CN103357987A - Co2电弧焊短路过渡焊接过程的稳定性自动检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种CO₂电弧焊短路过渡焊接过程的稳定性自动检测方法，包括以下步骤：采集一个CO₂电弧焊短路过渡焊接过程的电弧电压值和焊接电流量值，并存储为一个信号样本；对信号样本中每一个信号点的电压值进行周期阶段的判断；统计信号样本中的短路时间，通过切分5～10000个小区间计算得到短路时间频数分布值；设定3～1000个频数分布累计值，并检测满足每一个频数分布累计值的时间范围；求取正态分布标准差，继而求出正态概率密度函数的峰值的平均值，作为CO₂电弧焊短路过渡焊接过程的稳定性指标，并在稳定性指标低于稳定性阈值时发出警报信号。本发明的稳定性检测方法具有客观化、定量化的特点，只需采用结构简单的测试平台即可实现，实用性强。

Description

CO2电弧焊短路过渡焊接过程的稳定性自动检测方法

技术领域

本发明涉及一种CO₂电弧焊的自动检测方法，尤其是一种CO₂电弧焊短路过渡焊接过程的稳定性自动检测方法，属于CO₂电弧焊检测领域。

背景技术

长期以来，CO₂电弧焊的稳定性，由有经验的焊工根据弧光、电弧声、飞溅等因素综合做出评价。这种方法具有很大的个人主观成分，并且判定速度慢，并未获得推广。

近年来，国内外众多专家学者尝试从电压、电流信号着手，研究CO₂电弧焊的稳定性评价方法。如2000年，周开庆等应用程序设计语言Visual C++研究开发了一个弧焊机和电弧参数测试系统，该系统除了能提供电压、电流波形以外，还能提供电压、电流的概率密度分布图、焊机外特性曲线拟合图等。又如2003年，张勇等研究实现的基于LabView虚拟仪器的二氧化碳焊接参数采集分析系统，该系统能自动识别燃弧开始点和短路开始点，并能进一步计算所得的短路时间、燃弧时间、短路过渡频率等参数；运用所得数据的概率分布图及平均值、标准差等统计量来预测焊接过程质量。

现有大部分方法实现了CO₂电弧焊过程电压电流信号的采集及基本的数学分析，并以直方图的方式显示了电压概率密度分布、电流概率密度分布、短路时间频数分布的情况。实践表明，从上述分布图，可直观地观察到CO₂电弧焊过程的稳定性程度。以短路时间频数分布图为例，短路时间频数越是呈现集中的单峰分布，CO₂电弧焊过程的稳定性越高。由此可见，对概率密度或频数分布图的分析，是CO₂电弧焊稳定性评价的重要手段。这类方法虽然停留于定性分析，但因其实用性获得了推广。

电弧焊过程定量化分析方法，是研究的趋势。2004年，武传松等将熔化极气体保护焊电压电流概率密度分布和时间频数分布数值信息进行进一步的处理，用其平均值、方差和标准方差等统计参数，构成12维向量。综合神经网络和模糊技术的优点，建立了模糊神经网络系统，对8种工艺条件下24个GMAW焊接试验的识别成功率达到了100％。不过，该方法从分布图中所得的特征向量的维度过高，未能定量化为单一的评价值，当与其他特征值联用时，容易把其他特征值淹没。

2007年，simpson应用主成分分析统计方法对焊接信号图像进行特征化，以实现电弧焊质量监控和缺陷检测。焊接信号图像是电压电流数据的二维直方图。该方法收集焊缝质量好的焊接信号图像组成唯一的参考集，偏离参考集的图像都能被分辨出来。然而，对于一些与参考集不同却也得到好焊缝的焊接信号图像，无可避免地被误判为缺陷类别。因此，2008年，simpson把10种脉冲焊角焊缝的缺陷信号图像加入数据库中，并人工标记缺陷类别，从而实缺陷检测。结果表明：该分类技术合理地推导出待检缺陷的类别。不过，该方法未能处理复合的缺陷。同年，simpson还提出基于信号图像的熔化极气体保护焊的稳定性指标。结果表明：短路过渡、喷射过渡的稳定性指标与焊接经验一致。文中以插图说明了焊接材料、焊丝及保护气体的变更对该指标的影响，探讨了该指标与金属过渡现象之间的联系。然而，该方法实质上是在信号图像中，求取相隔某个时间间隔的前后两个信号矢量的夹角正弦值的幂，从而形成一个序列而非单一量值。文中在需要单一指标时取该序列的均值，这种处理方式值得商榷，而且，采用不同的时间间隔，可能会得到截然不同的结果。但是未见很好的时间间隔测算方法。

2010年，石玗等针对铝合金脉冲MIG焊过程稳定性评估问题，提出了基于电弧电压信号概率密度的分析方法。利用焊接过程电弧电压信号概率密度分布中的第一个峰值与第二个峰值的比值作为评价铝合金脉冲MIG焊过程稳定性的指标。80组焊接试验结果表明电压概率密度分布中两个峰值的比值越小，焊接过程越稳定；反之越不稳定。然而，该方法基于有限的试验，缺乏合理的理论解释支撑，其科学性有待进一步的验证。并且，该方法是铝合金脉冲MIG焊过程稳定性评价方法。

发明内容

本发明的目的是为了解决上述现有技术的缺陷，提供一种CO₂电弧焊短路过渡焊接过程的稳定性自动检测方法，该方法可以对CO₂电弧焊短路过渡焊接过程的稳定性进行检测，并在稳定性低于一般水平时发出警报信号。

本发明的目的可以通过采取如下技术方案达到：

CO₂电弧焊短路过渡焊接过程的稳定性自动检测方法，采用以工控机和弧焊过程检测仪为主体的测试平台，所述弧焊过程检测仪包括电压传感器和电流传感器，其特征在于包括以下步骤：

1)通过电压传感器和电流传感器采集一个CO₂电弧焊短路过渡焊接过程的电弧电压信号和焊接电流信号，信号经过滤波后输入数据采集卡，在工控机中输出，获取电弧电压值和焊接电流量值，并存储为一个信号样本；

2)对信号样本中第一个信号点的电压值进行判断，若大于燃弧短路电压分界值，标记为燃弧阶段；否则，标记为短路阶段；

3)顺序对信号样本中的第二个信号点以及第二个信号点以后的每一个信号点电压值进行判断，若大于燃弧电压阈值，标记为燃弧阶段，若小于短路电压阈值，标记为短路阶段；否则，即大于或等于短路电压阈值且小于或等于燃弧电压阈值时，继承前一个信号点的阶段标记；

4)统计信号样本中所标记的每一个短路阶段所占的时间长度，作为一个短路时间；

5)取所有短路时间中的最小值与最大值，将最小值至最大值的范围切分成5～10000个小区间，依次编号，累计落入每个小区间内的短路时间个数，把每个小区间的短路时间个数除以短路时间总个数，得到短路时间频数分布值；

6)从短路时间大于瞬时短路阈值的第一个小区间开始，沿短路时间由小到大的方向探寻短路时间频数分布最大值，记下其所处区间的序号；

7)设定3～1000个频数分布累计值p，将设定的频数分布累计值p读入；

8)对读入的每一个频数分布累计值p，以短路时间频数分布最大值所处小区间为中心，两向同时逐步扩展所覆盖的时间范围，直到此范围内频数分布值之和大于或等于频数分布累计值p时，停止扩展，记下所覆盖的小区间个数，换算为时间范围w；

9)以正态概率密度函数拟合频数分布累计值p和时间范围w，求取正态分布标准差σ；

10)令函数

的x＝μ，根据正态分布标准差σ求出正态概率密度函数的峰值h，如下：

$h=\frac{1}{\sqrt{2\mathrm{\π}}\mathrm{\σ}}$

其中，x为未知变量，μ表示短路时间频数分布最大值所在位置对应的时间值；

11)判断是否处理完所有的频数分布累计值p？若是转向步骤12)；否则，转向步骤8)；

12)求全部正态概率密度函数的峰值h的平均值，将该平均值作为稳定性指标；

13)若稳定性指标小于稳定性阈值，则通过工控机发出警报信号。

作为一种优选方案，步骤9)所述正态分布标准差σ的求取具体如下：

9.1)以短路时间频数分布最大值为中心，在时间范围w内，概率等于p，有以下方程：

${\∫}_{-\frac{w}{2}+\mathrm{\μ}}^{\frac{w}{2}+\mathrm{\μ}}\frac{1}{\sqrt{2\mathrm{\π}}\mathrm{\σ}}{e}^{-\frac{{(x-\mathrm{\μ})}^2}{2{\mathrm{\σ}}^2}}\mathrm{dx}=p---\left(1\right)$

9.2)通过平移变换，消去μ：

${\∫}_{-\frac{w}{2}}^{\frac{w}{2}}\frac{1}{\sqrt{2\mathrm{\π}}\mathrm{\σ}}{e}^{-\frac{x^2}{2{\mathrm{\σ}}^2}}\mathrm{dx}=p---\left(2\right)$

9.3)根据该函数的对称性，方程可等价为：

${\∫}_{-\∞}^{\frac{w}{2}}\frac{1}{\sqrt{2\mathrm{\π}}\mathrm{\σ}}{e}^{-\frac{x^2}{2{\mathrm{\σ}}^2}}\mathrm{dx}=0.5+\frac{p}{2}---\left(3\right)$

9.4)令y＝x/σ，通过代换可得：

${\∫}_{-\∞}^{\frac{w}{2\mathrm{\σ}}}\frac{1}{\sqrt{2\mathrm{\π}}}{e}^{-\frac{y^2}{2}}\mathrm{dy}=0.5+\frac{p}{2}---\left(4\right)$

9.5)对函数

$f\left(c\right)={\∫}_{-\∞}^c\frac{1}{\sqrt{2\mathrm{\π}}}{e}^{-\frac{y^2}{2}}\mathrm{dy}---\left(5\right)$

建立自变量c与函数值f(c)的对应表格；

9.6)根据式(4)变换得到的f(c)＝0.5+p/2，在自变量c与函数值f(c)的对应表格中查找c的值，继而求得正态分布标准差σ＝w/(2c)；

作为一种优选方案，步骤13)所述稳定性阈值的求解过程如下：

13.1)根据焊接过程的现场表现因素，采集至少3个稳定性评定为中等的CO₂电弧焊短路过渡焊接过程的电压电流信号样本；

13.2)通过步骤1)～步骤12)，求出每一个样本的稳定性指标；

13.3)求取所有样本的稳定性指标的中值，作为稳定性阈值。

作为一种优选方案，所述焊接过程的现场表现因素包括弧光闪烁变化程度、电弧声柔和程度、飞溅大小和焊缝光洁程度。

作为一种优选方案，步骤13.3)所计算的稳定性阈值范围是0.1～0.8。

作为一种优选方案，步骤2)所述燃弧短路电压分界值为5～25V。

作为一种优选方案，步骤3)所述燃弧电压阈值设定为燃弧短路电压分界值加上0.001～10V，所述短路电压阈值设定为燃弧短路电压分界值减去0.001～10V。

作为一种优选方案，步骤6)所述瞬时短路阈值范围是0.5～3ms。

作为一种优选方案，步骤1)所述电压传感器为分压器，所述电流传感器为霍尔电流传感器，所采用的滤波器为低通滤波器。

作为一种优选方案，所述测试平台还包括焊丝输送机构、行走小车及导轨和示波器。

本发明相对于现有技术具有如下的有益效果：

1、本发明的稳定性检测方法可以通过采集CO₂电弧焊短路过渡焊接过程的电压电流信号，对每一个信号点的电压值进行周期阶段的判断，继而检测出CO₂电弧焊短路过渡焊接过程的稳定性指标，并在稳定性指标低于稳定性阈值时发出警报信号。

2、本发明的稳定性检测方法具有客观化、定量化的特点，只需采用结构简单的测试平台即可实现，其实用性强，适用于CO₂电弧焊短路过渡焊接过程的稳定性检测。

附图说明

图1为本发明实施例1的稳定性检测方法流程示意图。

图2为本发明实施例1的稳定性检测方法的电压波形图。

图3为本发明实施例1的稳定性检测方法的电流波形图。

图4为本发明实施例1的稳定性检测方法的短路时间频数分布图。

具体实施方式

实施例1：

本实施例的CO₂电弧焊短路过渡焊接过程的稳定性自动检测方法，采用测试平台包括工控机、弧焊过程检测仪、焊丝输送机构、行走小车及导轨和示波器，所述弧焊过程检测仪包括电压传感器和电流传感器，采用的电压传感器为分压器，采用的电流传感器为霍尔电流传感器。测试时，焊接设备采用试件为Q235钢板的平板堆焊焊接方式，焊速为400mm/min，CO₂气体流量为16L/min，焊丝直径为1.2mm，焊丝伸出长为12mm。

如图1所示，本实施例的CO₂电弧焊短路过渡焊接过程的稳定性自动检测方法，包括以下步骤：

1)通过分压器和霍尔电流传感器采集一个CO₂电弧焊短路过渡焊接过程的电弧电压信号和焊接电流信号，信号经过低通滤波器滤波后输入数据采集卡PCL1800，在工控机中输出，获取电弧电压值和焊接电流量值，并存储为一个信号样本，通过示波器显示的电压波形和电流波形分别如图2和图3所示；

2)对信号样本中第一个信号点的电压值进行判断，若大于15V的燃弧短路电压分界值，标记为燃弧阶段；否则，标记为短路阶段；

3)顺序对信号样本中的第二个信号点以及第二个信号点以后的每一个信号点电压值进行判断，若大于16V的燃弧电压阈值，标记为燃弧阶段，若小于14V的短路电压阈值，标记为短路阶段；否则，即大于或等于14V的短路电压阈值且小于或等于16V的燃弧电压阈值时，继承前一个信号点的阶段标记；

4)统计信号样本中所标记的每一个短路阶段所占的时间长度，作为一个短路时间；

5)取所有短路时间中的最小值与最大值，将最小值至最大值的范围切分成100个小区间，依次编号，累计落入每个小区间内的短路时间个数，把每个小区间的短路时间个数除以短路时间总个数，得到短路时间频数分布值，分布值的图表如图4所示；

6)从短路时间大于1ms的瞬时短路阈值的第一个小区间开始，沿短路时间由小到大的方向探寻短路时间频数分布最大值，记下其所处区间的序号；

7)设定11个频数分布累计值p，分别为5％，7％，9％，11％，13％，15％，17％，19％、21％、23％和25％，将所设定的11个频数分布累计值p读入；

8)对读入的每一个频数分布累计值p，以短路时间频数分布最大值所处小区间为中心，两向同时逐步扩展所覆盖的时间范围，直到此范围内频数分布值之和大于或等于频数分布累计值p时，停止扩展，记下所覆盖的小区间个数，换算为时间范围w；

9)以正态概率密度函数拟合频数分布累计值p和时间范围w，求取正态分布标准差σ，具体如下：

9.1)以短路时间频数分布最大值为中心，在时间范围w内，概率等于p，有以下方程：

${\∫}_{-\frac{w}{2}+\mathrm{\μ}}^{\frac{w}{2}+\mathrm{\μ}}\frac{1}{\sqrt{2\mathrm{\π}}\mathrm{\σ}}{e}^{-\frac{{(x-\mathrm{\μ})}^2}{2{\mathrm{\σ}}^2}}\mathrm{dx}=p---\left(1\right)$

式(1)中，其中，x为未知变量，μ表示短路时间频数分布最大值所在位置对应的时间值；

9.2)通过平移变换，消去μ：

${\∫}_{-\frac{w}{2}}^{\frac{w}{2}}\frac{1}{\sqrt{2\mathrm{\π}}\mathrm{\σ}}{e}^{-\frac{x^2}{2{\mathrm{\σ}}^2}}\mathrm{dx}=p---\left(2\right)$

9.3)根据该函数的对称性，方程可等价为：

${\∫}_{-\∞}^{\frac{w}{2}}\frac{1}{\sqrt{2\mathrm{\π}}\mathrm{\σ}}{e}^{-\frac{x^2}{2{\mathrm{\σ}}^2}}\mathrm{dx}=0.5+\frac{p}{2}---\left(3\right)$

9.4)令y＝x/σ，通过代换可得：

${\∫}_{-\∞}^{\frac{w}{2\mathrm{\σ}}}\frac{1}{\sqrt{2\mathrm{\π}}}{e}^{-\frac{y^2}{2}}\mathrm{dy}=0.5+\frac{p}{2}---\left(4\right)$

9.5)对函数

$f\left(c\right)={\∫}_{-\∞}^c\frac{1}{\sqrt{2\mathrm{\π}}}{e}^{-\frac{y^2}{2}}\mathrm{dy}---\left(5\right)$

建立自变量c与函数值f(c)的对应表格；

9.6)根据式(4)变换得到的f(c)＝0.5+p/2，在自变量c与函数值f(c)的对应表格中查找c的值，继而求得正态分布标准差σ＝w/(2c)；

10)令函数

的x＝μ，根据正态分布标准差σ求出正态概率密度函数的峰值h，如下：

$h=\frac{1}{\sqrt{2\mathrm{\π}}\mathrm{\σ}}$

11)判断是否处理完所有的频数分布累计值p？若是转向步骤12)；否则，转向步骤8)；

12)求全部正态概率密度函数的峰值h的平均值为0.0600，将该平均值作为稳定性指标；

13)将稳定性指标与稳定性阈值进行比较，所述稳定性阈值的求解过程如下：

13.1)根据焊接过程的弧光闪烁变化程度、电弧声柔和程度、飞溅大小、焊缝光洁程度等现场表现因素，利用人工(即背景技术提到的有经验焊工)进行观测来评定CO₂电弧焊稳定性优劣，按照稳定性优劣分成若干个等级(如好、较好、中等、较差、差)，采集21个稳定性评定为中等的CO₂电弧焊短路过渡焊接过程的电压电流信号样本；

13.2)通过步骤1)～步骤12)，求出每一个样本的稳定性指标；

13.3)求取所有样本的稳定性指标的中值为0.2335，将该值作为稳定性阈值。

14)由于步骤12)求取的稳定性指标0.0600小于稳定性阈值0.2335，说明稳定性低于一般水平，则通过工控机发出警报信号。

以上所述，仅为本发明专利优选的实施例，但本发明专利的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明专利所公开的范围内，根据本发明专利的技术方案及其发明专利构思加以等同替换或改变，如燃弧短路电压分界值、燃弧电压阈值、短路电压阈值、瞬时短路阈值等取其他数值时，都属于本发明专利的保护范围。

Claims (10)

1.CO₂电弧焊短路过渡焊接过程的稳定性自动检测方法，采用以工控机和弧焊过程检测仪为主体的测试平台，所述弧焊过程检测仪包括电压传感器和电流传感器，其特征在于包括以下步骤： 

1)通过电压传感器和电流传感器采集一个CO₂电弧焊短路过渡焊接过程的电弧电压信号和焊接电流信号，信号经过滤波后输入数据采集卡，在工控机中输出，获取电弧电压值和焊接电流量值，并存储为一个信号样本； 

2)对信号样本中第一个信号点的电压值进行判断，若大于燃弧短路电压分界值，标记为燃弧阶段；否则，标记为短路阶段； 

3)顺序对信号样本中的第二个信号点以及第二个信号点以后的每一个信号点电压值进行判断，若大于燃弧电压阈值，标记为燃弧阶段，若小于短路电压阈值，标记为短路阶段；否则，即大于或等于短路电压阈值且小于或等于燃弧电压阈值时，继承前一个信号点的阶段标记； 

4)统计信号样本中所标记的每一个短路阶段所占的时间长度，作为一个短路时间； 

5)取所有短路时间中的最小值与最大值，将最小值至最大值的范围切分成5～10000个小区间，依次编号，累计落入每个小区间内的短路时间个数，把每个小区间的短路时间个数除以短路时间总个数，得到短路时间频数分布值； 

6)从短路时间大于瞬时短路阈值的第一个小区间开始，沿短路时间由小到大的方向探寻短路时间频数分布最大值，记下其所处区间的序号； 

7)设定3～1000个频数分布累计值p，将设定的频数分布累计值p读入； 

8)对读入的每一个频数分布累计值p，以短路时间频数分布最大值所处小区间为中心，两向同时逐步扩展所覆盖的时间范围，直到此范围内频数分布值之和大于或等于频数分布累计值p时，停止扩展，记下所覆盖的小区间个数，换算为时间范围w； 

9)以正态概率密度函数拟合频数分布累计值p和时间范围w，求取正态分布标准差σ； 

10)令函数

的x＝μ，根据正态分布标准差σ求出正态概率密度函数的峰值h，如下： 

其中，x为未知变量，μ表示短路时间频数分布最大值所在位置对应的时间值； 

11)判断是否处理完所有的频数分布累计值p？若是转向步骤12)；否则，转向步骤8)； 

12)求全部正态概率密度函数的峰值h的平均值，将该平均值作为稳定性指标； 

13)若稳定性指标小于稳定性阈值，则通过工控机发出警报信号。 

2.根据权利要求1所述的CO₂电弧焊短路过渡焊接过程的稳定性自动检测方法，其特征在于：步骤9)所述正态分布标准差σ的求取具体如下： 

9.1)以短路时间频数分布最大值为中心，在时间范围w内，概率等于p，有以下方程： 

9.2)通过平移变换，消去μ： 

9.3)根据该函数的对称性，方程可等价为： 

9.4)令y＝x/σ，通过代换可得： 

9.5)对函数 

建立自变量c与函数值f(c)的对应表格； 

9.6)根据式(4)变换得到的f(c)＝0.5+p/2，在自变量c与函数值f(c)的对应表格中查找c的值，继而求得正态分布标准差σ＝w/(2c)。 

3.根据权利要求1所述的CO₂电弧焊短路过渡焊接过程的稳定性自动检测方法，其特征在于：步骤13)所述稳定性阈值的求解过程如下： 

13.1)根据焊接过程的现场表现因素，采集至少3个稳定性评定为中等的CO₂电弧焊短路过渡焊接过程的电压电流信号样本； 

13.2)通过步骤1)～步骤12)，求出每一个样本的稳定性指标； 

13.3)求取所有样本的稳定性指标的中值，作为稳定性阈值。 

4.根据权利要求3所述的CO₂电弧焊短路过渡焊接过程的稳定性自动检测方法，其特征在于：所述焊接过程的现场表现因素包括弧光闪烁变化程度、电弧声柔和程度、飞溅大小和焊缝光洁程度。 

5.根据权利要求3所述的CO₂电弧焊短路过渡焊接过程的稳定性自动检测方法，其特征在于：步骤13.3)所计算的稳定性阈值范围是0.1～0.8。 

6.根据权利要求1-5任一项所述的CO₂电弧焊短路过渡焊接过程的稳定性自动检测方法，其特征在于：步骤2)所述燃弧短路电压分界值范围是5～25V。 

7.根据权利要求6所述的CO₂电弧焊短路过渡焊接过程的稳定性自动检测方法，其特征在于：步骤3)所述燃弧电压阈值设定为燃弧短路电压分界值加上0.001～10V，所述短路电压阈值设定为燃弧短路电压分界值减去0.001～10V。 

8.根据权利要求1-5任一项所述的CO₂电弧焊短路过渡焊接过程的稳定性自动检测方法，其特征在于：步骤6)所述瞬时短路阈值范围是0.5～3ms。 

9.根据权利要求1-5任一项所述的CO₂电弧焊短路过渡焊接过程的稳定性自动检测方法，其特征在于：步骤1)所述电压传感器为分压器，所述电流传感器为霍尔电流传感器，所采用的滤波器为低通滤波器。 

10.根据权利要求1-5任一项所述的CO₂电弧焊短路过渡焊接过程的稳定性自动检测方法，其特征在于：所述测试平台还包括焊丝输送机构、行走小车及导轨和示波器。 

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