焊接熱循環數據采集系統中的硬件設計

李宇

摘 要：研究和設計了一種焊接熱循環參數測試與分析系統的硬件部分。該部分由熱電偶、數據采集卡、濾波放大電路等組成。硬件部分的主要功能是為后面的數據采集提供可供采集的信號。為了檢測系統的硬件部分和軟件部分的功能，做一個系統的測試實驗。

關鍵詞：熱電偶；濾波放大電路；數據采集

中圖分類號：TJ430.3+8 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2017）28-0096-02

引言

在金屬結構材料的研制中，材料的焊接性作為一項重要工藝性能受到人們的關注。人們通常根據熱影響區金屬經歷的不同焊接熱循環過程與熱影響區組織間的對應關系來繪制焊接曲線，進而確定具體焊接工藝參數。傳統的熱模擬分析，對焊接熱影響區性能只是做了定性的分析，對焊逢在焊接熱循環過程中溫度變化不能定量分析。本系統的設計就是對焊接熱循環過程中，焊接熱影響區定量的變化，利用電腦輔助分析，繪制出溫度變化曲線，分析出對焊逢性能的影響。

1 溫度數據采集系統中的硬件設計

1.1 溫度傳感器的選擇

本系統采集的溫度數據產生于焊接熱循環過程中，溫度相當高，且要求傳感器的線形盡量好，故而選擇鎳硅-鎳鉻熱電偶溫度傳感器。選用的補償導線是：正極-銅，導線線芯為紅色；負極-康銅，導線線芯為藍色。

1.2 集成運算放大器的選擇

對熱電偶信號的放大，一般情況下，應該采用低溫漂的放大器，這樣才能使放大信號的失真最小。由于工作環境比較穩定，工作時間不太長，再加上考慮到熱電偶所采集的溫度信號只有毫伏級，為了達到所要求的輸出放大電壓，采用集成運算放大器LM741。

1.3 濾波放大電路

圖1是由溫度變化產生的電壓信號的放大濾波電路。濾波電路采用RC濾波電路?？紤]到實際的電壓和電路情況，電阻R3的電阻值選用1K歐。電容C5的值在計算的范圍內取適當的值，取4.7uf，其額定電壓盡量取大，以防止電容由于電壓過載而造成的損壞。

1.4 數據采集卡

本系統數據采集卡選用PCI-1710型A/D數據采集卡。

2 系統測定實驗及結果分析

實驗裝置圖如圖2所示。

2.1 實驗前期準備

2.1.1 焊條和焊接電流電壓的選擇

在本實驗中，被焊的是一塊厚度約為10mm的普通低碳鋼鋼板。選擇直徑為3.2mm的酸性焊條。焊條型號為：E4303。焊接電流選100-130A。焊接電壓選擇電焊機額定工作電壓。

2.1.2 焊接設備的選擇

電焊機選用直流弧焊焊機，焊鉗型號用G352。焊接電纜選YHHR型電焊橡皮套特軟電纜，電纜端面面積為16mm2。

2.2 焊接實驗

焊接前先用蠟燭外焰對熱電偶進行加熱，看看在顯示屏上得到的曲線是不是合理。

調節濾波放大電路上的可變電阻，使濾波放大電路的增益精確到219.5，然后開始采集蠟燭外焰溫度。從圖3所示的蠟燭外焰加熱熱電偶的采集曲線來看，最大電壓可以達到3.6伏。

對鋼板進行焊接，同時硬件電路開始放大熱電偶采集到的電壓信號，數據采集程序在電壓達到一定值后，也開始進行數據采集，利用數據采集卡和數據采集程序對焊接熱影響區的溫度數據進行采集和分析，并最終得到結論。

焊接加熱和冷卻過程中，數據采集軟件程序對焊接熱影響區產生熱電勢的采集。熱電偶產生的熱電勢為毫伏級的，經過濾波放大電路的放大和濾波，采集到的電壓信號能達到6.5伏。

2.3 實驗結果分析

從圖3蠟燭外焰加熱熱電偶得到的曲線來看，在濾波放大電路輸出的電壓達到最高值以前，輸出電壓值一直穩步上升。在上升過程中，由于蠟燭火焰的抖動，造成輸出電壓曲線在保持持續上升的勢頭的同時，在一個微小范圍內波動。當輸出電壓達到最大值并保持一段時間后，輸出電壓值發生了較大幅度的波動。從實驗條件和實驗情景來看，是因為蠟燭火焰在外界風的吹動下，發生了跳動，造成對熱電偶的加熱不均勻，從而使濾波放大電路的輸出電壓發生較大變化，波動范圍為2-3.6伏。

從焊接熱循環過程溫度數據采集曲線可看出在焊接過程的初期，所形成的焊逢遠離熱電偶，熱電偶所采集到溫度信號還不夠大，沒有輸出信號。隨著焊逢逐漸接近熱電偶，熱電偶所采集到的溫度信號逐漸升高，在顯示曲線上開始出現電壓信號。當焊逢到達熱電偶處的時候，熱電偶采集到的溫度是最高的。濾波放大電路的輸出電壓達到最大值6.5伏，在曲線上顯示為曲線的波峰。焊逢在停止焊接后，溫度逐漸下降。溫度下降到一定的程度后，輸出電壓波形基本趨于直線。

3 結束語

通過蠟燭外焰溫度加熱和焊接熱循環溫度數據的采集，可以得出結論：硬件部分的設計是正確的，連接是良好的；軟件編程部分，能采集到6.5伏的電壓，在顯示屏上能顯示出完整的曲線，軟件編程部分也是正確的。

參考文獻：

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