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山东大学硕士学位论文 脉冲g m a w 焊接电参数波形及熔滴过渡图像的同步在线检测 摘要 将高速数据采集与高速摄像技术相结合，同步在线检测焊接电参数( 焊接电 流、电弧电压) 波形与熔滴过渡图像，分析焊接电参数波形对熔滴过渡的影响规 律，为实现稳定射滴过渡提供依据，具有十分重要的理论意义和工程实用价值。 本文基于高速摄像技术和数据采集技术，设计了g m a w 焊接电参数与熔滴 过渡图像采集系统硬件。利用虚拟仪器平台l a b v i e w 7 1 ，设计了基于阿尔泰 p c i 2 0 0 3 数据采集卡( 非n i 公司原装卡) 的焊接电参数采集与熔滴图像采集和 分析软件，实现了焊接电流和电弧电压信号的实时采集、显示和储存，以及焊接 过程电参数和熔滴过渡图像的同步采集、回放和分析。 利用此系统同步采集了连续电流和脉冲电流焊接时，不同工艺条件下焊接电 参数及其相应的熔滴过渡图像，对应的分析了焊接电流和电弧电压波形与熔滴过 渡过程特征，试验结果证明该系统准确有效，可以作为焊接熔滴过渡过程检测和 分析的有效手段。 。 “ 利用该系统检测了脉冲g m a w 焊接时，不同焊接电流波形参数组合条件下 的熔滴过渡图像，考察了峰值电流持续时间和熔滴过渡电流持续时间之比、熔滴 过渡电流值对熔滴过渡过程及熔滴形状等的影响。结果表明通过合理设计脉冲电 “ 流波形的具体形状，有利于在较大电流范围内实现“一脉一滴”过渡方式 关键词：脉冲g m a w 焊接，熔滴，熔滴过渡，图像拍摄，数据采集，同步分 析 坠塑呈竺些堡堡皇耋竺篓兰璧丝塑鹜彗星堡塑星耋至兰丝塑 s y n c h r o n o u so n l i n ed e t e c to fw e l d i n gp r o c e s sp a r a m e t e r sa n d m o l t e nd r o p l e ti m a g e si ng m a w - p a b s t r a c t s y n c h r o n o u so n - l i n ed e t e c to fw e l d i n gp r o c e s sp a r a m e t e r sa n dd r o p l e tt r a n s f e r i m a g ei ng m a w - pp l a y sa l li m p o r t a n tr o l ei nd e t e r m i n i n gt h ee f f e c to fw e l d i n g p r o c e s sp a r a m e t e ro nt h em e t a lt r a n s f e r ，a n dc o n t r i b u t em u c ht om e t a lt r a n s f e rc o n t r o l ， a r es t a b i l i t ya n dg o o dw e l dq u a l i t y b a s e do nh i g h f r a m er a t ev i s i o nm o n i t o r i n ga n dd a t aa c q u i s i t i o nt e c h n i q u e s a w e l d i n gp r o c e s sp a r a m e t e ra n dm o l t e nd r o p l e ti m a g ea c q u i r i n gs y s t e mh a sb e e nb u i l t b yu s i n gt h es o f t w a r el a b v i e w 1 ，t h es o r w a r ef o rw e l dp r o c e s sp a r a m e t e ra n d m o l t e nd r o p l e ti m a g ea c q u i r i n gs y s t e mb a s e do nd a t a - a c q u i s i t i o nc a r dp c i 2 0 0 3h a s b e e nf o r m u l a t e d ，b ym e a n so fw h i c ht h ef o l l o w i n gf u n c t i o nc a l lb er e a l i z e d ：1 ) o n t i m ed a t a - a c q u i s i t i o n ，d i s p l a ya n ds a v i n go fc u r r e n ta n dv o l t a g es i g n a l sa n d ；2 ) s y n c h r o n o u sa c q u i s i t i o n ，r e - d i s p l a y sa n da n a l y s i so fw e l d i n gp r o c e s sp a r a m e t e ma n d m o l t e nd r o p l e t si m a g e s t h ew e l d i n gp r o c e s sp a r a m e t e ra n dm o l t e nd r o p l e ti m a g ea c q u i r i n gs y s t e mb u i l ti n t h i sp a p e rw e r eu s e dt os y n c h r o n o u s l yd e t e c tw e l d i n gp r o c e s sp a r a m e t e r sa n dm o l t e n d r o p l e ti m a g e si nc o n v e n t i o n a lg m a w t h e c u r r e n ta n dv o l t a g ew a v e f o r m so b t a i n e d m a t c hw e l lt h em e t a lt r a n s f e rp r o c e s si m a g e sd e t e c t e d t h i sp r o v e dt h a tt h i ss y s t e mi s e x a c ta n de f f e c t i v ei ns y n c h r o n o u so n - l i n ed e t e c to fw e l d i n gp r o c e s sp a r a m e t e ma n d d r o p l e tt r a n s f e ri m a g ei ng m a w - e t h ee f f e c to ft h em e t a lt m s f e rc u r r e n ta n dr a t i ob e t w e e nt h el a s t i n gt i m eo f d i f f e r e n tp u l s i n gc u r r e n ta n dm e t a lt r a n s f e rc u r r e n to nt h em e t a lt r a n s f e ra n dt h es h a p e o ft h em o l t e nd r o p l e t sh a v eb e e ni n v e s t i g a t e db yu s i n gw e l d i n gp r o c e s sp a r a m e t e ra n d m o l t e nd r o p l e ti m a g ea c q u i r i n gs y s t e m t h er e s u l ts h o w st h a ti ti sh e l p f u lt or e a l i z e o n ep u l s eo n ed r o p l e t i naw i d e rc u r r e n ta r e ab yr e a s o n a b l yd e s i g n i n gt h e w a v e f o r m so f t h ep u l s ec u r r e n t k e y w o r d s ：g m a w - p ，m o l t e nd r o p l e t ，m e t a lt r a n s f e r ，i m a g es h o o t , d a t a a c q u i r e m e n t ，s y n c h r o n o u sa n a l y s i s n 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进 行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何 其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究作出重要贡 献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本声明的法律责任由本人 承担。 论文作者签名：蔓互鱼e t 期：塑! 笙：皇翌 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保 留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅 和借阅；本人授权山东大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关 数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文和汇编本 学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：墨丝 导师签名：啦e t 期：型墨! ：堡 渡的影响因素很多，其中包括焊接电流、保护气体的成分、焊丝干伸长、焊丝直 径、环境压力、焊接材料和极性等【l 】。 1 2 1 焊接电流的影响 在g m a w 焊接过程中，许多工艺参数都与熔滴过渡形式的转变有着密切的 脉冲g m a w 焊接电参数波形及熔滴过渡图像的同步存线榆涮 关系。在这些工艺参数中，人们最为关注的是焊接电流对熔滴过渡形式的影响。 焊接电流是最主要的工艺参数可以通过调节电流得到所需的熔滴过渡形式。在 其它条件不变的情况下，当电流较小时发生滴状过渡，而在电流相对较高时发生 喷射过渡。在喷射过渡范围内，若电流较低，将发生射滴过渡，此时的熔滴直径 与焊丝直径大体相同，熔滴过渡稳定随着焊接电流的增加，熔滴过渡形式由射 滴过渡向射流过渡转变，直至形成旋转射流过渡，丽旋转射流过渡是极不稳定的。 射滴过渡存在于滴状与射流过渡之间的一个很窄的电流区间，一般认为在滴状过 渡与射流过渡的临界电流处，熔滴尺寸和过渡频率会发生突变【l 。1 4 1 。但近几年的 研究发现i ，d 6 j , 熔滴过渡形式从滴状到射流过渡是逐渐转变的，在滴状过渡和 射流过渡的临界电流区闯还存在一种混合过渡方式，即有滴状过渡和射滴过渡两 种过渡方式共存的现象。 1 2 2 保护气体成分的影响 保护气体成分也是影响熔滴过渡的重要因素。保护气体的成分对熔滴的过渡 形式、焊道形状、熔深程度以及焊缝金属的机械性能都有着重要的影响。文献 1 7 认为钢焊丝混合气体保护焊时，在氩中加入c 0 2 或0 2 ，对射流过渡的临界电流 的影响是不一样的。文献 3 ，1 3 中研究保护气体对熔滴过渡的影响，得出在其 它条件不变的情况下，以c 0 2 为保护气体时得到的熔滴尺寸最大；而在用混合 气体9 5 a r + 5 c 0 2 时得到的熔滴尺寸最小，随着c 0 2 含量的降低，熔滴的临 界过渡电流减小，见图1 1 。文献 t 4 认为气体成分对熔滴过渡的影响存在临 界值，在a r 和c 0 2 混合气体中，当加入的c 0 2 含量超过3 0 时，不能形成射流 过渡，而具有c 0 2 气体保护焊细颗粒过渡的特点。 1 2 3 焊丝千伸长的影响 焊丝干仲长对熔滴过渡和电弧稳定性也有一定的影响，见图1 2 。焊丝干伸 长增加。加强了焊丝的电阻热作用，可促进熔滴过渡，但过大的焊丝干伸长会引 起伸长部分软化。文献 3 ，i s 认为随焊丝干伸长的增加，射流过渡的临界电流 值降低。在g m a w 焊接中，干伸长的自身调节作用在细丝时较为明显f 1 9 。 2 山东大学硕士学位论文 图卜l 保护气体成分对熔滴过渡的影响【1 图i - 2 焊丝干伸长度对熔滴过渡的影响 i 3 脉冲g m a w 焊接熔滴过渡的研究现状 脉冲g m a w 焊接可以在平均电流低于g m a w 焊接喷射过渡的i 临界电流条 件下实现喷射过渡，使得母材的热输入量降低，焊接变形小，因此在g m a w 焊 接中的应用范围越来越广 国内外许多焊接工作者对脉冲g m a w 焊接的熔滴过渡形式进行研究。本节 就熔滴过渡的几种形式及其对焊接质量的影响予以说明，并讨论一脉一滴的研究 现状，指出熔滴过渡控制的发展趋势 1 3 1 脉冲g m a w 焊接熔滴过渡的三种形式 研究表明，脉冲g m a w 焊接熔滴过渡的形式主要有多脉一滴、一脉一滴和 一脉多滴三种控制模式【2 0 】。 l 、多脉一滴 脉冲频率高、基值电流较小的情况下易出现多脉一滴。由于脉冲时间非常小， 在一个周期内没有足够的能量使熔滴过渡，熔滴持续增大，此时主要是表面张力 对熔滴过渡起阻碍作用。当熔滴长大到一定尺寸时，熔滴受到的脱离力超过表面 张力，熔滴丌始过渡。多脉一滴多是大滴过渡，电弧不稳定，在焊接过程中产生 的飞溅大，焊接熔池宽，因此在实际中应用比较少。 2 、脉一滴 ，一脉一滴过渡形式有两种：基值电流期间过渡和峰值电流期间过渡。在峰值 电流期间过渡时，熔滴受到的电磁力比较大，加速度较大，而在基值电流期间过 渡时熔滴的加速度较小当熔滴向熔池过渡时，熔池受到熔滴的冲击，会产生较 大的熔深另外，熔滴的速度也影响电弧力，电弧气流也冲击着焊接熔池表面 一般认为基值期电流间过渡时由于飞溅少，被大家普遍接受；但在需要较大熔深 时峰值电流过渡比较理想一脉一滴过渡产生的飞溅少，过渡规则，熔滴尺寸与 脉冲g m a w 焊接电参数波形及熔清过渡图像的同步存线柃铡 焊丝直径相当 3 ，一脉多滴 当峰值电流较高、峰值持续时间较长时会产生一脉多滴过渡，此时是射流过 渡，由于熔滴尺寸比较小，产生的飞溅大，过渡频率高，熔滴过渡的控制比较困 难。 i 3 2 一脉一滴过渡的研究现状 一脉一滴是所有过渡形式中最理想的一种，熔滴直径近似于焊丝直径，焊接 过程稳定，这种过渡方式在脉冲g m a w 焊接的几种熔滴过渡形式中可控性最好， 焊接过程稳定。对常规的脉冲g m a w 焊接来说，实现一脉一滴的控制主要是靠 脉冲参数的设冠来保证，包括峰值电流和脉冲宽度乙、基值电流l 和脉冲宽 度瓦等。 k i m 2 13 应用静力平衡理论对脉冲电流条件下的熔滴尺寸及过渡频率进行了 预测，提出了实现一脉一滴的过渡频率区间；认为当脉冲频率增加而脉冲宽度减 小时，熔滴的尺寸会减小，并有一个最小值，随着峰值电流的增加，最佳的脉冲 频率区间也会相应扩大。 文献 2 2 ，2 3 认为，在峰值电流期间过渡的第一个熔滴总是以射滴过渡的 形式出现，而在第一个熔滴脱离后，若峰值电流持续，熔滴将会转变为射流过渡。 将熔滴过渡过程分为三个阶段：加热阶段、熔滴长大及形成缩颈阶段和过渡阶段， 每个阶段的持续时白j 分别为，。，f ：，t 3 ，一脉一滴的最佳脉冲宽度区间可表示为 t i l 5 0 a ，u s l 频率范闱 0 - 1 0 0 k h z 艺 ：作温度o 一+ 7 0 - 4 0 一+ 1 0 0 贮存温度 lc 耗电3 5 m a + 厶 ( 测量电流) 副边内阻( = r + 7 0 )8 0 q 原边内阻( t o = + 7 0 ) 此传感器需要电源输入，所以在壳体内安装了1 2 v 输出的变压器和5 2 q 的 电阻其实际连接方式示意图如图2 - 6 所示。 1 9 脉冲g m a w 焊接也参数波形及熔滴过渡图像的同步有线枪测 2 3 2 电压传感器的设计 + 0 v i 。赦湖电流 圈2 - 6 霍尔电流传感器电路连接图 由于试验用焊机的丌路电压为7 0 v ，而数据采集卡的输入范围是o l o v ，所 以采用了一个分压电路减小输出电压，其电路如图2 7 所示。 图2 7 电压传感器电路图 测量电流与原始电流u 一的关系为： u 2 = u 7 2 3 3 焊接电流和电弧电压信号的输入 ( 2 - 3 ) 本试验系统中采用的数据采集卡是北京阿尔泰公司生产的p c i 2 0 0 3 高速数 据采集卡。p c i 2 0 0 3 卡是一种基于p c i 总线的数据采集卡，可直接插在i b m p c a t 或与之兼容的计算机内的任一p c i 插槽中，适用于实验室、产品质量检测中心等 各种领域的数据采集、波形分析和处理系统，也可构成工业生产过程监控系统。 p c i 2 0 0 3 板上装有1 2 b i t 分辨率的a d 转换器和d a 转换器，其a d 转换频率 为o l o o k ，可以满足焊接电参数采集的需要。该卡提供了8 双1 6 单的模拟输 入通道和2 路模拟输出通道。输入信号幅度可以经程控增益仪表放大器调到合 山东大学硕士学位论文 适的范围。保证最佳转换精度程控增益可选择l 、2 、4 、8 倍，a d 转换器输 入信号范围：5 v 、1 0 v 、0 i o v ，d a 转换器输入信号范围：士5 v 、1 0 v 、 0 1 0 v 。模拟输入信号的连接方式有单端输入和双端输入两种。由于本试验系 统中噪声干扰不高，为了连接的方便和可靠，采用单端输入方式，其示意图如图 2 8 所示。 图2 - 8 数据卡单端输入方式 现场信号 采集焊接电参数时，通过屏蔽线将电流信号连接到采集卡的c h i 通道，将 电压信号连接到c h 2 通道。 采样频率的选择要依据信号频率大小决定当信号频率很高时，采样频率应 更高。根掘信号取样定理又称为奈奎斯特取样定理( n y q u i s ts a m p l i n gt h e o r e m ) ， 采样频率应大于或等于信号频率的两倍，实时采样中采样频率应是信号频率的8 倍或更高才能重现原信号，利用插值运算时采样频率为信号频率的4 、5 倍时也 能可以重现原模拟信号。采样点数是一次采样共采集的点数，采样点数的选择主 要与信号的频率有关。当信号的频率很高时。一个波形能够采集的点数较少，这 时采样点数小一点，也可以捕获多个波形例如，当信号频率为1 0 k h z ，采样 频率为1 0 0 k s s 时，一个波形大约能采1 0 个点，采样点数为1 0 0 0 就可以采集 1 0 0 个波形。当信号的频率很低时，需要的采样点数就很多。例如，当信号频率 为i h z ，采样频率为1 0 0 k s s 时，一个波形大约能采1 0 0 0 0 0 个点。需要注意的 是，采样点数越多，系统的显示刷新速度越慢。g m a w 焊接波形的频率一般在 2 0 0 h z 以下，综合考虑以上因素，本文采用1 0 列s 的采样速率。经过试验验证， 可以有效的采集出焊接电压电流波形 2 1 脉冲g m a w 焊接电参数波形及熔滴过渡图像的同步存线枪测 2 4 熔滴过渡图像采集系统 熔滴过渡图像采集系统的硬件包f a s t c a ms u p e r l 0 k c 高速摄像机、大功 率氙灯、监视器、主控计算机等组成。系统结构框图如图2 - 9 所示。 电弧 遮光板 摄像机镜头 氙灯熔滴 图2 - 9 熔滴过渡图像采集系统框图 本文使用的高速摄像机是p h o t r o n 公司生产的f a s t c a m s u p e r l 0 k c 高 速摄像机。该机采用数字方式记录图像，图像数据存储在其内部的动态随机存储 器( d r a m ) 中。全幅图像( 5 1 2 x 4 8 0 ) 可保存5 4 6 帧，最小图像( 1 2 8 x 4 0 ) 可保存2 6 2 0 8 帧，可选图像尺寸有7 种。拍摄速度分为l o 级，最低为3 0 f p s ，最 高可达1 0 0 0 0 f p s 。拍摄速度超过5 0 0 f p s 时，录制图像的尺寸会自动减小。曝光 时间为1 3 0 - 1 2 0 0 0 0 s e c ，共分1 l 级，每一拍摄速度所对应的曝光时间为7 级【4 4 1 。 拍摄速度增加时，拍摄时间下限值减小。图像尺寸、拍摄速度与存储量的关系如 如表2 3 。 表2 - 3 图像尺寸、拍摄速度与存储量的关系 幽像尺寸( 象 拍摄速度( f p s ) 储存量( f ) 紊)3 06 01 2 52 5 05 0 01 0 0 02 0 0 03 0 0 05 0 0 01 0 0 0 0 5 1 2 4 8 0 ，、， 5 4 6 5 1 2 2 4 0 ， ， 1 0 9 2 2 5 6 2 4 0 ， 2 1 8 4 2 5 6 1 2 0，4 3 6 8 1 2 8 1 2 0 、， ， ，8 7 3 6 1 2 8 x ， ，1 3 1 0 4 1 2 8 3 4，2 6 2 0 8 曝光时间( 快门速度) 与拍摄速度的关系如表2 - 4 。 山东大学硕士学位论文 表2 - 4 曝光时间与拍摄速度的关系 拍摄速曝光时间( s e e ) 度( f p s ) l ，3 0l ，6 0l 门2 5i 2 5 0l 5 0 0 l 1 0 0 0 i ，2 0 0 01 ，3 0 0 01 1 0 0 0 0 l 2 0 0 0 0 3 0 ， ， 6 0，j 1 2 5， ， ， 2 5 0 ， ， 5 j 1 0 0 0， ， 2 0 0 0 ， ， 3 0 0 0 ，j 5 0 0 0 ， 1 0 0 0 0 通过实际拍摄焊接过程的熔滴过渡图像，综合考虑熔滴过渡细节表现和图像 分辨率，采用每秒钟3 0 0 0 帧的拍摄速度，1 3 0 0 0 秒的曝光时间 目前拍摄熔滴过渡图像一般采用激光或氙灯作为背光。激光作为背光的优点 是功耗小，试验条件好，熔滴过渡图像清晰锐利，但激光系统存在成本较高，光 路较难校准，形成的