鋼軌閃光焊接高速數據采集分析系統研究

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

隨著鐵路的快速發展，鋼軌閃光焊接技術以其焊接接頭質量好、焊接生產率高等特點，成為目前國內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起到了不可估量的貢獻。

移動式閃光焊機在上線作業前，根據規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，連續十五根鋼軌不斷裂（錘頭質量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，技術人員要調試63個參數，找出一組最佳焊接參數使鋼軌的焊接接頭符合落錘試驗的要求。由于調試的過程受到設備、操作人員、鋼軌質量及作業氣候等因素的影響，要調試出一臺合格的焊機工作量相當大。

2 系統設計

在鋼軌焊接結束時，由工控機生成的焊接曲線，是技術人員在調試過程中的重要參考依據，根據它可以對焊接參數進行修改完善。現有的焊機數據采集系統是將數據由機頭傳輸到PLC中，工控機再從PLC中讀取數據并保存記錄，最后形成焊接曲線，采集頻率為4 Hz，形成的曲線和數據庫，不能確切的反應焊接過程中存在的問題。因此，提高系統的數據采集速率，在單位時間內記錄保存更多的數據，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調試的效率和質量，顯得尤為重要。

2.1 系統設計思路

本次設計采用了美國NI儀器公司生產的USB-6009高速數據采集卡，利用其搭配的labview8.6圖形化數據采集軟件，建立了一套鋼軌閃光焊接高速數據采集分析系統，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為傳統采集模式。

圖1 新型數據采集模式

圖2 傳統數據采集模式

2.2 USB-6009

本次課題主要是以NI儀器公司的USB6009數據采集卡為主要系統硬件，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路數字I/O；32位計數器；總線供電，實現高移動性；內置信號連接。

圖3 USB 6009

3 系統軟件功能介紹

3.1 系統界面

本次系統編程采用的是labview8.6圖形化可編程開發軟件，它是美國NI公司專門為測量測試開發的，其在這塊領域應用很廣泛，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。設計的焊接數據采集分析系統界面圖，如圖4所示。

從系統界面上看，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；右側為焊接位移、焊接階段實時顯示；焊接結束后，各個階段的平均電流、平均電壓、最值等數據分析顯示。在焊接數據分析中，引進了斷火率和焊接熱量這兩個創新型焊接過程判斷依據。如圖5所示。

圖5 焊接數據分析界面

3.2 焊接數據的存儲及顯示功能

根據編程軟件的特定數據格式，焊接數據采用TDMS文件形式存儲。技術數據管理流(TDMS)是NI軟件最常用于存儲所采集數據通道的文件格式，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電流、電壓、位移、壓力等焊接曲線，同時由于焊接采集的數據量巨大，自行編寫的文件查看器還可以選著加載數據的數量和位置，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系

目前在參數調試過程中，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，總公司技術規范規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。而灰斑的產生，主要跟焊接后期閃光電流的大小有關系，過大或過小的電流都容易造成灰斑出現。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量產生很重大的影響。

所以本次研究中提出了“斷火率”作為焊接接頭質量評判的一個重要指標。它是根據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。從一個側面反應了由電流過小導致焊接缺陷存在的可能性和概率。前面已經提到，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注大電流的產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據和試驗結果來驗證，目前該套系統已經應用現場焊接工藝參數調試，并積累數據。

4 結論

本次課題研究開發了一套以USB6009采集卡為主要硬件的高速數據采集與分析系統，具備實時顯示焊接數據功能，能更好地監控焊接過程。該系統能有效地對焊接數據進行分析，直觀地指導焊接工藝參數調試。

同時嘗試性地將斷火率引進作為接頭質量判斷標準，具有重要的意義。