羅 佳，卜智翔*，朱師琦，孟慶潤，王立世

(1.湖北工業(yè)大學(xué) 材料與化學(xué)工程學(xué)院，湖北 武漢 430068；2.武漢鐵錨焊接材料股份有限公司，湖北 武漢 430085)

0 引 言

在焊接過程中，焊接員吸入的煙塵會(huì)誘發(fā)人體產(chǎn)生肺腫瘤[1]。當(dāng)前，新的環(huán)境、健康和安全立法推動(dòng)了減少焊接煙塵危害的焊接工藝研究[2-3]。焊接工藝參數(shù)(包括焊接電流、焊接電壓等)是影響焊接發(fā)塵率的重要因素[4-6]，其測量和控制一直是焊接領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。精確測量焊接電流和電壓參數(shù)，有助于建立焊接發(fā)塵率預(yù)測模型[7]，準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型是研究控制焊接煙塵和優(yōu)化工藝參數(shù)的重要理論依據(jù)。

YAMAMOT M E等人[8]根據(jù)焊接發(fā)塵率測試國際標(biāo)準(zhǔn)研發(fā)的焊接煙塵采樣器，實(shí)現(xiàn)了對焊接發(fā)塵率的測量，但該方法未實(shí)現(xiàn)焊接參數(shù)的自動(dòng)化采集和測控系統(tǒng)的可視化，測量精度難以得到保證。

虛擬儀器具有可視化和操作簡單等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于焊接中的機(jī)器人制造單元設(shè)計(jì)、工業(yè)產(chǎn)品檢測和測控系統(tǒng)研發(fā)領(lǐng)域[9-11]。

本文將以ISO 15011-1:2009國際標(biāo)準(zhǔn)為基礎(chǔ)[12]，研制一種基于LabVIEW平臺(tái)的GMAW焊接發(fā)塵率測量裝置的測控系統(tǒng)，為分析影響焊接發(fā)塵率的規(guī)律，并進(jìn)一步優(yōu)化焊接工藝提供技術(shù)支持。

1 控制系統(tǒng)原理及結(jié)構(gòu)

在焊接過程中，單位時(shí)間產(chǎn)生的焊接煙塵質(zhì)量即為焊接發(fā)塵率，其計(jì)算式如下：

(1)

式中：FFR—焊接發(fā)塵率，mg/min；M—焊接前濾紙的質(zhì)量，mg；M′—焊接后濾紙的質(zhì)量，mg；Δt—焊接時(shí)間，s。

根據(jù)式(1)，為實(shí)現(xiàn)對焊接煙塵的有效采集，需要在半封閉條件下對焊接煙塵進(jìn)行抽濾，并通過玻璃纖維濾紙收集焊接煙塵；通過測量玻璃纖維濾紙的質(zhì)量變化，并記錄焊接時(shí)間，即可計(jì)算發(fā)塵率。在焊接過程中需要采集焊接電流、焊接電壓和焊接時(shí)間等影響焊接發(fā)塵率大小的相關(guān)數(shù)據(jù),并對焊接速度進(jìn)行控制。為了減少焊接工藝參數(shù)波動(dòng)對測試精確度的影響，測試過程需要采用自動(dòng)控制實(shí)現(xiàn)焊接過程的自動(dòng)化，包括焊絲的送給和工件的移動(dòng)，另外還需要對抽濾系統(tǒng)的運(yùn)行進(jìn)行控制。

為實(shí)現(xiàn)以上功能，焊接發(fā)塵率測量裝置主要由測塵室、抽濾系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)等部分組成。其中，數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)由工控機(jī)、步進(jìn)電機(jī)、運(yùn)動(dòng)控制卡、數(shù)據(jù)采集卡、傳感器等組成。

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 十字滑臺(tái)及抽濾系統(tǒng)

電動(dòng)十字滑臺(tái)由工作臺(tái)、兩組互成十字相連的精密滑軌和86式四線步進(jìn)電機(jī)組成。將工件固定在工作臺(tái)上，可以通過移動(dòng)工作臺(tái)來調(diào)節(jié)焊接位置。十字滑臺(tái)采用4個(gè)接觸式限位開關(guān)固定在滑軌的兩端，實(shí)現(xiàn)限位和確定零點(diǎn)位置功能。

DMC2210雷塞運(yùn)動(dòng)卡中PUL和DIR為輸出脈沖和方向信號，EL為限位信號，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器A+、A-、B+、B-端分別與配套步進(jìn)電機(jī)引腳相對應(yīng)。系統(tǒng)通過運(yùn)動(dòng)控制卡輸出方向和脈沖信號，實(shí)現(xiàn)十字滑臺(tái)的位移和速度控制。

抽濾系統(tǒng)是實(shí)驗(yàn)過程中收集焊接煙塵的裝置，主要由電磁氣閥和機(jī)械泵組成。OUT端口連接繼電器CL端口，通過繼電器開關(guān)控制電磁氣閥、送絲機(jī)電路通斷，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化煙塵采集。

十字滑臺(tái)控制電路如圖1所示。

圖1 十字滑臺(tái)控制電路圖

2.2 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

數(shù)據(jù)采集由PCI-1710研華數(shù)據(jù)采集卡、電流傳感器和電壓傳感器組成。焊接電流的測量選用JLK/JLKT-8霍爾感應(yīng)式電流傳感器，其量程為0～500 A，測量精度小于1.0%。焊接電壓的測量選用JLDA4U電壓傳感器，其量程為0～200 V，測量精度小于0.5%。

數(shù)據(jù)采集電路圖如圖2所示。

圖2 數(shù)據(jù)采集電路圖

圖1中，PCI-1710中AI0和AI1分別接收電流和電壓信號，JLDA4U中SIG_+和SIG_-分別連接試驗(yàn)裝置中的試板和焊槍。

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)的控制時(shí)序

通過對該測量系統(tǒng)的檢測和控制過程的分析，筆者設(shè)計(jì)的控制時(shí)序如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)的控制時(shí)序

在測量時(shí)，首先由工控機(jī)發(fā)送信號，啟動(dòng)抽濾系統(tǒng)使系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)前保證測塵室氣流穩(wěn)定，計(jì)時(shí)Δt1后系統(tǒng)自動(dòng)啟動(dòng)送絲機(jī)，并開始采集焊接電壓和焊接電流數(shù)據(jù)，隨后引弧并延時(shí)Δt2，再驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)移動(dòng)工作臺(tái)，經(jīng)過Δt3后工作臺(tái)停止移動(dòng)，延時(shí)Δt4，再停止送絲機(jī)和數(shù)據(jù)采集，最后延時(shí)Δt5后關(guān)閉抽濾系統(tǒng)，以保證測塵室殘余煙塵采集徹底。

各參數(shù)的定義如表1所示。

表1 初始參數(shù)表

Δt3—由工作臺(tái)的初始和終止位置及移動(dòng)速度確定

3.2 程序流程圖設(shè)計(jì)

基于LabVIEW軟件編程，系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)對數(shù)據(jù)采集和檢測過程的自動(dòng)化，并通過圖形化界面完成檢測過程的狀態(tài)設(shè)定和輸出。

程序流程圖如圖4所示。

圖4 程序流程圖

初始參數(shù)通過軟件界面進(jìn)行設(shè)定，設(shè)定參數(shù)見表1(不含Δt3)。完成焊接煙塵收集后，記錄焊接時(shí)間、焊接速度、焊接電流和焊接電壓，計(jì)算平均電流、平均電壓、電流有效值和電壓有效值。

3.3 操作界面設(shè)計(jì)

圖形用戶界面包括用戶輸入和顯示輸出兩類對象，具體有布爾控件、輸入控件和顯示對象。

該界面由啟停控制按鈕、參數(shù)設(shè)置和圖形顯示3大模塊組成，各自實(shí)現(xiàn)不同的功能，界面操作簡單、方便。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

為驗(yàn)證系統(tǒng)的可靠性，筆者在搭建好實(shí)驗(yàn)環(huán)境后，選用E501T-1型藥芯焊絲，在一定的焊接參數(shù)條件下(焊接電流230 A～260 A，焊接電壓25 V～27 V，焊接速度20 cm/min，保護(hù)氣體流量20 L/min)，采集焊接電流和焊接電壓等信號，對信號數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波處理后得到電流和電壓信號波形圖，如圖5所示。

圖5 電流和電壓信號波形圖

圖5中，焊接參數(shù)波形符合預(yù)期結(jié)果，測量精度滿足國際標(biāo)準(zhǔn)ISO 15011-1:2009試驗(yàn)要求；最終軟件輸出的焊接電流值為243.3 A，焊接電壓值為25.9 V。

為評價(jià)該測試裝置的測量準(zhǔn)確性，筆者分析了不同焊接電流、焊接電壓和焊接速度條件下的發(fā)塵率測試結(jié)果，共計(jì)48組數(shù)據(jù)，每組數(shù)據(jù)包括3次相同因素條件下的發(fā)塵率測量值，并列出了部分測量數(shù)據(jù)(16組)。

焊接參數(shù)與發(fā)塵率數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 焊接參數(shù)與發(fā)塵率數(shù)據(jù)

表2中，通過對全部數(shù)據(jù)進(jìn)行誤差分析可知，在焊接電流約為240 A，焊接電壓為30 V，焊接速度為20 cm/min時(shí)，該組數(shù)據(jù)的相對誤差最大，為11.9%。測量結(jié)果中只有該組數(shù)據(jù)的相對誤差均略大于國際標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的相對誤差±10%；48組數(shù)據(jù)中有效數(shù)據(jù)達(dá)到98%，其中，60%以上的數(shù)據(jù)相對誤差不超過4%。

可見，該裝置的測量準(zhǔn)確性滿足設(shè)計(jì)要求。

數(shù)據(jù)誤差分段統(tǒng)計(jì)圖如圖6所示。

圖6 數(shù)據(jù)誤差分段統(tǒng)計(jì)圖

5 結(jié)束語

本文研制了一種基于LabVIEW平臺(tái)的GMAW焊接發(fā)塵率測量裝置的測控系統(tǒng)，主要結(jié)果如下：

(1)該焊接發(fā)塵率測量裝置測控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了測試過程的自動(dòng)化，尤其是對影響焊接發(fā)塵率的重要工藝參數(shù)完成了自動(dòng)化數(shù)據(jù)采集、信息處理和存儲(chǔ)；

(2)該裝置的測量精度滿足國際標(biāo)準(zhǔn)ISO 15011-1:2009要求，通過對焊接發(fā)塵率進(jìn)行測試，采集的焊接電流和焊接電壓符合預(yù)期結(jié)果；

(3)通過對測試數(shù)據(jù)進(jìn)行相對誤差分析，所得相對誤差小于國際標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定±10%的數(shù)據(jù)占比98%，可見該裝置的測量準(zhǔn)確性滿足設(shè)計(jì)要求。

參考文獻(xiàn)(References):

[1] FALCONE L M, ERDELY A, MEIGHAN T G, et al. Inhalation of gas metal arc-stainless steel welding fume promotes lung tumorigenesis in A/J mice[J].Archives of Toxicology, 2017, 91(8): 2953-2962.

[2] PIRES I, QUINTINO L, AMARAL V, et al. Reduction of fume and gas emissions using innovative gas metal arc welding variants[J].The Internation Journal of Advanced Manufacturing Technology, 2010, 50(5-8): 557-567.

[3] 房務(wù)農(nóng).對焊接材料納入修訂的標(biāo)準(zhǔn)《壓力容器——分析設(shè)計(jì)》材料篇的探討[J].壓力容器,2019,36(5):50-54,72.

[4] MENESES V A D, GOMES J F P, SCOTTI A. The effect of metal transfer stability (spattering) on fume generation, morphology and composition in short-circuit MAG welding[J]. Journal of Materials Processing Technology, 2014, 214(7):1388-1397.

[5] 許芙蓉. GMA焊接工藝參數(shù)對焊接煙塵產(chǎn)生影響的研究[D]. 天津：天津大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院, 2008.

[6] 張啟明,姜銀松,胡 靜,等.基于田口方法鋁合金電子束焊接工藝參數(shù)優(yōu)化[J].壓力容器,2018,35(3):14-18,38.

[7] TASHIRO S, MURPHY A B, TANAKA M. Numerical simulation of fume formation process in GMA welding[J].Welding in the World,LeSoudage Dans Le Monde,2018,62(6):1331-1339.

[8] YAMAMOTO M E, YAMAZAKI M K, SUZUKI M K, et al. Effect of flux ratio in flux-cored wire on wire melting behaviour and fume emission rate[J].Welding in the World, 2010, 54(5-6): 154-159.

[9] EGUTI C C A, TRABASSO L G. The virtual commissioning technology applied in the design process of a flexible automation system[J]. Jounal of Brazilian Society of Mechanical Sciences and Engineering,2018, 40(8): 396.

[10] 宮建鋒,李慧知,李俐群,等. 基于同軸圖像傳感器的激光焊接過程質(zhì)量監(jiān)測技術(shù)[J].焊接學(xué)報(bào), 2019,40(1): 43-48，168-169.

[11] 李夢瑤,陳克選,任永錦,等. 基于LabVIEW的弧焊參數(shù)測控系統(tǒng)[J].電焊機(jī), 2019, 49(3): 43-49.

[12] ISO 15011-1-2009.Health and safety in welding and allied processes-laboratory method for sampling fume and gases-part 1: determination of fume emission rate during arc welding and collection of fume for analysis[S] .Geneve:International Organization for Standardization, 2009.