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(海軍駐葫蘆島四三一廠軍事代表室，遼寧 葫蘆島 125004)

1 船舶自動(dòng)焊焊接實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)錄入系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

船舶自動(dòng)焊焊接實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)錄入系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖1。該系統(tǒng)由傳感系統(tǒng)、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路及計(jì)算機(jī)端口電路、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)4個(gè)模塊構(gòu)成。系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)船舶焊接全過程跟蹤、檢測(cè)、記錄、存儲(chǔ)、分析等，其中，數(shù)據(jù)采集與分析系統(tǒng)構(gòu)成焊接實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)錄入系統(tǒng)的主體。通過科學(xué)化的數(shù)據(jù)采集與分析，能夠考察焊接過程中規(guī)范參數(shù)的穩(wěn)定性與焊接細(xì)則要求的符合性；通過電弧信息的統(tǒng)計(jì)分析，能夠再現(xiàn)電弧燃燒的微觀過程；通過電流、電壓的譜分析，確定焊接過程熔滴過渡的穩(wěn)定性。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2 數(shù)據(jù)采集方式

由于船舶的焊接時(shí)間持續(xù)較長(zhǎng)，系統(tǒng)的采樣頻率較高，所以數(shù)據(jù)量非常大，1 h的數(shù)據(jù)量約為200 k×3 600=7.2 Gb[1-3]。即使在對(duì)于計(jì)算機(jī)技術(shù)高度發(fā)達(dá)的今天，這個(gè)數(shù)據(jù)量的存儲(chǔ)在軟件和硬件上也存在一定的問題[4]。為此文中采用高速采集(200 kHz)和低速采集(1 kHz)交替進(jìn)行的方式，亦即進(jìn)行1 s的低速采集，再進(jìn)行1 s的高速采集，如此循環(huán)往復(fù)。高速采集將數(shù)據(jù)寫入內(nèi)存，利用低速采集的空閑時(shí)間，再將高速采集的數(shù)據(jù)寫入硬盤，達(dá)到高速采集、海量存儲(chǔ)的目的。考慮到焊接過程是一個(gè)熱物理過程，只有焊接電弧受到持續(xù)的干擾，才會(huì)引起焊接缺陷，因此這個(gè)數(shù)據(jù)采集方案對(duì)于焊接過程的檢測(cè)是合理的。

系統(tǒng)的低速采集數(shù)據(jù)用于在線實(shí)時(shí)顯示和離線分析存檔，高速采集數(shù)據(jù)用于離線統(tǒng)計(jì)分析和頻譜分析。

3 在線功能

系統(tǒng)在線功能模塊圖見圖2，負(fù)責(zé)焊接過程的跟蹤、檢測(cè)、記錄、存儲(chǔ)和簡(jiǎn)要的分析等。系統(tǒng)在線功能分為實(shí)時(shí)統(tǒng)計(jì)分析、系統(tǒng)標(biāo)定、在線監(jiān)控、打印輸出4個(gè)模塊。

圖2 系統(tǒng)在線功能模塊

3.1 實(shí)時(shí)統(tǒng)計(jì)分析

實(shí)時(shí)統(tǒng)計(jì)分析就是通過對(duì)低速采集數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析，在焊接過程中實(shí)時(shí)顯示焊接電流、電弧電壓的均值和有效值、焊接速度的均值，并且以圖形的方式顯示以上參數(shù)近一段時(shí)間以內(nèi)的變化過程和趨勢(shì)[5]。

3.2 系統(tǒng)標(biāo)定

系統(tǒng)標(biāo)定就是通過傳統(tǒng)的檢測(cè)方法對(duì)本系統(tǒng)進(jìn)行歸零、標(biāo)定，達(dá)到確定系統(tǒng)輸入與輸出的定量關(guān)系，并將這些關(guān)系進(jìn)行存儲(chǔ)。標(biāo)定的內(nèi)容有電流標(biāo)定，電壓標(biāo)定和速度標(biāo)定等。

3.3 在線監(jiān)控

在線監(jiān)控功能包括系統(tǒng)工作方式設(shè)置以及正常的電流、電壓、速度范圍設(shè)置。通過系統(tǒng)工作方式設(shè)置可以確定系統(tǒng)運(yùn)作方式，如設(shè)置高速采集參數(shù)，低速采集參數(shù)、焊接狀態(tài)過渡時(shí)間、焊縫參數(shù)等。通過電流、電壓、速度范圍設(shè)置可以確定正常的焊接工藝參數(shù)的范圍，當(dāng)檢測(cè)的焊接工藝參數(shù)超出設(shè)定范圍并持續(xù)一定時(shí)間時(shí)，記錄儀將報(bào)警提示。

3.4 打印輸出

打印當(dāng)前焊接電流和電壓速度。

4 離線分析

系統(tǒng)的離線分析負(fù)責(zé)對(duì)焊接過程數(shù)據(jù)進(jìn)行全面分析，包括焊接工藝參數(shù)分析、電弧微觀統(tǒng)計(jì)分析和頻譜分析，見圖3。

圖3 系統(tǒng)離線分析功能模塊

4.1 焊接工藝參數(shù)控制

對(duì)于焊接過程參數(shù)的控制，系統(tǒng)通過低速采集，即每1 s采集1 000個(gè)電流瞬時(shí)值i，通過有效值計(jì)算，可以得到這1 s的平均有效值I。

(1)

(2)

(3)

對(duì)于1 h的焊接過程就有180次觀察，考慮到焊接過程應(yīng)該是一個(gè)平穩(wěn)的隨機(jī)過程，其總體有效值的均值μ和標(biāo)準(zhǔn)差σ是與時(shí)間無關(guān)的常數(shù)，并且也就是以上各次觀察值的平均值，見式(4)、(5)。

(4)

(5)

如果把每次觀察的10個(gè)電流平均有效值的變化幅度(極差)作為衡量其波動(dòng)范圍的指標(biāo)，可以得到極差管理圖。第k次觀察的10個(gè)數(shù)據(jù)的最大值減去其最小值可以得到該次觀察的極差，見式(6)，180次觀察極差的平均值就是總體波動(dòng)范圍的度量值，見式(7)。

Rk=max(I)-min(I)

(6)

(7)

應(yīng)用以上方法，還可得到電弧電壓的均值管理圖、極差管理圖，以及電流、電壓平均值的均值和極差管理圖。埋弧焊電流、電壓平均值的均值和極差管理圖見圖4～7。

通過電流和電壓的有效值、平均值的均值管理圖和極差管理圖，可以全方位再現(xiàn)整個(gè)焊接過程的焊接工藝參數(shù)的變化歷程，為評(píng)定實(shí)際焊接過程與焊接工藝細(xì)則的一致性、符合性提供科學(xué)有效的分析方法。

圖4 埋弧焊焊接電流有效值均值管理

圖5 埋弧焊焊接電壓有效值均值管理

圖6 埋弧焊焊接電流平均值均值管理

圖7 埋弧焊焊接電壓平均值均值管理

焊接工藝參數(shù)模塊包括整個(gè)焊縫的電流、電壓均值和有效值的均值管理圖和方差管理圖的顯示。

4.2 電弧信息分析

圖8和圖9為埋弧焊焊接電流、電壓波形圖。由波形圖可以得出電流、電壓概率密度分布直方圖，見圖10和圖11，電流、電壓周期分布直方圖見圖12。

圖8 埋弧焊焊接電流波形

圖9 埋弧焊焊接電壓波形

圖10 埋弧焊焊接電流概率密度分布

圖11 埋弧焊焊接電壓概率密度分布

圖12 埋弧焊焊接電流、電壓周期分布

4.3 譜分析

由埋弧焊焊接電流、電弧電壓的周期分布圖以及氬弧焊焊接電流、焊接電壓的周期分布圖可以計(jì)算出周期分布的均值和方差。此外，由埋弧焊和氬弧焊焊接電流、電弧電壓的頻譜分析圖可以計(jì)算出其主振動(dòng)頻率，計(jì)算結(jié)果見表1。

表1 焊接電流、電壓變化周期和頻率計(jì)算結(jié)果

由表1可知，通過焊接電流、電壓波形計(jì)算出的電流和電壓的周期與通過譜分析計(jì)算出的電流、電壓的主振動(dòng)頻率基本吻合。

5 結(jié)論

1)以高速采集和低速采集交替進(jìn)行的方式對(duì)焊接質(zhì)量數(shù)據(jù)的收集是合適且可行的。

2)低速采集能夠用于在線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、顯示焊接電流、電壓、速度等焊接質(zhì)量數(shù)據(jù)的均值和有效值，并對(duì)焊接規(guī)范參數(shù)與焊接工藝細(xì)則的符合性進(jìn)行實(shí)時(shí)檢驗(yàn)。通過對(duì)低速采集數(shù)據(jù)的分析，能再現(xiàn)整個(gè)焊接過程中焊接電流、電壓的變化過程和趨勢(shì)，通過管理圖確定電流、電壓的合理變化范圍。

3)高速采集能夠用于對(duì)焊接電弧信息和熔滴過渡方式的跟蹤、檢測(cè)。

4)通過對(duì)焊接電流、電弧電壓的波形分析，可以得到其概率密度分布圖、周期分布圖以及電弧動(dòng)特性圖。通過對(duì)焊接電流、電弧電壓的波形的譜分析，可以得到其振動(dòng)頻率譜。

[1] 王其隆.弧焊過程質(zhì)量施時(shí)傳感與控制[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社,2000.

[2] 魏艷紅.焊接工藝評(píng)定必要性判定數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)[J].焊接,1993,13(1):8-11.

[3] J.A.JOHNSON etc.Process Control of GMAW[J]:Sensing of Metal transfer Mode WELDING RECHSEARCH SUPPLEMENT,1991(4):91-99.

[4] 張曉囡.實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)焊接過程的新型分析儀[C]∥第八次全國(guó)焊接會(huì)議論文集,北京，中國(guó)工業(yè)機(jī)械學(xué)會(huì)焊接分會(huì)，1997:439-441.

[5] 張曉囡.評(píng)定CO2電弧焊電源動(dòng)特性的統(tǒng)計(jì)分析法[J].焊接學(xué)報(bào),2001,22(3):12-16.