一种焊条电弧焊的焊接过程质量评价方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种评价焊接质量的技术，特别是涉及一种对焊条电弧熔化焊接的过 程进行定量评价的方法。
【背景技术】
[0002] 焊条电弧焊中，焊接工人的操作技术是决定焊接质量的重要因素，重要工程项目 中需要可靠的焊接操作技术来保证工程的焊接质量。但到目前为止，对于焊接工程项目操 作人员的筛选工作还是依靠人为的主观评判进行，这种方式一方面会由于主观因素，对筛 选结果造成不良影响；另一方面，焊接操作过程往往处于一个高速变化的过程中，高速变化 过程中的焊接操作瑕疵，很难简单地靠裁判的"肉眼"来判断。因此，目前还缺乏有效的方 法来对焊接工人的操作水平进行量化评价。
[0003] 此外，目前对焊接操作人员的培训基本依靠"师傅"的经验进行"言传身教"，教学 过程缺乏科学客观的建议和指导意见，造成培养一个合格焊接工人的周期长、成本高；同 时，"师傅"的一些不规范操作方法和习惯也会影响到学员的培训效果。因此，如果能采用客 观、可靠的量化评价方法对焊接工人的操作水平进行评价，就可以大大促进整个行业的发 展。
[0004] 焊条电弧焊焊接过程中的电压、电流信号是监测电弧焊接过程的重要信号源，焊 接操作过程中的任何微小变化，都会反映在焊接过程的电信号波动中。因此，焊接过程中的 电信号被应用在焊接材料工艺性评定、焊接电源性能检测等方面。但到目前为止，还没有研 宄者采用这一信号源，有效实现对焊接过程质量进行客观地评价，这主要与两个重要因素 有关。
[0005] 1)缺乏对电弧物理的深入研宄和认识。尤其是在焊条电弧焊操作中，操作者由于 个体化特征，其运条方法、焊接位置、焊接手法的不同，带来差异很大的电弧形态，其物理特 征也极不相同，很难实现有效的量化评价方法。
[0006] 2)焊接过程中，不同的焊接位置如平焊、横焊、仰焊、立焊以及不同的接头形式如 管板对接、T型接头、坡口形式等，给评判带来了极大的困难。
[0007] 同时，由于缺乏可靠的标准，至今还未建立成熟的焊条电弧焊操作水平评级标准， 也给焊接过程质量的量化评价带来了一定困难。
【发明内容】
[0008] 本发明的目的是提供一种焊条电弧焊的焊接过程质量评价方法，以对焊条电弧焊 的焊接质量进行客观的评价。
[0009] 本发明提供的焊条电弧焊的焊接过程质量评价方法通过提取焊接过程的电压、电 流信号有效信息，结合熔滴过渡和电弧物理理论，运用了频谱分析和小波滤波方法，并考虑 到电信号中高频信号与低频信号所包含的物理意义，进一步通过数理统计方法，提取出分 段低频电压变异系数和长时短路时间两个重要的评价指标，建立了焊接过程的质量定量评 价指标和参数，以对焊接工人的操作水平进行可靠的评价。
[0010] 本发明所述的焊接过程质量评价方法包括以下步骤： 1) 采集焊条电弧焊焊接过程中离散的焊接电压信号K(n)和焊接电流信号J(n); 2) 采用MATLAB中的《filters函数对采集到的焊接电压信号K(n)和焊接电流信号 /(η)进行小波变换分析，得到db6尺度函数，获得低频电压信号Z F(n)和低频电流信号 L1(Ji)； 3) 存在低频电压信号不满足18V < 4(n) < 35V或低频电流信号不满足 90Α < 4(η) < 135Α的焊接过程，评价为焊接过程不合格； 4) 对于低频电压信号4(η)变化范围始终在18V~35V之间、同时低频电流信号4(η) 变化范围始终在90Α~135Α之间的焊接过程，将所述焊接过程分成等时间段的m段，计算 每个时间段内低频电压信号4(n)的平均值Z 3K(i) (i=l，2,……，m); 5) 求出m个低频电压信号平均值⑴（i=l，2，……，m)的平均值 按照式（1)计算出所述m个低频电压信号平均值Z3K(i) (i=l，2,……，m)的变异 系数作为所述焊接过程的变异系数：
式中：Z3K(i)表示某个时间段内低频电压信号的平均值，表示m个低频电压信号 平均值4r(i) (i=l，2，……，m)的平均值； 6) 获取不少于200次焊接过程的变异系数，建立起焊接过程评判数据库Cyej，j多200， 并找出数据库中的最大变异系数cr。 max和最小变异系数cr。min; 7) 按照步骤1)~5)对拟评价焊接过程的焊接电压信号进行处理，获取所述焊接过程 的变异系数cr，按照式（2)计算得到所述焊接过程的基础分值
式中心K_为数据库中的最大变异系数，^为数据库中的最小变异系数，为数 据库中每次焊接过程的变异系数，为被评价焊接过程的变异系数。
[0011] 进一步地，所述将焊接过程分成等时间段的m段中，每段的时间优选为0.5~Is。
[0012] 进而，本发明还可以采用以下方法对上述得到的基础分值汾进行进一步的修正： 1) 设定焊接过程中出现短路电压的临界电压值为10V，焊接电压信号K(n)从低于临界 电压开始，到再次高于临界电压的时间间隔为短路时间7；设定多30ms的短路时间为长时 短路时间7?; 2) 从离散的焊接电压信号K(n)中找出全部的长时短路时间7?，以式（3)对所述7?进 行修正，得到总的长时短路时间Tb:
式中：L为修正系数，当30彡TX 100时，"尸1 ;当100 < TX 300时，"尸10 ;当 7?> 300 时，//尸50; 3)以总的长时短路时间Tb作为修正值，按照式（4)对基础分值进行修正，得到所述 焊接过程最后的量化评价分值珲：
式中 J1=IOOms, T?2=500ms，T?3=1000ms。
[0013] 焊条电弧焊的焊接过程包括有平焊、横焊、仰焊、立焊四种方式，本发明上述评价 方法同样适用于以上四种方式，但需要对每种焊接方式建立各自的焊接过程评判数据库。
[0014] 本发明上述焊接过程质量评价方法中，所依据的焊接过程评判数据库中的数据并 不是一成不变的，也可以对数据库中的数据进行修正，其具体方法是：当被评价焊接过程的 变异系数于数据库最大变异系数O^max或小于数据库最小变异系数O^ min时，将所述 变异系数OiP入到数据库中，代替数据库的最大变异系数O^max或最小变异系数O^ min，对 数据库进行修正。
[0015] 焊条电弧焊对于操作人员的运条过程有着严格的要求，在操作过程中，一定要保 证稳定可靠的运条，才能形成良好的焊缝。本发明建立的焊条电弧焊焊接过程质量评价方 法通过获取焊接过程中高速变化的焊接电压、焊接电流信息，并对其进行小波变换，得到了 电信号的时频域特征，从而能够获取到操作稳定性特征信号(采用分段低频电压变异系数 实现）以及熔滴过渡控制特征信号(长时短路时间信号)，很好地评价出运条过程的稳定性。
[0016] 本发明基于小波分析的结果，对原始电信号进行分频处理，分别得到了高频信号 ?目息和低频?目号?目息。
[0017] 不同操作位置时，其低频信号特征并不相同，电压区间和分布都存在差异，这可以 作为统计分析(分段低频电压变异系数）的基础，根据低频信号的周期性来判断焊接操作的 稳定性，作为运条操作的判断依据。
[0018] 本发明在得到低频信号后，对低频信息进行处理，根据低频信号的周期性以及信 号波动特点，将原始数据按照小波变换确定的主频分布，识别操作过程中由于运条方式造 成的信号波动的周期特征，进一步采用分段低频电压变异系数来判识过程稳定性。变异系 数越大，操作人员的基本操作能力越差，分段低频电压变异系数反映出了对焊接操作基本 能力的评价。
[0019] 同时也可以看到，不同操作位置时的高频信号也不同，反映出在不同焊接位置下， 熔滴过渡特点不同，短路瞬时时间与电弧重燃时间不同，这可以作为短路时间计算的依据， 根据高频信号的特征来判断对熔滴过渡的控制能力。
[0020] 本发明对高频信号进行处理，根据高频信号特征来判断在熔滴过渡环节操作人员 的控制能力。熔滴过渡的短路时间以及飞溅大小是高频信号判识的关键，采用大电流长时 短路时间作为评判指标，不同的短路时间确定不同的系数，由此得到长时短路时间Tb的 值，用来修正操作评价的分值，反映了操作人员对焊接过程熔滴过渡的控制能力。
[0021] 采用本发明方法得到特征信息的数值后，以分段电压低频信号的变异系数作为基 本评分判据，通过在建立的不同焊接方法评价数据库中分库检索对应参数值，采用对比库 中的标准和相关算法计算得到基础分值。在基础分值上，再考虑操作人员对熔滴过渡的控 制能力，将长时短路时间作为控制指标，判断焊接过程中的非正常过渡情况，修正定量评价 相关分值，由此得到最后的量化评价分值，作为反映操作能力的基本判据。
[0022] 本发明所述方法提出和建立了焊接过程的相关量化评价标准和数据库，对焊接工 人的操作水平进行量化评价，由于其评价标准是建立在焊接电弧的物理性能基础上，