（材料加工工程专业论文）钢轨闪光焊质量预测及工艺研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第l 页 摘要 随着高速重载铁路的快速发展，对铁路运行的安全性提出了越来越高的 要求。这就对钢轨的材质、性能和加工的质量提出了更高的要求。钢轨焊接 是无缝线路建设工程中的关键环节，它直接决定了钢轨接头的质量，从而对 铁路安全有重要影响。钢轨的闪光对焊是钢轨焊接中的主要方法，通过近年 的发展，其焊接质量和控制手段都有了很大的提高。但其接头质量的无损检 验方式一直采用超声波探伤。该种方法受人为因素影响大，而且钢轨闪光焊 焊接接头的灰斑等缺陷本身探伤很难发现，急需寻找一种更简单、方便、有 效的质量无损检验方式。 本文基于l a b v i e w 和v i s u a lb a s i c 软件编制了高速采集和数据处理软 件。把高速采集应用在钢轨闪光焊的焊接参数的采集中，得到了在5 0 k h z 采 集频率下的焊接电流、焊接电压、烧化量等焊接质量参数的瞬时值：再根据 在焊接过程中短路、断路、闪光时焊接电压、电流的特点，来判断焊接过程 中的焊接状态，从雨得到焊接过程加速阶段闪光率和低压i i 阶段的闪光率； 同时，通过数据处理，得到焊接总时间、焊接接头能量输入、烧化量。在此 基础上，基于线性回归方法建立了焊接接头落锤质量和焊接过程特征量之间 的关系方程，利用该方程，可以对接头的焊接质量进行预测和评判。 结果表明：利用短路、断路、闪光时的电压、电流特点来判断焊接的状 态是可行的：在加速阶段的闪光率对接头质量有重要影响；通过线性回归方 法得到的落锤数计算方程有定的使用价值。 关键词：钢轨闪光焊：l a b v i e w ；线性回归：质量判断 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i 页 a b s t r a c t w i t ht h e r a p i dd e v e l o p m e n to fh i g h s p e e da n dh e a v y l o a d i n g p a c k ，t h e s e c u r i t yo ft h er a i l r o a dr u n n i n gb e c o m e sm o r ea n dm o r ei m p o r t a n t s o ，t h e m a t e r i a l ，c a p a b i l i t y , a n dt h eq u a l i t yo fp r o c e s s i n ga r e n e e d e dt ob eb e r c e rt h a n b e f o r e t h er a i l w e l d i n gp l a y sa ni m p o r t a n tr o l e i nt h e e n g i n e e r i n g o fl a y i n g c o n t i n u o u sw e l d e dr a i l w a y ( c w r ) ，a n dd e c i d e st h eq u a l i t yo fr a i lt i e i nd i r e c t l y , w h i c hh a sg r e a ti n f l u e n c e0 nr a i l w a ys e c u r i t y t h ef l a s hw e l d i n gi st h em a i n m e t h o di nr a i l w e l d i n g ，w h o s eq u a l i t ya n dc o n t r o lm a n n e rh a v em a d eag r e a t p r o g r e s si nf e i n ty e a r s b u tt h en o n - d e s t r u c t i v et e s to f t i e i nq u a l i t yi sa l w a y s u l t r a s o n i ci n s p e c t i o n ，w h i c hi si m p a c t e db yo p e r a t o r sg r e a t l ya n dt h r o u g hw h i c h t h es p o tg r a yc o u l dn o tb ef o u n d i ti su r g e n tt of i n da n o t h e rm e t h o dt oi n s p e c tt h e t i e - i n w h i c hi ss i m p l e r , m o r ec o n v e n i e n ta n de f f e c t i v e i nt h i s p a p e r , t h eh i g h s p e e da c q u i s i t i o na n dd a t ap r o c e s s i n gp r o g r a ma r e w r i t t e no nt h eb a s eo fl a b v i e wa n dv i s u a lb a s i cs o f t w a r e t h eh i g h - s p e e d a c q u i s i t i o no f 5 0 k h zi su s e di nt h ed a t aa c q u i s i t i o no fr a i lf l a s hw e l d i n ga n dt h e i n s t a n t a n e o u s p a r a m e t e r s o ft h e c u r r e n t ，v o l t a g e a n d l e n g t h l o s s i n w e l d i n g p r o c e s s t h e n ，t h ew e l d i n gs t a t e i sj u d g e db yt h ec h a r a c t e r so ft h ea m p l ea n d v o l t a g e i nf l a s h ，s h o r tc i r c u i ta n do p e nc i r c u i t a tl a s t ，t h ef l a s hr a t i o si nt h e a c c e l e r a t i o na n dt h es e c o n dl o w - v o l t a g ep h a s ea r eg o t a tt h es a m et i m e t h eo t h e r c h a r a c t e r sp a r a m e t e r sa r eg o tt h r o u g ht h ed a t ap r o c e s s i n g ，s u c ha st o t a lw e l d i n g t i m e ，t o t a le n e r g yi n p u t ，e t c a tl a s t ，t h ee q u a t i o n ，w h i c hi sa b o u tt h er e l a t i o nb e t w e e nt h et i e i nq u a l i t y a n dt h ec h a r a c t e r si nw e l d i n gp r o c e s s ，i se s t a b l i s h e db y u s i n gt h el i n e a rr e g r e s s u s i n g t h i se q u a t i o n ，t h e q u a l i t y o f t i e i nc a nb ef o r e c a s t e da n de v a l u a t e d t h er e s u l t ss h o wt h a ti ti se f f e c t i v et oj u 血r et h ew e l d i n gs t a t eb yu s i n gt h e c h a r a c t e r so ft h ec u r r e n ta n dv o l t a g ei n w e l d i n gp r o c e s s ；t h e f l a s hr a t i oa t a c c e l e r a t i o np h a s eh a sa g r e a t e f f e c to nt h eq u a l i t yo f f i e i n ；t h ee q u a t i o nh a s u t i l i t y v a l u e k e y w o r d s ：f l a s h w e l d i n gi nr a i l ，l a b v i e w ：l i n e a rr e g r e s s ，q u a l i t ye v a l u a t i o n 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 第一章绪论 无缝线路是铁路现代化的重要组成部分，它的主要优点是能够延长钢轨 的使用寿命2 0 2 5 ，平均减少钢轨损伤2 5 ，降低养路费3 0 ，减低行车 阻力1 0 ，从而提高行车速度，还可减少车辆维修费，并使行车平稳，旅客 舒适等【1 1 。随着我国现代化高速铁路的发展，列车速度越来越快，无缝线路 的运用越来越多，对钢轨接头质量的要求也将越来越高。 无缝线路铺设迫切需要解决的是标准轨排焊接为长钢轨问题l z i ，而钢轨 焊接技术是实现无缝线路铺设的技术关键【3 1 。目前用于钢轨焊接的方法主要 有四种，即闪光焊、气压焊、铝热焊和电弧焊1 4 1 。铝热焊由于其组织为铸造 组织，强度低，质量欠稳定，断头率高( 断头率是闪光焊焊接接头的两倍以 上) ，我国正在减少该方法的使用。移动式气压焊质量稳定、设备简单，但是 其自动化程度和生产效率低，一般只作为闪光焊的补充，用于长轨在现场铺 设时联合接头的焊接。闪光对焊由于对生产场地和设施的要求，主要适用于 在工厂里进行。但近几年，随着焊轨列车的研究和发展，在铁路铺轨现场， 也逐步能进行焊轨。随着高速铁路发展，闪光对焊技术在钢轨无缝线路的铺 设中起着越来越重要的作用。 无缝线路主要采用合金钢轨( 国内比较常用的是u 7 1 m n 和p d 3 ) 。目前 国内主要采用k 型或g a a s 8 0 型全自动焊机，分别按程控降压方式和次级整 流方式进行焊接。但无论采用何种焊接方法，由于焊接参数以及焊接工况对 灰斑的产生以及接头质量的综合影响规律至今尚不够系统深入1 5 1 ，而用x 射线或其他无损检验方法并不能准确检验出存在诸如灰斑缺陷的接头的质量 1 8 9 1 ，因而目前对钢轨接头质量的判断仍普遍采用抽样破坏性检验的方法。由 于抽样检验的结果并不能完全代表同批次的全部接头的质量情况，且浪费大 量的人力和物力，因此，对钢轨闪光焊质量在线诊断技术的研究，将焊接过 程中的焊接电压、焊接电流和动立柱位移等参数进行采集、存储和分析，选 取最佳的焊接工艺参数，找出焊接过程特征与质量的关系，并将其应用于焊 接接头质量的在线预测，将对提高焊接生产率，严格保证接头质量从而保证 行车安全有着十分重要的意义。 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 第二章文献综述 2 1 闪光对焊原理、应用及工艺过程 2 1 1 闪光对焊的原理 闪光对焊的原理如图2 1 所示。焊件装配成对接接头，焊件i 于夹具 2 中夹紧，接通变压器3 ，然后移动可动夹具，使其端面逐渐移近达到局 部接触，即开始通电加热，并有接触点，利用电阻热加热这些接触点( 产 生闪光) ，使端面金属熔化，直至端面在一定深度范围内达到预定温度时， 动夹具突然加速，以很大的压力使焊件端面相互挤压，随即切断电流，焊 接区发生强烈塑性变形，接合面交互结晶，形成牢固接头。1 1 1 1f j = ；j 光对焊 有两种方法：连续闪光对焊和预热闪光对焊 i o l 。预热闪光对焊是在连续闪 光对焊之前用闪光的方法对焊件先进行预热。 f n 图2 1 闪光对焊原理图 2 ，1 2 闪光对焊的应用 + w u 口 v s 连续闪光焊主要用于截面积为1 0 0 0 mm 2 左右的闭合零件的对接，如车 圈、铝窗等，采用与连续闪光焊同样功率的焊机进行预热闪光焊时，焊接接 头的截面积可以大大增加。预热闪光焊则可焊接截面积为5 0 0 0 i 0 0 0 0 m m ? 甚至更大截面的黑色金属材料零件“”。 l 、接长零件，把短件接成长件。如冶金工业中带材及型材的对接、建筑工 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 业中钢筋的对接以及钢轨、锅炉钢管、石油和天然气输送管道的对接等。 2 、环型零件对接。例如，铸造各种起重运输用的链环、汽车轮毂、齿轮轮 缘以及自行车车圈的对接等。 3 、由简单的坯件焊成复杂的零部件，以简化加工工艺，减小加工工时，降 抵材料消耗。如不锈钢餐具、窗框、汽车万向轴壳及柴油机机体的对接等。 4 、异种金属材料对焊。为了节省贵重金属或提高产品的性能，可把不同的 金属材料焊接在一起。如贝氏体钢与u 7 i m n 钢、贝氏体钢与p d 3 钢等的焊接。 2 1 3 闪光对焊过程分析 连续闪光对焊焊接循环由闪光、顶锻、保持、休止等过程组成。闪光、 顶锻两个连续阶段组成连续闪光对焊接头形成过程，而保持、休止等程序 则是对焊操作过程所必须有的，其焊接循环图如图2 2 a 所示i “i 。预热闪光 焊的工艺过程与连续闪光焊不同之处在于，在闪光阶段之前还有一个预热 阶段，通过预热使工件端面的温度提高到一个合适的温度值( 对钢来说是 8 0 0 9 0 0 。c ) ，然后再进行闪光和顶锻，其焊接循环图如图2 2 b 所示。 顶锻保持 a ) 连续闪光对焊 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 耳 b 】预热闪光对焊 图2 , 2 闪光对焊焊接循环图 1 、预热阶段 预热又分为短路预热和闪光预热两种。短路预热是多次将两工件端面紧 密接触、分开，接触时工件短路，施加一定的压力，并通以预热电流。闪光预热 是接通电源后，多次将两工件端面轻微接触、分开，在每次接触的过程中都要 激起短暂的闪光。与短路预热相比，闪光预热的控制比较复杂。但预热效果更 好，预热后的焊件温度高于短路预热。 2 、闪光阶段 闪光( f l a s h i n g ) 是闪光对焊时，从焊件对口间飞散出闪亮的金属微滴 现象。其形成实质是：接通电源使两焊件端面轻微接触，对口蚓将形成许多 具有很大电阻的小触点，在很大电流密度的加热下，瞬间熔化而形成连接对 口两端面的液体过梁。过梁不断形成和爆破就形成了闪光并同时放出大量的 热。对于k1 9 0 j 1k 钢轨闪光焊机而言，整个闪光阶段可以分为：匀速闪光烧 化和加速闪光烧化两个阶段。 在闪光过程中，工件逐渐缩短，端头温度也逐渐升高，随着端头温度的 升高，过梁爆破的速度将加快，动夹具的推进速度也必须逐渐加大。在闪光 过程结束前，必须使工件整个端面形成一层液态金属层，并在一定深度上使 金属达到塑性变形温度n “。 闪光的作用主要有： ( 1 ) 加热焊件，热源主要来源于液体过梁的电阻热以及过梁爆破时部分 金属液滴喷射在对口端面上所带来的热量。 ( 2 ) 烧掉焊件端面上的脏物和不平，降低了对焊前端面的准备要求。 ( 3 ) 液体过梁爆破时产生的金属蒸气及气体减少了空气对对口间隙的侵 入，形成白保护。同时，金属蒸气及抛射的金属液滴被强烈氧化而减少了气 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 体介质中的氧的分压，从而降低了对口间隙中气体介质的氧化能力。 ( 4 ) 闪光后期在端面上所形成的液体金属层，为顶锻时排除氧化物和过 热金属提供了有利条件。 闪光对焊时，为得到优质接头，闪光阶段结束时必须满足以下两点要求： ( 1 ) 对口处金属尽量不被氧化这就要求闪光应进行得稳定而激烈，尤 其应控制好闪光后期至顶锻开始瞬间，闪光不能中断和应有更高频率的过梁 爆破：同时也应控制好闪光过程中工件不产生短路，否则，将使端面局部过 热；要保证闪光稳定，必须使焊件的送迸速度跟随闪光速度的变化。规范参 数中的二次空载电压和闪光速度对该点影响较大。 ( 2 ) 对口及其附近区域获得一合适温度场，其标致为：沿对口端面加热 均匀；沿零件长度获得合适的温度分布；端面上有一层较厚的液态金属层。 3 、顶锻阶段 顶锻( u p s e t t i n g ) 是闪光对焊后期，对焊件施加顶锻力，使烧化端面紧 密接触，并使其实现优质结合所必须的操作。 顶锻开始时，动夹具突然加速使对口间距迅速缩小，过梁断面增大而不 再爆破，闪光骤然停止。对口及邻近区域开始承受愈来愈大的挤压力。 顶锻阶段又分为带电顶锻和无电顶锻两部分，带电顶锻是使端面液态金 属不至于过早冷却，致使对口加热区保持一定的深度，这在像钢轨这样的大 截面焊件的对焊中尤为重要。 为获得优质接头，顶锻阶段结束时必须满足下面的基本要求：即对口及 其邻近区域获得足够而又适当的塑性变形。研究表明，“要保证闪光结束时端 面完全不被氧化是很难办到的，而安全可靠的途径是使那些在闪光阶段氧化 的金属，利用顶锻随液体金属尽量排挤到毛刺中去”。显然，在对口两侧获得 足够的塑性变形具有积极的意义。但是，过大的变形量不仅会使毛刺增大， 还会引起层状撕裂等缺陷n “。 4 、保压和推凸阶段 在闪光对焊循环中，这两个阶段对形成优质的焊接接头是非常有用的， 是对焊操作不可缺少的。 2 1 4 闪光对焊优质接头形成特点 闪光对焊接头的连接实质与电阻对焊接头样，亦属固相连接，但形成 过程有其自身特点。 1 、闪光结束时在端面上已形成液体金属层，顶锻时，端面金属首先在液 相下连合成一体。有时，由于液体金属层较薄或端面固态表面凹凸不平度太 大，在顶锻的初期，使个别接触部位可能没有液相，但随着挤压变形，凸起 部位会在有电顶锻中因首先流过大的电流密度立即熔化，在该部位重新出现 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 液相填充凹坑部位。可以肯定，随着顶锻的进行，对口中的液体金属将被不 断排除，而对口端面必将在液相下消失。 2 、对口处加热温度高、范围窄，因此顶锻时塑性变形集中、变形度相对 增加，可产生足够高的局部位错差值，促进接头形成中的再结晶发生。同时， 当顶锻参数合适时，不仅可排出液态金属和氧化物，还可以排出部分过热金 属，获得较致密的热锻造组织形态，显著提高接头质量。【1 1 2 2 闪光焊在钢轨焊接中的应用 经过多年的发展，闪光焊由于其焊接质量好，效率高，在钢轨焊接中应用 越来越广泛，闪光焊接方式和设备也有了长足发展。 2 2 1 钢轨预热闪光焊 钢轨预热闪光焊是一种有断续过程的预热闪光焊法，采用间断电阻预热方 式加热焊接端面，使钢轨端面温度达到预热温度后，再连续闪光完成焊接。 这种传统的焊接方法现在又有了很大的发展，如采用各种反馈方式以保持预 热温度的稳定，为提高加热效率，采用次级整流( g a a s 8 0 ) 、三相低频、矩 形波输入等新技术；顶锻过程采用可控方式，功率也逐步增大，有的高达 1 0 0 0 k w 以e 9 1 。 2 2 2 钢轨连续闪光焊 钢轨连续闪光焊是一种没有断续预热过程的闪光焊法。主要特点是采用了 程序控制电压( 程控降压) 、降低二次回路阻抗、自动调节送进速度，该特点 使焊接过程在较低电压下仍保持稳定，提高了闪光对工件的加热效率，因而 降低了功率消耗，如k 9 0 0 、k 3 5 5 型焊机焊接6 0 7 5 k g m 钢轨只需1 5 0 k w 。 i ，l e z o 2 2 3 钢轨脉动闪光焊 钢轨脉动闪光焊( 如k 9 0 0 ) 是在9 0 年代在连续闪光焊的基础上由巴顿电 焊所库丘克一雅琛科院士开发出来的新工艺。其焊接工艺特点是闪光颗粒十 分细小、过程稳定、加热效率高、热影响区窄、节能，目前焊接1 0 0 0 0 m m 2 断 面钢轨仅需6 0 7 0 s ，实现优质高效化焊接。9 - ”2 1 p “1 2 3 国内外钢轨闪光焊的焊接质量监控技术 2 3 1 国内外焊接质量监控技术的情况 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 虽然国内外在焊接质量的监控方面已经作了大量工作，但真正应用于焊接 生产的还为数不多。目前，对焊接质量的监控主要的工作集中在以下几个方 面： i ) 根据各种焊接方法的特点，进一步研制适合于各种焊接方法的传感器， 并走向商品化。 2 ) 焊接质量信息的提取将由单一传感器向多传感器方向发展，以保证焊接 质量信息的完整性。 3 ) 在质量控制和预测方法上出现了p i d 方法、数理统计方法等方法，特 别是今年来出现了模糊控制、神经网络控制、模糊神经网络控制等新的控制 与预测方法。从前面的分析可以看出：由于焊接的高度非线性、多变量耦合， 神经网络( a n n ) 更适合于焊接领域( 特别是焊接质量的在线控制与预测方面) 的研究。 4 ) 由单一的控制决策方法向多种控制决策方法相结合的方向发展。专家 系统和模糊神经网络的结合，既可融入专家的经验，降低模糊神经网络的复 杂程度，改善控制预测系统的实时胜，又可提高控制的质量和预测的准确度。 2 3 2 钢轨焊接质量检验标准 焊接接头质量的检验标准为铁道部的t b l 6 3 2 9 1 标准，其主要方式是把 钢轨焊接头至于支架上，从高处落锤，记录钢轨在扎断之前能够承受得锤数 和扎断之后接头灰斑得情况，来判断接头的质量。其落锤检验的锤重1 0 0 0 k g ， 支距l m ，落程3l m ，两锤不断为合格。 接头质量能否符合检验标准，主要取决于接头中的缺陷。在钢轨i 刈光对 焊过程中，如果焊接规范参数选择不当或母材状况不佳，就会产生焊接缺陷。 大量事实表明，灰斑已成为无缝线路钢轨结构焊接接头中最突出的缺陷j 5 j 。 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 灰斑出现在( 也仅仅出现在) 焊接接头的断面上，平坦光滑，灰暗无光泽 厚度甚薄，形状不规则社”辩。 图2 1 带灰斑的接头 生产实践表明：灰斑的出现会显著降低焊接接头的力学性能和使用性能，尤 其产生穿透性焊接灰斑时会引起焊接接头断裂 1 4 , 2 6 i 。 对于钢轨接触焊接头断口灰斑面积的允限，各国的规定不尽相同。中华 人民共和国铁道行业标准t b t 1 6 3 2 9 1 钢轨焊接接头技术条件从严规定： “单个灰斑面积不得超过1 0 r a m 2 。灰斑总面积不得超过2 0l n m 2 。相邻两灰斑间 距尺寸小于较小灰斑尺寸时，应将中间区域与两个灰斑合并计算面积。若有 灰斑露头出现时，应将灰斑面积加倍计算”1 5 1 。 2 3 3 国内外典型钢轨闪光焊焊接质量监控系统现状 目前，钢轨闪光焊的质量主要从下面三个方面加以保证：通过焊接工艺 参数的优化设计，得到合适的焊接工艺参数，使焊接过程稳定来保证焊接接 头质量；通过把p l c 及电脑等现代技术引入焊接过程中，实现焊接过程参数 的准确控制：由于钢轨闪光焊焊接质量的影响因素很多，例如焊接回路的参 数要发生变化、焊接接头的前处理状态无法完全一致等，即使焊接过程焊接 设备能保证有关焊接工艺参数的稳定，焊接质量仍存在较大波动，因此目前 保证焊接接头质量的另一种方式是通过无损检测( 常采用超声波探伤) 来保 证焊接接头质量。 随着计算机控制技术和传感测试技术的发展，闪光焊过程控制、参数检 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 测与质量判断技术不断完善“”1 。美国、法国普拉萨公司最新开发出由计算 机控制的钢轨焊接检测系统，能够检测和记录钢轨焊接工作的质量”1 。检 测程序在笔记本电脑中微软的w i n d o w s 平台上运行，程序自动记录和分析钢 轨焊接的情况。用卫星定位系统记录焊接的位置，建立焊接数据文件，操作 员输入更详细的数据信息，或者自动地从轨道状况记录车的数据库中获取数 据信息，绘制焊接参数曲线图。 g a a s 8 0 焊机配备了功能较强的工业用电脑s w e p 一0 6 和可编程控制器， 以及先进的伺服系统和传感、执行元件，同时还配备有三通道记录装置，分 别独立记录焊接过程中的压力、电流、位移随时间而变化的过程【3 1 i 。其中5 8 0 型焊机的焊接记录曲线是由电脑s w e p 0 6 和可编程控制器编制工艺参数，通 过它们控制可控硅、伺服系统等动作，并通过各传感元件反馈信号到s w e p 一0 6 而绘制的曲线：而7 0 0 型焊机的焊接记录曲线主要由可控硅触发装置 d x 一3 0 0 、伺服系统p y - 1 0 0 、继电控制装罨、传感器等控制而绘制的，因此， 5 8 0 型焊机焊接记录盐线能更准确、更直观地反映焊接过程的实际情况。 1 49 0 0 型钢轨焊机的控制系统是s l c 5 0 0 系列小型可编程序控制器1 3 2 3 3 1 。 可编程序控制器的主要功能有两类，一是焊接过程的控制，即通过预先编制 的程序实施控制；二是控制和监测功能，即控制焊接过程前、后焊接系统的 正确运行情况，包括焊接液压泵、液压油冷却、冷却水循环等辅助系统的j 下 确运行及监测。可编程序控制器中的程序同时可以采集、存储和打印接头的 所有数据，作为主要的质量控制手段。接头质量判断通过闪光烧化速度、顶 锻量、平均电流、锻压力以及钢轨是否打滑等参量进行。 文献 3 4 】对k 1 9 0 型钢轨交流闪光焊机的稳压调压系统进行了改造；文献 3 5 对k 1 9 0 钢轨交流闪光焊机的调速系统及整机控制系统进行了改造，实现 了引进钢轨焊机控制系统的国产化；文献 3 6 】在文献【3 4 、 3 5 研究工作的基 础上，刘k 1 9 0 钢轨焊机的控制系统进行了全面升级，采用主、从双c p u 结 构控制系统，配备特殊的高速采集板卡，将焊接电流、焊接电压、油泵压力、 动立柱位移等决定焊接质量的有关参数经变送器隔离后，送入高速采集板， 通过l a b v i e w 软件编程进行高速采集和处理送主计算机存储。采用s u a l b a s i c 编程进行焊接接头质量的在线评判，初步建立了适合钢轨闪光焊的质量 判断准则，完成了钢轨闪光焊接头的质量评定，取得了良好效果。以从c p u 完成了闪光焊的恒流控制和焊接过程控制，以主c p u 高速采集( 采样频率 1 0 0 k h z ) 焊接电流、焊接电压、动立柱位移量、油压等参数，实现了有关质 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 0 页 量参数( 焊接各阶段焊接电流、短路时间、闪光量等) 的在线监控。“” 由以上可以看出，现有的质量监控实际上是在优化焊接参数，通过精确 控制焊接过程的基础上，来保证焊接质量，并不能对焊接后的焊接接头给出 直观的质量判断。 具体到本毕业设计中所涉及到钢轨闪光焊领域，目前已经能够做到数据 低速采集的在线质量诊断。初步建立起了焊接电流、电压和位移与闪光焊质 量之间的联系。不过由于钢轨闪光焊本身生产条件恶劣，以及整个焊接过程 的高度非线性大量随机不确定因素，再加上本身采集数据的频率较低，故建 立起来的质量评定结果不是很准确。而采用高速采集，虽然采集数据频率高， 但是由于数据采集量非常的大，故给数据的分析带来很大的困难，从而给焊 接质量的实时判断带来很大的困难。因此，找到一种能够快速处理高速采集 的数据的方法，建立起采集参数与钢轨质量信息之间的联系，就能够给闪光 焊的质量实时判断带来很大的便利。 2 3 4 本文拟采用的钢轨闪光焊焊接质量监控的方法 笔者面对的乌克兰的k 1 9 0 改型焊机，该焊机出厂状况是手动控制焊接 过程，经过几十年使用以后，焊接质量，焊接操作的简便性和焊接效率不能 满足实际生产的需要。现经过西南交通大学材料学院焊接研究所进行改进以 后，实现了焊接过程的自动化，焊接效率和焊接质量均显著提高，满足了实 际生产的需要。但在质量判定上一直没有找到比较好的方法。在生产线上虽 然有探伤仪进行接头的质量检验，但由于操作者的经验和工厂生产效率的要 求，实际效果并不好。即使进行落锤实验，那也仅是抽检，只能反映焊机的 工况和大概的接头质量，对每个接头的质量情况也没有比较准确的了解。考 虑到钢轨焊接质量的好坏关系着铁路运输的安全。特别是铁路全面提速以后， 钢轨接头质量的可靠性更成为业内人士普遍关注的问题i 珀i 。 笔者打算采用高速采集焊接电压、焊接电流、位移等焊接过程中的物理 量，经过过数据处理，利用线性回归方程来找到焊接过程中的特征量与质量 的关系，建立起接头落锤数及灰斑和焊接过程中的特征量的判断方程。考虑 到焊接的各个阶段对焊接质量均有影响，所以笔者在分析过程中，对数据进 行了分阶段的综合考虑。同时，注意到各个阶段的闪光率，短路率，断路率 和由功率反映的热输入情况是影响质量的主要因素，通过数理统计的方法建 立起他们和质量之间的关系，从而给出焊接完成之后焊接接头的质量判断。 2 4v i s u a lb a s i c6 0 和l a b v i e w 简介 2 4 1v i s u a lb a s i e6 0 v i s u a lb a s i c6 0 是当今全球最畅销的编程语言；它为软件开发者提供当今 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i 页 最受青睐的开发环境；是最简单易学的可视化编程语言，且博大精深。事实 证明，用v i s u a lb a s i c 所开发的软件编码更精练、运行效率更高、开发周期更 短。它具有如下的特点1 3 9 | ： 1 、可视化 v i s u a lb a s i c 提供大量可视化控件，点点画画就可以在屏幕上生成标签、 文本框、命令按钮等等，然后在清清楚楚的提示下设置属性。在菜单编辑器 的指引下轻轻松松就可以完成以前认为高不可攀的菜单制作。 2 、面向对象编程 对象可以理解为将数据和代码包装起来的实体。对象有各自的属性、方 法和事件。属性是描述对象的数据；方法指示对象的行为；事件是对象产生 的事情。 面向对象编程是最新的编程思想，与以前流行的结构化编程思想有本质 的区别：结构化编程思想强调的是过程的模块化，面向对象强调的是对象的 模块化。 面向对象的编程方法有4 大特性： ( 1 ) 抽象性 ( 2 ) 封装性 ( 3 ) 多态性 ( 4 ) 继承性 3 、事件驱动 事件驱动编程与传统的线性编程是截然不同的。传统程序以线性的方式 进行，虽然允许分支，但每个分支仍然是线性进行的，程序有明显的起点和 终点，是顺序执行的：事件驱动程序运行时等待事件被触发，事件的执行顺 序是复杂的，在很大程度上是由用户的操作所决定的，不可能事先完全确定。 2 4 2l a b v i e w 的简介 l a b v i e w 是实验室虚拟仪器集成环境( l a b o r a t o r yv i r t u a li n s t r u m e n t e n g i n e e r i n gw o r k b e n c h ) 的简称，是美国国家仪器公司的创新软件产品，也 是目前应用最广、发展最快、功能最强的图形化软件开发集成环境。 4 0 l l a b v i e w 是编程语言而不仅仅是一个软件开发环境，它具备语2 - - 的所有 特性，又称之为g 语言。 l a b v i e w 在包括航空、航天、通信、汽车、半导体和生物医学等世界范 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 2 页 围的众多领域内得到了广泛的应用，从简单的仪器控制、数据采集到尖端的 测试和工业自动化，从大学实验室到工厂，从探索研究到技术集成，都可以 发现应用l a b v i e w 的成果和开发产品。 2 5 信号的传感与变送技术 2 5 1 传感器 1 、物理含义 国家标准g b 7 6 6 5 - - 8 7 对传感器下的定义是1 4 1 1 ：“能感受规定的被测量 并按照一定的规律转换成可用输出信号的器件或装置，通常由敏感元件和转 换元件组成”。敏感元件指传感器中能直接感受或响应被测量的部分；转换元 件指传感器中能将敏感元件感受的或响应的被控测量转换成适于传输和( 或) 测量的电信号部分。 2 、传感器的作用 随着现代测量、控制和自动化技术的发展，传感器技术越来越受到人们 的重视| 4 “。特别是近年来，由于科学技术、经济发展及生态平衡的需要，传 感器在各个领域中的作用也日益显著。在工业生产自动化、能源、交通、灾 害预测、安全防卫、环境保护、医疗卫生等方面所开发的各种传感器不仅能 代替人的五官功能，并且在检测人的五宫所不能感受的参数方面创造了十分 有利的条件。工业生产中，它起到了工业耳目的作用。在微型计算机广为普 及的今天，如果没有各种类型的传感器提供可靠、准确的信息，计算机控制 就难以实现。因此，近几年传感器技术的应用研究在许多工业发达的国家中 已经得到普遍重视。 3 、传感器的组成 传感器一般由敏感元件、转换元件和测量电路三部分组成，有时还需要 加辅助电源旧，用方框图表示为图2 2 。 图2 2 传感器结构原理图 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 3 页 2 5 2 信号的变送技术 电流互感器和电压互感器统称互感器i ”i 。互感器从其结构和工作原理来 说是一种特殊的变压器。互感器的主要作用是实现仪表、继电器与强电主电 路隔离，这可避免主电路的高电压和大电流直接引入测量仪表和继电器，同 时也防止仪表、继电器等故障时影响主电路，从而提高主电路和测量及控制 电路两方面工作的安全、可靠性。互感器还可以扩大仪表和继电器的测量和 控制范围。如一只有5 a 量程的电流表，通过互感器可测量任意大的电流， 同样，用一只1 0 0 v 量程的电压表可测量任意的高电压等。 1 、电流互感器 电流互感器的原理图如图2 3 所示。其结构特点是一次绕组匝数少，有的 直接用扁钢穿过铁心，只有一匝，而二次绕组匝数很多，导线也较细。运行 时，一次绕组串联在电力系统主电路中，二次绕组与仪表、继电器等电流线 圈串联，形成单独的闭合电路。由于电流线圈阻抗很小，电流互感器二次回 路工作时接近短路状态，一般与电力网上配套使用的电流互感器二次绕组的 额定电流为5 a 。 1 一铁心2 一一次绕组3 一二次绕组 图2 3电流互感器原理图 2 、电压互感器 电压互感器的电路原理图如图2 , 4 所示。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 4 页 2 3 1 一铁心2 一次绕组3 一二次绕组4 熔断器 图2 4 电压互感器原理图 其结构特点是：一次绕组匝数较多，而二次绕组匝数较少，相当于降压 变压器。工作时一次绕组并接于三相电路的一次电路中，二次绕组并联仪表、 继电器的电压线圈。由于这些电压线圈阻抗一般很大，所以电压互感器二次 侧工作时近于空负荷状态。一般用于供配电系统中的电压互感器二次绕组额 定电压为1 0 0 v 。 2 6 焊接参数数据采集技术 数据采集技术是信息科学的一个重要组成部分。信息技术的核心是信息 获取、通信和计算机技术，常被称为3 c 技术( 即c o l l e c t i o n ，c o m m u n i c a t i o n a n d c o m p u t e r ) ，其中信息获取是基础和前提。数据采集技术是信息获取的主 要手段，它随着微电子技术和计算机技术的进步而得到迅速发展f 。目前各 种各样的数据采集系统已得到广泛的应用，新型数据采集系统仍不断涌现。 2 6 1 数据采集的基本概念 随着计算机技术的发展与普及，数字设备正越来越多地取代模拟设备， 在生产过程控制和科学研究等广泛的领域中，计算机测控技术正发挥着越来 越重要的作用。然而，外部世界的大部分信息是以连续变化的物理量形式出 现的，例如温度、压力、位移、速度等。要将这些信息送入计算机进行处理， 就必须先将这些连续的物理量离散化，并进行量化编码，从而变成数字量， 这个过程就是数据采集。它是计算机在监控、管理和控制一个系统的过程中， 取得原始数据的主要手段。 数据采集就是将被测对象( 外部世界、现场) 的各种参量( 可以是物理 量，也可以是化学量、生物量等) 通过各种传感元件做适当转换后，再经信 号调理、采样、量化、编码、传输等步骤，最后送到控制器进行数据处理或 存储记录的过程。控制器一般均由计算机承担，所以说计算机是数据采集系 统的核心，它对整个系统进行控制，并对采集的数据进行加工处理。用于数 西南交通大学硕士研究生学位论文 第15 页 据采集的成套设备称为数据采集系统( d a t a a c q u i s i t i o ns y s t e m ，d a s ) 。 数据采集系统是计算机与外部世界联系的桥梁，是获取信息的重要途径。 数据采集技术是信息科学的重要组成部分，己广泛应用于国民经济国防建设 的各个领域，并且随着科学技术的发展，尤其是计算机技术的发展与普及， 数据采集技术将有广阔的发展前景。 数据采集系统追求的最主要的目标有两个：是精度，二是速度。对任 何量的测试都要有一定的精确度要求，否则将失去测试的意义；提高数据采 集的速度不仅仅是提高了工作效率，更主要的是扩大数据采集系统的适用范 围，便于实现动态测试。 现代数据采集系统具有如下主要特点：1 4 4 ”l l 、现代数据采集系统一般都由计算机控制，使得数据采集的质量和效率 等大为提高，也节省了硬件投资。 2 、软件在数据采集系统的作用越来越大，这增加了系统设计的灵活性。 3 、数据采集与数据处理相互结合得日益紧密，形成了数据采集与处理系 统，可实现从数据采集、处理到控制的全部工作。 4 、数据采集过程一般都具有“实时”特性，实时的标准是能满足实际需 要；对于通用数据采集系统一般希望有尽可能高的速度。以满足更多 的应用环境。 5 、随着微电子技术的发展，电路集成度的提高，数据采集系统的体积越 来越小，可靠性越来越高，甚至出现了单片数据采集系统。 6 、总线在数据采集系统中有着广泛的应用，对数据采集系统结构的发展 起着重要作用。 2 6 2 数据采集系统基本组成 数据采集系统包括硬件和软件两大部分，硬件部分又可分为模拟部分和 数字部分。图2 5 是硬件基本组成示意圈。 传感器的作用是把非电的物理量转变成模拟电量( 如电压、电流或频率 等) 。例如使用热电偶、热电阻可以获得随温度变化的电压：转速传感器常把 转速转换为电脉冲等。其中电位器式传感器具有结构简单、性能稳定、抗干 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 6 页 扰能力强、测量精度高等优点，特别是它可以实现任意函数关系的输出一输 入关系。 通常把传感器输出到a d 转换器输出的这一段信号通道称为模拟通道。 放大器用来放大和缓冲输入信号。由于传感器输出的信号较小，因此，需要 加以放大，以满足大多数a d 转换器的满量程输入5 1 0 v 的要求。此外，某 些传感器内阻比较大，输出功率较小，这样放大器还起到了阻抗变换器的作 用来缓冲输入信号。 多 i p 路 草 摸 五h 丑 口l 拟 凄 开口 关 图2 5 硬件基本组成示意图 传感器和电路中的器件常会产生噪声，人为的发射源也可阱通过各种耦 合渠道使信号通道感染上噪声，例如工频信号可以成为一种人为的干扰源。 这种噪声可以用滤波器来衰减，以提高模拟输入信号的信噪比。 在数据采集系统中，往往需要对多个物理量迸行采集，即多路巡回检测， 这可通过多路模拟开关来实现。多路模拟开关可以分时选通来自多个输入通 道的某一路信号。 模拟开关之后是模拟通道的转换部分，它包括采样保持和a d 转换电 路。采样，保持电路的作用是快速拾取模拟多路开关输出的子样脉冲，并保持 幅值恒定，以提高a d 转换器的转换精度。 采样保持器输出的信号送至模数转换器，模数转换器是模拟输入通道的关键 电路。 a d 转换的结果要送给计算机。采用并行码或串行码输出。 2 6 3 数据采集系统的主要性能指标 l 、系统分辨率：是指数据采集系统可以分辨的输入信号最小变化量。 2 、系统精度：是指当系统工作在额定采集速率下，每个离散子样的转换精 度。模数转换器的精度是系统精度的极限值。系统精度是系统的实际输 出值与理论输出值之差，它是系统各种误差的总和。通常表示为满度值 的百分数。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 7 页 3 、采集速率：又称为系统通过速率、吞吐率等，是指在满足系统精度指标 的前提下，系统对输入模拟信号在单位时间内所完成的采集次数，或者 说是系统每个通道、每秒钟可采集的子样数目。这里所说的“采集”包 括对被测物理量进行采样、量化、编码、传输、存储等的全部过程， 4 、动态范围：是指某个物理量的变化范围。信号的动态范围是指信号的最 大幅值与最小幅值之比的分贝数。 5 、非线性失真：也称谐波失真。当给系统输入个频率为厂的正弦波时，其 输出中出现很多频率为铲( 为正整数) 的新的频率分量的现象，称为非 线性失真。 如研华公司生产的p c l 一1 8 0 0 数据采集卡的主要性能指标为：1 5 1 l 通道：1 6 路单端或8 路差分； 分辨率：1 2 位； 转换时间：2 5 微秒； r 单极性：0 1 0 v ，0 - 5 v ，0 - - 2 5 v ，0 一l2 5 v 输入范围： l 双极性：1 0 v ，5 v ，4 - 2 5 v ，4 - 1 2 5 v ，4 - o 6 2 5 v r 2 0 0 k s sd m a 方式 数据传输速度： l 3 3 0 k s sr i s 方式 精度：0 0 1 o f f s r 4 - 1 l s b 2 6 4 系统设计的基本原则 1 、确保性能指标的完全实现； 2 、系统结构的合理选择； 3 、对于较大型的应用软件，应参考软件工程学的方法进行设计； 4 、安全可靠，有足够的抗干扰能力。 西南交通大学硕士研究生学位论文第18 页 2 6 5 干扰来源及危害 干扰可以沿各种线路侵入微机系统，可以以场的形式从空间侵入微机系 统，供电线路是电网中各种浪涌电压侵入的主要途径；系统的接地装置不良 或不合理，也是引入干扰的重要途径；各类传感器，输入输出线路的绝缘不 良，均有可能引入干扰。以场的形式入侵的干扰主要发生在高电压、大电流、 高频电磁场( 包括电火花激发的电磁辐射) 附近，它们可以通过静电感应、 电磁感应等方式在系统中形成干扰。 干扰对微机系统的作用可以分为三个部位。第一部位是输入系统，它使 模拟信号失真，数字信