豐雪，朱冠清，張松磊，周暢

（平頂山平煤機(jī)煤礦機(jī)械裝備有限公司，河南 平頂山 467100）

在液壓支架千斤頂加工行業(yè)中，傳統(tǒng)的千斤頂缸體焊接工藝通常采用大凹槽坡口、多層多道焊接。一方面，制造大凹槽坡口需要時間，需要進(jìn)行大量的焊接，消耗大量焊接材料，價格昂貴且效率低下。另一方面，熱輸入大并且應(yīng)力和應(yīng)變大，熱影響面積大，焊接的機(jī)械性能較差。而窄間隙使用狹窄的凹槽以減少焊接材料的消耗。同時，由于焊接期間的熱輸入非常低，因此減少了焊接后的變形和應(yīng)力，是一種有效的焊接方法。但由于窄間隙焊接中電弧與坡口側(cè)壁幾乎平行，造成電弧無法對側(cè)壁直接加熱，易出現(xiàn)側(cè)壁未熔合缺陷，造成千斤頂在使用過程中的漏液、缸底脫落等，嚴(yán)重影響千斤頂?shù)陌踩４_保側(cè)壁熔合的可靠度非常重要，歸根結(jié)底是追蹤電弧的位置。當(dāng)今的電弧跟蹤主要是基于人的看和聽，產(chǎn)品的質(zhì)量在很大程度上取決于操作人員的技能和責(zé)任。因此，提高M(jìn)AG焊接工藝的自動化程度，降低人為因素的影響尤為重要。本文通過電弧規(guī)律分析為側(cè)壁熔合電弧作用位置的預(yù)警提供一種途徑。

1 窄間隙MAG焊實(shí)現(xiàn)原理

圖1顯示了窄間隙MAG焊的焊接原理。

圖1 實(shí)現(xiàn)原理

該方法的特征之一是用矩形截面的導(dǎo)電嘴代替常規(guī)的圓柱形，焊絲作為熔化極伸入坡口內(nèi)焊接。電弧在合適的焊接參數(shù)范圍內(nèi)，焊絲的兩側(cè)與間隙的側(cè)壁之間的Lw距離小于或等于燃燒電弧的長度La。隨著電弧的不斷燃燒，焊絲與坡口側(cè)壁和根部之間的距離有規(guī)律地變化。送絲機(jī)連續(xù)不斷地運(yùn)送焊絲，對側(cè)壁加熱的橫向擺動電弧便在間隙之間形成，以這種方式加熱側(cè)壁實(shí)現(xiàn)其焊接。

2 試驗(yàn)設(shè)置

電弧聲音信號采集系統(tǒng)主要由麥克風(fēng)，一調(diào)整模塊（AWA14603）和采集模塊（PCI-1713）。焊接實(shí)驗(yàn)在德國克魯斯QRH—390—E/Z焊接機(jī)器人上進(jìn)行，QINEO PULSE 600焊接電源。測試板由Q345鋼制成，長600mm，寬200mm，厚25mm。凹槽寬20mm，深12mm，底部倒角半徑約3mm，焊絲直徑1.2mm,焊接參數(shù)如表1。

表1

3 結(jié)果

3.1 短時加窗處理

電弧信號的產(chǎn)生是一個異常隨機(jī)的過程，其特性會隨時間變化。但是，從另一個角度來看，這是一個相對較短的時期，頻譜特性和某些物理特性基本不變，可以將其作為穩(wěn)準(zhǔn)態(tài)信號。在這種情況下，電弧的聲信號的處理和分析應(yīng)該在短時間內(nèi)進(jìn)行，常采用“短時加窗”實(shí)現(xiàn)。經(jīng)過幾次嘗試，當(dāng)幀長為100ms（每幀的采樣容量為4800）時，分析結(jié)果基本相同。這點(diǎn)在實(shí)施實(shí)時在線監(jiān)控指標(biāo)時將非常有用。電弧的開始和結(jié)束時燃燒的不穩(wěn)定性，因此不考慮相應(yīng)的時間信號。圖2顯示了當(dāng)電弧位于焊道中心時使用矩形窗對電弧聲音的加窗處理情況。可以看出，窄間隙MAG焊垂直焊接時電弧聲音信號在大約100Hz的頻率上表現(xiàn)出周期性的“振鈴”衰減特性。其原因是，電弧的聲音由所造成的基值和峰值之間的電流轉(zhuǎn)移形成的電弧功率變化引起。當(dāng)電流從基極變化到峰值時，電弧的功率會非常迅速地變化，從而引發(fā)強(qiáng)烈的“振鈴”，幅值維持在±0.5V上下。

圖2 短時電弧聲波形

3.2 功率譜分析

音頻信號的特征之一是，隨著時間的流逝，波形對外部干擾非常敏感，并且反射特性在某種程度上對外界很強(qiáng)。因此，圍繞頻域進(jìn)行的功率譜分析是電弧聲音頻信號分析的最可靠、最有效的分析方法之一，可用于評估隨時間變化的隨機(jī)信號功率的頻率分布。如圖3所示，電弧聲分配距離在0.3～12.0kHz。此外，大部分功率集中在0.3～3.0kHz和9.0～12.0kHz這兩個頻率上，并且有多個共振峰顯示。

圖3 電弧聲功率譜

隨后的實(shí)驗(yàn)表明，不同的電弧側(cè)壁距離會相應(yīng)改變電弧聲信號的頻譜細(xì)節(jié)。當(dāng)電弧的側(cè)壁接近Δ=1.6mm（圖4a）時，處于0.3～1.5kHz的低頻范圍內(nèi)。側(cè)壁的距離增加到Δ=2.6mm和3.6mm（圖4b和圖4c），電弧的功率離散分化，在9.0～12.0kHz頻率范圍內(nèi)的功率顯著增加。橫向側(cè)壁距離的增加，當(dāng)Δ=4.6mm（圖4d），其特性與圖3相似。

圖4 電弧-側(cè)壁距離對電弧聲功率譜的影響

就像人類的發(fā)聲機(jī)制一樣，焊接是一個聲音系統(tǒng)，電能的轉(zhuǎn)換被電弧聲聲源激發(fā)。電弧電極和保護(hù)氣屏蔽形成的共振腔形成電弧的聲源和聲通道，聲源和聲通道相互作用形成電弧聲，通道的頻率響應(yīng)將確定其頻譜顯示特性。焊接參數(shù)、電弧運(yùn)動、熔滴運(yùn)動、熔池形狀和其他影響因素決定了通道電弧聲的頻率。在窄間隙MAG垂直焊接的情況下，如果電弧與側(cè)壁之間的距離很短，則電弧會立即被吸引到側(cè)壁上，沿著側(cè)壁上升并迅速擴(kuò)展（圖5a）。功率變化很大，但是，聲道型腔增加，并且電弧聲頻的頻率降低。隨著電極和側(cè)壁之間距離的增加，電弧在焊縫的兩側(cè)移動，電弧形態(tài)自然被側(cè)壁壓縮（圖5b和圖5c），通道修改的效果顯而易見，電弧聲頻的頻率變大。隨著繼續(xù)增加電弧與側(cè)壁之間的距離，側(cè)壁將減少電壓縮（圖5d）?？偟膩碚f，電弧聲音的域頻特性在很大程度上與電弧的位置有關(guān)。但鑒于其復(fù)雜性和高度模糊性，要發(fā)現(xiàn)兩者之間的數(shù)學(xué)關(guān)系并不容易。

圖5

4 結(jié)語

窄間隙MAG時域波形表現(xiàn)出周期性的“振鈴”規(guī)律，其頻率對應(yīng)于焊接電源的脈沖頻率；電弧聲的功率范圍是0.3～12.0kHz，并且有兩個集中的頻率（0.3～3.0kHz和9.0～12.0kHz）。隨著電弧與側(cè)壁之間的距離逐漸增加，電弧的聲能具有較低的頻率分布，具有“間歇-連續(xù)-間歇”特征的。高頻分布出現(xiàn)在側(cè)壁距離2.6mm以上，并表現(xiàn)出“連續(xù)且間歇”的分布特性。