一种电弧螺柱焊波形检测装置及其质量评价方法

专利名称：一种电弧螺柱焊波形检测装置及其质量评价方法
技术领域：
本发明属于电弧螺柱焊接领域，涉及一种检测装置，尤其是一 种电弧螺柱焊波形检测装置及其质量评价方法。
背景技术：
从美国尼尔森工程师制造战舰发明螺柱焊接技术以来，螺柱焊接 工艺已经从单一的造船行业已扩展到汽车、机车轨道交通、锅炉压力 容器、电站、钢结构、建筑桥梁、装饰幕墙、机箱机柜、珠宝制作、 标牌制作、家电产品、炊具、钣金加工和食品机械等诸多行业。螺柱 焊接技术发展到今天，已经成为西方发达国家的一种基本的热加工方
法，螺柱(焊钉)的焊接大约有80%以上是通过螺柱焊机完成的。我 国从20世纪80年代引进电弧螺柱焊技术后，虽然已在包括汽车制造、 钢结构建筑、桥梁、冶金、炉窑、造船、电力等行业得到了较为广泛 的应用，但是同国外发达国家相比，我国的电弧螺柱焊技术依然处于 初级应用阶段，我国1986年才在成都试制成功第一台螺柱焊机，关 于螺柱焊接技术的应用，还是从上世纪的九十年代才逐步展开的，到 现在也只有近20年的历史，因此螺柱焊在我国还是一种刚刚兴起的 行业，不论焊接设备，还是焊接工艺都与国外有不少差距。相对于发 展中国家而言，发达国家的螺柱焊接技术特别是自动化设备的使用面 更广，而发展中国家与之有着较大的差距。
尽管发达国家的螺柱焊发展远超过我国等发展中国家，主要表现在螺柱焊设备的自动化程度上，但对螺柱焊缝的质量检査还主要停留 在外观检查和弯曲检验上。
(1) 外观检査
要求螺柱必须完全插入熔池，冷却后在螺柱周围形成完整连续的 焊缝，任何焊肉欠缺或间断都是不允许的，所以要求对所有的焊接接 头都必须进行外观检査。进行焊缝外观检査时，主要考察焊缝外观颜 色，当焊缝呈灰白色光泽时则认为合格，因为熔池保护不足时，外观 颜色出现变化的同时会导致表面出现麻点和气孔等缺陷。而焊后螺柱
长度的测量应使螺柱焊后长度比订货长度小2-5mm，如果焊接工艺参 数不变，则焊后实际长度波动值为lmm。通过测量焊后长度就可间 接地评价焊接工艺参数的变化和螺柱焊接质量的好坏。
(2) 弯曲检验
外观检査合格后，还应按比例2 5%进行弯曲检验，利用锤子锤 击螺柱和在螺柱上加套筒来进行弯曲检验，当弯曲至60°时，如果 焊缝及周边热影响区无裂纹，则弯曲检验合格。而有色金属(如铜、 铝及其合金)的弯曲角为15° 。
现有螺柱焊质量检测和评价方法属于典型的焊后检测方法，无法 在焊接过程对焊接质量进行实时检测和评价，所以难以进行及时的补 救措施。而且，现有的弯曲检验方法属于破坏性检验方法，检验结束 后无论质量优劣均要重新进行焊接。
在工程应用过程中，螺柱焊质量的外观检验是一种表面上的检验 方法，其焊缝内部是否出现缺陷，强度是否达到焊接设计的要求，在
一些情况下就不能够直接观察出来；而弯曲检验又是一种破坏性的检 测方法，焊后需要破坏2 5%已经焊接完成的螺柱来进行检验，这样 对于国内动辄就有数万或数十万个螺钉的中、大型工程而言，检测工 作量大大增加、螺钉浪费严重，工程进度沿缓等，所造成的浪费和增 加的工程成本是难以估量的。因此，如果能在焊接过程中对焊接质量 进行必要的预测，同时对含缺陷螺柱焊接头进行及时补救，将会对螺 柱焊的质量控制和成本节约产生重要的影响。为此， 一种实时的质量 检测和评价方法十分值得期待。

发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种电弧螺 柱焊波形检测装置及其质量评价方法，通过对在电弧螺柱焊过程中产 生的波形的采集和处理，结合对波形进行的质量评价方法，可以快速、 准确的得出焊接的质量，达到实时评价的目的。
本发明的目的是通过以下技术方案来解决的
这种电弧螺柱焊的波形检测装置，包括硬件波形采集处理装置 和软件波形处理系统，所述硬件波形采集处理装置以计算机为控制核 心，所述计算机连接有数据釆集卡，所述数据采集卡的输入端通过端 子板与信号调理电路模块的输出端连接，所述信号调理电路模块的输 入端与电流分流器的输出端连接，电流分流器直接与焊接电源电连 接；所述信号调理电路模块由信号放大电路和滤波电路组成；所述软 件波形处理系统包括参数设置模块、数据采集模块、数据预处理模块、 波形显示模块、能量计算模块和存储模块，所述数据预处理模块是采
用滤波算法对采集的数据进行平滑加工。
上述计算机为通用型工业计算机，其型号为RK-607，所述计算 机连接有显示器。
以上所述数据采集卡的型号为PCI-9112，端子板为ACLD-9188。 以上所述软件波形处理系统是采用Visual Basic语言编写，所述 数据预处理模块的滤波算法为算术平均值数字滤波算法，所述波形显 示模块具有将处理后的最终波形信号显示在所述显示器上的功能，所 述能量计算模块是将波形信号进行能量计算，所述存储模块具有存储 信息功能。
一种利用上述电弧螺柱焊的波形检测装置的电弧螺柱焊波形质 量评价方法，这种方法是这样的将电弧螺柱焊的波形检测装置在焊 接时所检测到的波形信号分为五个质量评定参数，分别是引弧时间、 燃弧电流的平均值、燃弧电流波动范围、燃弧时间和熄弧前电流突击 值；其中，引弧时间为电流由零到燃弧点的时间，所述燃弧点是电弧 引燃过程中，当电流达到电弧平均电流值的点；燃弧时间为燃弧点到 电流突击开始点之间的时间，即电弧正常燃烧，螺柱和母材熔化的时 间；燃弧电流的平均值为燃弧时间内的电流平均值；燃弧电流波动范 围为燃弧时间内的最大电流值与最小电流值之差；熄弧前电流突击值 为焊接完成前，瞬间电流冲击的最大值；
在检测波形并评价焊接时，首先测出质量合格的电弧螺柱焊的 波形作为标准波形，列出标准波形的五个质量评定参数，然后将待评 价电弧螺柱焊的波形的五个质量评定参数与标准波形的五个质量评
定参数进行对比，从而给出焊接质量的快速评价。
本发明通过硬件和软件方法对螺柱焊接过程中的杂乱波形进行了 合理、有效的处理，并通过分析电流波形中的关键信号，来实现对焊 接质量的实时判断。相对于传统的螺柱焊质量检测方法，本发明具有 如下特点-
(1) 属于非破坏性检测方法，对焊接接头无破坏；
(2) 具有实时检测和评价特点，能够实时对焊接质量作出评价， 避免因焊后检测工序对工期造成的延误；
(3) 能实现螺柱焊接接头的100%检测，克服传统方法中螺柱焊 接接头2 5%抽检所造成的漏检问题；
(4) 可以实现对螺柱焊内部缺陷如气孔、未熔合等的检测。 本发明在分析螺柱焊接质量传统检测方法缺点的基础上，提出
了一种新型、实时、快速的检测评价方法。通过采集螺柱焊接过程中
电流的波形曲线，获取电流波形所反映的引弧时间、燃弧电流的平均
值、燃弧电流波动范围、燃弧时间、熄弧前电流突击值五个质量参数。
通过将五个质量参数与标准波形参数进行对比，给出所完成的焊接质
量的快速评价。该方法为非破坏式、实时检测方法，可以实现螺柱焊
接接头的100%检测，同时可以实现对螺柱焊内部缺陷如气孔、未熔
合等的非破坏式质量检测。


图1为直接采集的电流波形； 图2为本发明的系统整体结构；
图3为本发明中的放大电路图4为本发明中的滤波电路图5为本发明中的数据采集程序流程图6为本发明中的数据采集程序主界面；
图7为本发明中经过处理后的电流波形；
图8为本发明中不同焯接质量的电流波形及实物图，
其中图8a为焊缝出现颈縮时的电流波形及实物图，
图8b为挤出量不均匀时的电流波形及实物图，
图8c为焊接时出现磁偏吹的电流波形及实物图，
图8d为表面清理不彻底的电流波形，
图8e为无缺陷电流波形； 图9为本发明中的电流波形解析图。
具体实施例方式
本发明的电弧螺柱焊波形检测装置及其质量评价方法，包括电流 波形的实时采集和处理系统，及缺陷波形评价方法。其特别之处在于-通过硬件和软件方法对螺柱焊接过程中的杂乱波形进行了合理、有效 的处理，并通过分析电流波形中的关键信号，来实现对焊接质量的实 时判断。硬件波形采集处理装置包括电流分流器、信号调理模块、数 据采集卡、计算机。软件波形处理系统包括Visual Basic语言编写的 数据采集模块、数据滤波处理模块。
其中电流分流器可以获得大电流、强磁场的环境下螺柱焯接时几 十个毫伏的电流信号。
信号调理模块包括信号放大电路和滤波电路，其是对电流信号进 行放大及预先滤波处理，其核心为运算放大器；滤波电路是为了尽可 能减小焊接环境所产生的噪声对电流信号的干扰。
数据采集卡为本系统的核心，实现对焊接过程电流信号的采集，
这里的数据采集卡可以使用型号为PCI-9122,也可以使用同等功能的 其他数据采集卡。
计算机采用通用型工业计算机，作为设备运行及功能扩展的硬件 平台。
Visual Basic语言编写的数据采集软件主要实现参数设置、数据 采集、数据预处理、波形显示以及能量计算、存储等功能。
数据滤波处理模块采用算术平均值滤波算法对采集的数据进行
平滑加工,使波形曲线能够直观地反映出螺柱焊焊接过程中电流值的
变化趋势及其特征值。
下面结合附图来对本发明作进一步详细的说明 一、焊接过程中的数据采集及处理
焊接过程中的电压和电流是螺柱焊的主要参数，但是经过大量的 试验研究发现，焊接电压波形与焊接质量之间的关系不明显，而焊接 电流波形与焊接质量之间存在一定的对应关系。本发明中通过电流波 形检测焊接质量就是基于这个原因提出来的。但是，通过数据采集卡 直接采集的电流波形如图1所示，难以对电流波形中的关键信息进行 捕捉和分析，为此，需要对电流波形进行合理的处理。本发明从硬件 和软件两种途径进行了处理。 1)硬件处理系统
螺柱焊数据釆集系统采用凌华公司生产的通用型工业计算机作 为设备运行及功能扩展的硬件平台，采用通用型数据采集卡作为控制 核心，实现对焊接过程电流信号的采集。该平台具有很好的硬件兼容 性和较高运算速度。由于开发环境的通用性，简化了控制程序和参数 交互程序的开发。同时该平台可驱动常用的计算机显示器，便于焊接
参数的设置和结果的观察。如图2所示，经过分流器获得的电流信号 首先送入信号调理模块，进行放大滤波处理，通过ACLD-9188端子 板进入数据采集卡PCI-9112进行A/D转换，将转换后的数据传入工 控机RK-607，经软件处理系统分析后输出结果。
螺柱焊接是在大电流、强磁场的环境下进行的，经过分流器得到 的电流信号很微弱，只有几十个毫伏，容易受到外部噪声的干扰。为 了减少噪声对电流信号的干扰，在电流信号进入数据采集卡进行A/D 转换前设计了一个信号调理模块，其主要功能是对电流信号进行放大 及预先滤波处理。信号放大电路的核心为运算放大器。在信号运算放 大器选择中， 一般有低噪声、低输入偏置电流、高共模抑制比等要求。 本发明选择了 Analog Device公司的AD620仪用放大器作为放大电路 的首级放大器，能够很好的满足上述要求。其在电路中的具体应用如 图3所示。
滤波电路的主要功能是尽可能减小焊接环境中噪声对电流信号 的干扰，主要的干扰来自于放大后的信号至数据采集卡之间，因此在 信号进入采集卡之前为其增加相应的滤波电路。为此，采用常用的 RC—阶低通滤波电路，其原理如图4所示。 2)软件处理系统
数据采集软件用Visual Basic语言编写，系统软件可以实现参数 设置、数据采集、数据预处理、波形显示以及能量计算、存储等功能。 其流程图及程序主界面如图5、图6所示。
参数设置模块提供参数设置的人机界面(如图6)，可以通过界面上的参数设置来确定整个系统所要评价螺柱焊的环境，例如螺柱的 直径等。
数据采集模块提供数据采集功能，通过硬件将采集到的波形信号 收集并送交给数据预处理模块处理。
波形显示模块是负责信号显示功能，它可以将处理后的波形的各 个参数显示在显示器上。
能量计算模块是负责将采集到的电流信号进行能量计算，以便能 够将电流信号的强弱转换为波形信号。
存储模块具有将检测到的信号和处理后各种参数保存到存储介 质上。
为了对电流波形进行处理，在软件的编制上添加了一个数据滤波 处理模块。数字滤波技术是指在软件中对采集到的数据进行消除干扰 的处理。本系统采用滤波算法对采集的数据进行平滑加工，使得能够 直观的反映出螺柱焊接过程中电流值的变化趋势及其特征值。本系统 采用算术平均值数字滤波算法，能够很好的满足平滑加工的要求。经
过算术平均值数字滤波处理后的螺柱焊焊接电流波形如图7所示。与 图1相比较，图7中的电流波形为一条较为光滑的曲线，便于分析。 二、焊接电流波形解析及质量参数的提出、评价
通过对比图8中的缺陷波形和无缺陷波形，可以断定，焊接质量 的好坏可以通过焊接电流波形的变化来衡量，从而使通过检测焊接过 程中电流波形来评价焊接质量成为可能。经过分析，电弧螺柱焊过程 可以分为三个阶段引弧阶段、燃弧阶段、螺柱顶锻熄弧阶段。整个 焊接过程中所获得的电流波形的解析图见图9。
经过对螺柱焊过程中的缺陷电流波形和无缺陷电流波形进行对 比分析发现，反映在电流波形上的影响焊接质量的主要参数有引弧
时间、燃弧电流的平均值、燃弧电流波动范围、燃弧时间、熄弧前电
流突击值五个参数，见图9。对五个参数的定义如下-
引弧时间电流由零到燃弧点的时间称为引弧时间。电弧引燃过
程中，当电流达到电弧平均电流值的点称为燃弧点。
燃弧时间燃弧点到电流突击开始点之间的时间。是电弧正常燃
烧，螺柱和母材熔化的时间。
燃弧电流的平均值燃弧时间内的电流平均值。 燃弧电流波动范围燃弧时间内的最大电流值与最小电流值之差。
熄弧前电流突击值焊接完成前，瞬间电流冲击的最大值。 为了方便，将以上五个参数命名为螺柱焊接的质量参数。当焊接 参数变化时，电流波形发生相应的变化。在根据螺柱直径选定焊接参 数的前提下，可以获得未出现焊接缺陷的标准电流波形，进而可以获 得五个质量参数。不同焊接参数下的焊接质量可以通过电流波形检检 测当焊接电流过大或者过小时，会导致燃弧电流产生过大或者过小 的变化，致使焊缝产生飞边过大或縮颈等缺陷，出现螺柱焊缝质量的 不合格；当螺柱的提升高度过高或者过低时，在电流波形上表现出引 弧时间长，电流的波动性变大，电流突击值消失等现象，导致悍缝的 质量不合格；焊接引弧时间过大，燃弧时间縮短，螺柱熔化不充分， 出现未熔合等焊缝质量不合格。
所提出的螺柱焊接质量电流波形检测和评价方法，通过对焊接过 程中的电流波形进行采集和分析，获取电流波形所反映的引弧时间、 燃弧电流的平均值、燃弧电流波动范围、燃弧时间、熄弧前电流突击 值五个质量参数。通过将五个质量参数与标准波形(合格焊接质量的 电流波形)参数进行对比，给出所完成的焊接质量的快速评价。经过
大量焊接试验，并经过传统检验方法的证明，这种检测和评价方法具 有良好的可靠性。
权利要求
1.一种电弧螺柱焊的波形检测装置，其特征在于包括硬件波形采集处理装置和软件波形处理系统，所述硬件波形采集处理装置以计算机为控制核心，所述计算机连接有数据采集卡，所述数据采集卡的输入端通过端子板与信号调理电路模块的输出端连接，所述信号调理电路模块的输入端与电流分流器的输出端连接，电流分流器直接与焊接电源电连接；所述信号调理电路模块由信号放大电路和滤波电路组成；所述软件波形处理系统包括参数设置模块、数据采集模块、数据预处理模块、波形显示模块、能量计算模块和存储模块，所述数据预处理模块是采用滤波算法对采集的数据进行平滑加工。
2. 根据权利要求1所述的电弧螺柱焊的波形检测装置，其特征在于所述计 算机为通用型工业计算机，其型号为RK-607，所述计算机连接有显示器。
3. 根据权利要求1所述的电弧螺柱焊的波形检测装置，其特征在于所述数 据采集卡的型号为PCI-9112。
4. 根据权利要求1所述的电弧螺柱焊的波形检测装置，其特征在于所述端子板为ACLD-9188。
5. 根据权利要求1所述的电弧螺柱焊的波形检测装置，其特征在于所述软件波形处理系统是采用Visual Basic语言编写，所述数据预处理模块的滤波 算法为算术平均值数字滤波算法，所述参数设置模块负责电弧螺柱焊的各 焊接参数确定，所述数据采集模块具有收集焊接波形信号的功能，所述波 形显示模块具有将处理后的最终波形信号显示在所述显示器上的功能，所 述能量计算模块是将波形信号进行能量计算，所述存储模块具有存储信息 功能。
6. —种利用权利要求1所述装置的电弧螺柱焊波形质量评价方法，其特征在 于将电弧螺柱焊的波形检测装置在焊接时所检测到的波形信号分为五个 质量评定参数，分别是引弧时间、燃弧电流的平均值、燃弧电流波动范围、 燃弧时间和熄弧前电流突击值；其中，引弧时间为电流由零到燃弧点的时间，所述燃弧点是电弧引燃过程中， 当电流达到电弧平均电流值的点；燃弧时间为燃弧点到电流突击开始点之间的时间，即电弧正常燃烧，螺 柱和母材熔化的时间；燃弧电流的平均值为燃弧时间内的电流平均值； 燃弧电流波动范围为燃弧时间内的最大电流值与最小电流值之差； 熄弧前电流突击值为焊接完成前，瞬间电流冲击的最大值； 首先测出质量合格的电弧螺柱焊的波形作为标准波形，列出标准波形的 五个质量评定参数，然后将待评价电弧螺柱焊的波形的五个质量评定参数与 标准波形的五个质量评定参数进行对比，从而给出焊接质量的快速评价。
全文摘要
本发明公开了一种电弧螺柱焊波形检测装置及其质量评价方法。本发明对螺柱焊接过程中的电流信号通过硬件波形处理系统、软件波形处理系统进行波形处理，获得螺柱焊过程中的电流波形，进而获得引弧时间、燃弧电流的平均值、燃弧电流波动范围、燃弧时间、熄弧前电流突击值五个质量参数。通过将五个质量参数与标准波形参数进行对比，给出所完成的焊接质量的快速评价。该方法为非破坏式、实时检测方法，不会因为检测而造成良好焊接接头的破坏，可以实现螺柱焊接接头的100％检测，克服传统方法中螺柱焊接接头2～5％抽检所造成的漏检问题，同时可以实现传统的外观检测方法难以实现的内部缺陷如气孔、未熔合等的检测。
文档编号G01N33/00GK101354369SQ20081015095
公开日2009年1月28日 申请日期2008年9月12日 优先权日2008年9月12日
发明者强 付, 张建勋, 彤 朱, 强 池, 靖 牛, 谢晓东, 挺 黄 申请人:西安交通大学