全位置手工焊接線能量在線檢測技術研究

陳志遠　傅強　朱雅瓊　吳一飛

摘要：針對手工焊接過程中焊接線能量無法實時、準確測量的問題，提出了一種線能量在線檢測方法。設計了具有一定柔性的弧光捕捉機構，可以適應全位置手工焊接中不同的焊道。重點研究由弧光信號向電信號的轉換技術，進而搭建以STM32單片機為控制核心的信號處理系統，完成焊接線能量數字量的實時顯示。焊接試驗表明，該方法實時性好，且檢測精度滿足要求。

關鍵詞：焊接線能量;全位置焊接;在線檢測;STM32單片機

中圖分類號：TG434文獻標志碼：A文章編號：1001-2303（2020）03-0024-04

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2020.03.04

0 前言

焊接線能量是影響焊接接頭性能的重要因素之一。若焊接線能量過大，熱影響區過寬，導致焊接接頭的韌性下降;若焊接線能量過小，焊接接頭的冷卻速度增快，易形成冷裂紋[1]。因此，對焊接線能量進行實時監測有利于焊接操作人員設置合適的焊接參數，進而提高焊接質量。

由焊接線能量公式Q=UI/v可知，焊接線能量與電弧電壓、焊接電流以及焊接速度有關[2]。其中電弧電壓和焊接電流可以通過霍爾傳感器測得，而焊接速度的測量則較為困難。對于全自動焊接，焊接速度通過編碼器測得，對于傳統的手工焊接，并沒有專門的傳感器能夠直接檢測其焊接速度;目前常用焊縫總長度除以總的焊接時間來粗略估計焊接速度。這種測量方法不僅精度低，而且不能實時獲得焊接速度，缺點明顯。有研究者采用在焊槍上裝滾輪的方法將焊接速度轉化為滾輪轉速，之后通過測速儀顯示出來[3]。這樣得出的結果精度受滾輪行走面的影響，而且無法應用在全位置焊接中。

為此，本文設計了一種用于檢測全位置手工焊接線能量的裝置。該裝置不僅提高了焊接線能量的檢測精度，還為焊接工藝參數的制定提供了可靠的數據。

1 焊接速度檢測原理

相對于通過檢測焊槍或焊接小車的速度來反映焊接速度的方法，電弧的移動速度才更直接、準確地反映了焊接過程中瞬時的焊接速度。全位置手工焊接方法中的焊接電弧多為明弧，因此，本研究將移動電弧作為光源，設計了一種光電法來檢測電弧移動速度，光電法的檢測原理如圖1所示。裝置由若干個相同的光敏器件組成（圖1表示其中3個光敏器件），每個光敏器件安裝于遮光管內，其感光部位正對于焊道，遮光管沿焊道方向陣列排布，每隔一固定距離以柔性部件兩兩連接。當電弧正對于某一遮光管管口的位置時（圖1位置A、C），便會觸發遮光管內部的光敏器件產生突變，而其他位置的光敏器件由于遮光管的遮擋不會被觸發;當電弧處于柔性連接件前位置時（圖1位置B），受到所有遮光管的遮擋不會觸發任一個光敏器件。

隨著手工焊接的進行，電弧沿焊道方向經過各個光敏器件，光敏器件會被依次觸發產生脈沖信號，經后續的電路調理后，便會輸出一組矩形脈沖信號，如圖2所示。

圖2中，t1為電弧從第一個遮光管移動到第二個遮光管所用的總時間，tx1為電弧經過第一個遮光管使光敏器件持續觸發所用的時間。在保證遮光管之間距離l一定的情況下，電弧從第m個遮光管到第m+1個遮光管之間的平均速度vm可以用式（1）計算：

2 弧光捕捉機構的設計

依據上述原理設計弧光捕捉機構，光敏器件采用光敏三極管。根據光譜學原理，焊接電弧中各組分（包括保護氣體和金屬元素）的發射光譜具有一定的輻射頻域特征[4]。統計各種常見電弧焊方法的輻射頻域特征，其分布曲線并非光滑連續，在波長200～1 000 nm內會疊加分布著線光譜，而在波長800 nm左右處線光譜較為密集，形成一個波峰[5]。根據這些特征，選用型號為3DU5C的光敏三極管，該器件的感光波長范圍為750～1 050 nm，相對感度在900 nm處達到最大，適宜焊接電弧的輻射頻域。

由焊接速度檢測原理可知，弧光捕捉機構需要沿焊道方向與焊道保持平行，而手工焊接存在平焊、立焊、仰焊等多種方式，為了滿足全位置焊接檢測的需要，該弧光捕捉機構應具有一定的柔性，可以適用于多種焊接場景。

弧光捕捉機構的爆炸視圖如圖3所示。該機構可以看成由若干個相同的小組件組成，每個小組件由擋圈、鏈條片、端部片、遮光管、磁鐵和光敏三極管組成，圖中僅表示了3個小組件。光敏三極管安裝于遮光管管內一端，受遮光管的遮擋，保證僅垂直管面入射的弧光能夠觸發光敏三極管。遮光管外部設計成階梯狀，分別安裝擋圈、端部片、鏈條片和環形磁鐵。鏈條片之間間隙配合，可以相互轉動，使得整個弧光捕捉機構能根據焊道的不同而彎曲。磁鐵吸附在磁性工件上，起到快速固定的作用。

弧光捕捉機構工作狀態如圖4所示。對于直徑不同的各類鋼管，通過控制小組件的數量來達到良好的適應性。

3 信號處理系統的設計

信號處理系統由電源模塊、光電轉換電路、霍爾傳感器、微型處理器以及顯示屏組成，如圖5所示。由光敏三極管產生的雜亂電信號經光電轉換電路處理后，轉變成規則的矩形脈沖波形。微型處理器選用型號為STM32C8T6的單片機，該單片機的定時器具有輸入捕獲功能，可以在檢測到脈沖信號的上升沿時開始計時[5]。由光電法的檢測原理可知，兩個上升沿之間的時間便是tm。由定時器得到tm后，經單片機運算，得出焊接速度的數值。焊接電流與電弧電壓通過霍爾傳感器進行檢測，經AD轉換成數字量后，與焊接速度進行運算，得出焊接線能量的數值。綜合考慮成本、顯示效果、傳輸速率等原因，選用IIC通訊的OLED作為顯示屏。

3.1 光電轉換電路

隨著電弧逐漸接近和遠離光敏三極管，其對光敏三極管的照度會逐漸增強和降低，光敏三極管會感應出緩升和緩降的電信號。如果焊接速度過慢，STM32單片機的上升沿捕獲可能會忽略緩升信號。為了保證每個光敏三極管的觸發能被捕獲，需要將緩升信號調理成陡升，為此設計了如圖6所示的光電轉換電路。

該電路以LM393比較器為核心控制器件，RP*2與R3串聯，RP*2上的分電壓作為比較器的反向輸入端，可以通過調節滑動變阻器RP*2的阻值來改變閥值電壓;若干個光敏三極管并聯后與RP*1串聯，RP*1上的分電壓作為比較器的同向輸入端。當同向輸入端電壓大于反向輸入端電壓時，輸出3.3 V，反之輸出0 V。輸出端只會存在0 V和3.3 V兩個電平狀態，因此輸出的波形陡升、可靠。

3.1 程序設計

光敏三極管上的電信號經信號調理電路處理后，會輸出如圖2所示的矩形脈沖信號給STM32C8T6單片機。為此需設計程序來驅動單片機處理矩形脈沖信號，轉化為表示焊接速度的數字量，并通過OLED顯示出來。

該程序使用一個基本定時器和一個通用定時器，基本定時器在OLED開機畫面顯示結束后開始計時，每過0.5 s便會產生一次中斷，觸發OLED更新顯示焊接速度的實時值。通用定時器具有輸入捕獲功能，經過初始化配置后，能自動檢測到I/O口上的上升沿電平。通用定時器在第一次檢測到上升沿，也就是開始進行實際焊接速度測量時開始計時，保證第一次測出的焊接速度值準確。之后每當捕獲到上升沿電平時，就會讀取通用定時器T2值，該值是電弧經過相鄰兩個光敏三極管所用的時間，經計算后得出焊接速度的數字量，然后將通用定時器T2置零，進入下一循環。

4 手工焊接試驗驗證

采用PM5000系列的水冷數字MIG焊機、φ1.2 mm的E5356焊絲，在厚度為4 mm的6063角鋁上進行焊接試驗。為保證焊接電弧穩定，采用交流電源，焊接電流控制在100 A左右，電弧電壓約為17 V。

弧光捕捉機構平行置于待焊焊道10～15 cm前，保證電弧與光敏三極管處于同一水平線上。并采用型號為UTD2102CM的數字示波器測量光電轉換電路的輸出端電壓。開始焊接，每隔10 s記錄OLED顯示的數據，如表1所示。

由表1可知，檢測到的焊接電流和電弧電壓與實際焊機的輸出值基本吻合，浮動不大。將OLED顯示的焊接速度值與圖7所示的示波器波形進行比較分析，示波器波形為矩形脈沖波，符合預期，且通過波形計算的焊接速度與OLED的顯示值一致。

經過計算，檢測到的整條焊縫平均焊接線能量為450 J/mm。人工計時整個焊接過程的總用時為50 s，測量焊縫總長度183 mm，結合MIG焊機設定的焊接電流與電弧電壓，計算平均焊接線能量為464 J/mm。整條焊縫的平均線能量誤差在3%以內，具有極高的檢測精度。

5 結論

（1）通過對全位置手工焊接線能量檢測難點的分析，提出了一種采用光敏器件檢測焊接速度的方法，進而研究出一套焊接線能量在線檢測技術。

（2）焊接試驗表明，該技術相較于傳統的測量方法，可以在一條焊縫上得到更多實時數據，且檢測結果誤差極小。

（3）該技術適應于全位置、多種明弧手工焊接的線能量在線檢測，為獲得良好的焊接質量提供了保障。

參考文獻：

[1] 邢奎，李繼紅，鄭雯，等. 焊接線能量對低碳貝氏體鋼焊接接頭性能的影響[J]. 熱加工工藝，2014，43（21）：19-21+25.

[2] 花斌斌，花勤健. 焊接參數對Q235A碳素結構鋼焊接接頭晶間組織的影響分析[J]. 工程與建設，2019，33（05）：812-813.

[3] 上海電氣核電設備有限公司. 焊接速度測量裝置：中國，2016204099631[P]. 2016-05-09[2016-10-05].

[4] 林楊勝藍，何建萍，王付鑫. 焊接光譜信息的研究現狀[J].電焊機，2014，44（09）：27-31.

[5] 張軍強，李志勇，劉富強，等. 不銹鋼藥芯焊絲焊接電弧氣氛的光譜分析[J]. 中國測試，2015，41（11）：35-39.