二氧化碳气体保护焊电量信号的采集与分析

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引　言 : {# T5 h. ?: U

  　焊接电弧包含着丰富的电、光、声音等信息，能够反映电弧焊各种电弧物理过程。如何利用现代传感技术将这些信息提取出来，是研究焊接过程的关键所在。国内外焊接界的专家开发了各种各样的传感器，有机械、电弧、声音和视觉等类型。机械式传感器使用不够灵活，适应面窄，目前较少采用。而电弧和视觉传感器各具特色，国内外研究较多。电弧传感器以电弧自身电流和电压作为信号源，成本低廉， 可达性好，因而在焊接过程质量监测与焊缝自动跟踪中得以普遍采用〔1， 2， 5〕。

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　　本文以ADL IN K 公司的PC I29112 多通道数据采集卡为核心， 通过V isual C+ + 6。 0 编制程序在PC 机上开发了一套电量信号采集系统， 并且对CO 2 气体保护短路焊过程的稳定性进行了分析， 并为研究焊接过程质量监测奠定了基础。

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  　1　硬件构成

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  　信号采集系统如图1 所示。 该系统由焊接电源、焊接小车、PC机、传感器、滤波器和数据采集卡组成。 焊接电源采用硅整流弧焊机。

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 　焊接电流电压信号分别通过绵阳维博公司的WB1221F 型霍尔电流传感器与WBV 121S 型线性隔离分压器变换为0～5 V之间的电压信号，滤波后送到信号采集卡的输入端。电流传感器的精度等级为0.5 级（相对满量程输出的误差在±0.5% 以内），响应时间短（15 Ls）；电压传感器精度等级为0。 2 级， 响应时间为5 Ls，且输入阻抗高， 功耗低（400mW ）。它们共同特点是线性范围宽（为：0～120% 标称输入），过载能力强， 高隔离， 低功耗，测量时不影响焊接回路参数。 因为电流传感器是利用电磁感应和霍尔效应原理， 它的输入端与输出端分别属于不同的回路， 而电压传感是利用先进的线性光藕隔离， 所以它们均有效地隔绝了焊机强电系统与微机弱电系统之间的直接连接，从而保护了微机， 同时对信号采集具有一定的抗干扰作用。 滤波器为有源低通滤波器，通带截止频率fc 设计为500 Hz。信号采集卡是ADL IN K 公司的PC I29112 多通道数据采集卡，该卡的特点是：16 路单端输入或8路差分输入，A öD 转换时间为8 Ls，12 位输入模拟信号分辨率，精度为0. 01%，若只采集两路信号，该卡可以保证以最高每路55 kHz 的频率精确地采集信号，根据香农采样定理，采样频率应大于连续信号频率的2倍，同时根据经验，本文两通道的采样频率均定为4 kHz (fc×8)；32 位PC I 总线，自带总线控制器AMCC2S5933与8个字的F IFO (F irst In F irst O u t ) 缓存, 当它工作在DMA (D irect M emo ry A ccess) 方式时，可以不占用CPU 时间而把数据以极快的速度送到内存缓冲区。且该卡的驱动程序是以DLL (Dynam ic L ink L ib rary) 方式提供的, 从而方便了可视化编程。

图1　信号采集系统原理图

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  　2　软件设计

  　因为高速数据采集时一般采用连续采集方式, 驱动程序将采集到的数据依次转移到用户缓冲区中.当用户缓冲区占满之后,驱动程序将覆盖原来的缓冲区数据, 所以, 如果原来的缓冲区数据没有来得及保存, 将会丢失. 本文通过Windows XP系统的多线程技术, 并结合缓冲区半满开始传送数据的数据传送方式, 通过VisualC+ + 6.0 编程解决了这个问题(3.4). 具体的编程思想如下所述.PCI9112 卡要求在内存中开辟一个内核缓冲区与一个用户缓冲区, 前者用来保存从FIFO中传送的数据, 这是由采集卡的驱动程序完成的, 后者用来转移保存内核缓冲区的数据. 本文在界面主线程中启用了两个辅线程: 数据采集辅线程, 数据存盘辅线程. 数据采集辅线程负责把被采集卡转换信号输送到内核缓冲区, 数据存盘辅线程负责当用户内存缓冲区充满时, 将数据以文件的形式保存到硬盘. 数据采集过程是这样的: 数据从采集卡的AöD转换器保存到采集卡的FIFO中, 只有当FIFO半满时, 采集卡才启动DMA方式将数据送到内存缓冲区, 同时,AöD转换器中的数据会继续往FIFO 的后半部分传送; 当内核缓冲区的前一半满数据时, 就将数据转移到用户缓冲区, 当用户缓冲区充满时, 就启动数据存盘辅线程. 这两个线程可以并行运行, 即计算机能同时处理数据采集和数据保存. 显然, 在程序中, 用户缓冲区的大小是内核缓冲区的一半, 之所以这样做是因为一方面要保证数据连续采集和保存的需要, 另一方面, 如果用户缓冲区开得太大, 数据存盘线程与数据采集线程在Host 总线上出现拥挤的现象, 造成数据丢失. 在程序中通过设置由VisualC+ + 6 0 提供的CTime::GetCu rrentTime () 函数记录了采样

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开始时间T_start 与结束时间T_stop.
T_samp le= T_stop - T_start 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 　(1)
Size= T_samp le×8000×2÷1024 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　(2)

  　经式(1)计算出采样时间, 再经式(2)计算出数据量(单位为kB, 每个数据以两个字节存放) , 将此数与硬盘上所保存的数据文件大小比较, 多次采样结果表明, 理论计算值与实际数据文件大小是吻合的.软件设计过程如图2 所示:
  　将本文所研制的信号采集系统与示波器同时采集的焊接电信号作对比, 验证了它的可靠性. 该信号采集系统不仅能在线显示电流电压信号, 而且能在焊后进行波形回放. 如图3 是正常焊接条件下实验后的电流电压数据曲线回放, 横坐标是时间轴, 纵坐标是电流电压幅度轴, 点击“Former”和“Latter”钮可以分别向前和向后连续查看各时间段的信号波形, 一屏有140m s 的数据。

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图2　信号采集系统软件设计流程图

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  　3　焊接过程稳定性分析

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  　本文将信号采集系统用于对CO2气体保护焊焊接过程稳定性与干扰因素的关系的研究. CO2气体保护焊工艺实验条件如下: 短路过渡, 保护气体为100% CO2,流量为10Lömin.试件为6mm 厚的低碳钢板,焊丝直径1.2 mm,送丝速度为5.3cmös, 焊接电压20V,焊接电流150A,焊接速度30cm ömin,焊嘴至工件距离为10mm,平板堆焊.除了正常工艺参数下的焊接信息外, 还人为引入两种干扰因素,分别是: ①试板上有油污; ②试板上等间距开孔.
  　图4 是试板上有油污的情况下, 焊接过程中140ms的一段电流电压曲线. 比较图3 与图4 可以看出: 在正常情况下, 电流电压信号规则, 短路峰值电流基本稳定在250A , 且燃弧电流下降柔顺, 基值电流基本稳定在80A , 熔滴过渡稳定; 试板上有油污的情况下, 短路峰值电流最大能到400A,电压最低值为0V, 短路后, 电流直线下降到0A , 燃弧不成功, 电压表现为硅整流焊机空载输出的纹波电压, 说明并非发生真实熔滴短路过渡, 而是焊丝直接与熔池接触发生爆断.

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图3　正常情况下的电流电压信号

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图4　有油污焊接情况下的电流电压信号

  　虽然通过以上波形可以分析出焊接过程中瞬间的稳定性, 但是为了更加准确地了解焊接过程的参数变化与焊接过程稳定性的联系, 需对电流电压信号进行统计分析处理得出电流电压概率密度分布(PDD) 与熔滴过渡短路时间的频数分布(CFD)(5.6)图5 是从所采集的数据中任意挑选的1 秒的数据(电流电压各4000个) 进行统计分析得出的概率密度分布曲线.
  　其中曲线1 代表正常工艺条件下的焊接; 曲线2 代表试板上有油污情况下的焊接; 曲线3 代表试板上有孔的情况下的焊接. 从图5 可以看出在有油污的非正常情况下, 电流电压概率密度分布与熔滴过渡短路时间频数分布明显呈现出不同的特征: 正常情况下三种分布的参数都比较集中,而在油污情况下,参数都相对分散, 多次出现电流过小与峰值电流过高的情况(电流为0 的概率密度达到0.15, 且在400～500A 区也频繁出现),在文献〔6〕中指出, 当电流过小, 在0≤I≤10A 区段的概率越大时, 焊接过程越不稳定, 短路峰值电流I≥400A 时, 焊接过程飞溅越大, 焊缝成形越差. 从短路时间的频数分布曲线可以看出, 在有油污的情况下, 熔滴过渡时间很不规则, 出现较多熔滴过渡时间过短与过长的现象.

  　而实际焊接要求在燃弧阶段, 熔滴与母材吸收充足的能量, 以保证熔滴过渡与焊缝成形,因此燃弧电流下降要缓慢, 而短路开始电流要小, 以使熔滴从与熔池接触到铺展过程顺利, 然后电流迅速上升形成液体颈缩,在颈缩断开前的短路峰值电流要小,以减少飞溅(7).在本次实验中, 经大量数据统计对比分析显示: 短路时间在1.5～ 5ms 区间概率越大, 焊接过程越稳定. 有油污的情况下电流过小占相当比例, 说明多次出现断弧现象. 从电压概率密度分布上看: 有油污时, 燃弧电压(左边峰区域) 与短路电压(右边峰区域) 都比正常的高, 弧长拉长, 容易造成飞溅严重, 不利于熔滴的平稳过渡.

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图5　电流电压PDD 曲线与熔滴过渡短路时间的频数分布比较曲线

  　由图5 还可以看出, 在试板上有孔情况下, 平均电压统计结果比正常情况的大(经计算, 普遍大0.2～0.4V) , 这是焊缝上有孔时, 弧长拉长造成的; 而平均电流统计结果比正常焊接条件下的小(经计算,普遍小5～10A) , 这是焊机缓下降外特性曲线与电弧静特性曲线的交点左移形成的(7).短路时间频数曲线表明: 在试板上有孔的情况下, 熔滴过渡时间明显比正常焊接条件下的长

  　4　结　论

  　4. 1　本文在PC 机上用VisualC+ + 6.0所开发的信号采集系统能真实, 完整地采集到CO 2气体保护短路焊过程的电量信号.
  　4. 2　对所采集的信号通过波形分析, 可以判断焊接过程瞬间的稳定性.
  　4. 3　对所采集电量信号统计分析可作为研究焊接过程稳定性的一种手段.