范 越

河海大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，江蘇 常州 213022

0 前言

焊接線能量是影響焊接接頭性能的重要因素。若焊接線能量過大，會(huì)導(dǎo)致熱影響區(qū)范圍擴(kuò)大，焊接接頭的塑韌性急劇下降，甚至出現(xiàn)孔洞型缺陷[1-2]；若焊接線能量過小，焊接接頭的冷卻速度快，易形成淬硬組織，增加冷裂紋傾向。因此，對(duì)焊接線能量進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)有利于焊接操作人員設(shè)置并調(diào)整合適的焊接參數(shù)，提高焊接質(zhì)量。

焊接線能量由焊接電壓、焊接電流以及焊接速度三部分組成。其中焊接電壓與焊接電流可通過霍爾傳感器直接獲取，而焊接速度（特別是手工焊接速度）的測(cè)量極為困難。通常采用人工測(cè)量估算焊接速度，即測(cè)量焊道的總長(zhǎng)度，記錄焊接總時(shí)間，二者的比值即為焊接速度，該方法測(cè)量誤差大、實(shí)時(shí)性差、費(fèi)時(shí)費(fèi)力。因此焊接速度的在線檢測(cè)是焊接線能量檢測(cè)的關(guān)鍵所在[3-4]。

對(duì)于焊接速度檢測(cè)技術(shù)的研究，可分為自動(dòng)焊過程中速度檢測(cè)和手工焊接速度檢測(cè)。目前自動(dòng)焊主要依靠編碼器來測(cè)量焊接小車的行走速度或焊接滾輪架的轉(zhuǎn)速。對(duì)于手工焊而言，受人工操作的影響在焊槍上裝夾速度傳感器較為困難，需研制特定的速度傳感器進(jìn)行測(cè)速。西安交通大學(xué)研制出一種光電式焊接速度傳感器[5]，利用光柵尺原理設(shè)計(jì)了固定長(zhǎng)度的剛性調(diào)制板，將弧光的行走速度轉(zhuǎn)換為對(duì)應(yīng)的脈沖信號(hào)，從而在線計(jì)算焊接速度；該技術(shù)中調(diào)制板的長(zhǎng)度固定且為剛性，無法用于檢測(cè)環(huán)縫焊接等彎曲場(chǎng)合下的焊接速度，其通用性和靈活性受到限制[6]。但其利用光電器件記錄電弧通過相鄰兩狹縫的時(shí)間，為后續(xù)研究設(shè)計(jì)焊接速度傳感器提供了思路。河海大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)提出一種利用光敏器件檢測(cè)焊接速度的方法，并設(shè)計(jì)了柔性弧光捕捉機(jī)構(gòu)，針對(duì)長(zhǎng)直焊縫及規(guī)則的環(huán)焊縫的手動(dòng)焊接，能實(shí)現(xiàn)焊接速度的在線測(cè)量。本文在此基礎(chǔ)上改善了機(jī)械部分設(shè)計(jì)，進(jìn)一步研究并優(yōu)化了弧光捕捉機(jī)構(gòu)各參數(shù)和不同應(yīng)用場(chǎng)景下弧光捕捉機(jī)構(gòu)的布局，使之能適應(yīng)于所有的磁性金屬的全位置焊接，并且更加可靠靈活。

1 手動(dòng)焊接速度檢測(cè)原理

大多數(shù)焊接方法都為明弧焊接，故可以通過檢測(cè)弧光的位置變化來測(cè)量焊接速度。文中的光電檢測(cè)方法的測(cè)速原理如圖1所示[7-8]。

圖1 光電法測(cè)速原理Fig.1 Principle of photoelectric velocity measurement

光電檢測(cè)法以光電管的通斷來記錄弧光的移動(dòng)狀態(tài)，從而計(jì)算焊接速度。測(cè)速裝置由若干弧光捕捉機(jī)構(gòu)組成，且各弧光捕捉機(jī)構(gòu)之間為柔性連接，能夠改變形狀，使之始終與焊縫平行。如圖1所示，焊接過程中當(dāng)電弧移動(dòng)到AA'位置時(shí)，1號(hào)光電管接收弧光并導(dǎo)通，輸出脈沖；當(dāng)電弧位于A'B位置時(shí)，弧光受到遮光管的阻擋不會(huì)觸發(fā)任何一個(gè)光電器件；當(dāng)電弧位于BB'位置時(shí)，2號(hào)光電管接收弧光并導(dǎo)通輸出脈沖。隨著焊槍的移動(dòng)，遮光管內(nèi)的光電器件依次被觸發(fā)，產(chǎn)生一系列脈沖信號(hào)，通過后續(xù)處理電路的調(diào)理整形后得到一組規(guī)則的矩形波，將這一規(guī)則的矩形波輸入單片機(jī)計(jì)算，得出實(shí)時(shí)焊接速度。

2 焊接速度傳感器設(shè)計(jì)

焊接速度傳感器的目的是將焊接速度轉(zhuǎn)換為脈沖信號(hào)，送入單片機(jī)中進(jìn)行計(jì)算，其核心是弧光捕捉機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)及各項(xiàng)參數(shù)的確定。

2.1 弧光捕捉機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

弧光捕捉機(jī)構(gòu)如圖2所示，外部結(jié)構(gòu)如圖2a所示，鏈條片之間間隙配合，可以相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)，使得整個(gè)弧光捕捉機(jī)構(gòu)能夠根據(jù)焊縫的不同而彎曲。環(huán)形磁鐵可以吸附在磁性工件上，起到快速固定的作用。內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2b所示，包括遮光管、光敏三極管和濾光片等主要部件。光敏三極管置于燈罩內(nèi)，安裝在遮光管內(nèi)遠(yuǎn)離弧光一端，并保證感光部位正對(duì)弧光。相鄰兩種遮光管之間通過連接片等距相連，連接片之間可以相互轉(zhuǎn)動(dòng)，使得速度傳感器具有一定的柔性，在特定平面內(nèi)達(dá)到自由彎曲的效果。

圖2 弧光捕捉機(jī)構(gòu)Fig.2 Arc capture mechanism

遮光管的設(shè)計(jì)主要考慮結(jié)構(gòu)和參數(shù)兩個(gè)方面。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上為減少散射弧光對(duì)裝置的影響，避免光敏三極管捕捉到錯(cuò)誤的弧光信號(hào)，將遮光管內(nèi)部作發(fā)黑處理，并在弧光入口處設(shè)置濾光片，避免散射弧光對(duì)光電管的誤觸發(fā)。遮光管的參數(shù)設(shè)計(jì)主要包括遮光管孔徑、管長(zhǎng)、兩遮光管之間距離以及遮光管和焊縫之間的距離，這些參數(shù)對(duì)弧光照射的影響如下：

（1）遮光管長(zhǎng)度l的影響。如圖3所示，當(dāng)遮光管長(zhǎng)度由l1增加到l2時(shí)，弧光對(duì)光電管照射的有效范圍由A1A1'縮短至A2A2'，脈沖寬度變小，與此同時(shí)，脈沖之間的距離變大。

圖3 不同長(zhǎng)度遮光管的擋光效果Fig.3 Light blocking effect of light shielding tubes with different lengths

（2）遮光管孔徑d的影響。依據(jù)光學(xué)原理分析遮光管孔徑對(duì)遮光效果的影響，如圖4所示，當(dāng)遮光管的內(nèi)孔徑為d1時(shí)，弧光對(duì)光電管照射的有效范圍是A2A2'；當(dāng)孔徑增大到d2時(shí)，弧光對(duì)光電管照射的有效范圍擴(kuò)大到A1A1'。故遮光管的孔徑越大，所能通過的斜射弧光越多，輸出脈沖的寬度就越大，與此同時(shí)，兩個(gè)脈沖之間的距離將會(huì)縮小，甚至重疊。

圖4 不同孔徑遮光管的擋光效果Fig.4 Light blocking effect of light shielding tubes with different aperture

（3）遮光管和焊縫之間的距離w的影響。如圖5所示，隨著w增大時(shí)，脈沖寬度增加、脈沖之間的距離減小，甚至重疊，其影響效果等同于遮光管直徑增加。因此，需設(shè)計(jì)合適的遮光管間距同時(shí)滿足測(cè)量精度及擋光效果，設(shè)備工作時(shí)也應(yīng)與待焊工件保持合適的距離。

圖5 遮光管與焊縫之間不同距離的擋光效果Fig.5 Light blocking effect of different distance between light shielding pipe and weld

（4）兩遮光管之間距離s的影響。由焊接速度檢測(cè)原理可知，s越小，得到的焊接速度值越準(zhǔn)確。但由光學(xué)原理可知，s越小，擋光效果越差，光電器件接收到的弧光越多。如圖6所示，在斜射弧光相同的情況下，當(dāng)遮光管之間距離不斷減小時(shí)，AA'和BB'的長(zhǎng)度保持不變，而A'B距離減小，這意味著脈沖寬度不變、脈沖之間的距離減小，當(dāng)距離過小時(shí)，會(huì)導(dǎo)致兩個(gè)脈沖部分重疊。

圖6 不同間距遮光管的擋光效果Fig.6 Light blocking effect of light shielding tubes with different spacing

依據(jù)上述原理并進(jìn)行多次測(cè)試，最終選定遮光管的管長(zhǎng)為70 mm，兩端孔徑為8.4 mm，中心孔徑為5 mm，與待焊工件之間距離為200 mm，兩遮光管之間距離為40 mm，調(diào)試后發(fā)現(xiàn)在誤差范圍內(nèi)光敏三極管捕捉的光信號(hào)準(zhǔn)確，有效降低了斜射弧光的干擾。

2.2 手工焊接速度傳感器設(shè)計(jì)

手工焊接速度傳感器包含若干個(gè)相同的弧光捕捉機(jī)構(gòu)，每個(gè)弧光捕捉機(jī)構(gòu)通過連接片或連接鉸鏈進(jìn)行組裝，以適用不同形狀焊縫的檢測(cè)。常見的組裝方式如圖7所示（以3個(gè)弧光捕捉機(jī)構(gòu)為例）。

圖7 不同形狀焊縫時(shí)弧光捕捉機(jī)構(gòu)的布局Fig.7 Layout of arc light capture mechanism for different shape welds

圖7a為平面直焊縫或環(huán)焊縫的弧光捕捉機(jī)構(gòu)布局，各遮光管之間通過連接片組裝，保證遮光管的軸線垂直于焊縫即可。圖7b為平面圓形焊縫或不規(guī)則的弧形焊縫的遮光管布局，可以通過連接鉸鏈組裝，同時(shí)保證遮光管的軸線與焊縫垂直。弧光捕捉機(jī)構(gòu)可以通過磁鐵或者吸盤固定在工件上。

3 信號(hào)處理系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

3.1 光電轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)原理

光敏三極管集電極的電流大小與入射光的照度呈正比，當(dāng)弧光逐漸靠近遮光管時(shí)，光敏三極管接收到的弧光持續(xù)增加，輸出的電流也緩慢增大。當(dāng)弧光正對(duì)遮光管時(shí)，照射光的強(qiáng)度最大，光敏三極管接收到的弧光最多，輸出的電流達(dá)到最大值。當(dāng)弧光逐漸遠(yuǎn)離遮光管時(shí)，其強(qiáng)度逐漸減弱，光敏三極管輸出的電流逐漸減小。隨著弧光的移動(dòng)，弧光捕捉機(jī)構(gòu)輸出一組緩升緩降的波形，這樣的波形不利于單片機(jī)進(jìn)行處理，需設(shè)計(jì)整形電路將緩升緩降的波形調(diào)理成陡升陡降的脈沖波形，單片機(jī)通過捕獲輸入信號(hào)的上升沿進(jìn)行定時(shí)，經(jīng)電路處理后的波形變化如圖8所示。

圖8 波形變化示意Fig.8 Waveform change diagram

3.2 光電電路設(shè)計(jì)

由前文分析可知，當(dāng)弧光運(yùn)動(dòng)到對(duì)應(yīng)的遮光管時(shí)，僅該處的弧光捕捉機(jī)構(gòu)產(chǎn)生一個(gè)脈沖。將所有的弧光捕捉機(jī)構(gòu)在電路上設(shè)計(jì)為并聯(lián)，則可將每個(gè)弧光捕捉機(jī)構(gòu)的脈沖串聯(lián)形成一系列的脈沖信號(hào)，將這些脈沖信號(hào)進(jìn)行濾波、整形，從而便于單片機(jī)的處理與計(jì)算。光電轉(zhuǎn)換電路如圖9所示。圖中C1為濾波電容，可濾去波形中的噪聲，特別是針對(duì)短路過渡的焊條電弧焊和氣保焊，能濾除短路過渡的波形干擾。手工MIG焊時(shí)濾波前后的波形如圖10所示，采用電容濾波后，可獲得圖10b所示的脈沖波形。整形電路是LM393組成的開環(huán)比較器，將光敏三極管輸出的連續(xù)波形轉(zhuǎn)變?yōu)閱纹瑱C(jī)能識(shí)別的開關(guān)信號(hào)。

圖9 光電轉(zhuǎn)換電路Fig.9 Photoelectric conversion circuit

圖10 手工MIG焊接時(shí)檢測(cè)波形Fig.10 Detection waveform of manual MIG welding

4 試驗(yàn)結(jié)果分析

采用YD-400AT3HV松下直流手工焊機(jī)進(jìn)行SMAW焊接試驗(yàn)，焊接母材為Q235，焊條為E4303 φ2.5 mm，焊接電流140 A，焊接電壓27 V，焊縫長(zhǎng)度取250 mm?；」獠蹲綑C(jī)構(gòu)平行置于待焊焊道前10～15 cm。采用相同參數(shù)進(jìn)行4次焊接測(cè)試，記錄每次焊接所用的總時(shí)間，計(jì)算出焊接速度的平均值，將其與檢測(cè)數(shù)據(jù)的平均值進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性。試驗(yàn)得到的焊接參數(shù)如表1所示?？梢钥闯龈鹘M焊接速度的平均值相差不大，驗(yàn)證出焊接速度傳感器檢測(cè)穩(wěn)定，測(cè)量結(jié)果準(zhǔn)確度高。

表1 手動(dòng)焊接時(shí)焊接速度檢測(cè)數(shù)據(jù)Table 1 Welding speed test data during manual welding

采用PM5000水冷數(shù)字MIG焊機(jī)、φ1.2 mm的E5356焊絲，在6063鋁板上進(jìn)行MIG焊接試驗(yàn)。通過焊接小車維持焊接速度3.6 mm/s不變，焊縫長(zhǎng)度250 mm，在待焊焊道前10～15 cm平行放置弧光捕捉機(jī)構(gòu)。通過4組試驗(yàn)來驗(yàn)證自動(dòng)焊接時(shí)該設(shè)備檢測(cè)焊接速度的準(zhǔn)確性，試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表2所示?？梢钥闯?，實(shí)測(cè)的焊接速度基本維持在3.6 mm/s附近，說明本檢測(cè)方法具有較高的精度，同時(shí)也能適應(yīng)于自動(dòng)焊的焊接速度檢測(cè)。

表2 自動(dòng)焊接時(shí)焊接速度檢測(cè)數(shù)據(jù)Table 2 Welding speed test data during automatic welding

5 結(jié)論

（1）設(shè)計(jì)基于光電檢測(cè)原理的弧光捕捉機(jī)構(gòu)來檢測(cè)手動(dòng)焊接速度，具體分析弧光捕捉機(jī)構(gòu)各參數(shù)對(duì)于檢測(cè)效果的影響，進(jìn)一步探討弧光捕捉機(jī)構(gòu)在不同應(yīng)用場(chǎng)景下的布局。

（2）通過手工焊接與自動(dòng)焊接的試驗(yàn)對(duì)比，該方法能夠精準(zhǔn)測(cè)量焊接速度的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，從而進(jìn)行焊接線能量的在線檢測(cè)，為獲得良好的焊接質(zhì)量提供保障。

（3）由于弧光捕捉機(jī)構(gòu)是通過環(huán)形磁鐵固定在被焊工件上，所以針對(duì)非磁性工件的焊接，可采用加裝吸盤等方式實(shí)現(xiàn)裝置的固定，使該方法更方便靈活。