CN1105617C - 等离子焊接熔池穿孔状态的电弧电压传感方法及其*** - Google Patents

Abstract

本发明属于等离子焊接质量控制领域。本发明包括以下步骤：首先利用信号采集***将等离子电弧电压u(t)实时地采集并存储入计算机；再对采集的信号进行加工处理，得到可供机器识别的定量的熔池穿孔与否传感信号TuS和SUMu；最后将TuS和SUMu与双阈值判断准则进行比较，以判断当时熔池穿孔状态。该方法能有效传感熔池是否穿孔的状态，具有***结构简单、可达性好、实用廉价等优点，容易在实际生产制造中推广使用。

Description

等离子焊接熔池穿孔状态的电弧电压传感方法及其***

本发明属于等离子焊接质量控制技术领域。

在电子束、激光和等离子三大高能束材料加工方法中，等离子束由于设备简单、实现容易、价格相对低廉而广泛用于各种合金材料及重要结构的制造加工过程，等离子焊接工艺在航空航天工业中尤其被广泛采用。利用等离子弧能量密度和穿透力大的特点，可在适当参数条件下实现熔化穿孔型焊接，如图1所示，等离子弧把工件10完全熔透并借助等离子流力在熔池11中形成一个穿透工件的小孔12，小孔跟随等离子弧向前移动。在焊接中获得″小孔效应″是保证焊缝完全熔透和成型质量的重要方法。然而实际生产中各种规范条件的波动在所难免，势必会影响“小孔效应”的稳定性，例如：小孔在焊接过程中闭合，导致出现未熔透等缺陷而严重影响焊接产品质量。为此提出自动实时检测“小孔”状态的传感技术研究，以便为焊缝熔透质量控制提供条件。

目前国内外在等离子焊接生产和研究中用到以下几种熔池小孔状态检测方法如图2所示。其中从工件背面检测熔池小孔状态的方法有：背面光电检测法、背面接触导电法和背面声音检测法。背面光电检测法如图2a所示，该方法是利用安置在工件200背面的各种光电器件201检测穿过小孔的等离子焰流202的弧光辐射，小孔存在时工件背面弧光很强，而小孔消失后弧光很弱。背面接触导电法如图2b所示，该方法是将一块铜测板203放置在工件204背面并与工件保持一定距离，当熔池小孔存在时，穿过小孔的等离子焰流205打到铜测板203上，由于等离子焰流具有导电特性，故与铜测板203相连的电阻R上将有电流，同时整流电路将有输出U_o，且其大小正比于熔孔的大小。在大量管系生产实践和研究中发现，熔池穿孔时，等离子射流高速冲入管腔，发出响亮声音。声音信号的出现和消失与小孔的形成和封闭是同步的。利用该现象的背面声音检测法如图2c所示，该方法是通过安置在管腔中的传声器206检测电弧207与工件管壁208相互作用时发出的声音来判断熔孔是否存在的传感方法。以上各种检测法的共同缺陷是传感器必须安置在工件背面，因此其应用受到工件和生产条件的限制，即传感器的可达性差。从工件正面检测熔池小孔状态的检测法有光谱分析法和CCD摄像法。光谱分析法如图2d所示，该方法是通过光纤209和光谱分析仪检测工件210正面弧光信号211中氢相对于氩的谱线强度，并利用不同熔池小孔状态下氢相对于氩的谱线强度不同的规律来判断熔池小孔是否存在。CCD摄像法如图2e所示，该方法则是从工件正面实时拍摄焊接过程熔池小孔的形状，通过图像处理方法获得小孔是否存在的信息。这两种方法由于结构复杂设备价格昂贵等缘故还处于研究开发阶段，在生产上难以普及应用。

本发明的目的在于为克服已有技术的不足之处，提出一种等离子焊接熔池穿孔状态的电弧电压传感方法及装置，该检测方法能有效传感熔池是否穿孔的状态，可为实现中厚板的等离子焊接自动熔透控制提供必要的反馈信息。该方法可适用于不同焊接电源和不同工件材质，由于直接利用了电弧作为传感信号源，因此具有***结构简单、可达性好、实用廉价等优点，容易在实际生产制造中推广使用。

本发明提出的一种等离子焊接熔池穿孔状态的电弧电压检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)首先利用信号采集***将等离子电弧电压u(t)实时地采集并存储入计算机；

2)对采集的电弧电压信号进行T算法和SUM算法的加工处理，得到可供机器识别的定量的熔池穿孔与否传感信号TuS和SUMu；

3)将TuS和SUMu与熔池穿孔与否双阈值判断准则进行比较，以判断当时熔池穿孔状态。

所说的对电弧电压信号进行加工处理的T算法，包括以下步骤：

1)取一段电弧电压信号u(t)(t＝t₁～t₂)，首先计算该时间段内电弧电压信号均值 $\mathrm{Eu}=\frac{{\∫}_{t_1}^{t_2}u\left(t\right)}{t_2-t_1},$ 然后计算该时间段内电弧电压u(t)与其均值Eu的偏差的绝对值并求和记为Tu， $\mathrm{Tu}={\∫}_{t_1}^{t_2}|u\left(t\right)-\mathrm{Eu}|;$

2)在整个时间段内按上述步骤处理u(t)信号可得Tu(t)，对其平滑后即得到传感信号TuS(t)。

所说的对电弧电压信号进行加工处理的SUM算法，包括以下步骤：

1)取一段电弧电压信号u(t)(t＝t₁～t₂)，首先对其进行FFT变换并取其模记为|U(f)|，即|U(f)|＝|FFT(u(t))|，然后对f＝0～100Hz的|U(f)|求和可获得传感信号SUMu， $\mathrm{SUMu}={\∫}_0^{100}\left|U\left(f\right)\right|;$

2)在整个时间段内按上述步骤处理u(t)信号可得SUMu(t)。

上述的电弧电压检测方法中，熔池穿孔与否双阈值判断准则为：设定熔透预报阈值和熔透确认阈值，当TuS和SUMu信号幅值高于设定的熔透预报阈值时，发出熔透预报信号，熔池为过渡状态；当信号幅值重新下降并低于熔透确认阈值时，可确认熔池已进入完全穿孔熔透状态；而当信号幅值低于熔透预报阈值并高于熔透确认阈值时，则判定熔池为未穿孔未熔透状态。

本发明的原理是由于熔透穿孔状态随着焊接过程的进行在不断改变，必然会对等离子电弧形态和行为产生影响，因此就有可能从电弧中提取相关信息来反馈穿孔状态。

本发明的方法实现原理如图3所示。首先利用设计的信号采集***将电弧电压信号u(t)实时可靠地采集并存储入计算机。电弧电压信号本身并不能作为传感信号而直接用以判断熔池小孔是否存在，但该信号携带着能够反映熔池穿孔和未穿孔状态的特征信息，该特征信息通过开发的两种传感信号提取算法-T算法和SUM算法的加工处理，便得到了两种可供机器识别的定量的熔池穿孔状态传感信号TuS和SUMu。进一步结合设计的熔池穿孔与否双阈值判断准则，TuS和SUMu信号便可用以检测熔池小孔是否存在。其中传感信号提取算法与双阈值判断准则是通过储存在计算机中的预先编制的程序软件实现的。

本发明的等离子电弧电压信号采集***由电压传感器、低通滤波电路、数据采集卡、计算机和相关接口组成，如图4所示，图中，电弧电压信号首先引入电压传感器的输入端，电压传感器的输出端接低通滤波电路的输入端，低通滤波电路的输出端接数据采集卡的输入端子，数据采集卡直接***计算机的相应插槽。其中，电弧电压信号直接由焊枪钨极40和工件41之间引出，电压传感器隔离焊接引弧时产生的高频高压信号，低通滤波电路滤除高频干扰信号，数据采集卡结合本发明开发的数据采集应用程序完成信号采集、模数转换，并利用采集卡与计算机的接口实现信号在计算机中的存储。

本发明的从等离子电弧电压信号携带的特征信息中提取熔池穿孔状态传感信号的两种算法和相应的信号提取如下所述：

算法1 直接从电弧电压偏离于其均值的程度中检测熔池穿孔与否的信号处理算法-T算法和TuS信号提取，其流程如图5a所示。

取一段电弧电压信号u(t)(t＝t₁～t₂)，首先计算该时间段内电弧电压信号均值 $\mathrm{Eu}=\frac{{\∫}_{t_1}^{t_2}u\left(t\right)}{t_2-t_1},$ 然后计算该时间段内电弧电压u(t)与其均值Eu的偏差的绝对值并求和记为Tu，即 $\mathrm{Tu}={\∫}_{t_1}^{t_2}|u\left(t\right)-\mathrm{Eu}|.$ 采用以上方法在整个时间段内处理u(t)信号可得Tu(t)，对其平滑后即得到传感信号TuS(t)。

算法2 从电弧电压频谱信息中检测熔池穿孔与否的信号处理算法-SUM算法和SUMu信号的提取，其流程如图5b所示。

取一段电弧电压信号u(t)(t＝t₁～t₂)，首先对其进行FFT变换并取其模记为|U(f)|(f为频率)，即|U(f)|＝|FFT(u(t))|，然后对f＝0～100Hz的|U(f)|求和可获得传感信号SUMu，即 $\mathrm{SUMu}={\∫}_0^{100}\left|U\left(f\right)\right|.$ 采用以上方法在整个时间段内处理u(t)信号可得SUMu(t)。

本发明设计的双阈值熔池穿孔状态判断准则如图6所示，图中横坐标为时间，纵坐标为TuS和SUMu信号幅值，TuS和SUMu信号随时间的变化规律示意如曲线S。可以看到TuS和SUMu信号具有反映熔池穿孔状态的类似特点：当熔池为完全穿孔熔透状态时，信号幅值最低，如时间轴上B点以后所示；熔池为未穿孔未熔透状态时，信号幅值较高，如时间轴上A点以前所示；而熔池为穿孔过渡状态时，信号幅值很高，如时间轴上AB点之间所示。根据熔池为穿孔过渡状态时TuS和SUMu信号的特点，可用其作为熔透预报信号，并设定熔透预报阈值T1和熔透确认阈值T2，采用双阈值法进行熔池穿孔与否检测，以提高信号的抗干扰力。双阈值法判断熔池穿孔与否的过程为：当TuS和SUMu信号幅值高于设定的熔透预报阈值T1时，发出熔透预报信号，熔池为过渡状态；当信号幅值重新下降并低于熔透确认阈值T2时，确认熔池已进入完全穿孔熔透状态；而当信号幅值低于熔透预报阈值T1并高于熔透确认阈值T2时，则判定熔池为未穿孔未熔透状态。

本发明的检测方法能有效传感熔池是否穿孔的状态，可为实现中厚板的等离子焊接自动熔透控制提供必要的反馈信息。该方法可适用于不同焊接电源和不同工件材质，由于直接利用了电弧作为传感信号源，因此相对于其它检测方法具有***结构简单、可达性好、实用廉价等优点，容易在实际生产制造中推广使用。

附图简要说明：

图1为在适当参数条件下实现熔化穿孔型焊接示意图。

图2为已有技术中的几种熔池穿孔状态检测方法示意图；其中，图2a为背面光电检测法，图2b为背面接触导电法，图2c为背面声音检测法，图2d为光谱分析法，图2e为CCD摄像法。

图3为本发明的方法实现原理框图。

图4为本发明的等离子电弧电压信号采集***组成示意图。

图5为本发明的提取熔池穿孔状态传感信号的两种算法和相应的信号提取流程框图；其中，图5a为T算法和TuS信号提取流程框图，图5b为SUM算法和SUMu信号提取流程框图。

图6为本发明设计的熔池穿孔与否双阈值判断准则示意图。

图7为本发明的***实施例低通滤波电路原理图。图中，I为电弧电压比例放大电路，III为电弧电压低通滤波电路。

图8为本实施例的算法实现的软件流程框图。其中，图8a为软件实现T算法的流程框图，图8b为软件实现SUM算法的流程框图。

图9a为本实施例的背面开槽工件结构示意图，

图9b为图9a对应的焊缝背面成形，

图9c为本实施例的熔池穿孔状态的检测结果标示图，

图9d为本实施例获得的传感信号TuS(t)曲线图，

图9e为本实施例获得的传感信号SUMu(t)曲线图。

本发明设计的一种等离子焊接熔池穿孔状态的电弧电压传感方法及其***实施例结合附图详细说明如下：

考虑到实际生产中散热条件、工件厚度及焊接规范等条件的变化，本实施例采用背面开槽工件，设置焊接规范参数保证在工件厚6mm处未穿孔，而4mm处一定穿孔，使用逆变焊机在不锈钢工件上进行了焊接。背面开槽工件及其对应的焊缝背面成形分别如图9a和图9b所示，可以看到焊缝经历了未穿孔、穿孔及中间过渡状态。

本实施例的电弧电压信号采集***由电压传感器、低通滤波电路、数据采集卡、计算机及相关接口组成，如图4所示。电弧电压信号直接由焊枪钨极40和工件41之间引出，首先经过电压传感器的隔离作用，电压传感器选用磁平衡式电压传感器“科海KV100A”，其原边电路与副边电路绝缘，绝缘电压为6000V有效值，能够有效隔离焊接引弧时的高频高压信号；经过隔离后的电弧电压信号由输入接插件1引入低通滤波电路如图7所示，信号首先被比例放大电路衰减如图7中I所示，以抵消滤波电路对信号的放大，然后通过二阶压控有源低通滤波电路滤除高频干扰信号如图7中III所示，滤波电路的截止频率为10kHz，最后信号由输出接插件输出给数据采集卡，整个低通滤波电路由直流稳压电源通过输入接插件2供电(图7中II为电弧电流比例放大电路，IV为电弧电流低通滤波电路，这两部分电路在本实施例中不涉及)；经过隔离和滤波后的电弧电压信号可靠地到达数据采集卡，数据采集卡选用“PCI-9118HG”，精度12位，采集速度330kHz，每次采集数据容量可达64M，数据采集卡结合本发明开发的数据采集应用程序完成信号采集，模数转换，并利用采集卡与计算机的接口实现信号在计算机中的存储。

本实施例的等离子焊接熔池穿孔状态的电弧电压传感方法为：首先用上述信号采集***以30kHz的采样频率将焊接过程中的电弧电压信号实时采集进计算机，同时用辅助光信号实时记录了熔池穿孔状态的精确过渡时刻。随后采用电弧电压T算法、电弧电压幅频低频段SUM算法对存入计算机中的电弧电压信号进行处理，图8为用软件实现算法的流程图。其中，用软件实现T算法的流程如图8a所示。运行程序后首先从计算机中调入采集到的电弧电压信号u(t)，然后从u(t)中按照焊接的时间顺序取numu＝16000个数据点构成一长度为16000的数据段utemp。计算该数据段电弧电压信号的均值 $\mathrm{Eu}=\underset{k=1}{\overset{16000}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{utemp}\left(k\right)/16000,$ 再计算该数据段电弧电压信号的 $\mathrm{Tu}=\underset{k=1}{\overset{16000}{\mathrm{\Σ}}}|\mathrm{utemp}\left(k\right)-\mathrm{Eu}|.$ 得到Tu值后舍去数据段段首的delay＝500点，再从u(t)中顺序添入新的500个数据重新构成一长度为16000的数据段utemp，然后判断是否已完成预先设定的计算次数ku，即j值(程序开始时设置为1)是否等于ku，如果“不等于”则j值增加1，重复以上运算；若“等于”则退出循环处理，此时已得到Tu(t)信号，对其进行平滑处理便获得传感信号TuS(t)如图9d所示，图9d中横坐标为时间，单位为s，纵坐标为TuS信号的幅值，单位为V。图8b为软件实现SUM算法的流程图，运行程序后同样首先从计算机中调入采集到的电弧电压信号u(t)，然后从u(t)中按照焊接的时间顺序取nffts＝32768个数据点构成一长度为32768的数据段utemp。计算该数据段电弧电压信号的均值，减去均值后的电弧电压信号为udm，该步是对信号做FFT变换前的预处理。对udm做FFT变换，然后对所得结果取模，便得到|U(f)|，再计算该数据段电弧电压信号的 $\mathrm{SUMu}=\underset{f=0}{\overset{100\mathrm{Hz}}{\mathrm{\Σ}}}\left|U\left(f\right)\right|.$ 得到SUMu值后舍去数据段utemp段首的delay＝500点，再从u(t)中顺序添入新的500个数据重新构成一长度为32768的数据段，然后判断是否已完成预先设定的计算次数ku，即j值(程序开始时设置为1)是否等于ku，如果“不等于”则j值增加1，重复以上运算：若“等于”则退出循环处理，此时已得到传感信号SUMu(t)如图9e所示，图9e中横坐标为时间，单位为s，纵坐标为SUMu信号的幅值，单位为FFTamp.。用软件实现以上算法的编程环境为Matlab 5.01。

表1列出了不同种类焊接电源和工件材质条件下TuS和SUMu信号的熔透预报阈值、熔透确认阈值和阈值带宽。

                                              表1

传感信号	熔透预报阈值			熔透确认阈值			阈值带宽＝预报阈值-确认阈值
										逆变焊机	磁放大器式焊机		逆变焊机	磁放大器式焊机		逆变焊机	磁放大器式焊机
	不锈钢	低碳钢	不锈钢	不锈钢	低碳钢	不锈钢	不锈钢	低碳钢	不锈钢
										TuS	660	450	350	180	280	210	480	170	140
SUMu	104	3500	3500	1000	1000	1000	9000	2500	2500

用T算法和SUM算法对电弧电压信号进行处理得到传感信号TuS和SUMu后，从表一中找到对应于逆变焊机不锈钢工件的TuS和SUMu信号的熔透预报阈值(TuS-660，SUMu-10000)和熔透确认阈值(TuS-180，SUMu-1000)，根据双阈值熔池穿孔状态判断准则，当TuS和SUMu信号幅值分别高于设定的熔透预报阈值660和10000时，发出熔透预报信号，判断熔池为过渡状态；当信号幅值重新下降并分别低于熔透确认阈值180和1000时，可确认熔池已进入完全穿孔熔透状态；而当信号幅值低于熔透预报阈值并高于熔透确认阈值时，则判定熔池为未穿孔未熔透状态。使用TuS和SUMu信号检测熔池穿孔状态的结果标于图9c中，其中AB段为未穿孔未熔透状态，BC段为过渡状态，CD段为完全穿孔熔透状态，可以看到检测结果与背面开槽工件的结构和焊缝背面成形对熔池穿孔状态的显示是相符的，此外该检测结果与辅助光信号对熔池穿孔状态的记录也是一致的，由此说明该检测技术能够准确地传感熔池穿孔和未穿孔状态。

表1表明焊机类型、被焊材料和焊接规范参数均会导致小孔传感信号阈值的差异，为此在实际使用中需要根据具体焊接实施条件选用合适的电弧电压传感信号处理方法和判断阈值。

Claims (3)

1、一种等离子焊接熔池穿孔状态的电弧电压检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)首先利用信号采集***将等离子电弧电压u(t)实时地采集并存储入计算机；

2)对采集的电弧电压信号进行T算法和SUM算法的加工处理，得到可供机器识别的定量的熔池穿孔与否传感信号TuS和SUMu；

3)将TuS和SUMu与熔池穿孔与否双阈值判断准则进行比较，以判断当时熔池穿孔状态；

所说的对电弧电压信号进行加工处理的T算法，包括以下步骤：

1)取一段电弧电压信号u(t)(t＝t₁～t₂)，首先计算该时间段内电弧电压信号均值 $\mathrm{Eu}=\frac{{\∫}_{t_1}^{t_2}u\left(t\right)}{t_2-t_1},$ 然后计算该时间段内电弧电压u(t)与其均值Eu的偏差的绝对值并求和记为Tu， $\mathrm{Tu}={\∫}_{t_1}^{t_2}|u\left(t\right)-\mathrm{Eu}|;$

2)在整个时间段内按上述步骤处理u(t)信号可得Tu(t)，对其平滑后即得到传感信号TuS(t)；

所说的对电弧电压信号进行加工处理的SUM算法，包括以下步骤：

1)取一段电弧电压信号u(t)(t＝t₁～t₂)，首先对其进行FFT变换并取其模记为|U(f)|，即|U(f)|＝|FFT(u(t))|，然后对f＝0～100Hz的|U(f)|求和可获得传感信号SUMu， $\mathrm{SUMu}={\∫}_0^{100}\left|U\left(f\right)\right|;$

2)在整个时间段内按上述步骤处理u(t)信号可得SUMu(t)。

2.如权利要求1所述的电弧电压检测方法，其特征在于，所说的熔池穿孔与否双阈值判断准则为：设定熔透预报阈值和熔透确认阈值，当TuS和SUMu信号幅值高于设定的熔透预报阈值时，发出熔透预报信号，熔池为过渡状态；当信号幅值重新下降并低于熔透确认阈值时，可确认熔池己进入完全穿孔熔透状态；而当信号幅值低于熔透预报阈值并高于熔透确认阈值时，则判定熔池为未穿孔未熔透状态。

3.一种如权利要求1所述方法中的等离子电弧电压信号采集***，其特征在于，由电压传感器、低通滤波电路、数据采集卡、计算机和相关接口组成，其中，电弧电压信号首先引入电压传感器的输入端，电压传感器的输出端接低通滤波电路的输入端，低通滤波电路的输出端接数据采集卡的输入端子，数据采集卡直接***计算机的相应插槽。

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