CN104625332B - 基于二氧化碳焊输入端电信号的稳定性评估系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种二氧化碳焊的焊接稳定性评估系统及其评估方法，在CO₂焊接过程中，利用电压传感器和电流传感器对输入电信号进行采样，由数据处理系统进行处理，获取焊机输入端线电压和线电流值，并储存为一个信号样本，然后对信号样本进行时域和频域分析，获得焊接输入端电信号的波形，概率分布，变异系数，频谱图等时域和频域特征，再根据时域和频域特征对CO₂焊的焊接过程的稳定性进行评价。本发明在实现对CO₂气体保护焊过程自动评定和检测的基础上，拓展了焊接工艺实时监测的方法和手段，为以后焊机集成化、网络化系统奠定了基础。

Description

基于二氧化碳焊输入端电信号的稳定性评估系统及方法

技术领域

本发明涉及一种CO₂焊稳定性的评估系统，利用CO₂焊输入端电信号特征来评估焊接过程稳定性的评估系统及其评估方法。

背景技术

由于CO₂焊具有高效节能，低氢性，费用低等优点，近年来，许多研究者对CO₂气体保护进行了大量研究，提出了评价电弧稳定性的一些方法，如电压，电流的概率分布法，傅里叶分析法，U-I图形法，短路周期的概率分析法等。

张勇等人研究基于LabView的CO₂焊接参数采集分析系统，依据采集的电压，电流信号，较精确的计算出短路时间、燃弧时间、熔滴过渡频率等参数，并利用所得数据的概率分布图，标准差等来评价焊接过程稳定性，取得了很好的效果。Marjan等人在判定电弧稳定性的方法中提出由焊接电压和焊接电流绘出U-I相图可以描述短路过渡焊接过程稳定性，即焊接电压和焊接电流围成的闭环面积越小，焊接过程越稳定，反之越不稳定。王宝等人与汉诺威大学D.Rehfeldt教授合作开展了焊接材料工艺性评定的研究，通过采集CO₂焊焊接过程电压，电流信号。计算短路周期变异系数，平均短路时间和电压，电流变异系数，证明了在CO₂焊短路过渡过程中，短路周期变异系数能够很好的反映药芯焊丝的电弧稳定性，即短路周期变异系数越低，电弧越稳定，反之越不稳定。平均短路时间能够很好的反映实心焊丝的电弧稳定性，即平均短路时间越短，电弧越稳定，反之越不稳定。在CO₂焊非短路过程中，焊接电压，电流变异系数能够很好的反映药芯焊丝的电弧稳定性，即焊接电压，电流变异系数越低，电弧越稳定，反之越不稳定。专利《CO₂电弧焊短路过渡焊接过程的稳定性自动检测方法》公开号CN103357987A，该方法通过对焊接电压信号进行处理，计算短路时间的频数分布值，然后根据正态概率密度拟合频数分布累计值和时间范围求取正态分布标准差，最后求出正态概率密度函数峰值的平均值，作为CO₂电弧焊短路过渡焊接过程的稳定性指标，若稳定性指标小于稳定性阀值(多次焊接稳定性为中等的实验稳定性指标平均值)，则稳定性低于一般水平。专利《光电式CO₂气体保护焊短路过渡频率检测仪》公开号CN2319163Y，所述检测仪可以直接显示熔滴短路过渡的频率。另外，华南理工吕小青等人通过对CO₂焊短路过程中的电流信号近似熵的计算和分析，发现近似熵的大小可以很好地反映短路过渡焊接过程的稳定性，即焊接过程越稳定，近似熵越大，反之越小。虽然利用CO₂焊焊接过程中的输出电信号特征判断焊接稳定性的方法已趋于成熟，但各种方法存在如下不足：

1、选取传感器较麻烦。对于同类型不同容量的焊机，输出最大允许电流不同，在选择电流传感器时，会因最大允许电流不同而不同。

2、传感器安装不方便。由于目前焊机接口特征不利于电流传感器和电压传感器的接入，因此操作人员需要采取将电压传感器一端接在导电嘴上和接入额外接地线串入电流传感器等方法来完成实验信号采集，这给实验带来不必要的工作。

3、不容易实现评估系统的集成化和模块化。由于不同焊接方法的输出电压和输出电流变化范围相差较大，某种型号的电压和电流传感器不能实现对各种焊接方法输出电信号的采集，因此基于输出端电信号稳定性评估系统适用范围较窄，不利于实现系统的集成化和模块化。

发明内容

本发明的目的，是为解决现有技术存在的不足，为拓展焊接工艺实时监测的方法和手段，提供一种新的评估CO₂焊接过程稳定性的评估系统及其评估方法，即基于输入端电信号的特征评估焊接过程稳定性评估方法。

本发明通过如下技术方案予以实现。

一种二氧化碳焊的焊接稳定性评估系统，由数据处理系统、数据采集卡、电压传感器及电流传感器组成。该系统的信号传输过程为：电压传感器和电流传感器对焊机的输入电信号进行采样，采集的数据输入数据采集卡，数据处理系统对数据采集卡传输的电信号进行接收和处理，获取输入端线电压和线电流值，并储存为一个信号样本，最后对样本的数据进行时域和频域分析，从而评估焊接过程的稳定性；

上述二氧化碳焊的焊接稳定性评估系统的评估方法，具有如下步骤：

(1)通过电压传感器和电流传感器采集CO₂焊接过程中的焊机输入线电压信号和线电流信号，信号输入数据采集卡，在电脑中存储为一个六通道线电压、线电流信号样本；

(2)根据所用传感器的比例关系对样本进行处理，还原焊接过程中的真实输入线电压、线电流数据；实际输入线电流与采集信号比例在15～30：1范围内，实际输入线电压与采集信号比例在100～300：1范围内；

(3)对步骤(1)样本中的线电压、线电流信号进行时域分析，获得焊接过程中输入线电压信号的波形、变异系数和概率密度分布；获得焊接过程中输入线电流信号的波形、变异系数和概率密度分布；获得焊接过程中瞬时输入功率的波形、功率变异系数和功率概率密度分布；并获得短路过渡时的短路频率，短路周期和短路周期频次分布的输入电信号时域特征；

(4)对步骤(1)样本中的线电压，线电流信号进行频域分析，获得输入线电压信号和线电流信号的频谱分布图、总谐波畸变率的输入电信号频域特征；

(5)根据步骤(3)和步骤(4)获得的焊接过程输入端线电压、线电流时域和频域特征评估焊接过程的稳定性：

①根据瞬时输入功率变化波形判断CO₂焊的过渡形式，若输入瞬时功率峰值波动比较稳定，输入功率峰值变异系数较小，当输入功率峰值变异系数小于15％，则焊接过程为滴状过渡；若瞬时输入功率峰值波动较大，输入功率峰值变异系数较大，当输入功率峰值变异系数大于25％以上，并成周期性变化，则焊接过程为短路过渡；

②对于CO₂焊短路过渡过程，短路频率在80Hz以上，焊接过程相对稳定；若频率越高，焊接过程就越稳定；

③对于CO₂焊接非短路过渡过程，瞬时输入功率峰值变异系数越小，焊接过程越稳定；

④保护气体、焊接速度或气体流量下的焊接过程，焊机瞬时输入功率和输入电流概率密度越集中，焊接过程越稳定。

所述的数据处理系统为Labview、Matlab软件。

本发明的有益效果如下：

1、拓宽了CO₂焊接稳定性检测方法的研究领域。以往研究者多以输出电信号特征来评定过程稳定性，本发明提出从输入端电信号特征评定焊接稳定性，即对输入线电压，线电流信号进行时域和频域分析。

2、实现多参数综合评估，提高了评估系统的准确性。该系统不仅涵盖了汉诺威分析仪中变异系数判断焊接过程的稳定性的方法，而且增加从能量，谐波等角度分析焊接过程稳定性的方法，提高了检查系统的准确性。

3、为功率因数校正研究提供参考。本发明对输入线电压信号，输入线电流信号进行时域和频域分析，获得各种焊接条件对输入电信号的波形，谐波分布和总谐波畸变率等特征的影响，这将为功率因数校正研究提供数据参考。

4、操作简单，传感器选择简单。由于输入端电信号采集避免了输出端电信号采集时电压传感器和电路传感器接入不便的缺点，使得测量变得简单易行。另外，由于焊机功率一般为15kw～40kw，输入线电压变化不大，且输入线电流变化相对输出要小得多，因此简化了传感器选择。

5、易于评估系统的集成化和模块化。由于不同焊接方法的输入线电压和线电流变化范围相差不大，一种型号的电压和电流传感器可以实现对各种焊接方法输出电信号的采集，因此评估系统不仅可以推广到其他焊接方法，实现系统的集成化和模块化，而且还可以通过网络电力载波，进行实时工业现场焊接信息集成化。

6、本发明不仅适用于CO₂焊，也适用于各种气体保护焊、钨极氩弧焊、埋弧焊、压力焊。

附图说明

图1为三相桥式整流电路图；

图2为焊接过程中焊机输入线电流波形图；

图3为本发明的检测系统示意图；

图4为输入线电压波形图；

图5为瞬时输入功率变化波形图；

图6为输入电流(正电流)与焊接电压示意图；

图7为瞬时输入功率与输出功率对比示意图；

图8为输入线电压UW频谱图；

图9为输入U相线电流频谱图；

图10为输入线电压UW概率密度分布图；

图11为输入U相线电流概率密度分布图；

图12为瞬时输入功率概率密度分布图

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明的CO₂焊输入端电信号特征评估焊接过程稳定性作进一步的说明。

本实施例是利用CO₂焊输入端电信号特征评估焊接过程的稳定性，采用设备包括福尼斯TransSynergic5000、焊丝输送机构VR4000、行走小车及导轨和稳定性评估系统，所述稳定性评估系统包括霍尔电压传感器CHV-25P，霍尔电流传感器LA–50P，数据采集卡PCL1716，数据接收和处理系统(Labview、Matlab软件)，稳定性评估系统连接方式详见附图3。

本实施例进行CO₂气体保护焊平铺试验，焊接工艺参数如表1。工件材料为低碳钢板，焊丝为直径1.2mm的H08Mn2SiA，保护气体的体积分数为99.9％。通过数据采集卡以每通道21KHz采样焊机的输入电信号(线电压，线电流)和输出电信号(电压，电流)，每通道从中截取10s即210000个数据点进行处理。

表1

关于焊接输入端电信号特征与焊接稳定性的关系：

三相焊机一般采用三相桥式整流电路(见附图1)，如图2所示，焊机工作过程中，当交流侧线电压中最大的一个大于电容电压u_C时，某一对整流二极管导通，三相线电流中某一相线电流为正值，在另外两相线电流中有一负值与之相等，一相线电流为零。当交流侧线电压中最大的一个小于电容电压u_C时，整流二极管全关断，三相线电流都为零。因此输入电流非负值可以反应输入电流信号大小变化特征，具体波形如图6所示。附图6和附图7分别为焊接过程中输入线电流(正电流)和焊接电压，瞬时输入功率和输出功率关系示意图，从图可以看出，输入端电信号特征与输出端电信号特征具有对应关系，即焊接过程中瞬时输入功率峰值和输入线电流峰值的变化与瞬时输入功率，焊接电压的变化成正相关关系。因此输入端电信号特征能够很好地反映输出端电信号特征，即能够评估焊接过程稳定性。

CO₂焊输入端电信号特征评估焊接过程稳定性系统的具体实施步骤如下：

如图3所示，图中“i₁测”、“i₂测”、“i₃测”代表电流传感器，“u₂测”、“u₂测”、“u₃测”代表电压传感器。通过电压传感器和电流传感器采集CO₂电弧焊焊接过程的输入线电压信号和输入线电流信号，数据输入数据采集卡，数据处理系统对数据采集卡传输的电信号进行接收和处理，获取输入端线电压和线电流值，并储存为一个信号样本，最后对样本数据进行时域和频域分析，根据焊接输入信号的时域和频域特征评估焊接过程的稳定性。

对样本数据进行时域分析，具体步骤如下：

①利用MATALAB软件画出输入线电压波形图(图4)和线电流波形图(图2)；

②利用MATALAB语句计算输入线电压绝对值和线电流绝对值的变异系数；

③利用MATALAB语句对信号样本进行处理，获得输入线电压概率密度分布(图10)和输入线电流概率密度分布(图11)；

④利用MATLAB编程获得瞬时输入功率波形(图5)，瞬时输入功率概率密度分布(图12)和瞬时输入功率峰值变异系数；

⑤利用MATLAB编程处理信号样本，获得CO2焊短路过渡短路周期，过渡频率和短路周期变异系数；

⑥利用MATLAB编程获得CO₂焊短路过程中每个短路过程所需的瞬时输入功率及其峰值变异系数。

对样本数据进行频率分析，具体步骤如下：

①利用MATALAB语句获得输入线电压频谱图(图8)，输入线电流频谱图(9)；

②利用MATALAB编程计算线电压信号和线电流信号总谐波畸变率。

根据输入端电信号时域，频域特征判定CO₂焊焊接过程稳定性，具体方法如下：

表2为焊接过程数值分析，由于实施例1、2、3的瞬时输入功率峰值变异系数都在30％以上，瞬时输入功率峰值波动较大，因此三组焊接过程为短路过渡过程；又送丝速度为3.5m·min^-1时，短路过渡频率最高(105Hz),因此焊接过程最稳定。由于实施例4、5、6的瞬时输入功率峰值变异系数都在10％左右，瞬时输入功率峰值波动比较稳定，因此三组焊接过程为滴状过渡过程；又送丝速度为18m·min^-1时，瞬时输入功率峰值变异系数最小，因此焊接过程最稳定。

表2

Claims (2)

1.一种二氧化碳焊的焊接稳定性评估系统，包括数据处理系统、数据采集卡、电压传感器及电流传感器；该系统的信号传输过程为：电压传感器和电流传感器对焊机的输入电信号进行采样，采集的数据输入数据采集卡，数据处理系统对数据采集卡传输的电信号进行接收和处理，获取输入端线电压和线电流值，并储存为一个信号样本，最后对样本的数据进行时域和频域分析，从而评估焊接过程的稳定性；

上述评估系统的评估方法，包括通过电压传感器和电流传感器采集CO₂焊接过程中的焊机输入线电压信号和线电流信号，信号输入数据采集卡；

其特征在于，上述二氧化碳焊的焊接稳定性评估系统的评估方法，具有如下步骤：

(1)通过电压传感器和电流传感器采集CO₂焊接过程中的焊机输入线电压信号和线电流信号，信号输入数据采集卡，在电脑中存储为一个六通道线电压、线电流信号样本；

(2)根据所用传感器的比例关系对样本进行处理，还原焊接过程中的真实输入线电压、线电流数据；实际输入线电流与采集信号比例在15～30：1范围内，实际输入线电压与采集信号比例在100～300：1范围内；

(3)对步骤(1)样本中的线电压、线电流信号进行时域分析，获得焊接过程中输入线电压信号的波形、变异系数和概率密度分布；获得焊接过程中输入线电流信号的波形、变异系数和概率密度分布；获得焊接过程中瞬时输入功率的波形、功率变异系数和功率概率密度分布；并获得短路过渡时的短路频率，短路周期和短路周期频次分布的输入电信号时域特征；

(4)对步骤(1)样本中的线电压，线电流信号进行频域分析，获得输入线电压信号和线电流信号的频谱分布图、总谐波畸变率的输入电信号频域特征；

(5)根据步骤(3)和步骤(4)获得的焊接过程输入端线电压、线电流时域和频域特征评估焊接过程的稳定性：

①根据瞬时输入功率变化波形判断CO₂焊的过渡形式，若输入瞬时功率峰值波动比较稳定，输入功率峰值变异系数较小，当输入功率峰值变异系数小于15％，则焊接过程为滴状过渡；若瞬时输入功率峰值波动较大，输入功率峰值变异系数较大，当输入功率峰值变异系数大于25％以上，并成周期性变化，则焊接过程为短路过渡；

②对于CO₂焊短路过渡过程，短路频率在80Hz以上，焊接过程相对稳定；若频率越高，焊接过程就越稳定；

③对于CO₂焊接非短路过渡过程，瞬时输入功率峰值变异系数越小，焊接过程越稳定；

④保护气体、焊接速度或气体流量下的焊接过程，焊机瞬时输入功率和输入电流概率密度越集中，焊接过程越稳定。

2.根据权利要求1所述的二氧化碳焊的焊接稳定性评估系统，其特征在于，所述的数据处理系统为Labview、Matlab软件。