电弧焊接中电阻多阶微分法缩颈检测方法与流程

本发明属于电气工程技术领域，涉及一种电弧缩颈检测技术，尤其涉及一种电弧焊接中电阻多阶微分法缩颈检测方法。

背景技术：

在电弧焊接技术中，为了降低焊接能耗，减小电流的输入，在电弧作用下，熔化电极材料不断熔化，形成熔滴，由于熔滴的不断生长和送丝机构不断推送熔化电极，熔滴和母材接触，熔化电极和母材在熔滴的桥接作用下形成短路，随着能量的不断输入，熔滴开始从熔化电极脱落，在脱落过程中，熔滴与熔化电极的过渡区段的液体金属截面积不断缩小，形成颈缩，并最终脱落。

在缩颈过程中，缩颈区段的截面积不断减小，电阻不断增大，如果保持电流不变，则电能主要在缩颈区段转化成热能，能量局部集中，使液态金属快速气化而形成微电爆炸，在焊接过程中表现为金属飞溅大。为了减小甚至消除飞溅，在缩颈阶段需要把焊接电流降低到液态金属不能发生气化的程度，即需要在缩颈阶段对电流进行控制。要对缩颈阶段进行电流控制，则需要检测缩颈阶段发生的时间点。

对缩颈过程的检测主要以下几种方法：

1、电压差或电压的一阶微分或二阶微分法，由于缩颈过程的实质过程是缩颈区段的截面积不断减小到最后液态金属断裂，能够反映这种变化的最直接的参量是电阻，所以，通过检查电压的变化无法剔除电流变化带来的干扰，检查不可避免地会带来误差。

2、电阻一阶微分法或电阻差方法，虽然这两种方法都能检测到缩颈的发生，但是，缺点也比较明显；在缩颈过程中，从电阻的变化过程来看，先是短路电阻值很低(在几十毫欧数量级)且比较稳定，然后电阻值开始变大，而且变化越来越快，最后电阻值近似垂线上升，当缩颈过程接近尾声的时候，电阻的变化开始变慢，而且变化也越来越慢，直到近似稳定(在几百毫欧数量级)，缩颈过程的经历的时间较短，一般在几百微秒这样的数量级，电阻一阶微分或电阻差，都需要和阈值进行比较，如果阈值取得过大，则检测到的缩颈时刻可能是电阻变化最快的时刻，相当于缩颈过程的时间中间点，这样的时间点对缩颈过程的电流控制没有意义，如果阈值选择的过小，虽然能够较早检测到缩颈过程，但容易受到电阻扰动变化的干扰，使检测的准确性降低，可能存在一个不大不小的最佳阈值，但这个阈值很难确定；同时，在不同的条件下，缩颈过程也不一样，电阻一阶微分或电阻差很难适应不同的缩颈过程检测。

技术实现要素：

为了快速准确检测短路过渡电弧焊接方式中的缩颈过程，本发明提出了电弧焊接中电阻多阶微分法缩颈检测方法，通过电阻对时间的一阶微分、二阶微分和三阶微分的运算，把运算结果转换为逻辑信号，通过逻辑运算得到电阻变化曲线上的弯曲程度局部最大点，从而准确检测出缩颈过程的起点和终点，为缩颈控制提供精准的信号。

为了实现上述目的，本发明的技术解决方案是：

电弧焊接中电阻多阶微分法缩颈检测方法，其特征在于，把短路过渡电弧焊接中电阻曲线上缩颈过程起始区段弯曲程度最大的点作为缩颈过程的起点，把把短路过渡电弧焊接中电阻曲线上缩颈过程结束区段弯曲程度最大的点作为缩颈过程的终点。

优选的，把数值计算转换为逻辑运算，检测出缩颈过程起点和终点的δ区间。

优选的，具体步骤如下：

首先测量电弧电阻；

然后，在短路过渡的电弧焊接过程中，进入缩颈阶段，把缩颈过程起始区段电阻率变化最快的点作为缩颈过程起始的标志；在缩颈过程起始区段电阻曲线上弯曲程度最大点或邻近δ区间内产生一个信号，外部电路或系统接收到这个信号，通过该信号判断缩颈过程的起始时刻；在缩颈过程的结束区段，把电阻变化最快的点作为缩颈过程的结束标志；在缩颈过程结束区段电阻曲线上弯曲程度最大点或邻近δ区间内产生一个信号，外部电路或系统接收到这个信号，通过该信号判断缩颈过程的结束时刻；

最后，通过电路得到电阻的一阶微分、二阶微分和三阶微分，并分别设定一阶微分、二阶微分和三阶微分的阈值；电阻一阶微分值与阈值比较，如果电阻一阶微分值大于阈值，则取逻辑高电平，如果电阻一阶微分值小于阈值，则取逻辑低电平，得到第一逻辑信号；电阻二阶微分值与阈值比较，如果电阻二阶微分值大于阈值，则取逻辑高电平，如果电阻二阶微分值小于阈值，则取逻辑低电平，得到第二逻辑信号；电阻三阶微分值与阈值比较，如果电阻三阶微分值大于阈值，则取逻辑高电平，如果电阻三阶微分值小于阈值，则取逻辑低电平，得到第三逻辑信号。第三逻辑信号先做非运算，再和第一逻辑信号、第二逻辑信号一起做与运算，得到的结果为第四逻辑信号，第四逻辑信号上出现起始标志信号和结束标志信号两个高电平信号，起始标志信号高电平信号对应的为电阻曲线上缩颈过程起始区段弯曲程度最大点的一个δ区间，结束标志信号高电平信号对应的为电阻曲线上缩颈过程结束区段弯曲程度最大点的一个δ区间；第四逻辑信号上的起始标志信号高电平信号和结束标志信号高电平信号为缩颈过程的起始和结束信号，作为外部电路缩颈检测和控制使用。

优选的，测量电弧电阻时，使用电压传感器测量电弧的电压，使用电流传感器测量电弧的电流，电压除以电流得到电弧电阻。

优选的，使用以运算放大器为基础器件的模拟电路构成除法电路对电压电流信号做除法运算得到电弧电阻值。

本发明的优点：

1、使用电弧电阻曲线上缩颈过程起始区段弯曲程度最大的点作为颈缩过程的起点，使用电弧电阻曲线上缩颈过程结束区段弯曲程度最大的点作为颈缩过程的终点，定义唯一确定，能适用各种工况的缩颈过程的检测。

2、使用电阻的多阶微分，能够准确检测出缩颈过程的起点和终点。

通过多阶微分值与阈值比较得到逻辑信号，再进行逻辑运算，把复杂的数值计算转换为简单的逻辑运算，便于电路的实现。

在电弧焊接的短路过渡的缩颈阶段，电阻在不断地变化，可以把电阻当做一个随时间的变化的函数，通过电阻对时间的多阶微分，可以得到电阻曲线上弯曲程度最大的点，缩颈过程中电阻曲线上弯曲程度局部最大点即为缩颈过程的起点和终点，从而完成高精度的缩颈检测。缩颈检测为缩颈过程中的电流控制服务。

附图说明

图1为电弧电阻曲线；

图2为电弧电阻一阶微分曲线；

图3为电弧电阻二阶微分曲线；

图4为电阻三阶微分曲线零点对应电阻一阶微分曲线变化最快点曲线；

图5为各阶微分值与阈值比较后得到的逻辑信号波形；

图中：

101-电阻曲线上缩颈过程起始区段；

102-电阻曲线上缩颈过程结束区段；

201-电阻一阶微分曲线上升最陡区段；

202-电阻一阶微分曲线下降最陡区段；

301-电阻二阶微分曲线局部极大值点，对应电阻一阶微分曲线上升最陡点；

302-电阻二阶微分曲线局部极大值点，对应电阻一阶微分曲线下降最陡点；

401-电阻三阶微分曲线零点，对应电阻一阶微分曲线上升最陡点；

402-电阻三阶微分曲线零点，对应电阻一阶微分曲线下降最陡点；

501-电阻一阶微分值与阈值比较后得到的第一逻辑信号；

502-电阻二阶微分值与阈值比较后得到的第二逻辑信号；

503-电阻三阶微分值与阈值比较后得到的第三逻辑信号；

504-第四逻辑信号；

505-缩颈过程起始标志信号；

506-缩颈过程结束标志信号；

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

首先测量电弧电阻，在电弧焊接过程中，不能直接测量电弧的电阻，但可以测量电弧的电压和流过电弧的电流，所以，电弧电阻的测量通过间接测量的方式进行。使用电压传感器测量电弧的电压，使用电流传感器测量电弧的电流，电压除以电流得到电弧电阻。为了快速运算，使用以运算放大器为基础器件的模拟电路构成除法电路对电压电流信号做除法运算得到电弧电阻值。

如图1所示，通过实验测量表明，在短路过渡的电弧焊接过程中，短路电阻阻值较小，一般为几十毫欧且比较稳定；随着电流能量的持续输入，熔化极材料继续熔化进入熔滴，熔滴继续增大，同时，熔滴的温度升高，粘稠度降低，熔滴开始脱落，进入缩颈阶段；101为缩颈过程的起始区段，在缩颈过程的起始区段，电阻开始缓慢增加，但增加的速度越来越快，电阻越来越大；过了缩颈过程的起始区段后，电阻变化速度很快，但电阻变化率基本稳定；在缩颈过程的起始区段，电阻的变化率在不断改变，而且电阻的变化率的变化是一个由慢到快再由快到慢的过程，所以，在这个过程中，有一个电阻率变化最快的一个点，而这个点也是缩颈过程起始区段电阻曲线上弯曲程度最大点，把这一点作为缩颈过程起始的标志；在缩颈过程起始区段电阻曲线上弯曲程度最大点或邻近δ区间内产生一个信号，外部电路或系统接收到了这个信号，就能准确判断缩颈过程的起始时刻。102为缩颈过程的结束区段，在缩颈过程的结束区段，电阻变化的速度开始变慢，而电阻变化率的变化先变快，后变慢，电阻变化最后趋近于零，保持稳定；所以，在缩颈过程的结束区段，电阻变化率也有一个由慢到快并由快到慢的变化过程，电阻变化率存在一个变化最快的点，这个变化最快的点是缩颈过程结束区段电阻曲线上弯曲程度最大的点，把这一点作为缩颈过程的结束标志；在缩颈过程结束区段电阻曲线上弯曲程度最大点或邻近δ区间内产生一个信号，外部电路或系统接收到了这个信号，就能准确判断缩颈过程的结束时刻。

如图2所示，电阻曲线的一阶微分曲线就是电阻的变化率曲线，从一阶微分曲线上可以看出，201区段所对应的为电阻曲线缩颈过程的起始区段，在201区段内，上升最陡的一点对应电阻曲线上缩颈过程起始区段中弯曲程度最大的一点；同样，202区段所对应的是电阻曲线缩颈过程的结束区段，在202区段内，下降最陡的一点对应电阻曲线上缩颈过程弯曲程度最大的一点。

如图3所示，电阻二阶微分曲线能够把一阶微分曲线上的上升和下降最陡点确定出来。301为电阻二阶微分的一个局部极大值点，这一点正好对应电阻一阶微分曲线上升最陡的一点；302为电阻二阶微分的另一个局部极大值点，此点对应的是电阻一阶微分曲线上下降最陡的一点。

如图4所示，电阻二阶微分曲线的局部极大值点虽然明确，但通过电路来直接捕获这样的点并非易事，因为不同的工况下电阻二阶微分曲线上的局部极大值点可能变化。所以，取电阻三阶微分，电阻二阶微分曲线上的局部极大值点对应的是电阻三阶微分曲线上的零点。401为电阻三阶微分曲线上的零点，对应的是电阻二阶微分曲线上的极大值点301，402为电阻三阶曲线上的另一个零点，对应的是电阻二阶曲线上的极大值点302。判断电阻三阶微分曲线上的零点要比判断电阻二阶微分曲线上的极大值点要容易的多。

如图5所示，通过电路得到电阻的一阶微分、二阶微分和三阶微分(也可以通过对电阻值进行采样，通过数值计算的方式得到电阻的一阶差分、二阶差分和三阶差分)，并分别设定一阶微分、二阶微分和三阶微分的阈值；电阻一阶微分值与阈值比较，如果电阻一阶微分值大于阈值，则取逻辑高电平，如果电阻一阶微分值小于阈值，则取逻辑低电平，得到逻辑信号501；电阻二阶微分值与阈值比较，如果电阻二阶微分值大于阈值，则取逻辑高电平，如果电阻二阶微分值小于阈值，则取逻辑低电平，得到逻辑信号502；电阻三阶微分值与阈值比较，如果电阻三阶微分值大于阈值，则取逻辑高电平，如果电阻三阶微分值小于阈值，则取逻辑低电平，得到逻辑信号503。逻辑信号503先做非运算，再和逻辑信号501、502一起做与运算，得到的结果为逻辑信号504。逻辑信号504上出现505和506两个高电平信号，505高电平信号对应的为电阻曲线上缩颈过程起始区段弯曲程度最大点的一个δ区间，506高电平信号对应的为电阻曲线上缩颈过程结束区段弯曲程度最大点的一个δ区间。所以，逻辑信号504上的505高电平信号和506高电平信号为缩颈过程的起始和结束信号，可以作为外部电路缩颈检测和控制使用。

上述逻辑电平高低的定义和逻辑运算的选取有多种方式，但最终都能得到缩颈过程的起点和终点的一个δ区间，够鲜明地标记出缩颈过程的起点和终点。

多阶微分法缩颈检测技术先对电阻进行一阶微分、二阶微分和三阶微分的运算，再把运算结果生成逻辑信号进行逻辑运算，判断出电阻曲线上弯曲程度局部最大点，而弯曲程度局部最大点即为缩颈过程的起点和终点，从而完成缩颈检测。电阻多阶微分法缩颈检测技术检测出的缩颈过程的起点和终点界定明确，检测精确，能够适应各种缩颈过程的检测，具有自适应的检测能力，能为缩颈控制提供精准的控制信号。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。