CN1083975C - 一种弧光传感等离子弧焊小孔行为的方法及其装置 - Google Patents

Abstract

本发明是一种在等离子弧焊焊接过程中实时检测熔池小孔行为的方法及装置，以焊接电弧的光谱辐射强度作为直接检测量，实现了在等离子弧焊接过程中从被焊金属构件正面实时监测熔池小孔的行为，在以氩气作为离子气的条件下，依据光谱辐射强度信号的跃变幅度及特征获取熔池小孔行为的相关信息，不影响焊枪的灵活性和可达性，显著地扩大了适应的焊缝范围。

Description

一种弧光传感等离子弧焊小孔行为的方法及其装置

本发明是一种在等离子弧焊焊接过程中实时检测熔池小孔行为的方法及装置，属于金属加工成形技术领域，它涉及对现有技术方法及装置性能的改进与提高。

等离子弧焊利用小孔效应可以实现中厚度金属材料单面一次焊双面良好成形。稳定的小孔形态和尺寸是获得高质量焊接接头的必要条件。因而在实际焊接过程中利用辅助传感装置获取可以真实表征熔池小孔行为的信息，这对于监控等离子弧焊焊接接头质量具有重要意义。

在这方面，国内外的科学家们进行了长期的研究和实践，成功地运用了多种技术方法，并研制出相应的检测设备。其中最具有代表性的有以下几种。

前西德的H.D.Steffens和H.Kayser在1972年№6《焊接杂志》(Welding Journal)的著文，根据形成小孔后透过焊件的等离子焰流的导电性，提出了检测熔池小孔尺寸的方法，并研制了检测装置。其方法是在焊缝背面一定距离上放置一金属测量棒，在焊件与测量棒之间接通220V交流电压，当等离子弧穿透工件形成小孔时，等离子焰流有一定导电性，从而在220V交流电压作用下产生一测量电弧，该电弧电压的大小能反映小孔直径的大小。

英国的J.C.Metcalfe和M.B.C.Quigley在1975年№11《焊接杂志》(Welding Journal)上发表的论文中讨论了等离子弧焊小孔的稳定性，提出了一种实时监测小孔稳定性的方法，并研制了传感装置。其方法是以光电器件做为传感元件，将其放置于焊件背面，等离子弧穿透工件形成小孔时，从焊件背面喷射出等离子焰流，利用光电器件检测等离子焰流的辐射强度，从而获得关于小孔有无及小孔是否稳定的信息。

中国学者胡佰僖等人于1980年在中国的《焊接》杂志第五期上著文，指出采用等离子弧焊方法焊接各种管系构件时，小孔形成时等离子弧高速射入管腔发出响亮的声音，该音频信号的出现与消失同小孔的形成与闭合是同步的，而且信号中存在一个稳定的300Hz的基频信号，将声音传感器放置于管系焊接构件内部，传感器的输出信号可以反映焊件的熔透程度，在脉冲等离子弧焊过程中通过调节离子气流量和峰值电流脉宽实现了焊缝稳定成形的闭环控制。

美国NASA宇航局的工程技术人员研制了一种通过检测焊件背面保护气压力来判断小孔的建立与闭合的装置，背面保护气压力突降表征小孔建立，气压跃升表征小孔闭合。该报道详见1991年№7《焊接设计与生产》(Welding Design&Fabrication)。

上述4种方法都可归纳为背面传感小孔行为的方法，主要特征是传感器探头放置于被焊金属构件的背面，这时传感器探头很难与焊枪随动，实际焊接时，焊枪往往只能固定不动，或者以简单的轨迹运动，这就限制了等离子弧焊的适用范围，尤其是对于密闭容器、复杂型面的焊接构件，背面传感的方法实施非常困难。

本发明的目的就是要克服上述方法和装置的缺点，提供一种广泛适用于平板对接焊缝、角焊缝、丁字型焊缝及管筒壳体环焊缝和复杂曲线型焊缝等多种接头形式的传感等离子弧焊熔池小孔行为的方法及装置。

本发明的目的是通过以下方法及技术措施来实现的：

在等离子弧焊过程中，小孔的形成、闭合及尺寸变化都将改变等离子弧的物理状态和性能参数，焊接过程中电弧的辐射作为等离子弧能量传递的重要方式之一，直观地表达了等离子弧能量与质量的微观输运机制，电弧辐射信息中必然包含着熔池小孔反作用于等离子弧的内容。利用光电器件检测弧光的光谱辐射强度，可以提取出熔池小孔行为的相关信息。

基于这种理论分析及研究实践，本发明提出了一种新的弧光传感等离子弧焊小孔行为的方法，它采用传感装置检测等离子弧的光谱辐射强度，将光谱辐射强度信号转变为电信号并输送到数据采集处理系统，它主要包括焊接系统、弧光传感装置及计算机数据采集处理系统，其特征在于：传感装置从被焊金属构件的正面检测焊接过程中弧光的光谱辐射强度，根据弧光辐射强度信号的跃变幅度特征辨识小孔的状态。

同时，为了获得准确的小孔信息，提高传感信号的信噪比，在传感接收装置中安装了窄带滤光镜片，以选取辐射强度高、信号稳定的一个波长范围的弧光光谱信号作为分析对象。在以纯氩气作为离子气的条件下，所选取的弧光光谱的波长范围为600～800nm。

与上述方法相应的传感等离子焊接熔池小孔行为的装置，它包括传感器探头、传感器接收装置、信号处理电路、数据采集处理系统几个部分，传感器探头直接与焊枪连接在一起，设置在被焊金属构件的正面，随焊枪而运动。

传感器探头通过石英光纤传光束与远离焊接现场的传感器接收装置相连接，并将信号输送到数据采集处理系统进行处理。

在传感器接收装置中的传光束出射端子的后面放置窄带滤光镜片，窄带滤光镜片的中心波长范围为600～800nm。

在传感器探头中，采用半导体光电二极管作为弧光光谱辐射强度的检测器件。

附图的图面说明如下：

图1为本发明系统的组成框图；

图2为本发明系统等离子弧焊正面弧光传感小孔行为的方法及装置的示意图；

图3为本发明系统等离子弧发射光谱图；

图4为本发明系统等离子弧焊全过程实时检测的焊接电流、尾焰电压及弧光光谱辐射强度信号曲线图。

下面结合附图和实施例对本发明的方法及装置作进一步说明：

首先介绍本实施例的加工条件：

焊接试件材料为4mm厚1Cr18Ni9Ti板材不锈钢，平板堆焊，焊接规范参数为：离子气流量1.4L/min，保护气流量6.0L/min，离子气和保护气均为氩气，喷嘴孔径为2.2mm，钨极内缩量为2.5mm，钨极直径为5mm。

本实施例的系统组成如图1所示，它包括等离子弧焊焊接电源及程序控制装置18、弧光传感器装置和计算机数据采集系统19。其中，弧光传感器装置主要由弧光传感器探头6、石英光纤传光束11、弧光传感器接收装置13和信号处理电路17组成，在焊接过程中，弧光传感器探头6通过连接杆5与等离子弧焊焊枪1相连，并随焊枪的运动而运动，这样就实现了从被焊构件的正面检测弧光的辐射强度。在弧光传感器接收装置13中采用窄带滤光镜片，检测敏感谱段的光谱辐射强度信号。弧光传感器装置输出的电信号U₀经计算机数据采集系统19处理后，转变为数字信号并存储在计算机内存或硬盘中。

以下结合图2介绍本发明方法及其装置的工作过程：

参见附图2所示，在等离子弧焊过程中，等离子弧3在钨极2与被焊接构件4之间产生，通过连接杆5将弧光传感器探头6与等离子弧焊焊枪1相连接。弧光传感器探头6由入射光阑7、保护镜片8、聚焦透镜9和石英光纤传光束入射端子10构成，等离子弧3的辐射光经聚焦透镜9入射在石英光纤传光束入射端子10上，经石英光纤传光束11传递到弧光传感器接收装置13，这样可以将弧光辐射强度信号传递到远离现场焊接的环境中进行处理，弧光传感器接收装置13由石英光纤传光束出射端子12、窄带滤光镜片14、光电二极管15及其印刷线路板16组成，在石英光纤传光束出射端子12的后面设置一窄带滤光镜片14，自石英光纤传光束出射端子12出射的弧光信号，经窄带滤光镜片14做滤光处理，投射到光电二极管15的入射端面上，光电二极管15输出的光电流信号通过屏蔽电缆输送到信号处理电路17做信号处理，最后输出电信号U₀。

上面所述的窄带滤光镜片14的中心波长范围为600～800nm。

以下结合本实施例所检测到的数据结果对本发明的技术方法及装置做进一步说明：

参见附图3、4所示，图3为等离子弧焊电弧发射光谱图，从近紫外到红外光谱段(300～900nm)，整体弧光光谱分布的基本规律是在较低的连续谱上叠加许多线谱，线谱的最强部分在700～850nm的范围内，以氩元素谱线居多，辐射强度值高。

图4为本发明系统等离子弧焊全过程实时检测的焊接电流、尾焰电压及弧光光谱辐射强度信号曲线图。尾焰电压信号可以准确表征熔池小孔的行为，小孔建立时，尾焰电压由零变为正值；小孔闭合时，尾焰电压降为零。从图中可以看出，在焊接电流由缓升到恒流时小孔建立，在此阶段光谱辐射强度经历了由强至弱再到强的变化过程，形状类似于一个负脉冲信号，在小孔闭合时，同样产生了类似于负脉冲的跃变，但幅度要低于小孔建立时谱线辐射强度的跃变幅度，所以根据光谱辐射强度信号的跃变幅度及特征就可以获取熔池小孔行为的相关信息。

本发明所提出的传感等离子弧焊焊接过程中熔池小孔行为的方法及装置，以焊接电弧的光谱辐射强度作为直接检测量，实现了在等离子弧焊接过程中从被焊构件正面实时监测熔池小孔的行为，依据光谱辐射强度信号的跃变幅度及特征获取熔池小孔行为的相关信息，不影响焊枪的灵活性和可达性，显著地扩大了适应的焊缝范围。

Claims (5)

1.一种弧光传感等离子弧焊小孔行为的方法，它采用传感装置检测等离子弧的发射光谱辐射强度，将光谱辐射强度信号转变为电信号并输送到数据采集处理系统，它主要包括焊接系统、弧光传感装置及数据采集处理系统，在焊接开始前，将传感装置固定安装在焊枪上并置于被焊金属构件的正面，在焊接过程中，通入纯氩气作为离子气和保护气，同时启动传感装置，并使用根据氩元素谱线中心波长选择的窄带滤光镜片，有选择性地检测等离子弧发射光谱中氩元素敏感谱线的光谱辐射强度信号，根据该强度信号的跃变幅度特征辨识小孔的状态。

2.根据权利要求1所述的弧光传感等离子弧焊小孔行为的方法，其特征在于：检测的氩元素敏感谱线的中心波长范围为600～800nm。

3.根据权利要求1所述的弧光传感等离子弧焊小孔行为的方法，其特征在于：在弧光传感装置中采用半导体光电二极管作为氩元素敏感谱线光谱辐射强度的检测器件。

4.使用权利要求1所述方法的一种弧光传感等离子弧焊小孔行为的装置，它包括传感器探头(6)、传感器接收装置(13)、信号处理电路(17)、数据采集处理系统(19)几个部分，其中，传感器探头(6)由入射光阑(7)、保护镜(8)、聚焦镜(9)和石英光纤传光束入射端子(10)构成，其特征在于：通过连接杆(5)将弧光传感探头(6)与等离子弧焊焊枪(1)相连接，石英光纤传光束入射端子(10)与石英光纤传光束(11)连接并通过其连接传感器接收装置(13)，在传感器接收装置(13)中的传光束出射端子(12)的后面放置窄带滤光镜片(14)。

5.根据权利要求4所述的弧光传感等离子弧焊小孔行为的装置，其特征在于：窄带滤光镜片(14)的中心波长范围为600～800nm。

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