弧焊參數(shù)采集與分析系統(tǒng)在熔化極氣體保護(hù)焊中的應(yīng)用

楊新奇， 陳克選，2， 張 浩， 宮茂林， 栗銀鵬

1. 蘭州理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730050

2. 蘭州理工大學(xué) 省部共建有色金屬先進(jìn)加工與再利用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，甘肅 蘭州 730050

0 引言

熔化極氣體保護(hù)焊具有成本低、生產(chǎn)效率高、焊接應(yīng)力變形小、焊接質(zhì)量高、操作簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，在航空航天、造船及壓力容器領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用［1］。由于熔化極氣體保護(hù)焊的焊接過(guò)程十分復(fù)雜，要想更好地優(yōu)化焊接過(guò)程，提高焊接過(guò)程穩(wěn)定性，對(duì)焊接過(guò)程的采集、檢測(cè)與記錄就顯得尤為重要［2］。顏培玉［3］等人利用AD7606采樣芯片結(jié)合DSP設(shè)計(jì)了焊接電弧電信號(hào)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，可以對(duì)焊接電弧電信號(hào)進(jìn)行高精度采集并顯示；李志剛［4］等人利用伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和空氣加壓系統(tǒng)建立了一套高壓水下濕法焊接多信息采集系統(tǒng)，可以精準(zhǔn)記錄焊接過(guò)程中的光、電、聲信號(hào)以及焊接氣泡狀態(tài)信息；符平坡［5］等人通過(guò)同步采集TIG焊過(guò)程中電弧形態(tài)和電流變化信息，發(fā)現(xiàn)電弧熄弧與電流過(guò)零時(shí)刻和電弧灰度出現(xiàn)時(shí)刻有密切關(guān)系。彭亞萍［6］利用“弧焊信息分析平臺(tái)”，從焊接電流、電弧電壓等參數(shù)波形中提取信息，實(shí)現(xiàn)了對(duì)焊接過(guò)程中熔滴過(guò)渡時(shí)刻、焊絲表面氧化狀態(tài)等關(guān)鍵信息的監(jiān)測(cè)與分析。宋永倫［7］分析了熔化極氣體保護(hù)焊焊接電流和電弧電壓的數(shù)據(jù)屬性，針對(duì)焊接過(guò)程多源物理作用的數(shù)據(jù)，提出了正確的統(tǒng)計(jì)計(jì)算方法，提高了數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析的科學(xué)性和有效性。

上述研究主要集中在電信號(hào)的采集，對(duì)焊接過(guò)程中的圖像信息關(guān)注不夠，僅從電信號(hào)分析焊接過(guò)程無(wú)法全面反應(yīng)焊接狀態(tài)。針對(duì)以上問(wèn)題，利用LABVIEW結(jié)合高速攝像機(jī)開(kāi)發(fā)了一套弧焊參數(shù)采集與分析系統(tǒng)，通過(guò)采集弧焊過(guò)程中的電信號(hào)和圖像，并且進(jìn)行實(shí)時(shí)分析，可實(shí)現(xiàn)對(duì)焊接過(guò)程進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，并發(fā)現(xiàn)焊接過(guò)程中的不穩(wěn)定狀態(tài)。

1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

弧焊參數(shù)采集與分析系統(tǒng)如圖1 所示，由焊接電源、霍爾電流傳感器、霍爾電壓傳感器、數(shù)據(jù)采集卡、高速攝像機(jī)、激光光源組成。系統(tǒng)工作原理為：焊接電源輸出電壓電流信號(hào)，通過(guò)霍爾電壓、電流傳感器采集焊接電壓電流信號(hào)，同時(shí)激光光源照射在焊絲末端，通過(guò)高速攝像采集熔滴過(guò)渡圖像，最終電信號(hào)和熔滴過(guò)渡圖像信號(hào)同時(shí)傳輸?shù)缴衔粰C(jī)上進(jìn)行數(shù)據(jù)處理與保存。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of hardware system

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)采集卡是弧焊參數(shù)采集與分析系統(tǒng)的核心，采集分析系統(tǒng)的硬件接線如圖2 所示。試驗(yàn)選擇USB-6215 數(shù)據(jù)采集卡，最高采樣率為250 kS/s，轉(zhuǎn)換精度為16 位，16 個(gè)隔離模擬輸入通道，輸入量程為±10 V，2 個(gè)模擬輸出通道，其最大更新速率為250 kS/s。具有模擬輸入、模擬輸出、數(shù)字I/O、計(jì)數(shù)器/計(jì)時(shí)器等功能。根據(jù)奈奎斯特采樣定律，在進(jìn)行信號(hào)的A/D轉(zhuǎn)換過(guò)程中，當(dāng)采集卡的采樣率大于所采樣信號(hào)中最大頻率的2 倍時(shí)，被采樣信號(hào)才能被完整地保留；當(dāng)被采樣信號(hào)為波形信號(hào)時(shí)，采樣率要為被采樣信號(hào)頻率的5～10 倍才能更好地反映原始信號(hào)［8］。本試驗(yàn)最高被采樣頻率約為200 Hz，所選數(shù)據(jù)采集卡最高采樣率應(yīng)達(dá)到2 000 Hz才可以滿足試驗(yàn)條件。

圖2 硬件接線示意Fig.2 Wiring diagram of hardware

傳感器是焊接電信號(hào)和熔滴過(guò)渡圖像傳輸?shù)臉蛄海瑐鞲衅鞯倪x擇決定了實(shí)驗(yàn)結(jié)果的實(shí)用性和可靠性。所用焊接電源輸出電流為30～350 A，但由于短路過(guò)程中電流會(huì)激增超過(guò)350 A，所以選擇量程略大的電流傳感器，本實(shí)驗(yàn)選擇FX-BY45-500B4A型霍爾電流傳感器，額定輸入電流為500 A，輸出電壓為±5 V，輸入輸出比為100∶1，這樣既可以滿足焊機(jī)的輸出電流又滿足數(shù)據(jù)采集卡的量程。電壓傳感器選擇CHV-25P型霍爾電壓傳感器，額定電壓為10～500 V，額定電流為10 mA，同樣考慮到焊接時(shí)電流激增問(wèn)題，為了保護(hù)電壓傳感器，所以在電壓傳感器的調(diào)理電路中串聯(lián)一個(gè)限流電阻。高速攝像機(jī)型號(hào)為Phantom VEO-E 310-L，內(nèi)存18 GB，最大拍攝幀率為650 000 fps，支持軟件觸發(fā)和硬件觸發(fā)，本實(shí)驗(yàn)采用硬件觸發(fā)的方式，由數(shù)據(jù)采集卡輸出一個(gè)頻率為1 Hz、占空比為5%的脈沖數(shù)字信號(hào)通過(guò)專用BNC將高速攝像機(jī)觸發(fā)，采集到的圖像通過(guò)高速攝像機(jī)專用的軟件PCC進(jìn)行存儲(chǔ)與回放。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件程序設(shè)計(jì)基于LABVIEW2016編程環(huán)境開(kāi)發(fā)［9］。

3.1 采集模塊

軟件程序主要包括數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)分析兩個(gè)模塊。數(shù)據(jù)采集模塊主要包括高速攝像觸發(fā)參數(shù)設(shè)置、數(shù)據(jù)采集卡初始參數(shù)設(shè)置和波形參數(shù)實(shí)時(shí)顯示面板。數(shù)據(jù)采集模塊的前面板如圖3所示。

圖3 數(shù)據(jù)采集模塊前面板Fig.3 Front panel of data acquisition module

數(shù)據(jù)采集模塊的工作流程為：首先，創(chuàng)建兩個(gè)集合點(diǎn)，兩個(gè)集合點(diǎn)分別代表焊接電信號(hào)采集子程序和高速攝像觸發(fā)子程序，由于LABVIEW 程序運(yùn)行方式為數(shù)據(jù)流運(yùn)行，所以點(diǎn)擊運(yùn)行程序后，只有當(dāng)兩個(gè)集合點(diǎn)都運(yùn)行到兩個(gè)子程序的起始點(diǎn)時(shí)，程序才會(huì)開(kāi)始下一步的運(yùn)行，即同步運(yùn)行。焊接電信號(hào)采集子程序通過(guò)數(shù)據(jù)采集卡的“模擬輸入”功能實(shí)現(xiàn)，主要利用LABVIEW 中的DAQmx 函數(shù)，在程序框圖的測(cè)量I/O 中選擇“DAQmx 數(shù)據(jù)采集”控件［10］，在該控件的子選板中依次選擇“DAQmx創(chuàng)建虛擬通道”“模擬輸入”“DAQmx 讀取”和“DAQmx定時(shí)”，以上為焊接電信號(hào)采集子程序驅(qū)動(dòng)函數(shù)配置；選擇“DAQmx配置記錄”函數(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)保存；通過(guò)“索引數(shù)組”得到焊接電信號(hào)的數(shù)據(jù)并以TDMS格式保存。高速攝像觸發(fā)子程序也利用LABVIEW中的DAQmx 函數(shù)，依次選擇“DAQmx 創(chuàng)建虛擬通道”“計(jì)數(shù)器輸出”“DAQmx 開(kāi)始數(shù)字邊沿”和“DAQmx 觸發(fā)”，以上為高速攝像觸發(fā)子程序驅(qū)動(dòng)函數(shù)配置。這時(shí)高速攝像圖像記錄軟件PCC 就會(huì)被觸發(fā)，開(kāi)始記錄。

3.2 分析模塊

數(shù)據(jù)分析模塊主要包括數(shù)據(jù)讀取路徑設(shè)置、數(shù)據(jù)處理類型選擇和數(shù)據(jù)處理結(jié)果顯示面板。數(shù)據(jù)分析模塊的前面板如圖4所示。

圖4 數(shù)據(jù)分析模塊前面板Fig.4 Front panel of data analysis module

分析模塊的工作流程為：首先，選擇讀取數(shù)據(jù)路徑和設(shè)置讀取數(shù)據(jù)范圍，當(dāng)設(shè)置范圍為“-1”時(shí)，即為讀取所選文件夾全部數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)格式為T(mén)DMS文件；其次，選擇是否“U-I處理”“濾波處理”等；最后選擇不同的選項(xiàng)卡即可查看不同的處理結(jié)果，如U-I分析、濾波處理、概率密度分布、相關(guān)性分析、FFT 變換、功率譜、STFT 變換等。U-I分析功能是通過(guò)創(chuàng)建XY 圖函數(shù)實(shí)現(xiàn)的；濾波處理功能是通過(guò)數(shù)字IIR 濾波器函數(shù)實(shí)現(xiàn)的；概率密度分布功能是通過(guò)創(chuàng)建直方圖函數(shù)實(shí)現(xiàn)的；相關(guān)性分析是通過(guò)卷積和相關(guān)函數(shù)實(shí)現(xiàn)的；FFT 變換功能是通過(guò)FFT 頻譜（幅度-相位）函數(shù)實(shí)現(xiàn)的；功率譜功能是通過(guò)頻譜測(cè)量函數(shù)實(shí)現(xiàn)的；STFT變換功能是通過(guò)STFT時(shí)頻圖函數(shù)實(shí)現(xiàn)的。除了這些時(shí)域和頻域的分析功能以外，還具有統(tǒng)計(jì)分析功能，不但對(duì)常見(jiàn)的均值、均方根、變異系數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)外，還加入了斷弧次數(shù)和短路過(guò)渡次數(shù)的統(tǒng)計(jì)，該功能主要是通過(guò)波峰檢測(cè)函數(shù)實(shí)現(xiàn)的，即將電壓谷值閾值設(shè)置為10 V，認(rèn)為當(dāng)電壓小于10 V開(kāi)始短路并進(jìn)行計(jì)數(shù)，統(tǒng)計(jì)短路過(guò)渡次數(shù)；將電流谷值閾值設(shè)置為0 A，認(rèn)為當(dāng)電流小于0 A時(shí)發(fā)生斷弧并進(jìn)行計(jì)數(shù)，統(tǒng)計(jì)斷弧次數(shù)。

4 系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)及分析

采用直徑為1 mm的普通低碳鋼焊絲進(jìn)行Q235低碳鋼板對(duì)接實(shí)驗(yàn)，試樣尺寸為150 mm×100 mm×4 mm，焊接速度為18 mm/s，焊接方法為CO2氣體保護(hù)焊接，氣體流量為15 L/min；數(shù)據(jù)采集卡采樣率為100 kS/s，高速攝像幀率為3 000 fps。

4.1 GMAW穩(wěn)定過(guò)程采集及分析

預(yù)設(shè)焊接電流為160 A、電壓為20 V 時(shí)CO2焊接短路過(guò)渡穩(wěn)定過(guò)程的電信號(hào)波形與熔滴過(guò)渡對(duì)應(yīng)圖像如圖5 所示。可以看出，t0時(shí)刻，熔滴與母材發(fā)生接觸，接觸瞬間電弧熄滅，由波形可以看出電壓急劇下降，當(dāng)電壓低于10 V 短路開(kāi)始；t0+0.6 ms時(shí)刻，短路電流先下降到小于基值電流的位置，隨后以指數(shù)形式增大，使得電磁收縮力迅速增大，在焊絲端部與熔池之間形成液態(tài)“小橋”，由于液態(tài)金屬不能自行爆斷，只能依靠電磁收縮力和重力作用，隨著電壓變化率的急劇增大熔滴的表面張力也在增大，當(dāng)電壓變化率達(dá)到焊機(jī)設(shè)定的閾值后，經(jīng)過(guò)100～200 μs 在表面張力的作用下熔滴過(guò)渡到熔池中；t0+3 ms 時(shí)刻，熔滴發(fā)生過(guò)渡后電壓迅速恢復(fù)到空載電壓以上，電弧重燃；電弧重燃后焊絲端部被不斷熔化，重新出現(xiàn)了液態(tài)金屬，電流不斷下降，當(dāng)電流下降到基值電流附近，不斷長(zhǎng)大的熔滴逐漸靠近母材，當(dāng)熔滴與母材接觸時(shí)再一次發(fā)生短路。

4.2 變異系數(shù)對(duì)焊接穩(wěn)定性的影響

分別改變送絲速度vf、焊接電壓U進(jìn)行一系列工藝試驗(yàn)，工藝參數(shù)如表1 所示。通過(guò)弧焊參數(shù)采集與分析系統(tǒng)分別采集起弧3 s后（焊接進(jìn)入穩(wěn)定階段）的1 s、2 s、3 s 的焊接電流變異系數(shù)v(I)，通過(guò)比較焊接電流變異系數(shù)與過(guò)渡頻率的關(guān)系得出變異系數(shù)對(duì)焊接穩(wěn)定性的影響，隨后借助弧焊參數(shù)采集系統(tǒng)采集到的波形驗(yàn)證變異系數(shù)對(duì)焊接穩(wěn)定性影響的可靠性［11］。變異系數(shù)v(I)的計(jì)算公式為：

表1 工藝參數(shù)Table 1 Test specifications

式中S(I)為電流標(biāo)準(zhǔn)差；為電流平均值。

從圖7a 可以看出，隨著電壓的增加，焊接電流變異系數(shù)v(I)與短路過(guò)渡頻率整體上呈負(fù)相關(guān)，當(dāng)16 V≤U≤24 V 時(shí)，焊接電流變異系數(shù)v(I)隨電壓的增加先減小后增大，短路過(guò)渡頻率f隨著電壓的增加先增大后減小，當(dāng)電壓U=20 V時(shí)，焊接電流變異系數(shù)v(I)達(dá)到最小值，此時(shí)短路過(guò)渡頻率為最大值，這說(shuō)明了焊接電流變異系數(shù)越小，焊接過(guò)程穩(wěn)定性越高［12］。圖7b 從上至下依次為焊接電流160 A，電壓分別為16 V、18 V、20 V、22 V、24 V 的焊接電流電壓波形，可以看出當(dāng)焊接電壓為16 V、18 V 時(shí)整個(gè)波形呈斷續(xù)分布，時(shí)密時(shí)疏，說(shuō)明在焊接電壓較小時(shí)整個(gè)焊接過(guò)程都趨于不穩(wěn)定狀態(tài)，當(dāng)電壓增大到20 V時(shí)焊接波形細(xì)密且均勻，說(shuō)明該參數(shù)下焊接過(guò)程較為穩(wěn)定，當(dāng)電壓繼續(xù)增大到22 V 以上，焊接波形雖均勻但逐漸稀疏，說(shuō)明過(guò)渡頻率在減小，整個(gè)焊接過(guò)程又向著不穩(wěn)定方向發(fā)展。這也充分印證了焊接電流變異系數(shù)對(duì)焊接過(guò)程穩(wěn)定性的影響。

圖7 焊接電流變異系數(shù)與焊接電信號(hào)波形Fig.7 Welding current variation coefficient and welding electric signal waveform

通過(guò)上述論證發(fā)現(xiàn)，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)可以直觀反映焊接過(guò)程穩(wěn)定性，若再結(jié)合熔滴過(guò)渡圖像還可以找出焊接過(guò)程不穩(wěn)定的節(jié)點(diǎn)，這樣可以更合理地完善焊接工藝參數(shù)，優(yōu)化焊接工藝質(zhì)量。

4.3 GMAW斷弧過(guò)程采集及分析

圖8 為預(yù)設(shè)焊接電流為200 A、電壓為21 V 時(shí)發(fā)生斷弧現(xiàn)象的焊接電壓電流波形及對(duì)應(yīng)的熔滴過(guò)渡圖像。從波形圖可以看出當(dāng)發(fā)生斷弧時(shí)電流下降到0 A 左右保持不變，電壓發(fā)生突變，突變至100 V左右，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于焊接平均電壓，這是由于焊接時(shí)的送絲速度與焊接電流大小不匹配，送絲速度過(guò)慢，焊絲的送進(jìn)速度小于熔化速度，電弧被拉長(zhǎng)，當(dāng)達(dá)到一定長(zhǎng)度時(shí)電弧熄滅，即發(fā)生斷弧現(xiàn)象。

圖8 斷弧電信號(hào)波形對(duì)應(yīng)熔滴過(guò)渡圖像Fig.8 Arc-off signal waveform corresponds to the droplet transition image

4.4 GMAW焊絲爆斷過(guò)程采集及分析

圖9 為預(yù)設(shè)焊接電流為160 A、電壓為18 V 焊絲爆斷時(shí)的焊接電壓電流波形及對(duì)應(yīng)的熔滴過(guò)渡圖像。從波形可以看出在焊絲爆斷前，電壓電流波形都呈密集的“多峰”狀，當(dāng)發(fā)生爆斷時(shí)電流突降，電壓則是保持焊接平均電壓的狀態(tài)，這是由于焊接時(shí)的送絲速度與焊接電流大小不匹配，這時(shí)的送絲速度很快，焊接電流較小，此時(shí)的焊絲送進(jìn)速度大于熔化速度，焊絲還沒(méi)來(lái)得及熔化就被不斷送進(jìn)的焊絲推入熔池中，隨著焊絲的送進(jìn)量增加，在焊絲的推動(dòng)力以及焊絲發(fā)生短路產(chǎn)生了大量的電阻熱，導(dǎo)致焊絲發(fā)生爆斷，造成焊接過(guò)程的不穩(wěn)定。

圖9 焊絲爆斷電信號(hào)波形對(duì)應(yīng)熔滴過(guò)渡圖像Fig.9 Weld wire burst power signal waveform corresponds to the droplet transition image

4.5 GMAW飛濺過(guò)程采集及分析

圖10 為預(yù)設(shè)焊接電流240 A、電壓21 V 產(chǎn)生飛濺時(shí)的焊接電壓電流波形及對(duì)應(yīng)的熔滴過(guò)渡圖像。可以看出產(chǎn)生飛濺時(shí)的焊接電流波形比穩(wěn)定過(guò)渡時(shí)的多一個(gè)尖峰呈“三峰”狀，電壓小于10 V達(dá)到焊機(jī)設(shè)定閾值，判斷為短路開(kāi)始，出現(xiàn)第一個(gè)尖峰，隨后電流上升電磁收縮力增大，電壓變化率達(dá)到閾值，為了防止電流繼續(xù)增大而導(dǎo)致縮頸破斷時(shí)飛濺過(guò)大，電流開(kāi)始減小，電磁收縮力減小，表面張力增大，系統(tǒng)判斷發(fā)生短路過(guò)渡，但此時(shí)的表面張力并未達(dá)到液橋破斷所需力的大小，沒(méi)有發(fā)生短路過(guò)渡。由于系統(tǒng)誤判為開(kāi)始燃弧，要為燃弧提供能量，電流又一次上升隨后下降，出現(xiàn)第二個(gè)尖峰，當(dāng)再一次下降達(dá)到谷值時(shí)，能量聚集，表面張力足夠大，頸縮破斷，產(chǎn)生較大飛濺，過(guò)渡后又重新燃弧，由于前一次過(guò)渡的熔滴過(guò)大，焊絲末端距離熔池的高度增加，導(dǎo)致下一次過(guò)渡的周期變長(zhǎng)，這時(shí)燃弧時(shí)間增加，又醞釀出較大的熔滴，往復(fù)循環(huán)。

5 結(jié)論

（1）基于LABVIEW 創(chuàng)建了一套弧焊參數(shù)采集與分析系統(tǒng)，通過(guò)等待集合點(diǎn)函數(shù)，將數(shù)據(jù)采集程序與相機(jī)觸發(fā)程序連接，實(shí)現(xiàn)了焊接電信號(hào)與熔滴過(guò)渡圖像同步采集。

（2）進(jìn)行了一系列工藝實(shí)驗(yàn)，提出了用焊接電流變異系數(shù)來(lái)表征焊接過(guò)程穩(wěn)定性，在焊接電流不變的情況下隨著焊接電壓的增加，焊接電流變異系數(shù)與熔滴過(guò)渡頻率呈負(fù)相關(guān)，且焊接電流變異系數(shù)越小焊接過(guò)程越穩(wěn)定。

（3）通過(guò)設(shè)計(jì)的弧焊參數(shù)采集與分析系統(tǒng)，能夠準(zhǔn)確地將焊接電信號(hào)波形與熔滴過(guò)渡圖像進(jìn)行結(jié)合，有利于波形控制和熔滴過(guò)渡控制；通過(guò)對(duì)焊接電流變異系數(shù)的統(tǒng)計(jì)，可以直觀反映焊接過(guò)程穩(wěn)定性；當(dāng)焊接電信號(hào)的電流波形突降為零，電壓波形激增，遠(yuǎn)大于焊接平均電壓并保持不變，判斷此時(shí)為斷弧；當(dāng)電壓電流波形都呈密集的“多峰”狀，隨后電流突降，判斷此時(shí)為焊絲爆斷；當(dāng)焊接電流波形呈“三峰”狀，判斷此時(shí)焊接電流過(guò)大，飛濺量增加。

（4）本研究未能實(shí)現(xiàn)焊接過(guò)程中弧焊參數(shù)采集與分析的閉環(huán)反饋調(diào)節(jié)，即在焊接過(guò)程中出現(xiàn)異常可實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)焊接變量，增加焊接過(guò)程中的穩(wěn)定性。實(shí)現(xiàn)這一研究需要結(jié)合焊接中的熱力學(xué)，流體力學(xué)等多個(gè)學(xué)科，建立數(shù)學(xué)模型，反映焊接狀態(tài)與焊接參數(shù)之間的關(guān)系。進(jìn)而根據(jù)焊接狀態(tài)反饋結(jié)果，調(diào)節(jié)焊接參數(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)焊縫形狀，焊縫熔深等質(zhì)量參數(shù)的控制，完成閉環(huán)反饋調(diào)節(jié)過(guò)程。