，模擬儀器做測量測試。設(shè)計的焊接數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)界面圖，如圖4所示。

從系統(tǒng)界面上看，大的波形圖表為焊接曲線實時顯示儀器；三個圓形表盤分別為焊接電壓、焊接電流、焊接壓力實時參數(shù)；右側(cè)為焊接位移、焊接階段實時顯示；焊接結(jié)束后，各個階段的平均電流、平均電壓、最值等數(shù)據(jù)分析顯示。在焊接數(shù)據(jù)分析中，引進了斷火率和焊接熱量這兩個創(chuàng)新型焊接過程判斷依據(jù)。如圖5所示。

圖5 焊接數(shù)據(jù)分析界面

3.2 焊接數(shù)據(jù)的存儲及顯示功能

根據(jù)編程軟件的特定數(shù)據(jù)格式，焊接數(shù)據(jù)采用TDMS文件形式存儲。技術(shù)數(shù)據(jù)管理流(TDMS)是NI軟件最常用于存儲所采集數(shù)據(jù)通道的文件格式，同時它也對第三方工具開放。如圖6所示為模擬焊接曲線的總圖。

其中左邊的選擇框可以選擇四個通道內(nèi)電流、電壓、位移、壓力等焊接曲線，同時由于焊接采集的數(shù)據(jù)量巨大，自行編寫的文件查看器還可以選著加載數(shù)據(jù)的數(shù)量和位置，還可以對局部時間段進行曲線放大處理。

3.3 焊接電流與灰斑的關(guān)系

目前在參數(shù)調(diào)試過程中，接頭主要存在灰斑、未熔合、未焊透、過燒等常見缺陷，而其中主要以灰斑為最常見，總公司技術(shù)規(guī)范規(guī)定整個接頭斷面的灰斑總面積不能超過20 mm2，單個灰斑面積不能超過10 mm2，否則將視為落錘試驗不通過。而灰斑的產(chǎn)生，主要跟焊接后期閃光電流的大小有關(guān)系，過大或過小的電流都容易造成灰斑出現(xiàn)。過大的焊接電流，容易造成大的閃光爆破，在焊接端面形成大的火坑，讓硅酸鋁鹽類殘留在其中，形成灰斑。過小的電流使得閃光程度不激烈，無法讓硅酸鹽類爆破出去，同時使得整個端面的氣體保護程度下降，使空氣進入，形成硅酸氧化物，同樣也會產(chǎn)生灰斑。所以說，整個焊接過程，特別是中后期，電流對焊接接頭的質(zhì)量產(chǎn)生很重大的影響。

所以本次研究中提出了“斷火率”作為焊接接頭質(zhì)量評判的一個重要指標。它是根據(jù)焊接后期階段的電流值與電流基準值進行比較得到的百分率。從一個側(cè)面反應(yīng)了由電流過小導(dǎo)致焊接缺陷存在的可能性和概率。前面已經(jīng)提到，灰斑的形成還有一部分重要的原因是大電流，后期的研究將同時關(guān)注大電流的產(chǎn)生和對焊接斷面的影響。由于斷火率的判斷指標需要大量的焊接數(shù)據(jù)和試驗結(jié)果來驗證，目前該套系統(tǒng)已經(jīng)應(yīng)用現(xiàn)場焊接工藝參數(shù)調(diào)試，并積累數(shù)據(jù)。

4 結(jié)論

本次課題研究開發(fā)了一套以USB6009采集卡為主要硬件的高速數(shù)據(jù)采集與分析系統(tǒng)，具備實時顯示焊接數(shù)據(jù)功能，能更好地監(jiān)控焊接過程。該系統(tǒng)能有效地對焊接數(shù)據(jù)進行分析，直觀地指導(dǎo)焊接工藝參數(shù)調(diào)試。

同時嘗試性地將斷火率引進作為接頭質(zhì)量判斷標準，具有重要的意義。