（材料加工工程专业论文）等离子弧焊小孔信号的等离子云传感研究.pdf

中文摘要等离子弧焊接过程中，熔池小孔的稳定性是影响等离子弧焊接过程稳定性及接头质量的重要因素。在焊接过程中，检测小孔状态并实时控制，从而提高焊接质量是当前等离子弧焊接质量控制的研究核心。本文研制开发了等离子弧焊接信号检测系统。对等离子弧焊接过程中，等离子云现象进行了深入研究，分析了等离子云现象产生的机制及其条件。指出等离子云形态变化与熔池小孔状态密切相关，通过检测等离子云形态变化可以检测熔池小孔状态。本文对探针法检测等离子云的机理、影响因素以及等离子弧焊接过程中，等离子云信号的波形特征做了深入研究。指出熔池小孔形成、闭合过程中，等离子云出现一个周期的翘摆运动，等离子云检测信号也随之出现一个负脉冲信号。分析表明，这个负脉冲信号可以作为等离子弧焊接过程中小孔状态变化的特征判据；负脉冲信号的频率则可以作为脉冲焊接是否保持“一脉一孔”焊接的特征判据。在此基础上，本文研制了实用化的多探针等离子云传感器，并利用尾焰传感器对比检验了所设计传感器的可靠性及检测精度。最后，本文以设计的等离子云传感器为基础，探讨了等离子弧焊接熔透闭环控制。结果表明，等离子云信号可以很好地反映出熔池熔深以及小孔尺寸的变化，等离子云传感方法是一种实用的小孔信号传感方法。关键词：等离子弧焊；小孔；等离子云传感；一脉一孔a b s t r a c td u r i n gk e y h o l ep l a s m aa r cw e l d i n g t h es t a b i l i t yo fk e y h o l ei so fc r i t i c a li m p o r t a n c e t h eq u a l i t yo ft h ew e l d i n gj o i n ta n dt h es t a b i l i t yo ft h ew e l d i n gp r o c e s sd e p e n ds t r o n g l yo nt h ek e y h o l es t a b i l i t y i ti sp i v o t a lt os e n s ea n dc o n t r o lt h ek e y h o l es t a t u si nr e a lt i m et oi m p r o v et h ew e l d i n gq u a l i t yd u r i n gw e l d i n gp r o c e s s b yu s i n gt h ed e v e l o p e dm u l t i c h a n n e ls i g n a la c q u i s i t i o na n dp r o c e s s i n gs y s t e m ，t h i sp a p e rh a ss y s t e m a t i c a l l ys t u d i e dt h ep l a s m ac l o u dp h e n o m e n a ，a n a l y z e dt h em e c h a n i s ma n dr e q u i r e m e n to ft h ep l a s m ac l o u d sa p p e a r a n c e i tw a sf o u n d e dt h a tt h es h a p ec h a n g eo ft h ep l a s m ac l o u di ss t r o n g l yc o r r e l a t e dw i t ht h ek e y h o l es t a t u s ，a n db ys e n s i n gt h es h a p ec h a n g eo ft h ep l a s m ac l o u d ，t h ek e y h o l es t a t u sc o u l db ed e t e c t e d t h e nt h ep a p e rd i ds y s t e m a t i c a l l ys t u d yo nt h ep r i n c i p l ea n di n f l u e n c ef a c t o ro fs e n s i n gt h ep l a s m ac l o u d ss h a p ec h a n g eu s i n gt h em e t a lp r o b e i tw a sf o u n d e dt h a tn om a t t e ri nd co rp u l s ec u r r e n tk e y h o l ep l a s m aa r cw e l d i n gp r o c e s s ，d u r i n gt h ef o r m a t i o na n dc l o s eo ft h ek e y h o l e ，t h ep l a s m ac l o u dw i l ls w i n gp e r i o d i c a l l y ，a n dt h ep l a s m ac l o u ds i g n a ld e t e c t e dw i l la c c o r d i n g l yp r o d u c eau n d e r s h o o tt h i su n d e r s h o o tc o u l db eu s e da st h ec r i t e r i o no ft h ek e y h o l es t a t u s ，a n da l s ot h ef r e q u e n c yo ft h eu n d e r s h o o tc o u l db eu s e da st h ec r i t e r i o nt oj u d g ew h e t h e rt h ep u l s ew e l d i n gi so n e - p u l s e o n e k e y h o l e o nt h eb a s i so ft h ea b o v es t u d y , t h ep a p e rd e v e l o p e da na p p l i e dm u l t i p r o b ep l a s m ac l o u dc h a r g es e n s o r ，a n dt e s t e dt h er e l i a b i l i t ya n dp r e c i s i o no fi tc o m p a r i n gw i t ht h ed e s i g n e de f f l u xp l a s m ac h a r g es e n s o la tl a s t ，b a s e do nt h ed e v e l o p e dp l a s m ac l o u ds e n s o r ，t h ep a p e rs t u d i e dt h ec l o s e l o o pp e n e t r a t i o nc o n t r o lo ft h ep l a s m aa r cw e l d i n g i tw a ss h o w nt h a tt h ep l a s m ac l o u ds i g n a ld e t e c t e dc a l lr e f l e c tt h ei n f o r m a t i o no ft h ep e n e t r a t i o na n dk e y h o l e a l lt h ea b o v er e s e a r c hc o n c e r n i n gt h ep l a s m ac l o u dh a ss h o w nt h a tt h ep l a s m ac l o u ds e n s i n gi sap r o m i s i n ga n da p p l i e ds e n s i n gt e c h n o l o g yi nk e y h o l ep l a s m aa r cw e l d i n g k e yw o r d s ：p a w ；k e y h o l e ；p l a s m ac l o u ds e n s i n g ；o n e - p u l s e - o n e - k e y h o l el i独创性声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得叁洼蠢茎或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示了谢意。学位论文作者签名：头三仪签字目期：1 x y 年1 月2 口! e l学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解：墨盗苤鲎有关保留、使用学位论文的规定。特授权墨盗盘鲎可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明)学位论文作者签名：幸玉之导师签名签字日期：协，年f胃弘曰签字目期：冲f 年月矽目第一章绪论1 1 引言第一章绪论焊接作为一种材料连接及成型工艺，已成为现代制造技术中不可缺少的部分。它与国民经济各个部门，如矿山、冶金、国防、化工、航空、海洋工程开发等方面的发展，有着直接的关系。今天的焊接技术水平已成为衡量一个国家工业和科学技术发展水平的重要标志。现在制造工业离不开焊接技术，同时也对焊接技术提出了更高的要求。因此，如何提高焊接技术水平，保证可靠的焊接质量成了当前焊接技术研究的热点。其中一个重要研究方向就是焊接过程质量控制。长期以来，如何在焊接过程中实时获取表征焊接质量的信息，进而实现焊接过程质量控制，以期获得稳定、优良的焊接质量一直是国内外科研人员的主要任务【2j 。1 2 等离子弧焊接的研究进展等离子弧焊接是一种利用等离子弧作为热源的焊接方法。等离子弧是一种特殊形式的电弧，它借助等离子弧焊枪喷嘴等外部拘束条件使电弧受到压缩而形成的高温、高电离度、高能量密度电弧。按照焊缝成型原理，等离子弧焊接通常有熔透型和小孔型两种基本方法。焊接过程中，仅工件熔透而不产生小孔效应的等离子弧焊接方法称为熔透型焊接法。熔透法焊缝成型原理与钨极氩弧焊类似，主要应用于薄板焊接及厚板多层焊。利用小孔效应实现等离子弧焊接的方法称为小孔型焊接法，通常所提的等离子弧焊接是指小孔型等离子弧焊接川。小孔型等离子弧焊接由于其焊正蕊埠疆夏e 囹反面焊缝图1 1 小孔型等离子弧焊接第一章绪论1 1 引言第一章绪论焊接作为一种材料连接及成型工岂，已成为现代制造技术中不可缺少的部分。它与国民经济各个部门，如矿i j 、冶金、国防、化工、航空、海洋工程开发等方面的发展，有着直接的关系。今天的焊接拄术水平已成为衡量一个国家工业和科学技术发展水平的重要标忐。现在制造工业离1 i 开焊接技术，同时也对焊接技术提出了更高的要求。因此，如何提高焊接技术水平，保证可靠的焊接质量成了当前焊接技术研究的热点。其中一个重要研究方向就是焊接过程质量控制。k 期以来，如何在焊接过程中实时获取表征焊接质量的信息，进而实现焊接过程质量控制，以期获得稳定、优良的焊接质量一直是国内外科研人员的主要任务日j 。12 等离子弧焊接的研究进展等离子弧焊接是一利一利用等离子弧作为热源的焊接方法。等离予弧是种特殊形式的电弧，它借助等离子弧焊枪喷嘴等外部拘束条件使电弧受到压缩而形成的高温、高电离度、高能量密度电弧。条件使电弧受到压缩而形成的高温、高电离度、高能量密度电弧。按照焊缝成型原理，等离子弧焊接通常有熔透型和小孔型两种基本方法。焊接过程中，仅工件熔透而不产生小孔效应的等离子弧焊接方法称为熔透型焊接法。熔透法焊缝成型原理与钨极氩弧焊类似，主要应用于薄板焊接及厚板多层焊。利用小孔效应实现等离子弧焊接的方法称为小孔型焊接法，通常所提的等离子弧焊接是指小孔型等离子弧焊接 】。小孔型等离子弧焊接由于其焊小孔型等离子弧焊接由于其焊正蘑埠疆堕显王习厦面捍缝图卜l 小孔型等离予弧焊接第一章绪论接过程中独特的“小孔效应”而得名。在焊接过程中，电弧受到水冷喷嘴的机械压缩、气流的热压缩、以及自身的磁压缩，使弧柱受压缩而形成稳定的、能量高度集中的等离子弧。在等离子弧流力和高度集中的电弧热输入作用下，加上金属材料的蒸发，导致杯状效应产生，形成长筒形小孔。小孔在液态金属表面张力和金属蒸汽作用下保持平衡，熔化金属沿着等离子弧柱流到小孔后面形成焊缝。小孔型等离子弧焊接与自由电弧焊接相比，具有热能量集中；焊缝深宽比大；电弧近似圆柱形，挺度好；气流速度高；可以在中厚管、板材料焊接时实现一次焊透、单面焊双面成形等特点。与其它高能柬流焊接( 如电子束焊和激光焊) 相比，具有设备简单、成本低以及加工效率高等优势。因此，该方法自问世以来，就一直受到人们的重视”j 。但是，等离子弧独特的物理性能，为小孔型等离子弧焊接带来了另一方面的问题：焊接质量稳定性差，这是制约等离子弧焊接工业应用及其自身技术发展的主要障碍。等离子弧焊接质量稳定性差最直观的表现有两个方面：一是焊接过程中等离子弧的稳定性差；电弧属于一种气体放电现象，电弧的能量状态受气体成分、电极状态、焊接材料等多种因素的影响。对于高能量密度的等离子弧来说，这种影响作用更为明显。因而，等离子弧对于焊接工艺参数的变化比较敏感，工艺参数波动、现场干扰阻及焊枪性能对等离子弧的稳定性影响极大，获得良好焊接接头质量的工艺参数区间窄、裕度小，大电流焊接条件下易出现双弧。二是焊缝成形的稳定性差；对于厚板小孔等离子弧焊接而言，这问题特别突出。为了解决等离子弧焊接质量稳定性问题，国内外开展了大量的应用基础研究工作。近年来，一些新的等离子弧焊接工艺不断出现，如等离子弧点焊、三重气体等离子弧焊、双面电弧焊等等。另一方面，等离子弧焊接设备整体性能不断提高，等离子弧焊接质量在很大程度上得到改善。进步提高等离子弧焊接自动化水平，实时控制熔透成型，是今后的研究发展重点【5 。多年的实践经验表明：等离子弧焊接过程中熔池小孔的稳定性是影响焊缝成型稳定性及焊接接头质量的关键因素” 。要获得高质量的焊接接头就必须对焊接过程实施闭环质量控制，以获得稳定的小孔形态及尺寸。小孔状态的传感检测与实时控制已成为该领域的重篼一章绪论要研究方向。能否在焊接过程中实时准确地获取小孔状态信号，是决定等离子弧焊接闭环质量控制这一应用技术研究能否取得实质性进展的关键所在。这也是本文研究工作的核心，等离子弧焊接熔池小孔信号的传感研究。1 3 熔池小孑l 信号的传感方法关于熔池小孔信号的传感，国内外已提出了多种传感方法。这些传感方法按照传感器与焊接工件之间的相对位置，可以分为背面传感和正面传感两大类。1 3 1 背面传感方法背面传感顾名思义是指将熔池小孔传感器安置于焊接工件的背部进行检测，按照检测对象的不同，主要包括以下几种方法。1 尾焰导电传感尾焰导电传感方法利用的是尾焰的导电性，如图卜2 所示，在工件背面放置一块金属板。熔池小孔形成，等离子弧穿过工件形成的尾焰接触到金属板，在工件与金属板之间形成导电通路，电阻r上有电流通过，可以检测到电阻电压。由于焊接工艺参数或小孔状态的变化，引起通路上电流的变化，从而可以通过检测尾焰电阻电压来反映小孔状态【6 l 。美国的hds t e f f e n s 等通过研究发现，小孔尾焰电压与小孔直径之间存在线性关系，从丽找到一种通过调节焊接电流保持小孔尾焰电压恒定，由此控制等离子弧焊接过程小孔尺寸稳定的控制方法【”。图卜2 尾焰导电传感方法示意图第一章绪论2 尾焰辐射光传感小孔形成后，工件背面出现尾焰。尾焰不仅具有导电性，也是一种辐射光源。如图1 3 所示，将光敏元件放置在工件背面，通过检测尾焰的光辐射，从而获取小孔状态信息l 。这种传感方法同尾焰电压方法一样，直接对穿孔后形成的尾焰进行检渊，受随机干扰因素的影响较小，检测的可靠性和稳定性都较理想，但这种传感器必须安置在工件背面，可达性不好，对密闭容器、复杂结构工件以及小孔径管系的焊接不适用，其应用范围有局限性。图1 3 尾焰辐射光传感示意图3 声音信号传感焊接过程中熔池的振动、等离子气流的脉动都会以声波的形式表现出来。显然，当小孔状态发生变化时，熔池振动的条件随之变化。因此，通过检测焊接过程中声音信号进行分析处理，可用于判定焊接过程中熔池小孔的状态变化。郑州机械研究所的胡百喜等在利用等离子弧焊接管道时，在管道内部( 即等离子焊缝背面) 安置一麦克风，对焊接过程中的声音信号进行检测研究，发现当等离子弧穿透工件时产生3 0 0 t z 脉动音频信号。通过检测焊接过程中产生的3 0 0 h z 音频信号，可以用来判定工件是否熔透，从而实现了利用声音信号检测熔池小孔状态、控制焊接质量的目的【9j 。4 气体压力传感美国n a s a 宇航局的工程技术人员研制了一种新的传感方法，通过检测背部焊缝保护气体压力来获取小孔的形成与闭合信息。如图卜4 所示，气体压力突降表明小孔形成，气体压力突升表明小孔闭合【1 0 】。采用小孔等离子弧焊接时，被焊工件背面通常采用氢气保护，而这种方法则将背面气体保护与小孑l 传感检测相结合。这种传第一章绪论感方法的弊病在于被焊工件的气密性要求比较严格，并由此带来一系列的问题，如焊接前零件的安装定位、焊缝间隙的控制、焊接变形的控制。图1 4 气体压力传感示意图1 3 2 正面传感方法1 正面弧光传感美国马歇尔宇航中心的研究人员在铝合金变极性等离子弧焊接过程中，借助光谱分析手段监测小孔行为。利用光谱仪检测了氢谱线和氩原子谱线的相对辐射强度，发现两者的比值可以反映出小孔形成与否，从而提出一种通过光谱仪检测小孔形成和闭合的方法1 1 ”。北京舷空工艺研究所的研究人员针对等离子弧焊接过程中熔池小孔的特征行为与电弧光谱辐射强度之闻的关系进行了光谱试验研究，发现随着小孔的形成与闭合，弧光光谱辐射强度产生了形似于负脉冲信号的显著跃变，该跃变信号对于预测小孔的形成和闭合是极为有利的。试验表明通过检测弧光光谱辐射强度，就可以获得熔池小孔状态的相关信息。弧光传感方法检测小孔信号，抗电磁干扰能力强，检测信号信噪比高，检测精度好，取得了一定的工业应用。但这种传感检测系统设备复杂、成本较高，难以适应大规模的工业应用。在正面弧光传感的研究中，哈尔滨工业大学的董春林等根据等离子云反翘现象，设计了一种小型的弧光传感器用来检测小孔行为。当等离子云反翘出现时，在主电弧至传感器接收探头的光路之间，会屏蔽掉一定的主电弧辐射能量，从而导致接收探头的入射辐射能第一章绪论量降低。弧光传感器的输出电压信号形成一个负脉冲的幅值跃变【”】。这种弧光传感器与光谱分析传感方法相比，体积小、成本低。但是焊接过程中产生的电弧飘移现象使得弧光传感器输出信号容易产生波动，影响检测的可靠性。45 6789一一鳃| 图1 5 正面弧光传感示意图1 焊枪2 等离子弧3 工件4 连接杆5 接受探头6 光纤7 输出端8 滤光片9 光感装置2 正面图像传感哈尔滨工业大学的王慧钧等，在等离子弧焊接铝合金时，采用工业黑白摄像机建立了窄带复合滤光图像传感系统。如图1 6 所示，利用高度变形了的穿孔熔池表面对电弧焰，0 的反光提取到了清晰的熔池图像，采用高斯滤波、p r e w i t t 边缘检测和图像错位边缘检测等方法准确提取出可视小孔熔池的小孔宽度和面积等几何信息 1 3 l 。图像传感方法获取信息量大，不干扰焊接过程，可以准确检测焊接过程中熔池小孔状态的变化，可靠性高，是一种比较理想的小孔传感方法。目前急需解决的问题：一是进一步减小强烈弧光干扰，获取清晰图像；设计适当的图像处理算法减小图像处理时间便于实际控制应用。二是进一步减小传感器系统的成本。图1 6 正面图像传感示意图第一章绪论3 正面声音传感清华大学的王耀文等，在焊缝正面设置高精度麦克风信号采集系统检测小孔等离子弧焊接时产生的声音信号，如图1 7 所示。对熔池过渡阶段产生的低频振动进行频域分析，设计了声音信号的a 算法。未穿孔阶段，a 算法处理得到的值较大；穿孔阶段，a 值最小；过度阶段，a 值最大，是穿孔阶段和未穿孔阶段两倍之多。利用该算法可以判定熔池小孔状态变化i l4 1 。声音信号传感器是非接触式传感器，安放位置灵活。这种传感方法实际应用的一个很大缺陷是检测信号易受生产环境噪音的干扰，使得声音信号的信噪比较小，不易处理，需要避开环境噪音的干扰，对环境的要求较高。图1 - 7 正面声音传感示意图4 等离子云传感美国肯塔基大学的sbz h a n g 等利用等离子云反翘的导电性，设计了一种传感器来检测熔池小孔的状态，如图卜8 所示。工件没有熔透时，等离子云存在，探针与工件在等离子云的导电作用下，形成一个封闭回路，电阻r ，上有电流流过，能检测到电压v 。而工件熔透时，等离子云不存在或者探针不在等离子云中，这时检测电路不能形成封闭回路，电阻r ，上没有电流流过，检测电压v f 为零。通过v 的有无可以判断熔池小孔的状态【1 “。熔透前小孔形态图1 ，8 等离子云导电传感7第一章绪论天滓大学的易小林等对等离子云传感作了进一步研究，提出了一种新的检测方法，原理如图1 9 所示。该方法利用鞘层理论，通过检测探针上鞘层电压的有无，可以检测熔池小孔的形成、闭合：通过检测鞘层电压的大小变化，还可以检测等离子弧熔深信息 16 】。图1 9 等离子云鞘层电压传感1 4 本文的主要研究内容等离子弧焊接工艺具有独特的技术优势，推广等离子弧焊接工艺方法对于提高生产效率、降低生产成本、提高焊接接头质量具有重要的意义。由于等离子弧焊接获得稳定焊接质量的工艺参数选择范围窄，影响电弧稳定性的因素多，参数调节、控制困难，焊接质量难于保证。因此，其应用一直受到限制。等离子弧焊接过程中，小孔的稳定性是影响等离子弧焊接过程稳定性及接头质量的重要因素。在焊接过程中，检测小孔状态并实时控制，从而提高焊接质量是等离子弧焊接质量控制的研究核心。国内外专家学者对等离子弧焊接过程中小孔的检测与控制进行了大量研究，取得了一些进展，但都具有其局限性，不是检测设备复杂、昂贵，就是抗于扰性不好，可靠性低，或只能用于一些特殊的场合。因此，开发简单、实用、可靠的等离子弧熔透控制传感器，成为等离子弧焊接熔透控制亟待解决的问题。等离子云传感方法是利用等离子弧焊接过程中所特有的等离子云现象而设计的一种传感器，其结构简单、成本低廉，抗干扰性也较强，检测可靠性好，适于大规模工业应用。由于这种传感器目前还只是在研究开发阶段，理论基础尚不完善，实际检测效果还难以直接工业应用，因此本文研究针对小孔信号的等离子云传感技术而第一章绪论展开，主要进行以下几方面的工作。1 建立用于研究等离子弧焊接过程的试验设备系统，开发基于w i n d o w s 平台的焊接过程多通道信号采集、数据处理系统。2 研究等离子云的形成机制及其产生条件，等离子云形态的工艺影响因素，等离子云形态与小孔状态以及小孔稳定性的关系。3 分析探针法检测等离子云信号的原理以及影响因素，焊接过程中等离子云信号的变化特征。4 设计一种新型的等离子云检测方法及装置。5 应用等离子云传感技术，进行熔透闭环控制研究。第二章等离子弧焊接设备及检测系统的建立第二章等离子弧焊接设备及检测系统的建立2 1 等离子弧焊接设备等离子弧焊接工艺是由钨极氩弧焊工艺发展而来，但又与钨极氩弧焊工艺有着本质的区别。因此，等离子弧焊接设备与钨极氩弧焊设备也有很大的不同，典型的等离子弧焊接设备包括等离子弧焊枪、焊接电源、水路和气路系统、电气控制系统等等。2 1 1 焊枪等离子弧焊枪用于生成等离子弧，在结构设计上具有以下要求：1 ) 能固定喷嘴与钨极的相对位置，并可进行调节：2 ) 对喷嘴和钨极进行有效的冷却；3 ) 喷嘴与钨极之间绝缘，以便在钨极和喷嘴内壁间引燃小弧；4 ) 能导入离子气和保护气体；5 ) 便于加工和装配，特别是喷嘴的更换；6 ) 尽可能轻巧，便于在使用中进行观察。焊枪的好坏直接影响到焊接过程的稳定性和焊缝成型，焊枪设计不合理不仅会影响电弧的压缩效应，丽且会产生漏水、双弧、咬边等问题m 】。本文采用t h e r m a ld y n a m i c s 公司生产的p w m 3 0 0 焊枪，如图2 一l 所示。其最大焊接电流为3 0 0 a ，分别供给离子气和保护气，离子气从喷嘴流出，保护气从保图2 1 等离子弧焊枪护气罩流出。焊枪采用圆柱形压缩孔道，喷嘴孔径为2 r a m ，孔道长度为5 m m ，切向送气方式，电极材料为铈钨合金，电极内缩量可调。2 1 2 焊接电源等离子弧，由于受水冷喷嘴孔道壁的拘束，弧柱截面积小，弧第二章等离子弧焊接设备及检测系统的建立柱电场强度增大，电弧电压明显提高，具有平的静特性曲线。因此，等离子弧对焊接电源外特性有定的要求。影响等离子弧焊的主要工艺参数是焊接电流，焊接过程要求焊接电流保持不变。当焊接电源外特性为平特性或缓降特性时，焊接电压的变化可以导致焊接电流的剧烈变化，很难保证焊接过程的规范参数的稳定性，而且增加了由于焊接电流的突然变化而引起双弧的可能性。因此，等离子弧焊接通常采用陡降或垂降外特性的焊接电源，当焊接电压变化时，焊接电流只发生微弱变化或者不变。等离子弧焊接电源通常有双电源和单电源两种工作方式【1 7 】。如图2 2 所示，其中( a ) 为双电源方式，一台为焊接主电源，为转移弧供电，另一台为辅助电源，用于产生非转移弧。双电源的好处在于可以单独调节焊接电流和引弧电流，而互不干扰。本文中，等离子弧焊接电源采用( b ) 所示的单电源方式，一台电源既可以实现非转移弧和转移弧焊接。焊接中采用的是转移型等离子弧，焊枪钨极接电源的负极，工件接正极，等离子弧在工件和钨极之间产生。由于转移弧难以直接形成，必须引燃焊枪钨极与喷嘴之间的非转移弧，然后将电弧转移到焊枪钨极与工件之间。霎越j霪垂p 嘿( a )( b )图2 - 2 等离子弧焊接电源供电方式( a ) 双电源方式( b ) 单电源方式本文采用晶闸管式弧焊整流电源，其主要技术参数为：额定输入电压38 0 v ，单相，频率5 0 h z ，额定输入功率1 7 k w ，直流电流输出5 3 0 0 a ，空载电压8 0 v 。2 1 3 气路系统等离子弧焊机供气系统能分别供给可调节的离子气、保护气和背面保护气。为保证引弧处的焊缝质量，离子气流量要小，焊接时第二章等离子弧焊接设备及检测系统的建立离子气流量要大，分两路分别供给。收弧时，要对离子气流实现衰减控制。另外，离子气对钨极应该是惰性的，以免钨极烧损过快。保护气对工件一般是惰性的，但如果活性气体不损坏焊缝的性能，允许在保护气中添加活性气体。为保证焊接过程稳定，大电流焊接时，离子气与保护气成分应相同；小电流焊接时，离子气一律使用纯氩，保护气可以用纯氩，也可以选择其它成分。本文中，离子气与保护气都采用纯氩。图2 3 为气路系统工作原理图。图2 - 3 气路系统工作原理图1 氩气瓶2 减压表3 气体汇流排4 储气筒5 9 调节阀1 0 流量计2 1 4 小车行走系统本文采用焊枪电弧固定，小车带动焊接工件移动的焊接方式。小车行走电路的原理图如图2 4 所示，它的主要部分及各部分的功能如下。图2 4 小车行走电路原理图第二章等离子弧焊接设备及检测系统的建立1 ) 变压整流系统由两部分组成，一部分是变压器，另一部分是整流模块，给小车电机供电。2 ) 小车调速系统根据不同的焊接规范，调节电枢电流的大小来控制小车速度。3 ) 小车换向系统改变电枢电流方向来改变电机转向，控制小车行走方向。2 1 5 电气控制系统等离子弧焊接的电气控制系统比较复杂，要控制冷却水、离子气体和保护气体、转移弧和非转移弧切换、离子气和电流的递增递减、小车行走等等。其系统控制原理图如图2 - 5 所示。图2 - 5 等离子弧焊机电气控制系统原理图图中p l c 控制系统采用三菱f x o n - 2 4 m r 可编程控制器实现，其规格为：输入，1 4 点：输出，1 0 点。在控制系统中，p l c 是整个系统的程序控制核心，通过输出口配合相应的辅助电路控制小车行走、引弧、送气等一系列动作。图2 - 6 为p l c 控制系统的动作时序图。圈2 - 6p l c 控制系统动作时序图第二章等离子弧焊接设备及检测系统的建立2 2 多通道信号检测系统为满足对焊接过程中的各种信号进行实时检测，本文研制和开发了以工业控制计算机为核心的多传感信息的信号采集与分析处理系统。该系统包括信号采集的硬件设计和数据分析的软件设计两部分。2 2 1 系统硬件设计本文中多通道信号检测系统的硬件部分主要包括工控机：数据采集卡；信号处理电路；传感器等几部分。图2 7 是多通道信号采集系统的结构框图。等一传感器卜信数离号据工子一传感器卜处_ -采+控弧一传感器卜理集机焊电卡接一传感器卜路图2 7 多通道信号采集系统框图1 焊接过程检测参数的选择焊接过程中，焊接电流和焊接电压是两个主要的工艺参数，而等离子云与尾焰具有密切的联系，而且尾焰检测作为一种比较成熟的检测方法，可以用来对等离子云检测进行比较分析研究。因此，我们选择焊接过程采集的主要参数是：焊接电流、焊接电压、尾焰信号和等离子云信号。2 数据采集卡的选择选择数据采集卡时，要考虑的几个重要因素是：模拟信号的通道数量、a i d 芯片的转换速度以及分辨率。本文设计的检测系统中，需要测量焊接电流、焊接电压、尾焰信号、等离子云信号，输入通道需要四个。为了保证捕捉到焊接过程中的细微变化，要求多路信第二章等离子弧焊接设备及检测系统的建立号同时采集时的采样频率不低于l o k ，同时为了保证多路信号的同步，需要采用同步采集卡。综合以上几方面的要求，本文选用了台湾凌华公司的d a q 2 0 0 5 数据采集卡。d a q 一2 0 0 5 是一款四通道的同步数据采集卡，其采样频率为5 0 0 k s s ，分辨率为1 6 位，输入单极性双极性可编程选择，放大倍率也可以编程选择( x l 、2 、x 4 、x 8 ) 。转换触发源有软件触发、外部数字触发、外部模拟触发三种，并带有5 1 2 的f i f o 。该采集卡的接口为3 2 位的p c i 接口，可直接插在计算机的扩展槽上进行数据采集。2 22 系统软件设计系统的软件设计在整个检测系统中是至关重要的。本文的软件系统采用m i c r o s o f t 公司的v is u a lc + 十程序设计语言在w i n d o w s 平台下进行开发。系统软件设计主要包括：数据采集模块、数据处理模块、数据库操作模块。图2 - 8 是检测系统的主界面图。图2 8 等离子弧焊接过程信号检测系统主界面图1 数据采集模块第二章等离子弧焊接设备及检测系统的建立数据采集模块主要包括：采样参数设置、采样程序执行、生成数据文件、修改数据库等几部分。数据采集模块的总体流程图如图2 9 所示。开始)采样准备采样写入数据文件显示数据波形、f结束、图2 9 数据采集总体流程图图2 10 采样程序流程设置的采样参数主要包括采样时间、采样频率、采样通道、缓存大小等等。采样程序主要过程为采样准备、焊接开始采样、写入图2 1 1 数据采集设置对话框界面第二章等离子弧焊接设备及检测系统的建立数据文件、显示数据波形等，其流程图如图2 二10 所示。采样准备主要进行板卡的初始化以及根据设定的采样通道、采样时间和采样频率形成通道控制字，计算每通道采样的数目。图2 1 1 是数据采集设置对话框界面。2 数据处理模块数据处理模块主要包括数据文件操作，数据显示等。数据文件操作能实现数据文件的保存、查看、删除。数据显示有数值显示和波形显示两种方式。数值显示可以用来查看原始采集数据。波形显示可以绘制单个信号或多个信号的波形，既可以绘制整个采集过程的波形，也可以查看部分数据的局部细节；既可以实时显示数据波形，也可以在采集后观测分析所记录的数据波形。为了进一步拓展系统的数据处理功能，系统采用了v c + + 与m a t l a b 混合编程的方式，可以将选定的数据文件直接导入到m a t l a b 中，利用m a t l a b 强大的数学计算功能对采集数据进行深入分析。3 数据库模块为了便于试验数据的记录与维护，系统还设计了一小型数据库系统，该数据库系统基于m i c r os o f t a c c e s s 数据库管理系统进行开发。主要用于记录试验过程的一些试验条件，如试验日期，试验的简单介绍，工件材料情况，焊接工艺规范参数；并统一管理各试验原始数据文件的命名、存储、查看、删除等。图2 1 2 是焊接信号检测系统数据库界面图。图2 12 焊接信号检测系统数据库界面第二章等离子弧焊接设各及检测系统的建立2 3 本章小结1 建立了等离子弧焊接设备试验平台。该试验平台以p l c 控制系统为核心，包括焊枪、焊接电源、气路系统、水路系统、小车行走系统等几部分。2 研制开发了焊接过程信号检测系统。该检测系统包括硬件系统和软件系统两部分，硬件系统以工控机为核心，包括传感器、信号处理电路、数据采集卡等；软件系统采用v i s u a lc 十+ 6 0 编程语言在w i n d o w s 操作系统平台上实现，包括数据采集模块、数据处理模块、数据库模块等几部分。第三章等离子云现象分析第三章等离子云现象分析等离子云的出现及其形态变化是等离子弧焊接过程中的一个非常重要的物理现象，国内外技术人员对之进行了一定的研究。总的来说，认识还比较肤浅，对于等离子云的产生条件、形成机制及其形态变化缺乏系统的解释。本文经过试验研究和理论分析，认为等离子云的形成在小孔等离子弧焊接过程中具有必然性，等离子云的形态变化可以直接反映出熔池熔深的变化以及小孔状态的变化。这也就为检测熔池小孔提供了一个很好的途径，通过检测等离子云的形态变化来判断焊接过程中熔池小孔状态的变化。3 1 等离子云现象等离子云和尾焰是目前等离子弧焊接熔透控制研究中的前沿课题。等离子弧焊接过程中，当熔池小孔尚未形成时，在焊接速度的反方向上可以观察到沿熔池后表面喷射而出的等离子焰流，形成等离子弧反翘，也称之为“等离子云”，如图3 一l ( a ) 所示。当熔池小孔形成后，等离子弧穿孔工件由形成的熔池小孔喷射而出，在工件背面形成尾焰，而等离子云则消失或衰弱至极不明显，如图3 一l ( b ) 所示。由此可见，无论是等离子云还是尾焰，都是由等离子弧形成的，可以看成等离子弧的一部分。( a )图3 1 等离子云与尾焰( a ) 等离子云( b ) 尾焰( b )第三章等离子云现象分析3 2 等离子云的形成机制及条件3 2 1 等离子弧的特征等离子弧是借助外部拘束条件使电弧弧柱受到强烈压缩作用而形成的电弧。通常情况下的电弧如t i g 电弧和m i g 电弧，除受到电弧自身的磁场拘束和周围环境的冷却拘束外，不受其它条件的拘束，电弧形态相对比较扩展，电弧能量密度和电弧温度较低，称为自由电弧。将这种电弧的一极缩进焊枪喷嘴里，由于喷嘴孔径较小，当电弧通过喷嘴孔时，电弧弧柱横截面受限制，电弧不能自由扩展，而产生了外部拘束作用，电弧在径向上被强烈压缩，这种压缩称为机械压缩。同时喷嘴水冷作用使得靠近喷嘴内壁的气体受到一定程度的冷却，其温度和电离度下降，迫使弧柱区带电粒子集中到弧柱中央的高温高电离度区流动，这样由于冷壁而在弧柱四周产生一层电离度趋于零的冷气膜，使弧柱有效截面积进一步减少，电流密度进一度增加，这种压缩称为热压缩。机械压缩和热压缩的存在，使得弧柱电流密度增大后，孤柱电流线之间的电磁压缩作用进一步提高。三种压缩的共同作用最终形成了高温、高电离度、高能量密度的等离子弧。等离子弧作为一种拘束电弧，具有以下特点。1 电弧静特性受水冷喷嘴孔道壁的拘束，等离子弧弧柱截面积小，弧柱电场强度增大，电弧电压明显提高，从大范围电流变化来看，静特性曲线中平特性不明显，上升特性区斜率增加，如图3 2 所示【l ”。f辩竺is o 竺! 善 a t ：仁：! 竺兰iol l l j _图3 - 2 等离子弧与t i g 电弧静特性第三章等离子云现象分析2 热源特性等离子弧温度更高，能量更为集中。图3 3 是等离子弧与t i g电弧的温度分布图( 埔 ，图中右半部分是等离子弧温度分布，左半部分是t i g 电弧温度分布，t i g 电弧的虽高温度为l8 0 0 0 2 4 0 0 0 k ，而等离子弧的温度可高达2 4 0 0 0 5 0 0 0 0 k 。t i g 电弧焊接时，加热工件的热量主要来自于阳极斑点热，弧柱辐射和传导热仅起辅助作用。在等离子弧中，弧柱高速高温等离子体通过接触传导和辐射带给焊件热量明显增加，甚至可能成为主要的热量来源，而阳极产热则降为次要地位。_l2l图3 3 等离子弧与t 1 g 电弧的温度分布l 一2 4 0 0 0 5 0 0 0 0 k2 18 0 0 0 2 4 0 0 0 k3 一l4 0 0 0 l8 0 0 0 k4 10 0 0 0 1 4 0 0 0 k3 等离子体导电性等离子体是一种部分电离或完全电离的气体，由电子、离子或部分原子、分子组成，其正负电荷总数相等，整体表现为电中性，是一种特殊的物质聚集状态。等离子弧的实质是一种低温等离子体，其内部存在有大量电离形成的自由带电粒子，因而具有良好的导电性。经过理论推导，斯必泽和汉姆给出了简单实用的完全电离等离子体电导率瓯的计算公式：瓯= 茄罴等备w c m，吼2 面西丽万嗣q n。1 )式中：1 1 。为电子的粒子密度；t 为等离子体温度。该公式比较粗糙，但工程计算简单，计算结果与实验数据有少许差异，可用于粗略估计等离子体的电导率情况 伸】。温度较低时，等离子体电导率随温度的增加急剧上升，当温度第三章等离子云现象分析很高时，电导率的增加减缓，这是因为温度很高时，电离度己很高，再增加温度，电子密度增加不多，而且由于等离子体密度下降，电子密度还可能随温度增加而降低。对于氨气等离子体来说，当温度在1 6 0 0 0 k 以上，电导率随温度增加的速度减慢。3 2 2 等离子电弧力分析1 电弧静压力( 电磁收缩力)两根相互平行的导体中，通过同方向的电流时，导体问产生相互吸引的力，而电流方向相反，则产生排斥力。这个力的形成是由于一个导体中的电流在另一个导体的周围形成磁场，磁场间产生电磁力。单位长度导体上作用力f 的大小由下式确定：f ：k 业f 3 2 1l式中：k 为比例系数，k = f l 4 丌( 为介质磁导率) ；i ，为导体】中通过的电流强度；i ，为导体2 中通过的电流强度；l 为两者间的距离。当电流在一个导体中流过时，整个电流可以看作许多平行的电流线组成，这些电流线间将产生相互吸引力，使导体截面有收缩的倾向。假设导体为圆柱形，电流线在导体中的分布是均匀的，则导体内部任意半径r 处电磁压力p r 为：_ = k 羔( r 2 _ r 2 )( 3 - 3 )式中：i 为导体总电流强度；r 为导体半径。导体中心轴上( rz0 ) 的径向压力p 0 为：t 2p 02 k 纛2 k j 1 ( 3 - 4 )式中：i 为电流密度。对于等离子流体来说，其内部各点处的压力各向等值，径向压力等于轴向压力，轴向压力的合力f 为：f ：垦i2f 3 5 12但实际上焊接电弧不是圆柱体，而是截面直径变化的圆锥台状气体第三章等离子云现象分析导体，如图3 4 所示，电极前端电弧截面直径小，接近工件端电弧截面直径大，由公式( 3 - 3 ) 可知，直径不同将引起压力差，从而产生由电极指向工件的推力e ，其值为：f a = k - 1 2 1 9 i r b 一1cs s ，式中：r 。为锥台形弧柱上底面的半径；r 。为锥台形弧柱下底面的半径。显然这种电弧静压力是不能成为等图3 - 4 焊接电弧模型离子云产生的直接驱动力的。然而，试验发现，等离子弧焊接过程中形成的熔池小孔具有倒圆锥形状，熔池小孔内等离子体截面尺寸的陡变，产生了从小孔底部指向熔池上表面的轴向电磁压力，从而成为等离子云形成的一个直接驱动力。2 电弧动压力( 等离子流力)电弧动压力是焊接电弧中高速运动的等离子气流所产生的冲击压力，又称为等离子流力或等离子流的速度压力。焊接过程中，这个力作用于熔池表面，使之产生液面差，直接影响熔池中液体金属的运动、焊缝的截面尺寸及成型状况，是电弧的主要机械作用力。西安交通大学的贾昌申等人经过大量的实验，指出焊接电弧的等离子流力的径向分布一般情况下属双面指数分布，计算等离子流力p h 的数学表达式：p b = 等唧【嘉)j ( 3 7 )式中：“为电弧空间磁导率；i 为电流强度；r 为半径：占为电流分布参数。可见，等离子流力与电流i 的平方成正比，电流越大，等离子流力越大 2 0 1 。等离子流力是电弧诸力中最主要的作用力，是形成小孔和维持小孔存在的主要作用力，对小孔形态具有重大影响。等离子流力是等离子弧作用于熔池表面的作用力，因而不是等离子云形成的直接驱动力。等离子流力作用于熔池表面，熔池表面必将产生一个作用于等离子弧的反作用力，这个反作用力的方向与等离子云喷射方向一致，是等离子云产生的又一直接驱动力。等离子流力决定了熔池反作用力的大小，同时也决定了熔池小孔的形态，因此，等离子流力对于等离子云的形态具有重大影响。第三章等离子云现象分析3 2 3 等离子云的形成机制探讨为了研究等离子云的形成机制，可以做个简单的试验，试验中焊接速度取为0 ，即采用固定等离子弧焊接，工件为1 c r l8 n e 9 t i ，厚度为4 r a m ，熔池小孔形成前后，等离子云形态变化如图3 5 所示 2 。图( a ) 中，熔池小孔尚未形成，可以明显看到在接近熔池处电弧向四周延伸。图( b ) 中，小孔已形成，熔池上下表面小孔直径尺寸相差不大，可以观察到明显的电弧尾焰，而电弧向四周延伸不再明显。出现这种现象的主要原因在于熔池小孑l 的倒圆锥形状。熔池上表面小孔直径大，而下表面小孔直径小，从而一方面产生了由小孔底部指向熔池上表面的轴向电磁压力e ；另一方面，熔池表面产生了一个作用于等离子弧的向上的反作用力f h ，两力的合力组成了等离子弧外缘延伸的主要驱动力。等离子弧受力示意图如图3 6 所示，随着小孔直径的不断增大、尾焰的出现，驱动力不断减小，电弧外缘延伸现象不再明显。( a )( b )图3 5 静止电弧穿孔前后电弧形态( a ) 小孔形成前( b ) 小孔形成后图3 6 静止电弧轴向受力示意图上述情况是固定电弧焊接，而在正常焊接情况下，等离子弧与工件之间存在着相对运动，因而产生的熔池小孔不再具有圆对称形第三章等离子云现象分析状，如图3 7 所示。图中直线l 是等离子弧的中心线，直线2 过熔池表面的最低点，以直线2 为分界线，把等离子弧分成a 、b 两部分，等