等離子焊接熔池小孔尺寸的電弧檢測方法及信號採集系統的製作方法

2023-06-09 05:05:26 2

專利名稱：等離子焊接熔池小孔尺寸的電弧檢測方法及信號採集系統的製作方法
技術領域：
本發明屬於等離子焊接質量控制技術領域。
高能束流中，等離子電弧有實現容易和廉價等優點，是重要結構和合金材料的焊接方法之一，在航空航天系統尤其得到廣泛的應用。利用等離子弧能量密度和穿透力大的特點，等離子焊接可在適當參數條件下獲得「小孔效應」，如

圖1所示，這時等離子弧把工件10完全熔透並藉助等離子流力的作用在熔池11中形成一個穿透工件的小孔12，小孔跟隨等離子弧向前移動。「小孔效應」是等離子焊接中的特有現象，有助於焊縫的充分熔透。然而，實際生產過程中各種條件規範的波動在所難免，勢必影響小孔尺寸的穩定性，從而造成焊縫均勻性的不一致，這在精密構件加工中更顯突出。為此，根據現代加工製造技術發展的需要，提出了實時檢測熔池小孔尺寸的研究，以便為精密熔透自動控制提供必要的條件。
目前國內外在等離子焊接生產和研究中採用背面光電檢測法、背面接觸導電法、背面聲音檢測法、正面光譜分析法和正面CCD攝像法檢測熔池穿孔狀態，但其中只有背面光電檢測法和背面接觸導電法可初略地進行熔池小孔尺寸的檢測，其它方法目前只能用於傳感熔池小孔是否存在。背面光電檢測法如圖2a所示，是利用安置在工件20背面的各種光電器件21檢測穿過小孔的等離子焰流22的弧光輻射，弧光輻射強度與熔池小孔的大小成正比。背面接觸導電法如圖2b所示，是將一塊銅測板23放置在工件24背面並與工件保持一定距離，當熔池小孔存在時，穿過小孔的等離子焰流25打到銅測板23上，由於等離子焰流具有導電特性，故與銅測板23相連的電阻R上將有電流，則整流器的一端U。將有輸出，且其大小正比於熔孔的大小。這兩種檢測方法的最大缺陷是傳感器必須安置在工件背面，這使得其推廣應用受到工件和生產條件的限制，即傳感器的可達性很差。
本發明的目的在於為克服已有技術的不足之處，提出一種從等離子電弧電壓和電弧電流信號中提取熔池小孔尺寸傳感信號的檢測方法。能有效傳感熔池小孔的大小，可為實現中厚板的等離子焊接精密熔透自動控制提供必要的反饋信息。且系統結構簡單、可達性好、實用廉價，容易推廣使用。
本發明提出的一種等離子焊接熔池小孔尺寸的電弧檢測方法，其特徵在於，包括以下步驟1)首先利用信號採集系統將等離子電弧電壓u(t)/電弧電流信號i(t)實時地採集並存儲入計算機；2)對採集的電弧電壓/電弧電流信號進行加工處理，得到可供機器識別的定量的熔池小孔尺寸傳感信號pff(t)；3)具體標定pff(t)信號，根據pff信號與熔池小孔尺寸的比例關係實時傳感熔池穿孔尺寸的大小。
所說的對採集的電弧電壓/電弧電流信號進行加工處理的方法包括1)取一段電弧電壓信號u(t)(t＝t1～t2)/電弧電流信號i(t)(t＝t1～t2)，首先對其進行FFT變換並對變換結果取模得到|U(f)|/|I(f)|；2)然後在以下兩個頻率區間f＝19kHz～20kHz和f＝2.5kHz～3.5kHz之中任意一個頻率區間搜索|U(f)|/|I(f)|在該區間的最大值，最大值時的|U(f)|/|I(f)|所對應的頻率f即為該區間的傳感信號pff；3)採用以上方法在整個時間段內處理u(t)或i(t)可得pff(t)。
本發明的原理是由於熔透穿孔程度隨著焊接過程的進行不斷變化時，必然會對等離子電弧形態和行為產生影響，因此就有可能從電弧中提取相關信息來反饋穿孔程度。
本發明的方法實現原理如圖3所示。首先利用信號採集系統將等離子電弧電壓u(t)/電弧電流信號i(t)實時可靠地採集並存儲入計算機。電弧電壓和電弧電流信號本身並不能作為傳感信號而直接用以檢測熔池小孔的大小，但電弧信號攜帶著能夠反映熔池穿孔程度的特徵信息，該特徵信息通過本發明開發的傳感信號提取方法-pff算法的加工處理，便得到了可供機器識別的定量的熔池小孔尺寸傳感信號pff。具體標定pff信號後，根據pff信號與熔池小孔尺寸的比例關係就可以實時傳感熔池穿孔尺寸的大小。熔池小孔尺寸傳感信號提取算法是本發明的關鍵技術，是在計算機上通過軟體的方式實現的。以下介紹信號採集系統和傳感信號提取算法的實現方法。
本發明的等離子電弧電壓/電弧電流信號採集系統由電壓傳感器/電流傳感器、低通濾波電路、數據採集卡、計算機和相關接口組成，如圖4所示，圖中，電弧電壓/電弧電流信號首先引入電壓傳感器/電流傳感器的輸入端，電壓傳感器/電流傳感器的輸出端接低通濾波電路的輸入端，低通濾波電路的輸出端接數據採集卡的輸入端子，數據採集卡直接插入計算機的相應插槽。其中，電弧電壓信號直接由焊槍鎢極40和工件41之間引出，電壓傳感器/電流傳感器隔離焊接引弧時產生的高頻高壓信號，低通濾波電路濾除高頻幹擾信號，數據採集卡結合本發明開發的數據採集應用程式完成信號採集、模數轉換，並利用採集卡與計算機的接口實現信號在計算機中的存儲。
以下為從電弧電壓/電弧電流信號的頻譜信息中提取熔池小孔尺寸傳感信號pff的算法流程，如圖5所示取一段電弧電壓u(t)(t＝t1～t2)/電弧電流信號i(t)(t＝t1～t2)，首先對其進行FFT變換並對變換結果取模得到|U(f)|/|I(f)|，然後分別在以下兩個頻率區間f＝19kHz～20kHz和f＝2.5kHz～3.5kHz搜索|U(f)|/|I(f)|在該區間的最大值，最大值時的|U(f)|/|I(f)|所對應的頻率f即為該區間的傳感信號pff。採用以上方法在整個時間段內處理u(t)/i(t)可得pff(t)。
Pff值隨著熔池小孔尺寸的增大逐漸遞增或遞減。根據pff信號的單調特點，可以通過具體標定後，根據pff信號與熔池小孔尺寸的定量比例關係實時傳感熔池的穿孔尺寸大小。
本發明可以從電弧電壓和電弧電流信號中任意選用其一作為提取傳感信號的信號源，並可以從頻率區間f＝19kHz～20kHz和f＝2.5kHz～3.5kHz中任選其一來提取pff信號。頻率區間相同時，採用電弧電壓還是電弧電流信號作為信號源提取pff的結果是一致的。
本發明的檢測方法能有效傳感熔池小孔的大小，可為實現中厚板的等離子焊接精密熔透自動控制提供必要的反饋信息。該方法適用於以逆變焊機為熱源的等離子焊接過程，由於直接利用了電弧作為傳感信號源，因此具有系統結構簡單、可達性好、實用廉價等優點，容易在實際生產製造中推廣使用。
附圖簡要說明圖1為等離子焊接在適當參數條件下獲得「小孔效應」示意圖。
圖2為已有技術的焊接熔池小孔尺寸檢測方法示意圖。其中，圖2a為背面光電檢測法，圖2b為背面接觸導電法。
圖3為本發明的方法實現原理框圖。
圖4為本發明的等離子電弧電壓/電弧電流信號採集系統結構示意圖。
圖5為本發明的傳感信號pff提取算法流程框圖。
圖6為本發明的實施例的低通濾波電路原理圖。圖中，I為電弧電壓比例放大電路，II為電弧電流比例放大電路，III為電弧電壓低通濾波電路，IV為電弧電流低通濾波電路。
圖7為本實施例的pff算法軟體實現流程圖。
圖8a為本實施例的厚度漸變工件結構圖，圖8b為圖8a對應的焊縫背面成形，圖8c為從圖8a所示工件取得的傳感信號pff(t)曲線圖。
本發明設計的一種等離子焊接熔池小孔尺寸的電弧檢測方法及信號採集系統實施例結合附圖詳細說明如下考慮到實際生產中散熱條件、工件厚度及焊接規範等條件的變化，採用厚度漸變的工件，工件最厚處為8mm，最薄處為3mm，設置焊接規範為工件厚6mm處恰能穿孔熔透，使用逆變焊機在不鏽鋼工件上進行了焊接。厚度漸變工件及其對應的焊縫背面成形分別如圖8a和圖8b所示，可以看到背面焊縫從無到有，逐漸由細變粗，顯然熔池經歷了從未穿孔到穿孔程度由小變大的過程。
本實施例的信號採集系統由電壓/電流傳感器、濾波限幅電路、數據採集卡、計算機的接口及計算機組成，如圖4所示。電弧電壓信號直接由焊槍鎢極40和工件41之間引出。電弧電壓/電弧電流信號首先經過電壓/電流傳感器的隔離作用，電壓/電流傳感器選用磁平衡式電壓/電流傳感器「科海KV100A」/「科海KT200A」，其原邊電路與副邊電路絕緣，絕緣電壓為6000V有效值，能夠有效隔離焊接引弧時的高頻高壓信號；經過隔離後的電弧信號由輸入接插件1引入低通濾波電路如圖6所示，信號首先被比例放大電路衰減如圖6中I/圖6中II所示，以抵消濾波電路對信號的放大，然後通過二階壓控有源低通濾波電路濾除高頻幹擾信號如圖6中III、IV所示，濾波電路的截止頻率為10kHz，最後信號由輸出接插件輸出給數據採集卡，整個低通濾波電路由直流穩壓電源通過輸入接插件2供電；經過隔離和濾波後的電弧電壓/電弧電流信號可靠地到達數據採集卡，數據採集卡選用「PCI-9118HG」，精度12位，採集速度330kHz，每次採集數據容量可達64M，數據採集卡結合本發明開發的數據採集應用程式完成信號採集，模數轉換，並利用採集卡與計算機的接口實現信號在計算機中的存儲。
本實施例的方法具體步驟為首先通過本實施例的信號採集系統以40kHz的採樣頻率將焊接過程中的電弧電壓/電弧電流信號實時採集進計算機。隨後採用圖5所示的pff算法對存入計算機中的電弧電壓/電弧電流信號進行處理，在此以電弧電流為信號源並選取頻率區間f＝2.5k～3.5k提取pff信號。圖7為本實施例的軟體實現流程圖，其運行步驟為首先從計算機中調入採集到的電弧電流信號i(t)，然後從i(t)中按照焊接的時間順序取nfft＝8192個數據點構成一長度為8192的數據段utemp。計算該數據段電弧電流信號的均值，減去均值後的電弧電流信號為idm，該步是對信號做FFT變換前的預處理。對idm做FFT變換並對變換結果取模得到|I(f)|，接著在頻率區間f＝2.5k～3.5k尋找|I(f)|在該區間的最大值，最大值時的|I(f)|所對應的頻率f即為該段電弧電流信號的pff值。得到pff值後捨去數據段utemp段首的delay＝500點，再從i(t)中順序添入新的500個數據重新構成一長度為8192點的數據段，然後判斷是否已完成預先設定的計算次數k，即j值(程序開始時設置為1)是否等於k，如果「不等於」則j值增加1，重複以上運算；若「等於」則退出循環處理，此時已得到傳感信號pff(t)如圖8c所示，圖8c中橫坐標為時間，單位為s，縱坐標為pff信號的幅值，單位為Hz。用軟體實現以上算法的編程環境為Matlab 5.01。
設定熔池小孔尺寸閾值區間，當pff值位於區間3150Hz～3180Hz中時，判斷熔池為未穿孔未熔透狀態；當pff值位於3000Hz～3060Hz區間時，判斷熔池小孔過大；而在3060Hz～3150Hz區間內pff小孔尺寸有良好對應定量比例關係，根據該比例關係pff信號就可實時傳感熔池穿孔尺寸的大小。
權利要求
1.一種等離子焊接熔池小孔尺寸的電弧檢測方法，其特徵在於，包括以下步驟1)首先利用信號採集系統將等離子電弧電壓u(t)/電弧電流信號i(t)實時地採集並存儲入計算機；2)對採集的電弧電壓/電弧電流信號進行加工處理，得到可供機器識別的定量的熔池小孔尺寸傳感信號pff(t)；3)具體標定pff(t)信號，根據pff信號與熔池小孔尺寸的定量比例關係實時傳感熔池穿孔尺寸的大小。
2.如權利要求1所述的電弧檢測方法，其特徵在於，所說的對採集的電弧電壓/電弧電流信號進行加工處理的方法包括1)取一段電弧電壓信號u(t)(t＝t1～t2)/電弧電流信號i(t)(t＝t1～t2)，首先對其進行FFT變換並對變換結果取模得到|U(f)|/|I(f)|；2)然後在以下兩個頻率區間f＝19kHz～20kHz和f＝2.5kHz～3.5kHz之中任意一個頻率區間搜索|U(f)|/|I(f)|在該區間的最大值，最大值時的|U(f)|/|I(f)|所對應的頻率f即為該區間的傳感信號pff；3)採用以上方法在整個時間段內處理u(t)或i(t)可得pff(t)。
3.一種如權利要求1所述方法中的等離子電弧電壓/電弧電流信號採集系統由電壓傳感器/電流傳感器、低通濾波電路、數據採集卡、計算機和相關接口組成，其中，電弧電壓/電弧電流信號引入電壓傳感器/電流傳感器的輸入端，電壓傳感器/電流傳感器的輸出端接低通濾波電路的輸入端，低通濾波電路的輸出端接數據採集卡的輸入端子，數據採集卡直接插入計算機的相應插槽。
全文摘要
本發明屬於等離子焊接質量控制技術領域。本發明包括:首先利用信號採集系統將等離子電弧電壓u(t)/電弧電流信號i(t)實時地採集並存儲入計算機。再對採集的信號進行加工處理,得到可供機器識別的定量的熔池小孔尺寸傳感信號pff(t);最後標定pff信號,根據pff信號與熔池小孔尺寸的定量比例關係實時傳感熔池穿孔尺寸的大小。本發明能有效傳感熔池小孔的大小,且系統結構簡單、可達性好、實用廉價,容易推廣使用。
文檔編號G01B7/02GK1264822SQ0010323
公開日2000年8月30日 申請日期2000年3月17日 優先權日2000年3月17日
發明者王海燕, 陳強, 王耀文 申請人:清華大學