一种GMAW焊接工艺性能的检测分析方法与流程

本发明属于gmaw焊接
技术领域：
，具体涉及一种gmaw焊接工艺性能的检测分析方法。
背景技术：
机械制造业作为国民经济的支柱产业，决定了一个国家的工业生产能力和水平，焊接作为制造也中重要的加工方法之一，更是起着举足轻重的作用。以往焊接质量主要是通过两种手段来保障。焊前根据工件、材料、性能要求制订合理的焊接工艺，但是焊接过程存在的时变性使得质量无法得到严格保证。焊后可以进行质量检验，对不合格的焊缝，返修或清理之后再重新焊接来保证焊缝质量，但这种检验方法费时费力，况且某些焊接产品，如船舶、桥梁、大型压力容器、航天器材等一些重要的焊接件，是不允许出现焊接质量问题的。因此焊接过程中的在线质量控制就显得尤为重要。熔化极气体保护焊(gmaw)因其高效、节能和便于实现自动化等特点，已在焊接生产中越来越受到青睐。但是，在自动化焊接过程中，即便是在工艺参数都正确设定的情况下，也可能出现各种随机干扰因素。比如，焊接热变形造成坡口间隙改变、飞溅、焊件上出现油污、熔滴飞溅到喷嘴导致保护气体量不足、送丝时受导电嘴的摩擦阻碍导致送丝速度不均匀、焊接机构稳定性引起的弧长变化等。这些随机因素的出现必然会影响到焊接质量，如果不及时加以监测和调整，不仅造成大量材料和能源的浪费，还给焊后检验和返修带来很大的困难。因此，为保证焊接质量，降低焊后修复成本，提高生产效率，研制有效的干扰因素识别与监测系统意义重大。技术实现要素：根据以上热作模具钢现有技术的不足，本发明所要解决的技术问题是提出一种gmaw焊接工艺性能的检测分析方法，通过采用汉诺威焊接质量分析仪可以提取出反映焊接过程的特征信号，研究各种工艺条件的gmaw焊接工艺试验，实时测量焊接电压和电流信号，对测试值进行统计处理，得出相应的焊接电压和电流的pdd数值，短路过渡时间的cfd数值，实现对焊接过程的识别，为解决现有技术中关于减少焊件报废和避免焊后修复提供技术支持。为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种gmaw焊接工艺性能的检测分析方法，该方法包括数据收集、干扰因素介入数据收集和数据分析，具体步骤如下：1)数据收集：将电焊机与汉诺威分析仪连接，然后采用短路过渡co2焊对样品进行焊接，利用汉诺威分析仪测量电弧电压和焊接电流，并进行数据处理，每次测量20s获得4×106个焊接电压和焊接电流的瞬时值；2)干扰因素介入数据收集：按照步骤(1)的操作，在干扰因素介入下进行数据收集，其中，干扰因素为保护气流量为12-13l/min、保护气流量为9-10l/min、采用锈板作为样品、焊缝采用堆焊、两样品板接缝处存在间隙或样品板上存在油污中至少4种；3)数据分析：对收集的数据提取出反映焊接电流、电压及短路时间的概率密度分布和时间频数分布过程变化的平均值、方差和标准方差作为特征值；并利用如下公式进行九维作图，作出各工艺类型的矢量图；其中，平均值方差标准方差式中n是样本总数，xn是第n个样本值。优选的，所述汉诺威分析仪的型号为ah-xviii，包括微机系统、保护电路、端电阻r、带分压器的低通滤波器lpf、ad/dc电流传感器及12位的a/d转换器，微机系统提供焊接电压和电流信号的pdd曲线以及短路过渡时间、燃弧时间、加权燃弧时间和短路周期等的cfd曲线。优选的，所述短路过渡co2焊的工艺参数如下：气体流量20l/min，焊丝为直径1.2mm的gc药芯焊丝，送丝速度为4m/min，焊接电压为29v，焊接电流为80-300a，焊接速度760mm/min，导电嘴至工件距离为20mm，焊接接头为搭接形式。优选的，所述样品为低碳钢件。与现有技术相比，本发明有益效果是：1.本发明采用汉诺威焊接过程分析仪对焊接电压和焊接电流的pdd曲线以及相应的时间参数cfd曲线进行综合处理，准确提取出反映不同工艺条件下的gmaw焊接过程的特征信息，实现焊接过程干扰的类型，时间焊接过程的人工智能监测，以获得高质量的焊接接头，使得在干扰出现产生之前，就实时检测和识别出来，避免了焊件报废和焊后修复，具有巨大的经济效益和社会效益。2.本发明采用计算机数据采集系统，可实现对电弧电压和电流的高速采集，从而可以捕获其他弧焊分析仪捕获不到的瞬态信息，进一步可以研究co2焊熔滴短路过渡的频率的规律和影响焊接过程熔滴过渡的影响因素，这些规律对于焊接过程中电弧传感信号中所包含的质量信息的特征提取及其解释成为可能，对焊接产品质量在线监测提供了基础。附图说明图1汉诺威分析仪与电焊机的连接图；图2汉诺威测试电参数示意图；图3为实施例2中不同干扰因素下焊缝图；图4不同因素下0-4s的9维矢量图；图5不同因素下6-10s的9维矢量图；图6不同因素下11-15s的9维矢量图；a、保护气流量为9-10l/min时的焊逢，b、采用堆焊时的焊逢，c、采用锈板作为样品时的焊缝，d、样品存在油污时的焊缝。具体实施方式下面通过对实施例的描述，作进一步详细的说明，以帮助本领域技术人员对本发明的发明构思、技术方案有更完整、准确和深入的理解。实施例1分析原理：实验主要采用汉诺威焊接过程分析仪，它是一个快速的数据获取与处理系统，该系统包括硬件和软件两方面，系统硬件连接如图所示，主要有微机系统、保护电路、端电阻r、带分压器的低通滤波器lpf、ad/dc电流传感器及12位的a/d转换器组成。软件方面能提供焊接电压和电流信号的pdd曲线以及短路过渡时间、燃弧时间、加权燃弧时间和短路周期等的cfd曲线，其中，pdd为概率密度分布曲线，cfd为时间频数分布曲线，汉诺威分析仪可以记录焊接电流和电压的瞬时值，自动统计和自动生成短路时间、燃弧时间、加权燃弧时间和过渡周期的频次分布图和相关数据。焊接过程中，必不可少的存在一种或多种干扰因素，焊接过程干扰因素与许多参数有关，这些参数即是能够反映焊接过程干扰因素的特征信号，但往往很难提取出反映焊接过程的特征信号，如何提取反映焊接过程的特征信息就成为研究的重点。本发明人为的引入干扰因素，利用汉诺威分析仪提取出反映焊接过程的特征信号，然后对其进行分析。相关参数：u-焊接电压；i-焊接电流；t1-短路时间；t2-燃弧时间；t3-加权燃弧时间(t2+小短路时间[不能被仪器统计出的小短路时间])；tc-周期时间。一种gmaw焊接工艺性能的检测分析方法，该方法包括数据收集、干扰因素介入数据收集和数据分析，具体步骤如下：1)数据收集：将电焊机与汉诺威分析仪连接见图1，然后采用短路过渡co2焊对6mm低碳钢板进行焊接，在焊接的过程中采用co2焊逆变焊机，在气体流量20l/min，焊丝为直径1.2mm的gc药芯焊丝，送丝速度为4m/min，焊接电压为29v，焊接电流为80-300a，焊接速度760mm/min，导电嘴至工件距离为20mm，焊接接头为搭接形式进行焊接，同时采用德国汉诺威分析仪ah-xviii测量电弧电压和焊接电流，并进行数据处理，每次测量20s获得4×106个焊接电压和焊接电流的瞬时值，并将其实时处理为pdd和cfd曲线；2)干扰因素介入数据收集：按照步骤(1)的操作，在干扰因素介入下进行数据收集，其中，干扰因素为5种，分别为保护气流量为12-13l/min、保护气流量为9-10l/min、采用锈板作为样品、焊缝采用堆焊，上述5种干扰因素以及正常工艺参数下的焊接，共有6种情况，每种情况进行实验测量和数据处理；3)数据分析：采用对时间分段的方法对数据进行分析，对收集的数据提取出反映焊接电流、电压及短路时间的概率密度分布和时间频数分布过程变化的平均值、方差和标准方差作为特征值；并利用如下公式进行九维作图，作出各工艺类型的矢量图；其中，平均值方差标准方差式中n是样本总数，xn是第n个样本值。实施例2本实施例同实施例1，不同的是本实施例中步骤(2)的干扰因素为4种，分别为保护气流量为9-10l/min、采用锈板作为样品、焊缝采用堆焊和样品上存在油污，上述4种干扰因素以及正常工艺参数下的焊接，共有5种情况，每种情况进行实验测量和数据处理；步骤(3)中采用对整个时间段的数据分析。实施例3gmaw焊接过程中，由汉诺威分析仪同步进行高速数据采集，统计处理出焊接电压、焊接电流的概率密度分布曲线(pdd)和短路时间、燃弧时间、加权燃弧时间的时间频数分布(cfd)。然后用数学手段对检测到的大量原始数据进行处理。对于不同条件下的焊接过程，具有不同的pdd曲线，通过分析和评估pdd曲线，就可以对焊接过程实施质量监控和评定。对实施例1中的数据进行分析：实验中，gc-13为采用正常焊接工艺规范的情况下所采集的焊接参数信号，以此作为标准参数信号，其他参数与之比较，通过它们之间的差别来确定可能出现的焊接缺陷。gc-13正常焊接情况下的各焊接参数信号；gc-14保护气流量为12-13l/min时的各焊接参数信号；gc-15保护气流量为9-10l/min时的各焊接参数信号；gc-16采用锈板作为样品时的各焊接参数信号；gc-17堆焊时的各焊接参数信号；gc-18两样品板接缝处存在间隙时的各焊接参数信号(瞬时干扰情况)；分别对20秒的统计数据进行分段分析，取其0-4、6-10和11-15秒三段进行数据分析。把六种因素进行分析比较(尤其是与gc-13正常焊接情况下的各焊接参数信号，进行比较)为以后的在线检测提供理论依据。通过对电流i、电压u、短路时间t1、燃弧时间t2、加权燃弧时间t3和周期时间tc六种参数的数据分析，发现电流、电压和短路时间t1时间有特别明显的特征，其它四种参数无论-都没有明显的特征。gc-18这组试验，因为gc-18是为了模拟小车行进过程中有高低不平现象，其影响是瞬时的，而其它几组的干扰是伴随整个焊接过程的，所以将它单独分析。汉诺威统计时段为：t＝01ms，t1＝0.05ms也是系统可以统计到的最小的短路时间。根据短路时间t10-4s的数据可以明显的看到，在t1＝0.05ms时，gc-13、gc-14、gc-15、gc-16、gc-17、gc-18的n[1/s]的值分别是n[1/s]＝13.75、n[1/s]＝19.5、n[1/s]＝41、n[1/s]＝64、n[1/s]＝16.25、n[1/s]＝22，存在干扰因素的实验中，在t1＝0.05ms时，出现短路的短路次数明显异于正常情况下的短路次数，在6-10、11-15秒的情况也是一样。短路时间频数的部分数据如下表：表10-4s短路时间频数的部分数据表26-10s短路时间频数的部分数据表311-15s短路时间频数的部分数据sub1303sub1403sub1503sub1603sub1703klasset1[ms]n[1/s]n[1/s]n[1/s]n[1/s]n[1/s]10.0518.817.815.634.811.220.154638.4230.2521.21.62.8140.3521.413.61.650.450.81.40.61.40.660.551.60.611.40.870.651.20.80.80.80.480.750.20.40.80.20.290.850.60.40.20.80.4100.9500.40.20.40此外，在以上统计数据的基础上；对反映焊接过程的电压、电流和短路时间进行分值段统计数进行有效处理。从分析结果来看，电流电压的数值也有明显特征。表40-4s电流i的概率密度部分数据表56-10s电流i的概率密度部分数据sub1302sub1402sub1502sub1602sub1702sub1802i[a]n[％]n[％]n[％]n[％]n[％]n[％]1497.6560000001599.60900000016101.56300002e-42e-417103.5160001e-38e-48e-418105.4690000.01241e-30.001219107.4220000.02880.00120.001420109.3750000.04820.0021e-321111.3284e-4000.07560.00240.002222113.2810.0088000.07820.00340.020423115.2340.0298000.07580.00480.045424117.1880.0404000.070.0090.070625119.1410.0536000.07020.01780.137426121.0940.0638000.06740.0210.208627123.0470.0624000.050.030.2918281250.0708000.0430.04260.382829126.9530.0496000.02860.06620.373230128.9060.0406000.03680.08240.363631130.8590.0298000.06480.11080.35832132.8130.0250.001400.07020.11760.325833134.7660.0280.01448e-40.08420.09980.40234136.7190.03640.04820.00620.090.09340.50135138.6720.03360.07460.02380.07960.0850.61836140.6250.03280.09940.05880.1090.0910.732437142.5780.02780.11580.12920.12840.10760.783838144.5310.02340.13320.24360.17920.13560.812439146.4840.04580.16420.3890.20380.17120.8932表611-15s电流i的概率密度部分数据根据以上分析，可以较容易的识别出焊接过程是否存在干扰因素。co2气流量减少时，电弧产生的热量比较分散，需要较大电流，即频数较高。堆焊，即在一条焊缝上加焊一道焊缝，相当于样品预热，大电流频数较低。锈板作为样品时，锈对co2气体保护焊影响不大，但也有影响。两板接缝处存在间隙的焊接过程在第6秒短路时间t1＝3ms-4ms之间出现长时段短路较多。备注：因为此种干扰因素是为了模拟小车行进过程中有高低不平现象的出现，故其影响是短时的，所以把20秒的试验分成了20段以每一秒为一个研究时段。分析时把可能出现问题的第6秒，第7秒，第8秒，第9秒，第10秒五段进行了分析。实施例4对实施例2数据进行分析：gc-23正常焊接情况下的各焊接参数信号；gc-24保护气流量为9-10时的各焊接参数信号；gc-25堆焊时的各焊接参数信号；gc-26采用锈板作为样品时的各焊接参数信号；gc-27板上存在油污时的各焊接参数信号；在实施例2中短路时间t1也是如此，在t1＝0.05ms时，出现短路的短路次数明显异于正常情况下的短路次数，尤其体现在gc-24、gc-26。而在gc-25、gc-27上体现不是很明显。4组数据其中一组的数据如下：表7短路时间频数的部分数据正常情况下，电弧在保护气体的压缩下热量集中，焊接电流和电压呈现一个稳定的状态。当减少co2气体流量时，电弧产生的热量比较分散，电弧要进行自动调节作用，引起电弧收缩，而且收缩量较大，即电压增大，根据焊接电弧的电特性，电流也增大，以次达到一个集中的热量，所以它的大电流出现较多。gc-25为在焊接完的焊缝上进行堆焊，由于焊缝中有比较大的残留热量，等于提供了一个焊接热源，此时进行堆焊，焊接所需要的热量较少，即所需的电流也较小。gc-26为采用锈板作为样品、gc-27为样品上油污。co2气体保护焊具有抗油和锈的特点，但也有很小的影响。当采用锈板作为样品时，由于铁锈的存在,在焊接时也将分解吸热，需要较大焊接电流，致使大电流出现频繁。由于油污的存在，焊接时在高温下分解产生热量，但没有堆焊时提供的多。因此，所需焊接电流较小，但没达到堆焊时的程度。此外，电压的概率密度曲线也能较明显的反映他们之间的差异。实施例5九维作图：短路过渡焊接过程电参数(电弧电压和电流)和时间参数的简单统计参数主要有：平均值m、标准差s、变异系数v(标准差s与平均值m之比)等。其中焊接电流、电压的平均值揭示了真是焊接电参数与电源设定值比较信息；标准差反映焊接参数瞬时值围绕其平均值分布情况，以及参数间的线性依赖程度，标准差越大参数分布越分散，相互依赖程度越小；变异系数给出参数变化范围相对于参数平均值的大小。所以说单靠一种参数很难反映焊接过程的全貌，为了综合各种参数直观反映出各干扰因素之间的不同。提取出反映焊接电流、电压及短路时间的概率密度分布和时间频数分布过程变化的平均值、方差和标准方差作为特征值如表8-10：平均值m、方差v标准方差sd。这样反映焊接过程电压pdd曲线的矢量有um、uv和usd，反映焊接电流pdd曲线的矢量有im，iv和isd，反映短路时间t1的cfd分布曲线的矢量有t1m，t1v和t1sd。平均值方差标准方差式中n是样本总数xn是第n个样本值，作出各工艺类型的矢量。表8前4s的9维矢量测试组umuvusdimivisdt1mt1vt1sd130.537632.91961.708390.38610.955620.977560.605774.54742.13247140.543483.21.788730.310560.740890.860750.692317.73922.78195150.543483.10361.761690.310560.756040.869511.12532.2615.67988160.543482.8351.683760.310560.521110.721881.6682778.32258.85002170.543482.51711.586540.310561.191071.091360.615385.26092.29367180.537632.65261.628690.38611.700131.303890.701929.634883.10401表9前6-10s的9维矢量测试组umuvusdimivisdt1mt1vt1sd130.892865.93672.436530.520830.93510.9670.447462.38531.54444140.892866.62182.572380.520831.03961.019620.66788.86572.97753150.892865.90422.429850.520830.87460.935210.711869.97973.15906160.892865.8552.419720.520830.9140.956021.0610222.1994.71158170.892866.40222.530250.520831.12271.059590.342371.72281.31257180.892866.41152.53210.520831.06561.032291.2542431.9895.65586表10前11-15s的9维矢量测试组umuvusdimivisdt1mt1vt1sd131.030936.20392.490760.520830.83420.913370.914298.55832.92546140.909096.37872.525610.520830.84670.920180.871438.06212.83938151.030936.87042.621140.520830.90260.950030.909097.31772.70513161.030936.62832.574550.520830.83660.914661.1357122.55724.74945171.030937.44952.729370.558661.07551.037050.618183.82341.95535不同类型的焊接过程具有不同的矢量值，从以上前4秒内，6-10秒和11-15秒的9维矢量图见图4-6更直观地看到矢量值之间的差异。从9维作图中可以明显的看出不同的焊接规范参数下，具有不同的焊接过程，更直观的的反映了干扰因素下的焊接过程与正常焊接情况的焊接过程之间的区别。上面对本发明进行了示例性描述，显然本发明具体实现并不受上述方式的限制，只要采用了本发明的方法构思和技术方案进行的各种非实质性的改进，或未经改进将本发明的构思和技术方案直接应用于其它场合的，均在本发明的保护范围之内。本发明的保护范围应该以权利要求书所限定的保护范围为准。当前第1页12