焊接過(guò)程信息定量分析

彭亞萍

（成都電焊機(jī)研究所，四川成都610051）

焊接過(guò)程信息定量分析

彭亞萍

（成都電焊機(jī)研究所，四川成都610051）

研發(fā)了一種具有弧焊專家知識(shí)庫(kù)支持的焊接過(guò)程信息分析平臺(tái)，通過(guò)對(duì)焊接過(guò)程電流電壓的記錄，并與焊接速度、焊接材料、送絲速度等信息集成，為用戶提供焊接過(guò)程任何時(shí)段（或整個(gè)過(guò)程）的統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果，包括焊接工藝的穩(wěn)定性，焊接材料的工藝性、焊接電源的動(dòng)態(tài)特性以及各因素對(duì)焊接制造質(zhì)量的影響。使用戶在人機(jī)交互環(huán)境下對(duì)焊接過(guò)程各種特征量實(shí)現(xiàn)可分析、可對(duì)比、可評(píng)估。

焊接；定量分析；知識(shí)庫(kù)支持

0 前言

隨著計(jì)算機(jī)、電子、信息等新技術(shù)的迅速發(fā)展與應(yīng)用，促進(jìn)了包括焊接在內(nèi)的傳統(tǒng)制造業(yè)向以信息為基礎(chǔ)的數(shù)字化和智能化方向轉(zhuǎn)型。以信息技術(shù)為基礎(chǔ)的數(shù)字化分析設(shè)備已日益成為提升傳統(tǒng)焊接制造技術(shù)的一種必不可少的工具。尤其是現(xiàn)代重大裝備的使役正趨向各類“極限”工作環(huán)境，以及對(duì)大型、超大型裝備和結(jié)構(gòu)提出的長(zhǎng)壽命、高可靠要求，從而使焊接制造所包含的材料信息、工藝信息、裝備信息的數(shù)據(jù)量顯著增加，同時(shí)也對(duì)這些信息分析和評(píng)估的需求亦日益迫切，從而促使焊接制造質(zhì)量分析和管理工作的信息化和智能化[1]。

研發(fā)了一種基于弧焊專家知識(shí)庫(kù)的焊接過(guò)程信息分析平臺(tái)，通過(guò)對(duì)焊接過(guò)程電流電壓的記錄并與焊接工況信息的集成分析，為用戶提供焊接過(guò)程任何時(shí)段（或整個(gè)過(guò)程）的統(tǒng)計(jì)結(jié)果，包括焊接工藝的穩(wěn)定性，焊接材料的工藝性、焊接電源的動(dòng)態(tài)特性以及各因素對(duì)焊接制造質(zhì)量的影響。使用戶在人機(jī)交互環(huán)境下對(duì)焊接過(guò)程各種特征量進(jìn)行實(shí)時(shí)的分析、對(duì)比和評(píng)估。

1 儀器的硬件功能

分析儀的硬件是采用FPGA（現(xiàn)場(chǎng)可編程邏輯陣列）+以太網(wǎng)構(gòu)建了高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，如圖1所示，其中包括PC主機(jī)、FPGA、高速ADC、高精度ADC參考電壓源、DC-DC電源等。FPGA構(gòu)建了以太網(wǎng)MAC模塊負(fù)責(zé)與PC主機(jī)的通訊；ADC接口模塊、參考電壓源接口模塊、ADC采樣頻率模塊構(gòu)成了ADC數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)，并在FPGA上構(gòu)建了處理器和采集控制狀態(tài)機(jī)，配合編寫的高速數(shù)據(jù)采

集固件一起形成了整個(gè)采集系統(tǒng)。系統(tǒng)并擴(kuò)展了外部觸發(fā)以及通用IO，可以靈活的與其他系統(tǒng)無(wú)縫集成。通過(guò)向數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)發(fā)送控制指令以及接收采集系統(tǒng)發(fā)送回來(lái)的采樣數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、分析以及顯示（包括顯示實(shí)際信號(hào)的時(shí)域波形、統(tǒng)計(jì)信息等）。主機(jī)選用了15英寸工業(yè)觸摸屏+平板式工控機(jī)（CPU i3，內(nèi)存8G，固態(tài)硬盤SSD 128G）；用千兆級(jí)工業(yè)屏蔽數(shù)據(jù)線傳遞電流和電壓的數(shù)字量信息。數(shù)據(jù)信息由用戶根據(jù)需要自行設(shè)定或起始-終止記錄并自動(dòng)保存；對(duì)電流和電壓并行采樣，其頻率為根據(jù)不同分析精度有10 kHz或100 kHz兩種可選。數(shù)據(jù)連續(xù)記錄時(shí)長(zhǎng)可達(dá)10 h。

圖1 高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖

2 分析軟件的知識(shí)化

所開(kāi)發(fā)的數(shù)據(jù)分析軟件包括兩部分。

第一部分是運(yùn)行在PC主機(jī)上的App以及運(yùn)行在FPGA上的嵌入式RTOS固件，兩者之間通過(guò)以太網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通訊（如圖2所示）。數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)固件基于嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)FreeRTOS構(gòu)建，包括通訊任務(wù)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)狀態(tài)機(jī)調(diào)度任務(wù)、指令解析任務(wù)，并構(gòu)建了系統(tǒng)參數(shù)數(shù)據(jù)庫(kù)（保存在Flash），可以在上電后自動(dòng)的恢復(fù)上次的工作模式。PC App主要負(fù)責(zé)發(fā)送控制指令和接收采集數(shù)據(jù)并進(jìn)行數(shù)據(jù)基本處理與顯示等。

圖2 數(shù)據(jù)分析軟件

第二部分是對(duì)焊接過(guò)程信息的專業(yè)化分析與評(píng)估。焊接過(guò)程信息分為確定性和非確定性兩大類；前者是指可以定量設(shè)置和明確表達(dá)的，如電弧方法、焊接材料、焊接速度、保護(hù)氣體、送絲速度、焊絲直徑以及用戶自定義量等工況信息；而后者具有隨機(jī)性特點(diǎn)，如焊接過(guò)程的電流與電壓、熔滴短路時(shí)間、短路頻次、短路周期等。為此，在分析中，第一步需要根據(jù)已知工況并借助統(tǒng)計(jì)分析方法，提供信號(hào)的均值、均方差、方差、變異系數(shù)、概率密度函數(shù)等[2]；第二步則需要焊接知識(shí)庫(kù)來(lái)支持深度分析與評(píng)估，例如，對(duì)不同焊接方法及電弧實(shí)際能量條件下的單位時(shí)間熱輸入計(jì)算，熔敷率計(jì)算、飛濺量的計(jì)算，焊接材料工藝性分析，焊接電源在不同電流區(qū)間動(dòng)態(tài)特性分析以及焊接工藝的優(yōu)化依據(jù)等，為用戶提供焊接過(guò)程各影響因素的定量指標(biāo)。用戶可對(duì)同一焊接過(guò)程不同時(shí)段信息進(jìn)行“自對(duì)比”或者對(duì)不同焊接過(guò)程信息的“互對(duì)比”以及各個(gè)對(duì)拼樣本的定量評(píng)估。

3 分析與評(píng)估實(shí)例

圖3是對(duì)CO2氣保焊工藝條件下的一個(gè)檢測(cè)分析界面，由圖可見(jiàn)，分析儀實(shí)時(shí)給出了觀測(cè)對(duì)象的焊接過(guò)程基本信息，其中包括電流、電壓的實(shí)測(cè)值及各統(tǒng)計(jì)量，焊接線能量，熔敷率以及可選擇焊接過(guò)程任何時(shí)段的各量統(tǒng)計(jì)結(jié)果。同時(shí)，在所示的

電流波形和U-I關(guān)系圖中易見(jiàn)所使用的弧焊電源對(duì)焊接過(guò)程的影響，在燃弧時(shí)段出現(xiàn)電壓值的瞬間升高以及電流值的突降，由于控制器誤判導(dǎo)致電弧的失穩(wěn)，不利于焊絲末端熔滴的穩(wěn)定形成和正常過(guò)渡，并造成飛濺量增大。

圖3 對(duì)焊接過(guò)程的影響分析示例

圖4是CO2氣保焊工藝條件下的另一個(gè)實(shí)例，從圖4結(jié)果可見(jiàn)，由于焊接電源輸出回路的電感偏小，導(dǎo)致焊接電流波形伴有300 Hz的特征譜，在燃弧階段的電流較大波動(dòng)。常見(jiàn)于手工焊的氣保焊電源，如在自動(dòng)化焊接裝備上使用，尤其當(dāng)焊接速度較快時(shí)，不利于熔滴的平穩(wěn)過(guò)渡，對(duì)焊接過(guò)程的穩(wěn)定性將產(chǎn)生不利影響。

圖4 電流波動(dòng)的分析示例

對(duì)鋁合金焊接過(guò)程的在線檢測(cè)如圖5所示，采用高頻耦合脈沖TIG工藝，可直接觀測(cè)在脈沖電流EN時(shí)段高頻能量的耦合疊加情況以及過(guò)程的穩(wěn)定型。同時(shí)也提供了變極性交流電弧在EN和EP時(shí)段的不同電壓現(xiàn)象，在對(duì)鋁合金焊接線能量的計(jì)算中對(duì)材料厚度的計(jì)入等。

圖5 鋁合金焊接過(guò)程的在線檢測(cè)示例

因此，一個(gè)較為穩(wěn)定的周期性熔滴過(guò)渡及焊縫成形過(guò)程，一方面是對(duì)弧-源系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性的精量控制要求，根據(jù)不同電流區(qū)域的熔滴過(guò)渡特點(diǎn)，建立起基于恒壓或恒流等反饋控制方式；另一方面是熔滴與熔池之間的協(xié)同，即對(duì)焊接規(guī)范所涉及的各工藝因素的選擇和優(yōu)化。對(duì)一個(gè)焊接過(guò)程的評(píng)價(jià)，就是對(duì)焊絲質(zhì)量、焊接電源以及工藝參數(shù)等的綜合評(píng)價(jià)[3]。

4 結(jié)論

傳統(tǒng)焊接制造由能量驅(qū)動(dòng)型已開(kāi)始向信息驅(qū)動(dòng)型轉(zhuǎn)變，本研究是對(duì)焊接過(guò)程信息在線分析的一個(gè)探索和努力，包括對(duì)焊接材料質(zhì)量、焊接電源性能以及焊接工藝參數(shù)等在線檢測(cè)、集成分析和定量評(píng)估，并依靠強(qiáng)大的軟件分析功能，使以往的小樣本抽查提升為焊接全過(guò)程信息的整體分析，促進(jìn)傳統(tǒng)焊接制造的“經(jīng)驗(yàn)定性思維”轉(zhuǎn)變?yōu)椤皵?shù)字定量思維”，成為焊接制造信息化的一種新的有效工具。

[1]宋天虎.走向焊接制造的數(shù)字化[A].IFWT2016綠色智能焊接國(guó)際論壇[C].北京：2016，6.

[2]Rehfeldt D.Verfahren und Analysiereinrichtung zur Untersuchung der Schweiβspannungsschwankungen bei Elektroschweiβverfahren[D].TU Hannover，1969.

[3]王寶.焊接電弧現(xiàn)象與焊接材料工藝性[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2012.

Quantitative analysis for welding process information

PENG Yaping
（Chengdu Electric Welding Machine Intitute，Chengdu 610051，China）

A kind of quantitative analyzer for welding process information is developed and supported by expert knowledge base in arc welding.By information integration containing electrical signals，welding speed,consumables，wire-feeding rate，It provides statistical analysis results of selected period of a welding process，and includes the process stability，welding consumable quality and the dynamic characteristics ofweldingpower source.It makes weldingprocess comparable and appreciable.

arc welding；quantitative analysis；knowledge base

TG409

A

1001－2303（2016）07－0001-03

10.7512/j.issn.1001-2303.2016.07.01

2016-07-01

彭亞萍（1962—），女，四川蓬溪人，高級(jí)工程師，學(xué)士，主要從事電阻焊、弧焊設(shè)備及相關(guān)焊接工藝研究，以及焊接技術(shù)發(fā)展工作。