白韶軍 ，章朋田 ，陳樹君 ，黃繼強，薛 龍

（1.北京工業(yè)大學 機械工程與應用電子技術學院，北京 100022；2.北京石油化工學院 光機電裝備技術北京市重點實驗室，北京 102617）

0 前言

焊接過程動態(tài)參數(shù)測量對指導工藝研究有重要意義。近年來，伴隨著傳感器技術和圖像處理技術在焊接工程領域的應用，關于電弧弧焊過程中電弧狀態(tài)、金屬熔滴過渡形式及短路過渡頻率、熔滴過渡均勻性和穩(wěn)定性的研究不斷深入，研究特殊環(huán)境下如不同外加磁場、外加機械力等多個工藝參數(shù)耦合作用下MIG/MAG電弧和熔池的交互行為效果，可以揭示在不同熔焊工藝條件下所發(fā)生的復雜焊接熱物理現(xiàn)象，以滿足特殊環(huán)境下焊接生產過程質量的實時監(jiān)控的迫切要求，針對特殊環(huán)境下的焊接質量控制要求，以多傳感器信息融合技術作為支撐，建立了基于虛擬儀器技術的MIG/MAG弧焊過程電弧物理現(xiàn)象及電參數(shù)可視化焊接質量動態(tài)分析系統(tǒng)，并進行了特殊環(huán)境下焊接電弧電信號與圖像信息特征動態(tài)綜合實驗，研究電弧受不同外場作用時，MIG/MAG短路過渡電弧焊接過程電弧電壓、焊接電流概率密度分布及熔滴過渡時間頻率分布規(guī)律[1]。

1 焊接動態(tài)過程測量與分析系統(tǒng)

1.1 焊接電弧測量系統(tǒng)

MIG/MAG焊接動態(tài)過程測量試驗系統(tǒng)如圖1所示，系統(tǒng)包括焊接電弧電參數(shù)檢測系統(tǒng)、電弧熔滴過渡高速攝像系統(tǒng)和外圍同步處理單元。電參數(shù)測量傳感器包括CHB-500T霍爾電流、CHV-25P電壓傳感及濾波控制單元等，試驗測試焊接電源選用Fronius公司的TransPuls Synergic 3200、EWM公司的PHOENIX 521 Progresspulscold Arc和Kemppi公司的Fast MIGTMPulse 450等。應用測試系統(tǒng)完成CMT焊接鋁合金、輔助磁場下CO2氣體保護焊接鋼、加壓環(huán)境下MIG/MAG焊接動態(tài)過程數(shù)據(jù)采集與分析。

圖1 焊接電弧和電參數(shù)測量系統(tǒng)Fig.1 Arc and electrical parameters measurement system

1.2 短路過渡高速攝像

通過采用電弧熔滴過渡高速攝像系統(tǒng)對焊接電弧熔滴過渡過程中電弧運動狀態(tài)、熔滴過渡形態(tài)、焊接過程穩(wěn)定性及飛濺等進行精確的觀察分析，背光采用CHF-XM500氙燈光源，試驗采用了MS55K和Motion Pro Y4-S2高速攝像機，通過外部脈沖觸發(fā)系統(tǒng)模式同時啟動高速攝像和焊接質量分析系統(tǒng)，實時記錄電弧和熔滴過渡形態(tài)和電弧電參數(shù)，常規(guī)GMAW-S短路過渡高速攝像如圖2所示，圖像采集為3 000 fps，分辨率512×512曝光時間為2～3μs，可以看出，常規(guī)的GMAW-S工藝焊接時，由于短路峰值電流較大，在縮頸破斷瞬間電弧空間氣化膨脹，同時產生較多的大顆粒飛濺。

圖2 GMAW短路過渡高速攝像φ（Ar）80%+φ（CO2）20%Fig.2 High-speed photographs of short circuiting transfer in GMAW-Sprocess

1.3 短路過渡電弧與電參數(shù)信息綜合

基于LabVIEW虛擬儀器的MIG/MAG焊接電弧參數(shù)采集系統(tǒng)包括脈沖觸發(fā)電弧高速攝像控制模塊、MIG/MAG電弧電參數(shù)多通道數(shù)據(jù)采集模塊、電弧參數(shù)復現(xiàn)回放分析模塊等。系統(tǒng)采用外觸發(fā)方式控制數(shù)據(jù)采集與圖像采集，當TTL電平上沿通過“TRIG IN”啟動高速攝像，每采集一幀系統(tǒng)就由“SYNC OUT”輸出同步脈沖觸發(fā)NI數(shù)據(jù)采集卡進行數(shù)據(jù)采集，采樣頻率在200 kS/s。

將電弧電壓Uf經(jīng)過分壓經(jīng)線性光電耦合器6N136實現(xiàn)信號隔離，輸出接LM393N壓頻轉換電路得到MIG/MAG短路過渡脈沖信號用來觸發(fā)高速攝像系統(tǒng)，亦可設計頻率可調整的TTL電平觸發(fā)信號來保證輸出到同步觸發(fā)脈沖信號與過渡頻率相一致，高速攝像脈沖觸發(fā)電路的輸出為4.5 V，輸出電流不大于10 mA，以確保高速攝像系統(tǒng)安全工作。

當電弧形態(tài)和電參數(shù)數(shù)據(jù)采集結束后，通過調用READ-CAM子程序讀取高速攝像圖片并上載存儲到PC中，調用數(shù)據(jù)復現(xiàn)子程序對電弧形態(tài)和焊接電參數(shù)回放，調用分析程序模塊實現(xiàn)離線分析，程序動態(tài)連接了系統(tǒng)自帶的AVI.play和image.view程序用于分析處理圖像等，并分別求出電弧電流和電壓的標準差SD、平均數(shù)M、變異系數(shù)CV，并做出動態(tài)電弧電流和電壓U-I波形，如圖3所示。

圖3 電弧形態(tài)與電參數(shù)系統(tǒng)軟件整合Fig.3 Integration system of Arc shapeand electrical parameters

回放顯示效果需要根據(jù)數(shù)據(jù)采集卡的采樣頻率、通道個數(shù)和高速攝像的拍攝頻率來進行協(xié)調，保證在讀取電流電壓數(shù)據(jù)的同時對應讀取一張焊接電弧圖片。在特殊環(huán)境下針對試驗使用的FASTCAM-TRIGGER IN，采用遠端控制PT2262發(fā)射PT2272接收電路，通過正確譯碼同時觸發(fā)啟動高速攝像和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

2 焊接電弧動態(tài)過程性能評價指標

焊接動態(tài)過程電參數(shù)測試利用漢諾威弧焊質量分析AH-XIX系統(tǒng)，實時檢測電弧電壓Ua（t）、焊接電流ia（t）瞬時值，并生成電弧電壓U-PDD、焊接電流I-PDD概率密度統(tǒng)計分布，短路時間T1-CFD、燃弧時間T2-CFD、加權燃弧時間T3-CFD和過渡周期時間Tc-CFD頻率分布，并得到電弧電壓、焊接電流及各短路時間參數(shù)統(tǒng)計平均值M、標準偏差SD和變異系數(shù)CV等[2-5]，對短路過渡時間特征參數(shù)進行了定義如圖4所示。

當短路頻率越高則焊接過程的穩(wěn)定性越好；短路周期的平均值Tc-M、標準差Tc-SD和變異系數(shù)Tc-CV能較好反映短路過渡過程周期的分散程度和穩(wěn)定性。標準差SD為

圖4 短路過渡特征參數(shù)定義Fig.4 Features of short circuits

對于焊接過程來說，過渡周期標準差SD僅適用于過渡周期平均值相同時的多次焊接過程差異性的對比，變異系數(shù)CV，也可表征被檢量的穩(wěn)定性或一致性，其值等于數(shù)據(jù)的標準差SD除以其平均值M。短路過渡周期變異系數(shù)可表示為：

式中 Tc，i為第i個過渡周期時間（單位：ms）；Tc，M為過渡周期平均值（單位：ms）。

3 不同外場作用下的MIG/MAG電弧動態(tài)特性

3.1 特殊環(huán)境下焊接規(guī)范對Tc和CV的影響

測試系統(tǒng)通過漢諾威焊接質量分析儀實時采集不同試驗條件下的MIG/MAG電弧電流和電壓的波形，如圖5所示。對獲得的短路過渡統(tǒng)計規(guī)律參數(shù)進行對比分析，特性研究包括外加力場CMT焊接電弧、輔助磁場焊接電弧和加壓條件下CMT及一元化焊接條件下的短路過渡時間特征統(tǒng)計規(guī)律參數(shù)進行對比分析，來評判焊接動態(tài)過程。

通過漢諾威分析儀對獲得的短路過渡周期Tc統(tǒng)計規(guī)律進行對比分析，焊接實驗條件CMT焊接鋁焊接電流CMT 150 A，F(xiàn)ast MIG輔助磁場焊鋼焊接電流200 A，Cold arc MAG焊鋼焊接電流200 A，加壓倉下MIG/MAG焊鋼焊接電流150 A、送絲速度在4 m/min，結果表明在CMT焊接規(guī)范時短路過渡周期Tc分布均勻，在150 A規(guī)范條件下，短路過渡周期Tc的變異系數(shù)CV最小。不同外場作用下實際焊接試驗獲得的短路過渡周期Tc和其變異系數(shù)CV的對比結果如表1所示。

3.2 磁場作用下對短路過渡過程的檢測

圖5 不同焊接電源電壓-電流波形Fig.5 Voltage-current waveforms in different welding

短路過渡焊接時飛濺的大小主要取決于短路末期的電爆炸飛濺，縮頸處電流密度較大引起電磁力使短路液橋爆斷，造成電弧不穩(wěn)。當在熔滴短路階段，施加一個預置脈沖輔助磁場，借助“輔助磁場力”來擾動短路液橋，使其在電爆炸之前破斷，則可降低電爆炸造成的飛濺。當焊炬帶有附加磁場裝置進行試驗我們發(fā)現(xiàn)：當輔助磁場產生電磁力的方向與焊接方向相一致時，縮頸處受到輔助電磁力與液態(tài)金屬偏斜方向一致，有利于縮頸的破斷；應用焊接質量分析系統(tǒng)研究在CO2焊接或MAG焊接時，激磁電壓Ue與短路過渡周期Tc的變化規(guī)律，在最佳激磁電壓Ue條件下，輔助磁場對電弧的作用效果好；在純CO2保護氣、送絲速度vf=3.5 m/min，電弧電壓Ua=19 V，焊接速度vw=29 cm/min，干伸長Le=15 mm條件下進行焊接，未加磁場時氣體爆炸現(xiàn)象嚴重，當施加輔助脈沖磁場后（Ue=65 V，ton=3.8 ms）電爆炸飛濺得到抑制，短路過渡周期Tc的CV最低，短路過渡過程均勻、穩(wěn)定，如圖6所示。

表1 不同外場作用下短路過渡周期Tc和CV的影響Tab.1 Influenceof short circuit Tcand CV in different fields

圖6 施加磁場前后的高速攝像圖片F(xiàn)ig.6 High-speed camera pictures before and after Magnetic field

4 結論

（1）針對不同外場環(huán)境下對MIG/MAG焊接質量控制的要求，建立了基于虛擬儀器的MIG/MAG焊接電弧動態(tài)過程分析系統(tǒng)，實現(xiàn)了不同環(huán)境下MIG/MAG焊接過程動態(tài)檢測、監(jiān)控和分析。

（2）短路過渡周期Tc的變異系數(shù)CV值是評價MIG/MAG焊接工藝性能的有效指標。

[1]黃玉鳳.分析儀在焊接電參數(shù)測試中的應用[J].新技術新工藝，2008（4）：74-75.

[2]劉富強，王 寶.漢諾威弧焊質量分析系統(tǒng)及其在焊接材料測試技術中的應用[J].兵器材料科學與工程，2008，31(2)：87-90.

[3]王 寶，宋永倫，Rehfeldt D.焊接材料工藝性的分析與評價[J].電焊機，2006，36（11）：11-19.