呂小青，郝福旺，王壯壯，徐連勇，荊洪陽

(1.天津大學,天津，300350；2.天津市現(xiàn)代連接技術重點實驗室,天津，300350)

0 序言

電弧焊接是一個時變、非線性的物理過程，對該過程進行實時監(jiān)測有助于增加對其物理機理的認識，提升焊接質(zhì)量[1].目前，焊接過程中的監(jiān)測對象有電信號，電弧、熔池或熔滴過渡圖像[2]、聲信號[3-4]、光譜信號[5-6]等.其中，因視覺圖像是直觀反映電弧的燃燒過程，在實際的電弧機理研究中，應用最為廣泛[7-10].但由于高速攝像設備的內(nèi)存有限，在實際應用中，常常用于短時的規(guī)律性過渡過程觀察.而在探索電弧機理時，往往需要拍攝某些隨機的、不穩(wěn)定的電弧行為或熔滴過渡形態(tài)，如產(chǎn)生焊接缺陷時電弧出現(xiàn)重燃或跳弧等現(xiàn)象.

文中提出了一種基于電信號監(jiān)測的可控自觸發(fā)拍攝技術來解決以上問題.基于前期電信號參數(shù)計算分析，按需設定拍攝的觸發(fā)條件，使拍攝過程具有高度的靈活性，從而實現(xiàn)對某些“突變”電弧行為的抓獲，為促進焊接機理的深入認識提供鋪墊.

1 硬件系統(tǒng)組成

硬件系統(tǒng)是由高速攝像機、數(shù)據(jù)采集卡、霍爾電流傳感器、電壓傳感器、焊接電源、伺服移動工作臺以及計算機組成，其結構如圖1 所示.

圖1 硬件系統(tǒng)結構圖Fig.1 Structure of hardware system

高速攝像機型號為Photron FASTCAM Mini UX100，內(nèi)存為16 GB，最高拍攝頻率為204 800 幀/s，支持軟件和外部電平觸發(fā)，背部配備有兩個輸出端口，可以通過編程分別配置輸出信號為SYNC POS(高速攝像機拍攝頻率的倍頻同步信號，倍頻因子P 可調(diào))和REC POS(高速攝像機狀態(tài)識別信號，拍攝中REC POS 為高電平，非拍攝狀態(tài)為低電平).數(shù)據(jù)采集卡型號為NI 6361，最高采樣頻率2 MHz，焊接電源型號為福尼斯Fronius 的CMT Advanced 4000R.

高速攝像機的拍攝觸發(fā)模式包括開始模式、中心點模式及終止模式等.開始模式下高速攝像機在收到觸發(fā)信號后開始拍攝，直到內(nèi)存裝滿后拍攝停止，目前實際應用中大部分采用該種模式.中心點模式的特點是高速攝像機一直處于循環(huán)攝錄狀態(tài)(高速攝像機無止拍攝，當其內(nèi)存裝滿后，新的圖像會覆蓋舊的圖像)，直至其收到觸發(fā)信號后，高速攝像機繼續(xù)拍攝內(nèi)存一半的時長，之后停止拍攝，最終內(nèi)存中保存著觸發(fā)點前后相等時長的內(nèi)容.終止觸發(fā)模式與中心點模式類似，高速攝像機同樣處于循環(huán)拍攝狀態(tài)，區(qū)別是在此模式下高速攝像機收到觸發(fā)信號時即停止拍攝，內(nèi)存保存觸發(fā)信號之前的內(nèi)容.顯然，高速攝像機中心點模式和終止模式是實施基于電信號可自控拍攝的根本保證，文中試驗選擇了中心點觸發(fā)模式.

2 軟件系統(tǒng)設計

2.1 軟件總體框架

軟件主要功能是監(jiān)測焊接過程中的電信號數(shù)據(jù)，當其滿足設定條件時，自動觸發(fā)高速攝像機完成拍攝記錄.為了滿足實際需要，軟件還應能夠配置高速攝像機的拍攝參數(shù)、觸發(fā)模式、輸出端子信號和數(shù)據(jù)采集卡的采集參數(shù)等設備參數(shù)，以及實現(xiàn)同步采集、保存和回放圖像與電信號數(shù)據(jù).軟件總體框架如圖2 所示，分為4 個模塊：人機界面模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)處理與監(jiān)測模塊和相機控制模塊.因為LabVIEW 能夠?qū)崿F(xiàn)代碼自動多線程，所以各模塊并行執(zhí)行.

圖2 軟件總體框架圖Fig.2 Overall software framework

人機界面模塊主要負責人機交互，包括硬件參數(shù)的設定、電信號數(shù)據(jù)監(jiān)測條件的設定、顯示圖像與電信號波形等.數(shù)據(jù)采集模塊負責按照設定的參數(shù)完成數(shù)據(jù)采集卡的配置，以及電信號數(shù)據(jù)的讀取.數(shù)據(jù)監(jiān)測模塊負責對采集到的電信號數(shù)據(jù)進行循環(huán)保存和實時分析，包括當發(fā)現(xiàn)滿足所設定監(jiān)測條件的數(shù)據(jù)時向高速攝像機控制模塊發(fā)送觸發(fā)消息，以及采集完成后的數(shù)據(jù)處理.高速攝像機控制模塊主要負責高速攝像機的參數(shù)配置，拍攝和觸發(fā)指令的發(fā)送，高速攝像機內(nèi)存圖像的讀取以及將圖像保存至計算機硬盤.

2.2 拍攝觸發(fā)算法

電信號監(jiān)測是實現(xiàn)觸發(fā)高速攝影拍攝的關鍵，但是不同的缺陷在不同角度(如時域、頻域、統(tǒng)計學、非線性動力學等)所表現(xiàn)的顯著性并不完全一致，故暫以電信號RMS(root mean square 均方根)值作為觸發(fā)監(jiān)測條件.另外，不同工藝條件下，其電信號相差較大，因此觸發(fā)條件的閾值需要結合實際焊接過程來設定.監(jiān)測算法流程如圖3 所示.

圖3 穩(wěn)定性監(jiān)測算法流程圖Fig.3 Flow chart of stability monitoring algorithm

監(jiān)測焊機是否成功起弧，每個數(shù)據(jù)讀取周期計算電流信號的RMS 值，當連續(xù)N個RMS 值大于起弧閾值時認為焊機起弧成功.程序監(jiān)測到成功起弧后，轉(zhuǎn)入閾值設定狀態(tài)，選擇電壓信號作為監(jiān)測對象，每個數(shù)據(jù)讀取周期計算電壓信號的RMS 值，以連續(xù)J個RMS 值的變異系數(shù)作為閾值設定基準，考慮到焊接過程中電信號本身的波動性以及噪聲干擾引起的偽觸發(fā)，將求得值乘以觸發(fā)閾值系數(shù)K作為觸發(fā)閾值.完成觸發(fā)閾值設定后，程序轉(zhuǎn)入焊接監(jiān)測狀態(tài)，以連續(xù)L個讀取周期為一個監(jiān)測周期，每個監(jiān)測周期計算RMS 值的變異系數(shù)，當連續(xù)M個監(jiān)測周期計算的變異系數(shù)值均大于觸發(fā)閾值時程序向高速攝像機發(fā)送觸發(fā)信號，監(jiān)測程序結束.

人機界面相關監(jiān)測條件設定界面如圖4 所示，在實際應用中相關參數(shù)可以靈活設定.

圖4 監(jiān)測條件設定界面Fig.4 Monitoring condition setting interface

2.3 電弧圖像和焊接電信號的同步循環(huán)采集

本質(zhì)上電信號和圖像信號可以各自獨立存儲，但是為了便于后續(xù)電弧物理過程的分析，以及提升計算機應用效率，文中設計了兩者信號的同步采集系統(tǒng)，而對監(jiān)測過程中的前期電信號并不在計算機內(nèi)進行最終保存.

與高速攝像機在循環(huán)拍攝模式下存儲圖像的方式類似，電信號數(shù)據(jù)也采用循環(huán)保存模式.方法是在計算機內(nèi)存中以有限長度隊列的形式存儲采集到的電信號數(shù)據(jù)，隊列長度與高速攝像機內(nèi)存可存儲圖像幀數(shù)相適應.當隊列滿后，新的電信號數(shù)據(jù)繼續(xù)從隊尾入隊，同時舊的數(shù)據(jù)從隊頭出隊，隊列長度保持不變，直至高速攝像機拍攝完成.在這種模式下，軟件可以實時分析采集到的電信號，而且使得最終計算機內(nèi)存中保存的電信號數(shù)據(jù)與高速攝像機內(nèi)存中的圖像相對應.

為了詳細說明如何實現(xiàn)電弧圖像和焊接電信號的同步循環(huán)采集，舉例如下：高速攝像機的倍頻因子P設為2，數(shù)據(jù)采集卡以SYNC POS 為采樣時鐘信號，以REC POS 的上升沿作為采集開始信號，下降沿作為采集停止信號.高速攝像機與數(shù)據(jù)采集卡工作時序如圖5 所示.t0時刻高速攝像機與數(shù)據(jù)采集卡均處于預備狀態(tài)，等待用戶下達開始指令；t1時刻用戶按下開始按鈕，高速攝像機開始無止攝錄，內(nèi)存循環(huán)記錄拍攝到的圖像；由于設備自身限制，一個拍攝脈沖延遲后，t2時刻REC POS 由低電平轉(zhuǎn)換為高電平，同時數(shù)據(jù)采集卡檢測到REC POS 上升沿；一個采樣時鐘周期延遲后，t3時刻采集卡開始電信號采集；t3～t4時段高速攝像機和數(shù)據(jù)采集卡同步循環(huán)拍攝與采集，電信號數(shù)據(jù)在計算機內(nèi)存中循環(huán)存儲，另外系統(tǒng)不斷對采集到的電信號進行監(jiān)測；t5時刻高速攝像機收到觸發(fā)信號，高速攝像機內(nèi)存保留以觸發(fā)點為中心前后等時長的圖像，即t4～t6時刻時段拍攝的圖像；t6時刻高速攝像機停止拍攝；t7時刻REC POS 由高電平轉(zhuǎn)換為低電平；數(shù)據(jù)采集卡檢測到REC POS 下降沿后再采集兩個樣本點，t8時刻數(shù)據(jù)采集卡停止采集.

圖5 高速攝像機與數(shù)據(jù)采集卡工作時序圖Fig.5 Operating sequence diagram of high-speed camera and data acquisition card

3 試驗驗證與討論

3.1 試驗設計

以試樣表面存在油污為例進行試驗驗證.選取直徑為1.2 mm 的ER5356 鋁焊絲，在6061 鋁合金上進行平板堆焊，試樣尺寸為150 mm × 50 mm ×2 mm，如圖6 所示.在試樣沿焊接方向2/3 位置涂抹少許二硫化鉬潤滑脂來模擬油污，寬度為4 mm左右.保護氣體采用99.999%的高純氬氣，氣體流量為15 L/min.焊接工藝為冷金屬過渡(cold metal transfer，CMT)工藝，送絲速度為4 m/min，焊接速度為40 cm/min，導電嘴到試樣距離為15 mm.

圖6 表面帶有油污的試樣Fig.6 Specimen with greasy surface

高速攝像機的拍攝頻率為5000 幀/s，分辨率為640 × 480 Pixel，最大拍攝記錄時長為7.453 s，倍頻因子P為2.數(shù)據(jù)采集卡的采樣頻率為10 kHz.監(jiān)測參數(shù)設定如圖4 所示，電信號讀取周期設為33 ms，起弧電流閾值設為20 A，由于起弧后的短暫時間內(nèi)焊接電流與電弧電壓均不穩(wěn)定，適當加大起弧監(jiān)測時長以減少對閾值設定的干擾，N取70 (起弧延遲約為2.3 s)，J取30 (計算30 個電壓RMS 值的變異系數(shù)作為閾值設定基準)，觸發(fā)閾值系數(shù)K取2，監(jiān)測周期設為10 個讀取周期，M取2 (連續(xù)2 個監(jiān)測周期的變異系數(shù)大于觸發(fā)閾值時觸發(fā)高速攝像機拍攝).

3.2 試驗結果分析

以3.1 節(jié)設定的參數(shù)計算采集到電壓信號的RMS 值的變異系數(shù)，結果如圖7 所示.從圖7 可以看出，3～4 s 時電壓RMS 值的變異系數(shù)明顯高于其它時刻，高速攝像機在這一區(qū)間內(nèi)被觸發(fā)，成功拍攝到以油污處為中心的一系列電弧圖像，試驗證明了所提出算法的有效性.

圖7 電壓RMS 值的變異系數(shù)Fig.7 Variation coefficient of voltage RMS

如圖7 所示，0～2 s 時間內(nèi)為正常焊接過程，3～4 s 時間內(nèi)為試樣表面存在油污時的焊接過程.為了對比這兩種情況下電弧形態(tài)與電信號的變化，分別在這兩種不同焊接情況下任選一個監(jiān)測周期時長的電信號，如圖8 和圖9 所示.這兩種情況下電信號均呈現(xiàn)一定的周期性，但試樣表面存在油污時電信號周期明顯大于正常焊接時電信號周期，而且信號周期的平穩(wěn)性較差.

圖8 正常焊接電流和電弧電壓波形Fig.8 Normal welding current and arc voltage waveform

圖9 試樣表面存有油污時焊接電流和電弧電壓波形Fig.9 Welding current and arc voltage waveform with greasy specimen surface

從拍攝到的圖像中分別挑選一組在圖8 和圖9所示電信號時間軸范圍內(nèi)的能夠反映完整熔滴過渡周期的電弧圖像，如圖10 和圖11 所示，圖像下標注的時間通過圖像編號乘以拍攝周期(0.2 ms)得到.其中，圖10a、圖11a 為熔滴過渡到熔池，電弧剛好熄滅，對應電信號短路階段；圖10b～圖10d 和圖11b～圖11d 為起弧階段，電弧亮度和體積快速增加，對應焊接電流快速上升階段；圖10e～圖10h和圖11e～圖11h 的電弧亮度和體積達到最大，對應峰值電流階段；圖10i～圖10o 和圖11i～圖11o 的電弧明顯變暗，體積減小，對應基值電流階段；圖10p和圖11p 的電弧熄滅，一個短路過渡周期完成.

圖10 正常焊接過程中的電弧圖像Fig.10 Arc image during normal welding process.(a) 0.939 8 s;(b) 0.943 1 s;(c) 0.943 5 s;(d) 0.943 9 s;(e) 0.944 3 s;(f) 0.944 7 s;(g) 0.945 1 s;(h) 0.945 5 s;(i) 0.945 9 s;(j) 0.946 3 s;(k) 0.947 5 s;(l) 0.955 3 s;(m) 0.967 3 s;(n) 0.971 1 s;(o) 0.971 9 s;(p) 0.972 3 s

圖11 試樣表面存在油污時的電弧圖像Fig.11 Arc image with greasy specimen surface.(a) 3.745 8 s;(b) 3.751 6 s;(c) 3.752 0 s;(d) 3.752 4 s;(e) 3.752 8 s;(f) 3.753 2 s;(g) 3.753 6 s;(h) 3.754 0 s;(i) 3.754 4 s;(j) 3.754 8 s;(k) 3.758 4 s;(l) 3.769 0 s;(m) 3.775 0 s;(n) 3.793 6 s;(o) 3.798 6 s;(p) 3.799 4 s

正常焊接時熔滴過渡周期大約為32.5 ms，試樣表面存在油污時熔滴過渡周期達到了53.6 ms.后者增加的時長主要體現(xiàn)在兩個階段:一是短路階段，其電弧的燃弧時刻遲于正常電弧，二是基值電流階段，其持續(xù)時間較長.從電弧形態(tài)上看，試樣表面存在油污時電弧比正常焊接時更為發(fā)散，在熔滴長大階段，電弧有明顯由暗轉(zhuǎn)亮的過程，如圖11k～圖11m 所示，這可能是油污參與了電弧的燃燒造成的.從圖8～圖11 可以看出，電信號與電弧圖像具有良好的同步性.

3.3 應用展望

不同的焊接缺陷對應的電信號特征不盡相同，采用不同的焊接工藝時電信號特征也發(fā)生變化.為了更加快速有效獲得最佳的拍攝閾值條件，可先進行電信號監(jiān)測，對采集到的電信號進行預先處理分析，再進行相應拍攝觸發(fā)算法與閾值的設定.另外，在成功判定起弧后，進行閾值設定時需要一段穩(wěn)定的焊接過程，雖然該過程時間長短可通過軟件進行設置，但在實際應用中需要留意.

4 結論

(1) 在LabVIEW 平臺進行了可控自觸發(fā)電弧圖像采集軟件系統(tǒng)的開發(fā)，給出了系統(tǒng)總體框架以及拍攝觸發(fā)算法.基于高速攝像機SYNC POS 和REC POS 兩路輸出信號，實現(xiàn)了電信號和圖像信號同步采集.

(2) 通過對試樣表面涂油污進行了依據(jù)電信號RMS 值作為觸發(fā)條件的可控自觸發(fā)圖像采集系統(tǒng)的驗證.并由電壓RMS 值的變異系數(shù)驗證了觸發(fā)條件的有效性，且由焊接電流、電弧電壓時域信號和高速攝影的圖像信號驗證了整個系統(tǒng)同步采集的準確性.

(3) 基于自觸發(fā)電弧圖像的采集系統(tǒng)對焊接過程進行監(jiān)測試驗.結果表明，試樣表面存在油污時相比于正常過渡過程，具有較長的過渡周期，電弧形態(tài)具有較大的發(fā)散性等特點.