CN110653463B - 一种实时测量螺柱焊过程中偏弧的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种实时测量螺柱焊过程中偏弧的方法，具体包括以下步骤：首先启动偏弧检测传感器，传感装置由上接收石墨板、下接受石墨板和中间绝缘分隔带组成，拉弧时通过上接受石墨板的圆环形采集缝收集数据；绝缘分隔带将下接收石墨板的采集区域等分成8等份，当喷射的电弧扫过环形采集缝时，透过上接收石墨板的电流被被下接收石墨板接收，并将电流值通过分流器转换成电压信号再被V/F变换器进行处理，从而实现对电弧电流采集这一过程；最后，将各区域的输出信号上传至控制协调计算机，得到各个区域的电流密度，以上区域中的未检测出电流密度即为发生偏弧区域；本发明的测量螺柱焊过程中偏弧方法具有操作简单、工作效率高、工艺稳定等优点。

Description

一种实时测量螺柱焊过程中偏弧的方法

技术领域

本发明涉及一种实时测量螺柱焊过程中偏弧的方法，属于焊接检测领域。

背景技术

螺柱焊是一种将螺状或者柱状的金属焊接在金属板材表面的焊接方法。其基本原理是：依靠焊枪头部气爪将螺柱顶端放在待焊钢板平面上，产生预焊电流，再提升螺柱，使得螺柱和钢板之间产生电弧，使接触部位局部熔化形成熔池，最后以一定速度将螺柱压进熔池，待液态金属冷却，实现螺柱与钢板之间的冶金结合。广泛应用于汽车制造、造船、机车、航空、医疗器械、锅炉、化工设备等行业。一般传统采用的是螺纹紧固的方法，但这种方法需要在母材上开螺纹，造成实际在大型工件的加工过程中难以加工，且对于密封性要求高的工件，传统加工螺纹的方法难以满足工件的使用要求。螺柱焊作为一种熔焊方法，比较于传统的螺柱加工，具有节省时间和材料的特点，且不用在板件表面开孔，对于在一些要求密封性比较高的设备当中，螺柱焊焊接可有效避免泄露事故的发生。螺柱焊接的实际焊接时间从储能焊的2ms到拉弧焊接的3min，说明螺柱焊是一种精确、稳定，而且连接成本低、效率高的焊接方法。

偏弧检测装置由上接收石墨板14、一道环形采集缝20、外壁18和内壁19固定的下接受石墨板17、绝缘分隔带21、引弧孔4、AD574A逐次比较型A/D转换器外接阻容件构成的采集电路、放大器、V/F变换器、微处理器、电机、传动丝杆、调制解调器等部分组成。采集过程如下，由分流器转将电流转换成电压信号，进过放大器的处理后，进入V/F变换器，在完成模拟量到数字量的转换，微处理器将V/F变换器的输出信号暂时存储在存储器中，最后调制解调器将实时测量结果传送到计算机。

目前，在使用大直径的螺柱进行螺柱焊时偏弧是导致缺陷产生的主要原因，偏弧主要会导致以下焊接缺陷：在螺柱焊过程中，若在拉弧过程中出现明显的偏弧现象，将会导致电弧燃烧不稳定，不能够完全的燃烧螺柱端面，造成螺柱熔化不均匀，焊接熔池形成不均匀，熔池凝固以后严重影响焊接接头的静态力学性能，最后导致螺柱歪斜，焊接接头不能达到预期的外观效果变为只按照一侧浸入母材或者焊缝不能完全的闭合。在焊接过程当中焊接接头容易产生气孔和热裂纹，焊接结束以后焊接应力集中，极易产生硬脆相，焊接接头产生冷裂纹，严重影响焊接接头的冲击韧性和动态力学性能。

发明内容

本发明目的在于提供了一种实时测量螺柱焊过程中偏弧的方法。

实现本发明目的的技术解决方案为：

一种实时测量螺柱焊过程中偏弧的方法，该方法具体包括以下步骤：

步骤1、将偏弧检测传感器3安装于变位工作台1上；

步骤2、启动自动螺柱焊控制器6与偏弧检测传感器3，传感装置由上接收石墨板14、下接受石墨板17和中间绝缘分隔带21组成，拉弧时通过上接受石墨板14的圆环形采集缝20收集数据；

步骤3、绝缘分隔带21将下接收石墨板17的采集区域等分成8等份记为A1、A2、A3、…、A8，当喷射的电弧扫过环形采集缝20时，透过上接收石墨板14的电流被下接收石墨板接收17，并将电流值通过分流器11转换成电压信号再被V/F变换器12进行处理；

步骤4、将A1、A2、A3、…、A8区域的输出信号上传至控制协调计算机13，由各部分的面积S1、S2、S3、…、S8，通过公式J＝I/S计算机程序计算得到各个区域的电流密度J1、J2、J3、…、J8，当上述A1、A2、A3、…、A8区域中的未检测出电流密度即为发生偏弧区域；

步骤5，统计偏弧区域个数并判断偏弧程度。

进一步的，步骤1使用的偏弧检测装置，采用石墨板作为上接收板14和下接收板17螺柱5正下方中心部位设置与螺柱直径相匹配的引弧孔4，环形采集缝20的宽度为0.5mm-1mm。

进一步的，步骤3中，下接受石墨板17被划分成八块区域，由绝缘分隔带21分隔开，每块区域由独立的分流器11采集电流信号。

进一步的，用于螺柱直径在14mm以上的螺柱焊。

进一步的，步骤5中，当统计偏弧区域个数为1时则存在偏弧，当统计偏弧区域个数大于等于3个区域时则偏弧严重。

本发明与现有技术相比，其显著优点：1、本发明提供的一种测量自动螺柱焊过程中偏弧的方法适用于绝大部分直径螺柱焊接检测。2、后期数据处理快捷，能够直观反映各处的电流密度。3、本发明具有操作简单、工作效率高、工艺稳定等优点。4、本发明的微处理器和Modem调制解调器使数据采集过程得到随时显示和监控，而且能高速存储大量数据以便进行分析。

附图说明

图1是实时测量螺柱焊过程中偏弧的方法的流程图。

图2是偏弧检测传感器原理框图。

图3是采集区域划分示意图。

图4是偏弧检测传感器采集电弧时剖视图。

图5是一种实时测量螺柱焊过程中偏弧的方法的过程示意图。

图6是偏弧检测传感器俯视图。

图7是各区域电流采集示意图。

其中，1.变位工作台；2.钢板；3.偏弧检测装置；4.引弧孔；5.螺柱；6.螺柱焊控制器；7.螺柱焊机器人控制手臂；8.螺柱焊枪；9.气爪；10.绝缘线11.分流器；12.V/F变换器；13.控制协调计算机；14.上接收石墨板；15陶瓷环；16.钟罩型电弧；17.下接收石墨板；18.外壁；19.内壁；20.环形采集缝；21.绝缘分隔带；22.焊接电源；23.螺柱区域电弧；24.A1区域电弧；25.A2区域电弧；26.A3区域电弧；27.A4区域电弧；28.A5区域电弧；29.A6区域电弧；30.A7区域电弧；31.A8区域电弧；32.A1区域分流器；33.A2区域分流器；34.A3区域分流器；35.A4区域分流器；36.A5区域分流器；37.A6区域分流器；38.A7区域分流器；39.A8区域分流器。

具体实施方式

下面结合说明书附图对发明做进一步说明

本发明是一种实时测量螺柱焊过程中偏弧的方法，本发明的方法包括下属步骤：

步骤一、如图1所示，所示将偏弧检测传感器3安装于变位工作台1上；

步骤二、如图5所示，启动自动螺柱焊控制器6与偏弧检测传感器3，传感装置由上接收石墨板14、下接受石墨板17和中间绝缘分隔带21组成，拉弧时通过上接受石墨板14的圆环形采集缝20收集数据；

步骤三、如图2和图5所示，当喷射的电弧扫过圆环形采集缝20时，透过上接收石墨板14的电流被被下接收石墨板17接收，并将电流值通过分流器11转换成电压信号，通过线性放大器将获取的电压信号进行放大，放大的信号通过A/D转换器外接阻容件构成的采集电路进入V/F变换器12，完成模拟量到数字量的转换，微处理器对V/F变换器12的输出信号处理后再保存到存储器，最后调制解调器将实时测量结果传送到控制协调计算机13。

步骤四、如图3所示，当信号传输至计算机时，由检测到的A1、A2、A3、…、A8等区域的电流值为I₁、I₂、I₃、…、I₈以及各部分的面积S1、S2、S3、…、S8，通过公式J＝I/S计算机程序计算得到各个区域的电流密度J1、J2、J3、…、J8。以A4区域为例，由流接收传感装置采集到焊接过程中A4区域的电流为I₄，A4区域的面积为：

则A4区域的电流密度为：

按照此步骤可以得到A1、A2、A3、…、A8等其他区域的电流密度J1、J2、J3、…、J8，按照此步骤可以得到A1、A2、A3、…、A8等其他区域的电流密度J1、J2、J3、…、J8，当某一个或者某几个区域的电流密度为零时，此时则发生偏弧，偏弧的程度由异常区域的数目来确定。

结合图4、图6和图7，偏弧检测装置由上接收石墨板14、一道环形采集缝20、外壁18和内壁19固定的下接受石墨板17、绝缘分隔带21、引弧孔4构成。当螺柱5上燃起的钟罩型电弧16，通过环形采集缝20被下接受石墨板17接收，落入A1区域电弧24、A2区域电弧25、A3区域电弧26、A4区域电弧27、A5区域电弧28、A6区域电弧29、A7区域电弧30、A8区域电弧31，分别被对应的A1区域分流器32、A2区域分流器33、A3区域分流器34、A4区域分流器35、A5区域分流器36、A6区域分流器37、A7区域分流器38、A8区域分流器39转换成电压信号，最后被传输到传送到控制协调计算机13。

本发明采用的装置如下：一种实时测量螺柱焊过程中偏弧装置，包括变位工作台，固定在工作台上的钢板，设置偏弧检测结构于钢板上；与偏弧检测装置相连的为依次设置的分流器、绝缘线、V/F变换器、控制协调计算机；所述的偏弧检测结构环绕引弧孔设置，具体包括：设置在外壁与内壁之间的上接收石墨板及下接受极石墨板，上接收石墨板固定在外壁，上接收石墨板与内壁之间设置一道环形采集缝；下接受极石墨板与外壁与内壁均固定；下接受极石墨板被8个绝缘分割带分割成均匀的8个检测区域。绝缘分割带为耐热陶瓷材料。分流器的型号为型号U2774E03，每个检测区域都设置一个分流器。引弧孔的大小与螺柱直径相匹配。

下面结合实施例对本发明做进一步详细描述：

实施例1

以直径为22mm的Q235螺柱和20mm厚装甲钢板为例。

1.将直径为22mm的螺柱5用车床加工为直径为20mm带有凸台且锥角120°的螺柱；

2.对螺柱的表面和母材待焊区使用细砂纸进行打磨，后用丙酮进行清洗，最后用酒精进行擦拭并快速吹干；

3.将带有陶瓷圈的螺柱利用气爪固定在焊枪前端，具体操作方式与焊接参数为：提升螺柱高度为2.5mm，焊接电流为1900A，拉弧时间900ms，完成焊接后保持焊枪与母材的垂直位置关系40s；

4.启动机器人自动化焊接与偏弧检测传感器，此时上接收极石墨板14的环形采集缝宽度20为0.8mm；

5.当喷射的电弧扫过上接收石墨板14的环形采集缝20时，透过上接收石墨板14的电流被下接收石墨板17接收，并将电流值通过型号U2774E03分流器11转换成电压信号，通过线性放大器将获取的电压信号进行放大，放大的信号通过A/D转换器外接阻容件构成的采集电路进入V/F变换器12，完成模拟量到数字量的转换，微处理器对V/F变换器12的输出信号处理后再保存到存储器，最后调制解调器将实时测量结果传送到控制协调计算机13；

6.由检测到的A1、A2、A3、…、A8等区域的电流值为I₁为1960A、I₂为0A、I₃为0A、I₄为1840A、I₅为2011A、I₆为1964A、I₇为2001A、I₈为2003A，以及各部分的面积S1、S2、S3、…、S8，通过计算机程序运行计算得到各个区域的电流密度J1为7.96×10⁷A/m²、J2为0A/m²、J3为0A/m²、J4为7.48×107^A/m²、J5为8.17×10⁷A/m²、J6为7.98×107A/m2、J7为8.13×107A/m2、J8为8.13×107A/m2。其中A2区域与A3区域没有检测到电流密度，在自动螺柱焊过程中产生偏弧。

实施例2

以直径为16mm的Q235螺柱和15mm厚装甲钢板为例。

1.将直径为16mm的螺柱5用车床加工为直径为14mm带有凸台且锥角120°的螺柱；

2.对螺柱的表面和母材待焊区使用细砂纸进行打磨，后用丙酮进行清洗，最后用酒精进行擦拭并快速吹干；

3.将带有陶瓷圈的螺柱利用气爪固定在焊枪前端，具体操作方式与焊接参数为：提升螺柱高度为2mm，焊接电流为1200A，拉弧时间600ms，完成焊接后保持焊枪与母材的垂直位置关系40s；

4.启动机器人自动化焊接与偏弧检测传感器，此时上接收极石墨板14的环形采集缝宽度20为0.6mm；

5.当喷射的电弧扫过上接收石墨板14的环形采集缝20时，透过上接收石墨板14的电流被下接收石墨板17接收，并将电流值通过型号U2774E03分流器11转换成电压信号，通过线性放大器将获取的电压信号进行放大，放大的信号通过A/D转换器外接阻容件构成的采集电路进入V/F变换器12，完成模拟量到数字量的转换，微处理器对V/F变换器12的输出信号处理后再保存到存储器，最后调制解调器将实时测量结果传送到控制协调计算机13；

6.由检测到的A1、A2、A3、…、A8等区域的电流值为I₁为1241A、I₂为1266A、I₃为1229A、I₄为1235A、I₅为1203A、I₆为1186A、I₇为0A、I₈为1199A，以及各部分的面积S1、S2、S3、…、S8，通过计算机程序运行计算得到各个区域的电流密度J1为9.62×10⁷A/m²、J2为9.81×10⁷A/m²、J3为9.52×10⁷A/m²、J4为9.57×10⁷A/m²、J5为9.32×10⁷A/m²、J6为9.19×10⁷A/m²、J7为0A/m²、J8为9.29×10⁷A/m²。其中A7区域没有检测到电流密度，在自动螺柱焊过程中产生偏弧；

实施例3

以直径为20mm的Q235螺柱和18mm厚装甲钢板为例。

1.将直径为20mm的螺柱5用车床加工为直径为18mm带有凸台且锥角120°的螺柱；

2.对螺柱的表面和母材待焊区使用细砂纸进行打磨，后用丙酮进行清洗，最后用酒精进行擦拭并快速吹干；

3.将带有陶瓷圈的螺柱利用气爪固定在焊枪前端，具体操作方式与焊接参数为：提升螺柱高度为2mm，焊接电流为1600A，拉弧时间750ms，完成焊接后保持焊枪与母材的垂直位置关系40s；

4.启动机器人自动化焊接与偏弧检测传感器，此时上接收极石墨板14的环形采集缝宽度20为0.6mm；

5.当喷射的电弧扫过上接收石墨板14的环形采集缝20时，透过上接收石墨板14的电流被下接收石墨板17接收，并将电流值通过型号U2774E03分流器11转换成电压信号，通过线性放大器将获取的电压信号进行放大，放大的信号通过A/D转换器外接阻容件构成的采集电路进入V/F变换器12，完成模拟量到数字量的转换，微处理器对V/F变换器12的输出信号处理后再保存到存储器，最后调制解调器将实时测量结果传送到控制协调计算机13；

6.由检测到的A1、A2、A3、…、A8等区域的电流值为I₁为1611A、I₂为1661A、I₃为1689A、I₄为1674A、I₅为1608A、I₆为0A、I₇为0A、I₈为0A，以及各部分的面积S1、S2、S3、…、S8，通过计算机程序运行计算得到各个区域的电流密度J1为9.66×10⁷A/m²、J2为9.98×10⁷A/m²、J3为1.01×10⁸A/m²、J4为1×10⁸A/m²、J5为9.64×10⁷A/m²、J6为0A/m²、J7为0A/m²、J8为0A/m²。其中A6区域、A7区域和A8区域没有检测到电流密度，在自动螺柱焊过程中产生偏弧且偏弧严重。

Claims (5)

1.一种实时测量螺柱焊过程中偏弧的方法，其特征在于，该方法具体包括以下步骤：

步骤1、将偏弧检测传感器(3)安装于变位工作台(1)上；

步骤2、启动自动螺柱焊控制器(6)与偏弧检测传感器(3)，偏弧检测传感器(3)由上接收石墨板(14)、下接收 石墨板(17)和中间绝缘分隔带(21)组成，拉弧时通过上接收 石墨板(14)的圆环形采集缝(20)收集数据；

步骤3、绝缘分隔带(21)将下接收石墨板(17)的采集区域等分成8等份记为A1、A2、A3、…、A8，当喷射的电弧扫过环形采集缝(20)时，透过上接收石墨板(14)的电流被下接收石墨板接收(17)，并将电流值通过分流器(11)转换成电压信号再被V/F变换器(12)进行处理；

步骤4、将A1、A2、A3、…、A8区域的输出信号上传至控制协调计算机(13)，由各部分的面积S1、S2、S3、…、S8，通过公式J＝I/S计算机程序计算得到各个区域的电流密度J1、J2、J3、…、J8，当上述A1、A2、A3、…、A8区域中的未检测出电流密度即为发生偏弧区域；

步骤5，统计偏弧区域个数并判断偏弧程度。

2.根据权利要求1所述的实时测量螺柱焊过程中偏弧的方法，其特征在于，步骤1使用的偏弧检测传感器(3)，采用石墨板作为上接收石墨板(14)和下接收石墨板(17)螺柱(5)正下方中心部位设置与螺柱直径相匹配的引弧孔(4)，环形采集缝(20)的宽度为0.5mm-1mm。

3.根据权利要求1所述的实时测量螺柱焊过程中偏弧的方法，其特征在于，步骤3中，下接收 石墨板(17)被划分成八块区域，由绝缘分隔带(21)分隔开，每块区域由独立的分流器(11)采集电流信号。

4.根据权利要求1所述的实时测量螺柱焊过程中偏弧的方法，其特征在于，用于螺柱直径在14mm以上的螺柱焊。

5.根据权利要求1所述的实时测量螺柱焊过程中偏弧的方法，其特征在于，步骤5中，当统计偏弧区域个数为1时则存在偏弧，当统计偏弧区域个数大于等于3个区域时则偏弧严重。

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