CN101275913A

CN101275913A - 基于电弧多谱段光信息传感的mig焊质量监测方法

Info

Publication number: CN101275913A
Application number: CNA2008100544397A
Authority: CN
Inventors: 李志勇; 薛春霞; 宋丽; 刘富强; 任惠民
Original assignee: North University of China
Current assignee: North University of China
Priority date: 2008-01-10
Filing date: 2008-01-10
Publication date: 2008-10-01
Anticipated expiration: 2028-01-10
Also published as: CN100590424C

Abstract

一种基于电弧多谱段光信息传感的MIG焊质量监测方法，是利用焊接电弧光谱信息的变化特点，选取四个特征谱段(230～300nm、370～450nm、570～590nm、800～830nm)，采集焊接过程中的特征谱段电弧光谱信号，转换为电信号，再通过FFT滤波提取特征信号，与设定的数学判据进行比较，以对焊接过程中的干扰因素进行有效判识，实现焊接质量的实时监测。利用本发明的监测方法可以实现对送丝速度变化、弧长变化、气流量变化、焊接速度变化、焊件表面状态、外界气氛干扰、电弧抖动等多种干扰因素及其引起的焊接质量问题的监测。

Description

基于电弧多谱段光信息传感的MIG焊质量监测方法

技术领域

本发明属于熔化极气体保护电弧焊(MIG焊)的过程控制技术，涉及一种MIG焊的质量监测方法。本发明具体是一种基于电弧多谱段光信息传感的MIG焊质量监测方法。

背景技术

随着现代焊接制造技术的发展，焊接机器人等高效化生产手段得到广泛应用，研究者对于自动化所带来的焊接质量检测与控制越来越重视。在线焊接质量检测与控制技术不仅可以降低成本，提高生产效率，而且在许多情况下，大型结构的焊后无损检测是不可行的，所以，在线焊接质量检测技术对于实现优质高效化焊接是至关重要的。

对于焊接质量的检测，研究者过去尝试采用电信号、声信号进行分析，并取得了一些较成功的应用。但是在上述检测过程中，还是存在不少问题：声音信号容易受干扰而受到限制，只是在埋弧焊等光信号无法发挥作用的场合，或声信号具有明显特征的激光、等离子弧中得到应用，而对于MIG焊应用相对较少。电信号在某些条件下获得的信号品质不理想，所以在建立信号与焊接质量之间的关系时，需要较多地依赖后续数学分析，判识准确率受干扰因素种类和分析方法影响较大，且在许多情况下准确率与实时检测(数学分析复杂程度)是一对矛盾，对干扰因素的实时检测困难，难以建立信号特点与焊接过程之间的本质联系。

光谱信号作为一种新型的信号源，信息量较电信号丰富，光谱辐射直接由电弧本身产生，与焊接过程的稳定性存在密切的联系，具有响应速度快，信号不易受其他外界因素(如电、磁、自然光)干扰等特点，所以电弧光谱具有良好的信号品质。这已经在TIG焊弧长测控的精度提高和脉冲MIG焊熔滴过渡方面的应用得到很好地验证。例如，ZL 00131566专利提供了一种脉冲熔化极气体保护焊熔滴过渡的光谱控制法，该方法过程是确定电弧和熔滴的测试截面，利用光谱检测系统选择特征谱线，再由光电转换器将特征光谱信号转换为足够强度的电信号，经模数转换系统处理后，输入微机处理，输出的控制信号再通过PWM控制器调制，输出驱动脉冲信号，驱动逆变电流的IGBT高压开关管，实施切变电流动作，达到一脉一滴的控制目的。

MIG焊作为一种广泛使用的焊接方法，具有节能、高效、方便的特点，焊缝成型好，工艺适应性宽，特别适用于热敏感材料和有色金属的焊接。但在MIG焊的过程中，往往由于干扰因素造成电弧不稳定，从而带来焊接的质量问题。

然而，除了在熔滴过渡控制上的应用外，焊接电弧的光谱信息在MIG焊质量监测上的应用受到了限制，困难主要存在于以下两个方面：

1、特征谱段的选取

MIG焊电弧光谱中，由于金属谱线的辐射强度和数量明显增多，选择合适的测控谱段就相对困难。选择合适的谱段可以有效提高信号的品质，不同干扰因素的有效信号谱段存在差异。

2、干扰因素的判识

焊接过程中，由于熔滴过渡及正常焊接过程中的弧长变化，会造成焊接电弧光谱的波动，外界干扰因素也会造成电弧辐射光谱的波动。同一焊接过程的波动可能是由于熔滴过渡引起的，也可能是由于干扰因素造成的，对干扰因素的有效判识会受到熔滴过渡波动的影响，远比TIG焊复杂。

实际上，如何通过信号提取，对引起焊接不稳定的因素实现有效判识，对于现代自动化焊接生产非常重要。

发明内容

本发明的目的是提供一种MIG焊的质量监测方法，该方法通过选取特征谱段，从选定频段中获取影响焊接质量的干扰因素信息，从而实现对MIG焊质量的监测。

本发明的基于电弧多谱段光信息传感的MIG焊质量监测方法包括：

a)选取特征谱段，在焊接过程中，由光电转换器采集特征谱段的电弧光谱信号，并将其转换为电信号；

b)对选定频段的电弧光谱电信号进行提取，以获取焊接过程信息的特征信号；

c)将获取的特征信号与设定的数学判据进行比较，给出判识结果，实现对焊接质量的有效判识。

MIG焊电弧光谱在紫外区、可见光区、近红外区的辐射特点明显不同，不同的谱段有着各自的分布规律和主要影响元素，图1～图4给出了不同谱段的MIG焊电弧的光谱分布。从图1可以看出，紫外辐射区(230～300nm)以大量Fe II和Fe I谱线为主，如Fe II 274.648、Fe II 274.698等；由图2、图3可见，可见光辐射区(380～780nm)则以Fe I谱线为主，如492.0505、495.76、526.6579、526.9541、537.1493、561.5652、602.4等；图4显示近红外辐射区(800～1000nm)以Ar I谱线为主，同时存在部分Fe I谱线，如Ar I 8115.311、Ar I 9122.967等；在谱线聚集区之间还存在着一些谱线相对较弱的的辐射区间，如570～590nm。不同谱段的光谱辐射变化规律与其主要影响元素的密度、电弧长度、电弧温度等影响因素密切相关，因此，可以通过分析不同谱段光谱辐射的变化规律，实现对MIG焊焊接质量的有效监测。本发明通过分析和比较，选取了230～300nm、370～450nm、570～590nm、800～830nm四个谱段作为光谱辐射的特征谱段。

特征谱段选定后，本发明通过光电转换器传感焊接过程中特征谱段的电弧光谱辐射特征信号，采集四个谱段的光谱辐射积分强度，并将积分强度随焊接时间变化的响应信号传输进计算机，转换成数字信号。

本发明采用的光电转换器为光纤式微型光谱仪。

采集到计算机的多谱段电弧光谱信号中，蕴含着大量的焊接过程信息。在同一焊接过程中，电弧光谱信号存在着很大的波动(图6、7)。焊接过程中的光谱波动可以由不同的因素引起，如不同形式的熔滴过渡过程、正常焊接过程中的弧长波动、不同的外界干扰因素等。这些可能造成光谱波动的因素同时存在于同一焊接过程中，对焊接过程的有效判识造成影响，因此，有必要通过对各种因素的分析，采用有效的方法获取需要的焊接过程信息。

研究表明，上述因素引起的光谱波动在信号频率上存在着差别，表现出信号频段的不同。例如焊接过程中的外部干扰因素通常频率较低，而且只有在频率较低、较长存在时间的情况下才能对焊接过程的稳定性和焊接质量造成明显影响，一般此频段在0.5～1Hz以下；在焊接过程中由于短路、滴状过渡等造成的弧长规律波动引起的光谱波动信号，其频率在2～5Hz之间；焊接过程中由于熔滴过渡本身引起的光谱波动信号则在10Hz以上，为了防止高频干扰因素的影响，一般选取10～40Hz的带通信号来反映。

基于此，本发明采用FFT数字滤波技术，根据要监测的过程特点，选择不同的频段，对选定频段的电弧光谱信号进行提取。通过上述频段滤波，对不同频段的光谱信号进行提取分析后，可以获取相关焊接过程信息的特征信号，实现对焊接质量的有效判识。

具体方法是：对10～40Hz频段的电弧光谱信号进行提取，以获取熔滴过渡稳定性相关的特征信号；对2～5Hz频段的电弧光谱信号进行提取，以获取焊接过程中弧长波动的特征信号；对小于0.5Hz频段的电弧光谱信号进行提取，以获取外界干扰因素的特征信号。

本发明将在一定谱段和频段下正常焊接时产生的电弧光谱电信号以定值的方式存储在计算机中，作为数学判据。将获取的焊接过程特征信号与设定的数学判据进行比较，给出判识结果。如果该焊接过程的特征信号值与数学判据之间的差值超出正常范围，就判定该焊接过程为有质量问题。

对于不同干扰因素引起的质量问题，体现其表征的相应谱段和特征是不同的。例如近红外区谱段对弧长波动、气流量变化、焊道塌陷、焊速变化等干扰因素具有较好的响应，可见光区谱段对于送丝速度变化、弧压变化、熔滴过渡等干扰因素和焊接过程特征具有较好的响应，而紫外区谱段则对爆炸过渡瞬时的特征响应较好。因此，可以根据以上规律，对焊接过程中外界干扰因素的种类、发生时间实现有效的判识，从而对焊接质量进行综合监测和判识。

本发明提出的基于电弧多谱段光信息传感的MIG焊质量监测方法通过分析MIG焊光谱的分布特征和波动特点，选定了监测特征谱段，对选定谱段的信号进行分析，并利用FFT滤波技术从低频段信息中有效获取影响焊接质量的干扰因素信息，进一步优化了信号品质，从而实现了对焊接质量的实时监测。

利用本发明的监测方法，可以实现对如送丝速度变化、弧长变化、气流量变化、焊接速度变化、焊件表面状态、外界气氛干扰、电弧抖动等多种干扰因素引起的焊接质量问题的监测。本发明的监测方法具有信号特征明显、信号品质好、数学方法简单、易于实现实时监测、无介入性、信息量丰富、可依据不同谱段、频段信号特征进行分类判识的优点。

附图说明

图1是200～350nm谱段的MIG焊电弧的光谱分布；

图2是350～650nm谱段的MIG焊电弧的光谱分布；

图3是650～750nm谱段的MIG焊电弧的光谱分布；

图4是750～1000nm谱段的MIG焊电弧的光谱分布；

图5是光谱采集系统示意图；

图6是同一焊接过程中MIG焊电弧的200～650nm光谱分布及波动特点；

图7是同一焊接过程中MIG焊电弧的650～1000nm光谱分布及波动特点；

图8是送丝温度变化时的原始光谱信号及0.5Hz低通FFT滤波信号；

图9是焊接电压变化时的原始光谱信号及0.5Hz低通FFT滤波信号；

图10是侧吹风时的原始光谱信号及0.5Hz低通FFT滤波信号；

图11是气流量降低时的原始光谱信号及0.5Hz低通FFT滤波信号；

图12是焊速变化时的原始光谱信号及2～5Hz带通FFT滤波信号；

图13是侧吹风时的原始光谱信号及10～40Hz带通FFT滤波信号；

图14是焊道变宽缺陷对应的特征谱段光谱信号；

图15是焊道表面气孔对应的特征谱段光谱信号；

图16是焊道存在高度变化时对应的特征谱段光谱信号。

注：图8～图16的光谱信号曲线图中，F1、F2、F3、F4分别代表230～300nm、370～450nm、570～590nm、800～830nm的特征谱段。

具体实施方式

实施例1

典型的基于电弧多谱段光信息传感的MIG焊质量监测方法如图5所示，焊接电源为NB-500气保焊机，采用平特性匹配等速送丝实现MIG焊接，焊接过程小车自动行走，纯氩保护，焊丝为H08Mn2Si。

采用一个“Y”字形的光纤探头，以固定的角度和距离采集焊接过程中电弧发出的光谱辐射信息，并将辐射信息传输进光谱仪，光谱仪通过光栅色散，对230～300nm、370～450nm、570～590nm、800～830nm四个特征谱段光谱信号的辐射积分强度进行采集，得到焊接过程中光谱辐射强度随时间变化的信号，并通过CCD实现光电转换后，将采集到的光谱数字信号通过高速USB2接口传输到计算机中，通过软件系统将采集到的多谱段光谱信号显示出来。

采集到的原始多谱段光谱信号进一步经过FFT软件滤波，得到其在三个关键频段(0.5Hz低通滤波频段、2～5Hz带通滤波频段和10～40Hz带通滤波频段)的光谱信息，其中0.5Hz低通滤波信号是进行外部干扰因素和焊接质量的主要监测频段，其余两个频段作为补充信息频段。

对于提取到的不同频段光谱信息，将其与正常焊接过程的光谱信号值(相应数学判据)进行对比，如果特征信号值在允许的范围之外，就可以判定焊接过程不正常，存在焊接质量问题。对于不同的干扰因素，其特征信号的存在谱段是不同的，可以据此进行分类判识，给出判识结果。

实施例2

在图8的焊接过程中，由于外界干扰，送丝速度由正常值-增大-回到正常值，在0.5Hz低通滤波的光谱信号中，从不同谱段的中段都可以看到由于送丝速度增加出现的明显辐射降低，随后送丝速度恢复正常后，辐射又回到初始值。F2、F3谱段的信噪最好，将其在F2谱段的信号与此条件下的标准辐射值(15000Counts)对比，可以准确检测到在10～25s段出现的外部干扰信号。

实施例3

图9的焊接过程中，焊接电压在外界干扰下发生变化，发生两次弧压下降(32～28V，28～26V)，其对应0.5Hz低通滤波光谱信号的变化，信噪比最好的谱段是F2和F3，两次电压下降可以分别在14s和24s找到对应的信号特征；将F2谱段的辐射强度值与标准辐射值(15000Counts)对比，可以准确检测到在14s和24s出现的干扰信号。

实施例4

图10为外界侧吹风干扰时的光谱信号，焊接过程中出现两次短时侧吹风干扰，由于侧吹风造成瞬时Ar气氛的破坏，从0.5Hz低通滤波的光谱信号中可以看到，在F4谱段，4.8s和13.2s出现两次明显的“凹陷”信号，而在其它谱段上基本没有反映。将F4谱段的辐射信号与此条件下的标准辐射值(250～300Counts)对比，可以将干扰信号准确检出。此干扰因素的特征谱段为F4，与图8、图9不同，可以据此进行分类判识。

实施例5

图11为外界干扰因素引起气流量减小时，光谱信号的变化图。两次气流量的变化，第一次由16L/min波动减少到10L/min，第二次由10L/min短时减少到5L/min。从0.5Hz低通滤波的光谱信号中，可以看到在F4谱段(3s处)出现了辐射波动下降，对应第一次气流量变化；16s处发生第二次辐射降低，对应第二次气流量变化。将辐射值与标准辐射值(250～300Counts)对比，可以将干扰信号准确检出。

实施例6

对于焊接过程，监测外部干扰因素非常重要，但有时需要得到更多的焊接过程信息，以更好地对焊接质量进行控制。图12给出的是焊接过程中由于焊接速度变化时，其在2～5Hz的光谱信号。通过图12可以看出，在焊接过程正常和其他参数不变的情况下，焊速变化虽然没有带来明显的干扰信息和焊接质量问题，但其带来的弧长的波动增加可以在对应谱段上明显看出。将其辐射值的标准差作为判识依据。

实施例7

图13给出了侧吹风干扰时，在10～40Hz频段的滤波信号。此频段的信号与熔滴过渡方式和飞溅大小密切相关，从图13可看出，侧吹风干扰引起了电弧和熔滴过渡的不稳定，在F2、F3、F4谱段产生明显的特征信号，10～40Hz滤波后的信号品质更好。频段的信号幅值被用来对焊接过程的飞溅大小和稳定性进行补充判识。

上述实施例2到实施例7主要针对干扰因素和焊接过程状态对本发明的监测方法给予了说明，下面在实施例8到实施例10中，将进一步结合焊接质量本身，对本发明的监测方法给以实证。

实施例8

图14为焊接过程中，由于外界因素干扰，造成电流瞬时增加，在焊道中存在一个明显的焊道变宽所带来的焊接质量问题。通过本发明的检测方法，可以在0.5Hz低通滤波的光谱信号中看到存在一个明显的辐射增强区，其在F4和F3的特征信号最明显，将F4谱段与其在此条件下的标准辐射值(8000Counts)对比，可以将缺陷准确检出。

实施例9

图15的焊接过程中，在焊道上存在一个焊接表面气孔缺陷区，通过光谱信号可以看出，在对应的缺陷段，F3谱段滤波后的光谱信号存在尖峰，出现了明显异于正常焊接过程的强辐射，通过其与正常辐射值的对比，可以将其明显检出。上述缺陷是在没有明显外界干扰因素下，由焊件表面状态引起的焊接质量问题，由于其与熔滴过渡的稳定性密切相关，所以通过10～40Hz带通滤波信号检出。

实施例10

图16是在焊道中部加垫板情况下，引起焊接质量问题的判识。焊接电弧进入垫板区间时，弧长减小，移出垫板区间后，弧长增加。在0.5Hz低通滤波的光谱信号中，F4谱段可以观察到进入垫板区间时(3～4s时)，辐射强度逐渐下降；由于垫板较薄，在12～14s区段，随着焊接过程进行，发生焊道的塌陷(见焊道照片图)，辐射明显减少，移出垫板区间后，辐射再次增强；将辐射值与标准辐射值(300Counts)对比，可以将缺陷准确检出。

Claims

1. 基于电弧多谱段光信息传感的MIG焊质量监测方法，该方法包括：

2. 根据权利要求1所述的基于电弧多谱段光信息传感的MIG焊质量监测方法，其特征是选取230～300nm、370～450nm、570～590nm、800～830nm四个谱段作为特征谱段。

3. 根据权利要求1所述的基于电弧多谱段光信息传感的MIG焊质量监测方法，其特征是采用光纤式微型光谱仪实现光电转换。

4. 根据权利要求1所述的基于电弧多谱段光信息传感的MIG焊质量监测方法，其特征是通过FFT数字滤波对选定频段的电弧光谱信号进行提取。

5. 根据权利要求1所述的基于电弧多谱段光信息传感的MIG焊质量监测方法，其特征是对10～40Hz频段的电弧光谱电信号进行提取，以获取熔滴过渡的特征信号。

6. 根据权利要求1所述的基于电弧多谱段光信息传感的MIG焊质量监测方法，其特征是对2～5Hz频段的电弧光谱电信号进行提取，以获取焊接干扰因素的特征信号。

7. 根据权利要求1所述的基于电弧多谱段光信息传感的MIG焊质量监测方法，其特征是对小于0.5Hz频段的电弧光谱电信号进行提取，以获取外界干扰因素的特征信号。

8. 根据权利要求1所述的基于电弧多谱段光信息传感的MIG焊质量监测方法，其特征是一定谱段和频段下的数学判据为定值。