专利名称：等离子焊接熔池小孔尺寸的电弧检测方法及信号采集系统的制作方法
技术领域：
本发明属于等离子焊接质量控制技术领域。
高能束流中，等离子电弧有实现容易和廉价等优点，是重要结构和合金材料的焊接方法之一，在航空航天系统尤其得到广泛的应用。利用等离子弧能量密度和穿透力大的特点，等离子焊接可在适当参数条件下获得“小孔效应”，如
图1所示，这时等离子弧把工件10完全熔透并借助等离子流力的作用在熔池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。“小孔效应”是等离子焊接中的特有现象，有助于焊缝的充分熔透。然而，实际生产过程中各种条件规范的波动在所难免，势必影响小孔尺寸的稳定性，从而造成焊缝均匀性的不一致，这在精密构件加工中更显突出。为此，根据现代加工制造技术发展的需要，提出了实时检测熔池小孔尺寸的研究，以便为精密熔透自动控制提供必要的条件。
目前国内外在等离子焊接生产和研究中采用背面光电检测法、背面接触导电法、背面声音检测法、正面光谱分析法和正面CCD摄像法检测熔池穿孔状态，但其中只有背面光电检测法和背面接触导电法可初略地进行熔池小孔尺寸的检测，其它方法目前只能用于传感熔池小孔是否存在。背面光电检测法如图2a所示，是利用安置在工件20背面的各种光电器件21检测穿过小孔的等离子焰流22的弧光辐射，弧光辐射强度与熔池小孔的大小成正比。背面接触导电法如图2b所示，是将一块铜测板23放置在工件24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25打到铜测板23上，由于等离子焰流具有导电特性，故与铜测板23相连的电阻R上将有电流，则整流器的一端U。将有输出，且其大小正比于熔孔的大小。这两种检测方法的最大缺陷是传感器必须安置在工件背面，这使得其推广应用受到工件和生产条件的限制，即传感器的可达性很差。
本发明的目的在于为克服已有技术的不足之处，提出一种从等离子电弧电压和电弧电流信号中提取熔池小孔尺寸传感信号的检测方法。能有效传感熔池小孔的大小，可为实现中厚板的等离子焊接精密熔透自动控制提供必要的反馈信息。且系统结构简单、可达性好、实用廉价，容易推广使用。
本发明提出的一种等离子焊接熔池小孔尺寸的电弧检测方法，其特征在于，包括以下步骤1)首先利用信号采集系统将等离子电弧电压u(t)/电弧电流信号i(t)实时地采集并存储入计算机；2)对采集的电弧电压/电弧电流信号进行加工处理，得到可供机器识别的定量的熔池小孔尺寸传感信号pff(t)；3)具体标定pff(t)信号，根据pff信号与熔池小孔尺寸的比例关系实时传感熔池穿孔尺寸的大小。
所说的对采集的电弧电压/电弧电流信号进行加工处理的方法包括1)取一段电弧电压信号u(t)(t＝t1～t2)/电弧电流信号i(t)(t＝t1～t2)，首先对其进行FFT变换并对变换结果取模得到|U(f)|/|I(f)|；2)然后在以下两个频率区间f＝19kHz～20kHz和f＝2.5kHz～3.5kHz之中任意一个频率区间搜索|U(f)|/|I(f)|在该区间的最大值，最大值时的|U(f)|/|I(f)|所对应的频率f即为该区间的传感信号pff；3)采用以上方法在整个时间段内处理u(t)或i(t)可得pff(t)。
本发明的原理是由于熔透穿孔程度随着焊接过程的进行不断变化时，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程度。
本发明的方法实现原理如图3所示。首先利用信号采集系统将等离子电弧电压u(t)/电弧电流信号i(t)实时可靠地采集并存储入计算机。电弧电压和电弧电流信号本身并不能作为传感信号而直接用以检测熔池小孔的大小，但电弧信号携带着能够反映熔池穿孔程度的特征信息，该特征信息通过本发明开发的传感信号提取方法-pff算法的加工处理，便得到了可供机器识别的定量的熔池小孔尺寸传感信号pff。具体标定pff信号后，根据pff信号与熔池小孔尺寸的比例关系就可以实时传感熔池穿孔尺寸的大小。熔池小孔尺寸传感信号提取算法是本发明的关键技术，是在计算机上通过软件的方式实现的。以下介绍信号采集系统和传感信号提取算法的实现方法。
本发明的等离子电弧电压/电弧电流信号采集系统由电压传感器/电流传感器、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/电弧电流信号首先引入电压传感器/电流传感器的输入端，电压传感器/电流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，数据采集卡直接插入计算机的相应插槽。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/电流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。
以下为从电弧电压/电弧电流信号的频谱信息中提取熔池小孔尺寸传感信号pff的算法流程，如图5所示取一段电弧电压u(t)(t＝t1～t2)/电弧电流信号i(t)(t＝t1～t2)，首先对其进行FFT变换并对变换结果取模得到|U(f)|/|I(f)|，然后分别在以下两个频率区间f＝19kHz～20kHz和f＝2.5kHz～3.5kHz搜索|U(f)|/|I(f)|在该区间的最大值，最大值时的|U(f)|/|I(f)|所对应的频率f即为该区间的传感信号pff。采用以上方法在整个时间段内处理u(t)/i(t)可得pff(t)。
Pff值随着熔池小孔尺寸的增大逐渐递增或递减。根据pff信号的单调特点，可以通过具体标定后，根据pff信号与熔池小孔尺寸的定量比例关系实时传感熔池的穿孔尺寸大小。
本发明可以从电弧电压和电弧电流信号中任意选用其一作为提取传感信号的信号源，并可以从频率区间f＝19kHz～20kHz和f＝2.5kHz～3.5kHz中任选其一来提取pff信号。频率区间相同时，采用电弧电压还是电弧电流信号作为信号源提取pff的结果是一致的。
本发明的检测方法能有效传感熔池小孔的大小，可为实现中厚板的等离子焊接精密熔透自动控制提供必要的反馈信息。该方法适用于以逆变焊机为热源的等离子焊接过程，由于直接利用了电弧作为传感信号源，因此具有系统结构简单、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为等离子焊接在适当参数条件下获得“小孔效应”示意图。
图2为已有技术的焊接熔池小孔尺寸检测方法示意图。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/电弧电流信号采集系统结构示意图。
图5为本发明的传感信号pff提取算法流程框图。
图6为本发明的实施例的低通滤波电路原理图。图中，I为电弧电压比例放大电路，II为电弧电流比例放大电路，III为电弧电压低通滤波电路，IV为电弧电流低通滤波电路。
图7为本实施例的pff算法软件实现流程图。
图8a为本实施例的厚度渐变工件结构图，图8b为图8a对应的焊缝背面成形，图8c为从图8a所示工件取得的传感信号pff(t)曲线图。
本发明设计的一种等离子焊接熔池小孔尺寸的电弧检测方法及信号采集系统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，采用厚度渐变的工件，工件最厚处为8mm，最薄处为3mm，设置焊接规范为工件厚6mm处恰能穿孔熔透，使用逆变焊机在不锈钢工件上进行了焊接。厚度渐变工件及其对应的焊缝背面成形分别如图8a和图8b所示，可以看到背面焊缝从无到有，逐渐由细变粗，显然熔池经历了从未穿孔到穿孔程度由小变大的过程。
本实施例的信号采集系统由电压/电流传感器、滤波限幅电路、数据采集卡、计算机的接口及计算机组成，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。电弧电压/电弧电流信号首先经过电压/电流传感器的隔离作用，电压/电流传感器选用磁平衡式电压/电流传感器“科海KV100A”/“科海KT200A”，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；经过隔离后的电弧信号由输入接插件1引入低通滤波电路如图6所示，信号首先被比例放大电路衰减如图6中I/图6中II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6中III、IV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；经过隔离和滤波后的电弧电压/电弧电流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。
本实施例的方法具体步骤为首先通过本实施例的信号采集系统以40kHz的采样频率将焊接过程中的电弧电压/电弧电流信号实时采集进计算机。随后采用图5所示的pff算法对存入计算机中的电弧电压/电弧电流信号进行处理，在此以电弧电流为信号源并选取频率区间f＝2.5k～3.5k提取pff信号。图7为本实施例的软件实现流程图，其运行步骤为首先从计算机中调入采集到的电弧电流信号i(t)，然后从i(t)中按照焊接的时间顺序取nfft＝8192个数据点构成一长度为8192的数据段utemp。计算该数据段电弧电流信号的均值，减去均值后的电弧电流信号为idm，该步是对信号做FFT变换前的预处理。对idm做FFT变换并对变换结果取模得到|I(f)|，接着在频率区间f＝2.5k～3.5k寻找|I(f)|在该区间的最大值，最大值时的|I(f)|所对应的频率f即为该段电弧电流信号的pff值。得到pff值后舍去数据段utemp段首的delay＝500点，再从i(t)中顺序添入新的500个数据重新构成一长度为8192点的数据段，然后判断是否已完成预先设定的计算次数k，即j值(程序开始时设置为1)是否等于k，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pff(t)如图8c所示，图8c中横坐标为时间，单位为s，纵坐标为pff信号的幅值，单位为Hz。用软件实现以上算法的编程环境为Matlab 5.01。
设定熔池小孔尺寸阈值区间，当pff值位于区间3150Hz～3180Hz中时，判断熔池为未穿孔未熔透状态；当pff值位于3000Hz～3060Hz区间时，判断熔池小孔过大；而在3060Hz～3150Hz区间内pff小孔尺寸有良好对应定量比例关系，根据该比例关系pff信号就可实时传感熔池穿孔尺寸的大小。
权利要求
1.一种等离子焊接熔池小孔尺寸的电弧检测方法，其特征在于，包括以下步骤1)首先利用信号采集系统将等离子电弧电压u(t)/电弧电流信号i(t)实时地采集并存储入计算机；2)对采集的电弧电压/电弧电流信号进行加工处理，得到可供机器识别的定量的熔池小孔尺寸传感信号pff(t)；3)具体标定pff(t)信号，根据pff信号与熔池小孔尺寸的定量比例关系实时传感熔池穿孔尺寸的大小。
2.如权利要求1所述的电弧检测方法，其特征在于，所说的对采集的电弧电压/电弧电流信号进行加工处理的方法包括1)取一段电弧电压信号u(t)(t＝t1～t2)/电弧电流信号i(t)(t＝t1～t2)，首先对其进行FFT变换并对变换结果取模得到|U(f)|/|I(f)|；2)然后在以下两个频率区间f＝19kHz～20kHz和f＝2.5kHz～3.5kHz之中任意一个频率区间搜索|U(f)|/|I(f)|在该区间的最大值，最大值时的|U(f)|/|I(f)|所对应的频率f即为该区间的传感信号pff；3)采用以上方法在整个时间段内处理u(t)或i(t)可得pff(t)。
3.一种如权利要求1所述方法中的等离子电弧电压/电弧电流信号采集系统由电压传感器/电流传感器、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/电弧电流信号引入电压传感器/电流传感器的输入端，电压传感器/电流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，数据采集卡直接插入计算机的相应插槽。
全文摘要
本发明属于等离子焊接质量控制技术领域。本发明包括:首先利用信号采集系统将等离子电弧电压u(t)/电弧电流信号i(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小孔尺寸传感信号pff(t);最后标定pff信号,根据pff信号与熔池小孔尺寸的定量比例关系实时传感熔池穿孔尺寸的大小。本发明能有效传感熔池小孔的大小,且系统结构简单、可达性好、实用廉价,容易推广使用。
文档编号G01B7/02GK1264822SQ0010323
公开日2000年8月30日 申请日期2000年3月17日 优先权日2000年3月17日
发明者王海燕, 陈强, 王耀文 申请人:清华大学