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(hào)采集系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于等離子焊接質(zhì)量控制技術(shù)領(lǐng)域。
高能束流中，等離子電弧有實(shí)現(xiàn)容易和廉價(jià)等優(yōu)點(diǎn)，是重要結(jié)構(gòu)和合金材料的焊接方法之一，在航空航天系統(tǒng)尤其得到廣泛的應(yīng)用。利用等離子弧能量密度和穿透力大的特點(diǎn)，等離子焊接可在適當(dāng)參數(shù)條件下獲得“小孔效應(yīng)”，如

圖1所示，這時(shí)等離子弧把工件10完全熔透并借助等離子流力的作用在熔池11中形成一個(gè)穿透工件的小孔12，小孔跟隨等離子弧向前移動(dòng)。“小孔效應(yīng)”是等離子焊接中的特有現(xiàn)象，有助于焊縫的充分熔透。然而，實(shí)際生產(chǎn)過程中各種條件規(guī)范的波動(dòng)在所難免，勢必影響小孔尺寸的穩(wěn)定性，從而造成焊縫均勻性的不一致，這在精密構(gòu)件加工中更顯突出。為此，根據(jù)現(xiàn)代加工制造技術(shù)發(fā)展的需要，提出了實(shí)時(shí)檢測熔池小孔尺寸的研究，以便為精密熔透自動(dòng)控制提供必要的條件。
目前國內(nèi)外在等離子焊接生產(chǎn)和研究中采用背面光電檢測法、背面接觸導(dǎo)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(tài)，但其中只有背面光電檢測法和背面接觸導(dǎo)電法可初略地進(jìn)行熔池小孔尺寸的檢測，其它方法目前只能用于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(qiáng)度與熔池小孔的大小成正比。背面接觸導(dǎo)電法如圖2b所示，是將一塊銅測板23放置在工件24背面并與工件保持一定距離，當(dāng)熔池小孔存在時(shí)，穿過小孔的等離子焰流25打到銅測板23上，由于等離子焰流具有導(dǎo)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，且其大小正比于熔孔的大小。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(yīng)用受到工件和生產(chǎn)條件的限制，即傳感器的可達(dá)性很差。
本發(fā)明的目的在于為克服已有技術(shù)的不足之處，提出一種從等離子電弧電壓和電弧電流信號(hào)中提取熔池小孔尺寸傳感信號(hào)的檢測方法。能有效傳感熔池小孔的大小，可為實(shí)現(xiàn)中厚板的等離子焊接精密熔透自動(dòng)控制提供必要的反饋信息。且系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、可達(dá)性好、實(shí)用廉價(jià)，容易推廣使用。
本發(fā)明提出的一種等離子焊接熔池小孔尺寸的電弧檢測方法，其特征在于，包括以下步驟1)首先利用信號(hào)采集系統(tǒng)將等離子電弧電壓u(t)/電弧電流信號(hào)i(t)實(shí)時(shí)地采集并存儲(chǔ)入計(jì)算機(jī)；2)對(duì)采集的電弧電壓/電弧電流信號(hào)進(jìn)行加工處理，得到可供機(jī)器識(shí)別的定量的熔池小孔尺寸傳感信號(hào)pff(t)；3)具體標(biāo)定pff(t)信號(hào)，根據(jù)pff信號(hào)與熔池小孔尺寸的比例關(guān)系實(shí)時(shí)傳感熔池穿孔尺寸的大小。
所說的對(duì)采集的電弧電壓/電弧電流信號(hào)進(jìn)行加工處理的方法包括1)取一段電弧電壓信號(hào)u(t)(t＝t1～t2)/電弧電流信號(hào)i(t)(t＝t1～t2)，首先對(duì)其進(jìn)行FFT變換并對(duì)變換結(jié)果取模得到|U(f)|/|I(f)|；2)然后在以下兩個(gè)頻率區(qū)間f＝19kHz～20kHz和f＝2.5kHz～3.5kHz之中任意一個(gè)頻率區(qū)間搜索|U(f)|/|I(f)|在該區(qū)間的最大值，最大值時(shí)的|U(f)|/|I(f)|所對(duì)應(yīng)的頻率f即為該區(qū)間的傳感信號(hào)pff；3)采用以上方法在整個(gè)時(shí)間段內(nèi)處理u(t)或i(t)可得pff(t)。
本發(fā)明的原理是由于熔透穿孔程度隨著焊接過程的進(jìn)行不斷變化時(shí)，必然會(huì)對(duì)等離子電弧形態(tài)和行為產(chǎn)生影響，因此就有可能從電弧中提取相關(guān)信息來反饋穿孔程度。
本發(fā)明的方法實(shí)現(xiàn)原理如圖3所示。首先利用信號(hào)采集系統(tǒng)將等離子電弧電壓u(t)/電弧電流信號(hào)i(t)實(shí)時(shí)可靠地采集并存儲(chǔ)入計(jì)算機(jī)。電弧電壓和電弧電流信號(hào)本身并不能作為傳感信號(hào)而直接用以檢測熔池小孔的大小，但電弧信號(hào)攜帶著能夠反映熔池穿孔程度的特征信息，該特征信息通過本發(fā)明開發(fā)的傳感信號(hào)提取方法-pff算法的加工處理，便得到了可供機(jī)器識(shí)別的定量的熔池小孔尺寸傳感信號(hào)pff。具體標(biāo)定pff信號(hào)后，根據(jù)pff信號(hào)與熔池小孔尺寸的比例關(guān)系就可以實(shí)時(shí)傳感熔池穿孔尺寸的大小。熔池小孔尺寸傳感信號(hào)提取算法是本發(fā)明的關(guān)鍵技術(shù)，是在計(jì)算機(jī)上通過軟件的方式實(shí)現(xiàn)的。以下介紹信號(hào)采集系統(tǒng)和傳感信號(hào)提取算法的實(shí)現(xiàn)方法。
本發(fā)明的等離子電弧電壓/電弧電流信號(hào)采集系統(tǒng)由電壓傳感器/電流傳感器、低通濾波電路、數(shù)據(jù)采集卡、計(jì)算機(jī)和相關(guān)接口組成，如圖4所示，圖中，電弧電壓/電弧電流信號(hào)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(shù)據(jù)采集卡的輸入端子，數(shù)據(jù)采集卡直接插入計(jì)算機(jī)的相應(yīng)插槽。其中，電弧電壓信號(hào)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(shí)產(chǎn)生的高頻高壓信號(hào)，低通濾波電路濾除高頻干擾信號(hào)，數(shù)據(jù)采集卡結(jié)合本發(fā)明開發(fā)的數(shù)據(jù)采集應(yīng)用程序完成信號(hào)采集、模數(shù)轉(zhuǎn)換，并利用采集卡與計(jì)算機(jī)的接口實(shí)現(xiàn)信號(hào)在計(jì)算機(jī)中的存儲(chǔ)。
以下為從電弧電壓/電弧電流信號(hào)的頻譜信息中提取熔池小孔尺寸傳感信號(hào)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(hào)i(t)(t＝t1～t2)，首先對(duì)其進(jìn)行FFT變換并對(duì)變換結(jié)果取模得到|U(f)|/|I(f)|，然后分別在以下兩個(gè)頻率區(qū)間f＝19kHz～20kHz和f＝2.5kHz～3.5kHz搜索|U(f)|/|I(f)|在該區(qū)間的最大值，最大值時(shí)的|U(f)|/|I(f)|所對(duì)應(yīng)的頻率f即為該區(qū)間的傳感信號(hào)pff。采用以上方法在整個(gè)時(shí)間段內(nèi)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(jù)pff信號(hào)的單調(diào)特點(diǎn)，可以通過具體標(biāo)定后，根據(jù)pff信號(hào)與熔池小孔尺寸的定量比例關(guān)系實(shí)時(shí)傳感熔池的穿孔尺寸大小。
本發(fā)明可以從電弧電壓和電弧電流信號(hào)中任意選用其一作為提取傳感信號(hào)的信號(hào)源，并可以從頻率區(qū)間f＝19kHz～20kHz和f＝2.5kHz～3.5kHz中任選其一來提取pff信號(hào)。頻率區(qū)間相同時(shí)，采用電弧電壓還是電弧電流信號(hào)作為信號(hào)源提取pff的結(jié)果是一致的。
本發(fā)明的檢測方法能有效傳感熔池小孔的大小，可為實(shí)現(xiàn)中厚板的等離子焊接精密熔透自動(dòng)控制提供必要的反饋信息。該方法適用于以逆變焊機(jī)為熱源的等離子焊接過程，由于直接利用了電弧作為傳感信號(hào)源，因此具有系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、可達(dá)性好、實(shí)用廉價(jià)等優(yōu)點(diǎn)，容易在實(shí)際生產(chǎn)制造中推廣使用。
附圖簡要說明圖1為等離子焊接在適當(dāng)參數(shù)條件下獲得“小孔效應(yīng)”示意圖。
圖2為已有技術(shù)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(dǎo)電法。
圖3為本發(fā)明的方法實(shí)現(xiàn)原理框圖。
圖4為本發(fā)明的等離子電弧電壓/電弧電流信號(hào)采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。
圖5為本發(fā)明的傳感信號(hào)pff提取算法流程框圖。
圖6為本發(fā)明的實(shí)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(shí)施例的pff算法軟件實(shí)現(xiàn)流程圖。
圖8a為本實(shí)施例的厚度漸變工件結(jié)構(gòu)圖，圖8b為圖8a對(duì)應(yīng)的焊縫背面成形，圖8c為從圖8a所示工件取得的傳感信號(hào)pff(t)曲線圖。
本發(fā)明設(shè)計(jì)的一種等離子焊接熔池小孔尺寸的電弧檢測方法及信號(hào)采集系統(tǒng)實(shí)施例結(jié)合附圖詳細(xì)說明如下考慮到實(shí)際生產(chǎn)中散熱條件、工件厚度及焊接規(guī)范等條件的變化，采用厚度漸變的工件，工件最厚處為8mm，最薄處為3mm，設(shè)置焊接規(guī)范為工件厚6mm處恰能穿孔熔透，使用逆變焊機(jī)在不銹鋼工件上進(jìn)行了焊接。厚度漸變工件及其對(duì)應(yīng)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(xì)變粗，顯然熔池經(jīng)歷了從未穿孔到穿孔程度由小變大的過程。
本實(shí)施例的信號(hào)采集系統(tǒng)由電壓/電流傳感器、濾波限幅電路、數(shù)據(jù)采集卡、計(jì)算機(jī)的接口及計(jì)算機(jī)組成，如圖4所示。電弧電壓信號(hào)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(hào)首先經(jīng)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(shí)的高頻高壓信號(hào)；經(jīng)過隔離后的電弧信號(hào)由輸入接插件1引入低通濾波電路如圖6所示，信號(hào)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(duì)信號(hào)的放大，然后通過二階壓控有源低通濾波電路濾除高頻干擾信號(hào)如圖6中III、IV所示，濾波電路的截止頻率為10kHz，最后信號(hào)由輸出接插件輸出給數(shù)據(jù)采集卡，整個(gè)低通濾波電路由直流穩(wěn)壓電源通過輸入接插件2供電；經(jīng)過隔離和濾波后的電弧電壓/電弧電流信號(hào)可靠地到達(dá)數(shù)據(jù)采集卡，數(shù)據(jù)采集卡選用“PCI-9118HG”，精度12位，采集速度330kHz，每次采集數(shù)據(jù)容量可達(dá)64M，數(shù)據(jù)采集卡結(jié)合本發(fā)明開發(fā)的數(shù)據(jù)采集應(yīng)用程序完成信號(hào)采集，模數(shù)轉(zhuǎn)換，并利用采集卡與計(jì)算機(jī)的接口實(shí)現(xiàn)信號(hào)在計(jì)算機(jī)中的存儲(chǔ)。
本實(shí)施例的方法具體步驟為首先通過本實(shí)施例的信號(hào)采集系統(tǒng)以40kHz的采樣頻率將焊接過程中的電弧電壓/電弧電流信號(hào)實(shí)時(shí)采集進(jìn)計(jì)算機(jī)。隨后采用圖5所示的pff算法對(duì)存入計(jì)算機(jī)中的電弧電壓/電弧電流信號(hào)進(jìn)行處理，在此以電弧電流為信號(hào)源并選取頻率區(qū)間f＝2.5k～3.5k提取pff信號(hào)。圖7為本實(shí)施例的軟件實(shí)現(xiàn)流程圖，其運(yùn)行步驟為首先從計(jì)算機(jī)中調(diào)入采集到的電弧電流信號(hào)i(t)，然后從i(t)中按照焊接的時(shí)間順序取nfft＝8192個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)構(gòu)成一長度為8192的數(shù)據(jù)段utemp。計(jì)算該數(shù)據(jù)段電弧電流信號(hào)的均值，減去均值后的電弧電流信號(hào)為idm，該步是對(duì)信號(hào)做FFT變換前的預(yù)處理。對(duì)idm做FFT變換并對(duì)變換結(jié)果取模得到|I(f)|，接著在頻率區(qū)間f＝2.5k～3.5k尋找|I(f)|在該區(qū)間的最大值，最大值時(shí)的|I(f)|所對(duì)應(yīng)的頻率f即為該段電弧電流信號(hào)的pff值。得到pff值后舍去數(shù)據(jù)段utemp段首的delay＝500點(diǎn)，再從i(t)中順序添入新的500個(gè)數(shù)據(jù)重新構(gòu)成一長度為8192點(diǎn)的數(shù)據(jù)段，然后判斷是否已完成預(yù)先設(shè)定的計(jì)算次數(shù)k，即j值(程序開始時(shí)設(shè)置為1)是否等于k，如果“不等于”則j值增加1，重復(fù)以上運(yùn)算；若“等于”則退出循環(huán)處理，此時(shí)已得到傳感信號(hào)pff(t)如圖8c所示，圖8c中橫坐標(biāo)為時(shí)間，單位為s，縱坐標(biāo)為pff信號(hào)的幅值，單位為Hz。用軟件實(shí)現(xiàn)以上算法的編程環(huán)境為Matlab 5.01。
設(shè)定熔池小孔尺寸閾值區(qū)間，當(dāng)pff值位于區(qū)間3150Hz～3180Hz中時(shí)，判斷熔池為未穿孔未熔透狀態(tài)；當(dāng)pff值位于3000Hz～3060Hz區(qū)間時(shí)，判斷熔池小孔過大；而在3060Hz～3150Hz區(qū)間內(nèi)pff小孔尺寸有良好對(duì)應(yīng)定量比例關(guān)系，根據(jù)該比例關(guān)系pff信號(hào)就可實(shí)時(shí)傳感熔池穿孔尺寸的大小。
權(quán)利要求
1.一種等離子焊接熔池小孔尺寸的電弧檢測方法，其特征在于，包括以下步驟1)首先利用信號(hào)采集系統(tǒng)將等離子電弧電壓u(t)/電弧電流信號(hào)i(t)實(shí)時(shí)地采集并存儲(chǔ)入計(jì)算機(jī)；2)對(duì)采集的電弧電壓/電弧電流信號(hào)進(jìn)行加工處理，得到可供機(jī)器識(shí)別的定量的熔池小孔尺寸傳感信號(hào)pff(t)；3)具體標(biāo)定pff(t)信號(hào)，根據(jù)pff信號(hào)與熔池小孔尺寸的定量比例關(guān)系實(shí)時(shí)傳感熔池穿孔尺寸的大小。
2.如權(quán)利要求1所述的電弧檢測方法，其特征在于，所說的對(duì)采集的電弧電壓/電弧電流信號(hào)進(jìn)行加工處理的方法包括1)取一段電弧電壓信號(hào)u(t)(t＝t1～t2)/電弧電流信號(hào)i(t)(t＝t1～t2)，首先對(duì)其進(jìn)行FFT變換并對(duì)變換結(jié)果取模得到|U(f)|/|I(f)|；2)然后在以下兩個(gè)頻率區(qū)間f＝19kHz～20kHz和f＝2.5kHz～3.5kHz之中任意一個(gè)頻率區(qū)間搜索|U(f)|/|I(f)|在該區(qū)間的最大值，最大值時(shí)的|U(f)|/|I(f)|所對(duì)應(yīng)的頻率f即為該區(qū)間的傳感信號(hào)pff；3)采用以上方法在整個(gè)時(shí)間段內(nèi)處理u(t)或i(t)可得pff(t)。
3.一種如權(quán)利要求1所述方法中的等離子電弧電壓/電弧電流信號(hào)采集系統(tǒng)由電壓傳感器/電流傳感器、低通濾波電路、數(shù)據(jù)采集卡、計(jì)算機(jī)和相關(guān)接口組成，其中，電弧電壓/電弧電流信號(hào)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(shù)據(jù)采集卡的輸入端子，數(shù)據(jù)采集卡直接插入計(jì)算機(jī)的相應(yīng)插槽。
全文摘要
本發(fā)明屬于等離子焊接質(zhì)量控制技術(shù)領(lǐng)域。本發(fā)明包括:首先利用信號(hào)采集系統(tǒng)將等離子電弧電壓u(t)/電弧電流信號(hào)i(t)實(shí)時(shí)地采集并存儲(chǔ)入計(jì)算機(jī)。再對(duì)采集的信號(hào)進(jìn)行加工處理,得到可供機(jī)器識(shí)別的定量的熔池小孔尺寸傳感信號(hào)pff(t);最后標(biāo)定pff信號(hào),根據(jù)pff信號(hào)與熔池小孔尺寸的定量比例關(guān)系實(shí)時(shí)傳感熔池穿孔尺寸的大小。本發(fā)明能有效傳感熔池小孔的大小,且系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、可達(dá)性好、實(shí)用廉價(jià),容易推廣使用。
文檔編號(hào)G01B7/02GK1264822SQ0010323
公開日2000年8月30日 申請(qǐng)日期2000年3月17日 優(yōu)先權(quán)日2000年3月17日
發(fā)明者王海燕, 陳強(qiáng), 王耀文 申請(qǐng)人:清華大學(xué)