陳志遠　傅強　朱雅瓊　吳一飛

摘要：針對手工焊接過程中焊接線能量無法實時、準確測量的問題，提出了一種線能量在線檢測方法。設(shè)計了具有一定柔性的弧光捕捉機構(gòu)，可以適應(yīng)全位置手工焊接中不同的焊道。重點研究由弧光信號向電信號的轉(zhuǎn)換技術(shù)，進而搭建以STM32單片機為控制核心的信號處理系統(tǒng)，完成焊接線能量數(shù)字量的實時顯示。焊接試驗表明，該方法實時性好，且檢測精度滿足要求。

關(guān)鍵詞：焊接線能量;全位置焊接;在線檢測;STM32單片機

中圖分類號：TG434文獻標志碼：A文章編號：1001-2303（2020）03-0024-04

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2020.03.04

0 前言

焊接線能量是影響焊接接頭性能的重要因素之一。若焊接線能量過大，熱影響區(qū)過寬，導(dǎo)致焊接接頭的韌性下降;若焊接線能量過小，焊接接頭的冷卻速度增快，易形成冷裂紋[1]。因此，對焊接線能量進行實時監(jiān)測有利于焊接操作人員設(shè)置合適的焊接參數(shù)，進而提高焊接質(zhì)量。

由焊接線能量公式Q=UI/v可知，焊接線能量與電弧電壓、焊接電流以及焊接速度有關(guān)[2]。其中電弧電壓和焊接電流可以通過霍爾傳感器測得，而焊接速度的測量則較為困難。對于全自動焊接，焊接速度通過編碼器測得，對于傳統(tǒng)的手工焊接，并沒有專門的傳感器能夠直接檢測其焊接速度;目前常用焊縫總長度除以總的焊接時間來粗略估計焊接速度。這種測量方法不僅精度低，而且不能實時獲得焊接速度，缺點明顯。有研究者采用在焊槍上裝滾輪的方法將焊接速度轉(zhuǎn)化為滾輪轉(zhuǎn)速，之后通過測速儀顯示出來[3]。這樣得出的結(jié)果精度受滾輪行走面的影響，而且無法應(yīng)用在全位置焊接中。

為此，本文設(shè)計了一種用于檢測全位置手工焊接線能量的裝置。該裝置不僅提高了焊接線能量的檢測精度，還為焊接工藝參數(shù)的制定提供了可靠的數(shù)據(jù)。

1 焊接速度檢測原理

相對于通過檢測焊槍或焊接小車的速度來反映焊接速度的方法，電弧的移動速度才更直接、準確地反映了焊接過程中瞬時的焊接速度。全位置手工焊接方法中的焊接電弧多為明弧，因此，本研究將移動電弧作為光源，設(shè)計了一種光電法來檢測電弧移動速度，光電法的檢測原理如圖1所示。裝置由若干個相同的光敏器件組成（圖1表示其中3個光敏器件），每個光敏器件安裝于遮光管內(nèi)，其感光部位正對于焊道，遮光管沿焊道方向陣列排布，每隔一固定距離以柔性部件兩兩連接。當(dāng)電弧正對于某一遮光管管口的位置時（圖1位置A、C），便會觸發(fā)遮光管內(nèi)部的光敏器件產(chǎn)生突變，而其他位置的光敏器件由于遮光管的遮擋不會被觸發(fā);當(dāng)電弧處于柔性連接件前位置時（圖1位置B），受到所有遮光管的遮擋不會觸發(fā)任一個光敏器件。

隨著手工焊接的進行，電弧沿焊道方向經(jīng)過各個光敏器件，光敏器件會被依次觸發(fā)產(chǎn)生脈沖信號，經(jīng)后續(xù)的電路調(diào)理后，便會輸出一組矩形脈沖信號，如圖2所示。

圖2中，t1為電弧從第一個遮光管移動到第二個遮光管所用的總時間，tx1為電弧經(jīng)過第一個遮光管使光敏器件持續(xù)觸發(fā)所用的時間。在保證遮光管之間距離l一定的情況下，電弧從第m個遮光管到第m+1個遮光管之間的平均速度vm可以用式（1）計算：

2 弧光捕捉機構(gòu)的設(shè)計

依據(jù)上述原理設(shè)計弧光捕捉機構(gòu)，光敏器件采用光敏三極管。根據(jù)光譜學(xué)原理，焊接電弧中各組分（包括保護氣體和金屬元素）的發(fā)射光譜具有一定的輻射頻域特征[4]。統(tǒng)計各種常見電弧焊方法的輻射頻域特征，其分布曲線并非光滑連續(xù)，在波長200～1 000 nm內(nèi)會疊加分布著線光譜，而在波長800 nm左右處線光譜較為密集，形成一個波峰[5]。根據(jù)這些特征，選用型號為3DU5C的光敏三極管，該器件的感光波長范圍為750～1 050 nm，相對感度在900 nm處達到最大，適宜焊接電弧的輻射頻域。

由焊接速度檢測原理可知，弧光捕捉機構(gòu)需要沿焊道方向與焊道保持平行，而手工焊接存在平焊、立焊、仰焊等多種方式，為了滿足全位置焊接檢測的需要，該弧光捕捉機構(gòu)應(yīng)具有一定的柔性，可以適用于多種焊接場景。

弧光捕捉機構(gòu)的爆炸視圖如圖3所示。該機構(gòu)可以看成由若干個相同的小組件組成，每個小組件由擋圈、鏈條片、端部片、遮光管、磁鐵和光敏三極管組成，圖中僅表示了3個小組件。光敏三極管安裝于遮光管管內(nèi)一端，受遮光管的遮擋，保證僅垂直管面入射的弧光能夠觸發(fā)光敏三極管。遮光管外部設(shè)計成階梯狀，分別安裝擋圈、端部片、鏈條片和環(huán)形磁鐵。鏈條片之間間隙配合，可以相互轉(zhuǎn)動，使得整個弧光捕捉機構(gòu)能根據(jù)焊道的不同而彎曲。磁鐵吸附在磁性工件上，起到快速固定的作用。

弧光捕捉機構(gòu)工作狀態(tài)如圖4所示。對于直徑不同的各類鋼管，通過控制小組件的數(shù)量來達到良好的適應(yīng)性。

3 信號處理系統(tǒng)的設(shè)計

信號處理系統(tǒng)由電源模塊、光電轉(zhuǎn)換電路、霍爾傳感器、微型處理器以及顯示屏組成，如圖5所示。由光敏三極管產(chǎn)生的雜亂電信號經(jīng)光電轉(zhuǎn)換電路處理后，轉(zhuǎn)變成規(guī)則的矩形脈沖波形。微型處理器選用型號為STM32C8T6的單片機，該單片機的定時器具有輸入捕獲功能，可以在檢測到脈沖信號的上升沿時開始計時[5]。由光電法的檢測原理可知，兩個上升沿之間的時間便是tm。由定時器得到tm后，經(jīng)單片機運算，得出焊接速度的數(shù)值。焊接電流與電弧電壓通過霍爾傳感器進行檢測，經(jīng)AD轉(zhuǎn)換成數(shù)字量后，與焊接速度進行運算，得出焊接線能量的數(shù)值。綜合考慮成本、顯示效果、傳輸速率等原因，選用IIC通訊的OLED作為顯示屏。

3.1 光電轉(zhuǎn)換電路

隨著電弧逐漸接近和遠離光敏三極管，其對光敏三極管的照度會逐漸增強和降低，光敏三極管會感應(yīng)出緩升和緩降的電信號。如果焊接速度過慢，STM32單片機的上升沿捕獲可能會忽略緩升信號。為了保證每個光敏三極管的觸發(fā)能被捕獲，需要將緩升信號調(diào)理成陡升，為此設(shè)計了如圖6所示的光電轉(zhuǎn)換電路。

該電路以LM393比較器為核心控制器件，RP*2與R3串聯(lián)，RP*2上的分電壓作為比較器的反向輸入端，可以通過調(diào)節(jié)滑動變阻器RP*2的阻值來改變閥值電壓;若干個光敏三極管并聯(lián)后與RP*1串聯(lián)，RP*1上的分電壓作為比較器的同向輸入端。當(dāng)同向輸入端電壓大于反向輸入端電壓時，輸出3.3 V，反之輸出0 V。輸出端只會存在0 V和3.3 V兩個電平狀態(tài)，因此輸出的波形陡升、可靠。

3.1 程序設(shè)計

光敏三極管上的電信號經(jīng)信號調(diào)理電路處理后，會輸出如圖2所示的矩形脈沖信號給STM32C8T6單片機。為此需設(shè)計程序來驅(qū)動單片機處理矩形脈沖信號，轉(zhuǎn)化為表示焊接速度的數(shù)字量，并通過OLED顯示出來。

該程序使用一個基本定時器和一個通用定時器，基本定時器在OLED開機畫面顯示結(jié)束后開始計時，每過0.5 s便會產(chǎn)生一次中斷，觸發(fā)OLED更新顯示焊接速度的實時值。通用定時器具有輸入捕獲功能，經(jīng)過初始化配置后，能自動檢測到I/O口上的上升沿電平。通用定時器在第一次檢測到上升沿，也就是開始進行實際焊接速度測量時開始計時，保證第一次測出的焊接速度值準確。之后每當(dāng)捕獲到上升沿電平時，就會讀取通用定時器T2值，該值是電弧經(jīng)過相鄰兩個光敏三極管所用的時間，經(jīng)計算后得出焊接速度的數(shù)字量，然后將通用定時器T2置零，進入下一循環(huán)。

4 手工焊接試驗驗證

采用PM5000系列的水冷數(shù)字MIG焊機、φ1.2 mm的E5356焊絲，在厚度為4 mm的6063角鋁上進行焊接試驗。為保證焊接電弧穩(wěn)定，采用交流電源，焊接電流控制在100 A左右，電弧電壓約為17 V。

弧光捕捉機構(gòu)平行置于待焊焊道10～15 cm前，保證電弧與光敏三極管處于同一水平線上。并采用型號為UTD2102CM的數(shù)字示波器測量光電轉(zhuǎn)換電路的輸出端電壓。開始焊接，每隔10 s記錄OLED顯示的數(shù)據(jù)，如表1所示。

由表1可知，檢測到的焊接電流和電弧電壓與實際焊機的輸出值基本吻合，浮動不大。將OLED顯示的焊接速度值與圖7所示的示波器波形進行比較分析，示波器波形為矩形脈沖波，符合預(yù)期，且通過波形計算的焊接速度與OLED的顯示值一致。

經(jīng)過計算，檢測到的整條焊縫平均焊接線能量為450 J/mm。人工計時整個焊接過程的總用時為50 s，測量焊縫總長度183 mm，結(jié)合MIG焊機設(shè)定的焊接電流與電弧電壓，計算平均焊接線能量為464 J/mm。整條焊縫的平均線能量誤差在3%以內(nèi)，具有極高的檢測精度。

5 結(jié)論

（1）通過對全位置手工焊接線能量檢測難點的分析，提出了一種采用光敏器件檢測焊接速度的方法，進而研究出一套焊接線能量在線檢測技術(shù)。

（2）焊接試驗表明，該技術(shù)相較于傳統(tǒng)的測量方法，可以在一條焊縫上得到更多實時數(shù)據(jù)，且檢測結(jié)果誤差極小。

（3）該技術(shù)適應(yīng)于全位置、多種明弧手工焊接的線能量在線檢測，為獲得良好的焊接質(zhì)量提供了保障。

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