（材料加工工程专业论文）钢轨交流闪光焊质量检测与预测研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 页 摘要 钢轨焊接是高速铁路铺设工程中的关键环节。国内铁路轨道工程中应用的多 种合金钢轨，强度高，耐磨性好，但可焊性较差。同时现有焊接接头质量检测和 监控手段尚不完善，使线路存在安全隐患。因此，系统开展钢轨闪光焊焊接质量在 线诊断技术研究工作十分重要。 目前西南交通大学焊接研究所在钢轨闪光焊接接头质量的在线检测和预测方 面展开了一系列的研究，尤其是将神经网络方法引入这一领域，取得了一些比较 理想的成果。但是该钢轨焊接质量判断系统存在以下的一些不足之处：( 1 ) 软件平 台不统一：对焊接过程信息采集采用的是美国n i 公司的l a b v i e w 软件，而对采 集信息分析的是运用v i s u a lb a s i c o 开发的应用程序，存在着系统软件相互连接 和兼容的问题；( 2 ) 采用落锤结果作为钢轨焊接质量判定条件值得商榷：由于钢轨 在落锤时的结果与很多外界不确定的因素有关，因此采用焊接接头灰斑面积作为 判定条件更加合理。针对原有系统的不足，运用v i s u a lb a s i c 编程软件重新开发 和设计具有高速数据采集和质量预测功能的软件。通过大量的现场焊接试验对系 统设计进行了修改和完善。 现场应用结果表明：新的系统能够对焊接过程的参数情况做出准确、详细的 记录，具有比较友好的人机界面；根据采样数据所提取出的指标能够比较全面的 包含焊接过程信息；采用b p 神经网络算法对灰斑面积进行预测的方法，基本能够 满足钢轨焊接生产的实时性要求，同时也具有较高的准确率。 关键词：闪光焊：数据采集；质量检测：质量预测；神经网络 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 r a i l 、v e l d i n gi st h ek e ys t e po fh i g h - s p e e dr a i l 、v a yl a y i n gp r o j e c t a 儿o y e dr a i ls t e e l a p p l i c a t e di nm er a i le n g i n e e r i n gi nc h i n ai so fh i 曲s t r e n g t l la n dg o o dw e a r a b i l i t y b e c a u s ei th a sn o tag o o dw e l d i n gc 印a c i t y ，a i l dm ei n s p e c t i o nm e t h o do fr a i l 、v e i d q u a l i t yi sn o tp e r f e c t ，s ot h e r ci ss o m eh i d d e nd a r 培e ri nt h er a i ll i n e ，t h e r e f o r ei t sv e r y i m p o r t a l l tt od or e s e a r c ha b o u to n l i n eq u a l 畸p r e d i c t i o no f n a s hb u t tw e l d i n g as e r i e so fr e s e a r c hf h l d i n g sa b o u to n l i n eq u a l i 够p r e d i c t i o no fn a s hb u t tw e l d i n g 、e r eo b t a i n e db yw e i d i n gi n s t i t u d eo fs o u 幽w s tj i a o t o n gu n i v e r s i t yw i t ha r t i 6 c i a l n e u r a ln e t w o r k ( a n n ) ，b u tt l l e r ea r es t i l ls o m es h o n a g e si nt h es y s t e m f i r s t l y ，m e r ea r e s o m ec o n n e c t i o na n dc o m p a t i b i l i t yp r o b l c m so ft w os y s t e m s ，b e c a u s et h es o r w a r e p l a t f 0 肌o fd a t aa c q u i s i t i o ns y s t e m ，c o d e dw i t hm es o f to fl a b v i e wo fn i ，i s d i 髓r r e n tf o r n ld a t a 柚a i y s i ss y s t e m ，c o d e dw i t ht h cs o 丘o fv i s u a lb a s i co fm i c r o s o r s e c o n d l y ，u s h l gt h ei m p a c t e dq u a l i t ya sj u d i c i a ls t a n d a r do fw e l d i n gq u a l i t yi sn o t p e r f e c t ，b e c a u s et h ei m p a c t e dq u a l i t yi sn o to n i yr e l a t i o nt ow e l d i n gq u a l “y ，b u ta l s ot o o 也e r s ， t h e r e f o r ei r sm o r e 住t i o n a lu s i n g 也ea f e ao fg f e y s p o t s a i m i n ga tt h e s e p m b l e m s ，n c ws o r w a r ei sc o d e d 、v i 也t h es o f to fv i s u a lb a s i c ，w h i c hi so f m ef u n c “o n s o fh j g h 一印e e dd a t aa c q u j s m o na n d w e i d j n gq u 丑】i t y 弘b d i c t j o n t h ea p p l i c a t i o ni n d i c a t e dt h a t 、v e l d i n gp m c e s sp a r a m e t e r sc a nb er e c o r d e de x a c t l y a i l dd c t a i l yb yn e ws y s t e m 谢t hag o o dm a n m a c h i n ei n t e r f a c e ，a 1 1 dt l l ea r e ao f g r e y - s p o t sc a nb ep r e d i c t e dw i t h 删p r e d i c t i o nm o d e l t h er e q u i r e m e n t so ft h e r e a l t i m ea b i l i t ya i l dt h ea c c u r a c yo f p r e d i c t i o nc a na l s ob em e e tb yt h en e w s y s t e m k e yw b r d s ：e a s hw e l d i n g ；d a t aa c q u i s i t i o n ；q u a l i t yi n s p e c t i o n ；q l l a l 时p r e d i c t i o n ； a r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r k 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 第1 章文献综述 1 1 课题研究的背景及现状 1 1 1 课题研究背景 钢轨焊接是高速铁路铺设工程中的关键环节【l 。】。其主要方法有闪光焊、气压 焊、铝热焊和电弧焊四种【3 】。其中铝热焊由于其组织为铸造组织，强度低、质量 不稳定、断头率高，将逐渐被减少使用。气压焊一般作为闪光焊的补充，用于长 轨现场铺设联合接头的焊接。电弧焊主要用于现场维修工作，焊缝金属能达到母 材的力学性能，硬度和耐磨强度有时甚至超过钢轨。电弧焊在国外已有较长的发 展历史【4 巧】，但在我国尚处起步阶段。闪光焊目前主要应用于钢轨的工厂焊接，但 是近些年，随着焊轨列车的研究和发展，同时，随着钢轨生产厂家定尺长钢轨 ( 1 0 0 m 甚至更长) 生产和运输问题的解决，钢轨现场焊将越来越多的采用闪光焊 方法。 闪光焊焊机目前主要有次级整流闪光焊机和交流闪光焊机两种机型，直流焊 机的典型代表是瑞士s c h l a t t e r 公司g a a s 8 0 三相次极整流式焊机：交流焊机为前 苏联巴顿焊接研究所研究生产的k 系列焊机，该类钢轨闪光焊机与g a a s 8 0 三相 次极整流式焊机不同点在于：由于采用了特殊措施，从而使得该焊机容量仅为同 类焊机的三分之一，具有体积小、成本低、可靠性高等优点。因此，一直在国内 钢轨焊机中占有较大市场。现场焊接的闪光焊机由于要求体积小，重量轻，基本 上采用交流焊机【6 i 。 我国在钢轨焊接接头质量保证方面，通过钢轨焊接接头的型式检验和周期- 眭 检验两种方式加以保证【7 l 。进行型式检验的前提是：钢轨焊头试生产；采用新 轨型、新钢种及调试工艺参数时；周期性生产检验结果不合格时。其中周期性 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 检验是在每焊接5 0 0 个接头后进行的，检验项目包括落锤、硬度、外观及断口。我 国标准规定闪光焊必须进行落锤检验。落锤试验是检验接头承受冲击荷载的性能， 是检验灰斑最简便、有效的方式。按铁道部标准( t b l 6 3 2 9 1 ) ，对落锤的要求如下： 锤重1 0 0 0 埏；对于不同的钢轨其落程是不一样的，对于5 0 轨落程为2 5 米，对于6 0 轨落程为3 2 米，对于7 5 轨落程为3 8 米；底座支距l 0 0 0 m m ，轨头向上，两锤不断 为合格。 目前研究结果表明制约闪光焊接头内部质量提高的因素仍然是灰斑缺陷，周 期性检验不合格的主要原因是灰斑导致落锤不能通过。而在钢轨闪光焊焊接接头 中的灰斑缺陷通过目前的探伤设备是很难检测出来的，为了保证上道钢轨焊接接 头的质量，系统开展钢轨交流闪光焊接头焊接质量在线诊断技术研究十分重要。 1 1 2 课题研究现状 自1 9 世纪八十年代以来，焊接界国内外专家学者在焊接质量的在线控制与预 测方面作了大量工作，取得了可喜的成果。八十年代至九十年代初主要是进行质 量信息的检测与建模，侧重于电弧传感器的研究，进入到九十年代，开始将电弧 传感器、视觉传感器与新的控制决策方法结合起来，使得焊接质量的在线控制与 预测得到了长足发展。弧焊质量的控制与预测的决策方法是随着自动控制理论和 方法的发展而不断发展变化的，目前主要有如下一些方法1 6 】： ( 1 ) 数理统计的方法：采用数理统计方法，经过大量的焊接试验，统计有关 焊接质量信息参数与焊接质量之间的关系，再利用这些关系进行质量控制与预测。 由于焊接过程本身就是一个具有大量随机的不确定因素的复杂过程，因此建立一 个能够进行比较准确的预测准确率的统计模型。是一件很困难的事情。 ( 2 ) 专家系统( e s ) ：利用焊接领域专家的知识经验和推理方法，开发用于焊 接质量预测的专家系统。专家系统是当前人工智能应用中最成功的一个领域。专 家系统发展如此迅速，主要因为：( 1 ) 专家系统解决实际问题的周密性：( 2 ) 人类 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 专家知识的系统组织，对其应用领域的发展起到了促进作用；( 3 ) 专家系统突出知 识的价值。目前我国的一些进口焊机，基本具备根据焊接工况对焊接接头焊接质 量进行在线判断的专家系统。但是由于国内外的焊接条件的不同，基于专家系统 的在线质量判断的预测结果不甚理想。其原因为：专家系统的存在是基于已有的 知识经验做出的推理和判断，因此对于新情况或者知识库中不存在的就很难做出 判断，或者做出错误的判断。这些制约了专家系统的广泛应用。 ( 3 ) 模糊神经网络：由于焊接是一个高度非线性、多变量耦合，同时又有大 量随机不确定因素的复杂过程，难以建立精确的数学模型，而神经网络( a n n ) 由 于其具有非线性映射及自学习等特点，使得其在焊接领域( 特别是焊接质量的在线 控制与预测方面) 的研究中与传统方法相比具有一定的优势【8 1 。 目前西南交通大学焊接研究所在钢轨闪光焊接接头质量的在线控制和预测方 面展开了一系列的研究。尤其是将模糊神经网络的方法引入这一领域，取得了 些比较理想的成果。通过一些试验提取钢轨交流闪光焊中的一些与焊接接头质量 相关的过程参量( 如：焊接电流、焊接电压、功率等) 和质量结果判定条件( 落锤结 果、灰斑面积) ，运用神经网络算法，建立起钢轨焊接质量预测模型，然后将此模 型运用到实际生产中，对钢轨焊接质量进行在线判断。现场应用表明，此预测模 型能够大幅度的提高焊接接头的焊接质量预测的准确率。 但是该钢轨焊接质量判断系统存在以下的一些不足之处：( 1 ) 软件平台不统一： 对焊接过程信息提取采用的是美国n i 公司的l a b v i e w 软件，而对采集信息分析 的是运用v i s u a lb a s i c 开发的应用程序，存在着系统软件相互连接和兼容的问题： ( 2 ) 采用落锤结果作为钢轨质量判定条件值褥商榷：由于钢轨在落锤时的结果与很 多外界不确定的因素有关，如正火工艺、焊接接头的焊后打磨等，这些因素都影 响着落锤结果。鉴于上述原因，采用焊接接头灰斑面积作为判定条件更加合理。 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 1 2 闪光对焊原理、工艺过程 1 2 1 闪光对焊原理 闪光对焊的原理如图卜1 所示。焊件装配成对按接头，焊件l 在夹具2 中被 夹紧。控制可移动夹具，使焊件两端面逐渐移动接近达到局部接触，此时通电进 行加热，利用电阻热加热这些触点( 此时渐续产生闪光) ，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，随即切断电源，在焊接区发生强烈的塑性变形结晶面交互结晶， 从而形成牢固接头。闪光对焊有两种方法：连续闪光对焊和预热闪光对焊。3 。 l 一焊件2 一夹具3 一变压器 图卜l 闪光对焊原理 1 2 2 闪光对焊过程分析 连续闪光对焊由闪光、顶锻、保持、休止等过程组成。闪光和顶锻两个连续 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中 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 所必须有的，其焊接循环图如图卜2 所示。预热闪光焊与连续闪光焊的不同之处 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 适合的温度值，然后再进行闪光和顶锻，其焊接循环图如图卜3 所示。 f 、p 、s s p f f 闪光 顶锻 j 夕。 保持 p 一功率f 一压力s 一行程 图1 2 连续闪光对焊 休止 t f 、p 、s 一 i 。馒 l ，j 舢 p i 点仁手一。 f f 7 s ”j 一 p 一功率f 一压力 s 一行程 图卜3 预热闪光对焊 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 1 预热阶段 此阶段是预热闪光对焊闪光之前进行的。预热阶段一般在焊机上进行。预热 又可以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和 分开，接触时工件短路，施加一定压力，并通阻预热电流。闪光预热是接通电源 后将两工件端面轻微接触和分开，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。通过预热，可以提高焊件端面的温度，减小温度梯度，使闪光很快进 入拟稳定状态。 预热闪光对焊有以下一些优点： ( 1 ) 减小焊机容量，在相同功率的焊机上可以焊接较大截面的焊件。 ( 2 ) 减少闪光留量，比连续焊可减小闪光留量6 0 7 0 ，因此，可用于焊 接贵重金属材料。 ( 3 ) 塑性温度区较宽，顶锻时容易产生塑性变形。 ( 4 ) d t d x 较小，冷却缓慢，因此，可以用来焊接易淬火的材料。 2 闪光阶段 闪光是闪光对焊的过程中，从焊件对口间飞散出闪亮的金属微滴的现象。其 形成过程是：接通电源使两焊件端面轻微接触，对口间形成许多具有很大接触电 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 小桥。小桥不断形成和爆破就形成了闪光并在同时产生大量的热。 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， 小桥爆破的速度将加快，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。 闪光的作用主要有： ( 1 ) 加热焊件，热量主要来源于液体小桥的电阻热以及小桥爆破使部分金属液 滴喷射在对口端面上所带来的热量。 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 ( 2 ) 烧掉焊件端面的脏物和不平整，减少了对焊前对端面的准备工作。 ( 3 ) 液体小桥爆破时产生的金属蒸气减少了空气对对口间隙的侵入。形成自保 护。同时蒸气及抛射的金属液滴被强烈氧化而减少了气体介质中氧的百分 比，从而降低了对口间隙中气体介质的氧化能力。 ( 4 ) 闪光后期在端面上形成的液体金属层，为顶锻时排除氧化物和过热金属层 提供了有力条件。 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，闪光不能中断而应有更高频率的小桥爆破； 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，必须使焊件得送进速度跟随闪光速度得变化。 ( 2 ) 对口及其附近区域获得一个合适得温度场，其标致为：沿对口端面加热均 匀；沿零件长度方向获得合适温度分布：端面上有一层较厚得液态金属 层。 3 顶锻阶段 顶锻是闪光对焊的后期阶段，对焊件施加顶锻力，使烧化端面紧紧接触，并 使其实现优质结合的操作。 顶锻开始时，动夹具突然加速使对口间隙迅速缩小，小桥断面增大而不再爆 破，闪光骤然停止。对口及其邻近区域开始承受越来越大的挤压力。 项锻阶段又分为带电项锻和无电顶锻两部分，带电项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深度，这在钢轨这样的大截面焊件的对 焊是很重要的。 为获得优质的接头，顶锻阶段结束时必须满足下面的基本要求；对口及其邻 近区域获得足够而又适当的塑性变形。因为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过程中产生的液态金属，利用 顶锻尽量排斥到毛刺中去。因此在对口两侧获得足够的塑性变形是很有好处的。 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 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。 4 保压和推凸阶段 在闪光对焊循环过程中，这两个阶段对形成优质的焊接接头是非常重要的， 是对焊操作中不可缺少的。在钢轨焊接完成后长钢轨产生较大的拉应力，此时焊 缝温度在9 0 0 以上，焊缝结合强度很低，如果不进行保压，致使焊缝被局部( 裂 纹源) 拉开，在车轮冲击及钢轨应力作用下，焊头快速断裂。推凸的作用是保证 焊接接头的形状，防止由于焊瘤的存在而形成应力集中。 1 2 3 闪光对焊优质接头形成特点 l 、闪光结束时在端面上已经形成液体金属层，顶锻时，端面金属首先在液相 下联合成一体。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 顶锻中因先流过过大的电流密度而立即熔化，在该部位重新出现液相添充凹坑部 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。因此项锻过程中塑性变形集中、变形度相对 增加，可产生足够高的局部位错差值，促进接头形成过程中的再结晶发生。同时， 当顶锻参数合适时，不仅可排除液态金属和氧化物，还可以排出部分过热金属， 获得较致密的热铸造组织形态，可以显著提高接头质量【9 】。 1 3 闪光对焊工艺参数及其对焊接接头质量影响 目前主流的钢轨闪光焊焊机焊接进度是由动夹具的位移来控制的：高压阶段 的位移达到设定值进入低压阶段，低压阶段位移值达到设定值就进入加速闪光和 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 顶锻阶段。典型的闪光焊三段电压焊接工艺图1 4 所示【1 0 - ”】。 烧化量( m m ) 图1 4 闪光焊三段电压焊接工艺 对于连续闪光焊而言工艺参数有：高压电压、加速烧化电压、顶锻量、高压 时间、加速烧化时间、高压电流基值、送进速度、后退速度、带电顶锻时间、加 速末速、低压电压、低压电流基值、低压时间等1 3 个参数，每一个参数的对焊接 结果( 采用落锤数为判断标准) 的影响如下： ( 1 ) 高压电压：在高压阶段主要为钢轨界面增加热输入，采用较低电压闪光 有利于提高热输入效率。 ( 2 ) 加速烧化电压：加速烧化电压越高，闪光越激烈，焊口被保护越好，因 此灰斑会减少：但加速烧化电压太高，在加速阶段烧化的钢轨预留量太多，焊接 接头的温度场会变差。焊接接头的质量不仅仅与辉斑缺陷有关，还与焊接接头的 温度场有关。因此对于加速烧化电压需要选定在一定的范围，过大或者过小都不 行。 ( 3 ) 顶锻量：随着顶锻量的增加，焊接接头的落锤质量变差，在温度场较窄 的情况下，顶锻量越大，焊接接头处越容易出现硬顶的情况，接头处的应力大， o巴蹬捌辎跛 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 易出现微观缺陷而使性能变差，因此在热输入一定的情况下，焊接接头的顶锻量 应该有一个最佳值。 ( 4 ) 高压烧化时间：高压阶段是对钢轨进行预热阶段，预热时间增长，钢轨 的焊接温度场好，在低压阶段及加速烧化阶段的闪光也稳定，焊接接头的灰斑面 积就会减小。但高压烧化时间长，焊接生产率降低，焊接成本增加。 ( 5 ) 加速烧化时间：加速烧化时间越长，因为最后的加速末速一样，在加速 烧化阶段焊口被氧化的概率增加。同时加速阶段的烧化量越多，在高压、低压阶 段形成的合适的温度场被破坏，氧化物在顶锻时很难从焊缝处挤压出来，从而使 灰斑面积增加。 ( 6 ) 高压电流基值：高压电流基值小一点，在高压阶段短路电流就小一些， 形成的凹坑就小，钢轨在低压和加速时容易将钢轨端面闪平，辉斑易被挤出，从 而辉斑少，落锤质量好。 ( 7 ) 送进速度：从理论分析可知，送进速度太快，容易形成短路，而太慢又 会使断路时间加长，因此送进速度应有一个最佳值。 ( 8 ) 后退速度：速度适中时，能使短路时间和断路时间缩短，从而闪光稳定， 得到较好的质量。 ( 9 ) 带电顶锻时间：带电顶锻时间加长，灰斑易于挤出，落锤质量增加，平 均灰斑面积减小。 ( 1 0 ) 加速末速：加速末速增加，落锤质量变差，平均灰斑面积增加，原因有 二：末速增加，在女速阶段烧化的钢轨太多，从两焊接接头的温度场会变差；速 度增加太快，送进速度大于烧化速度，还未达到最大末速时钢轨就形成严重短路。 ( ”) 低压电压：电压太低，液态过梁很难爆断，闪光不稳定，电压太高，易 形成灰斑，因此取合适值。 ( 1 2 ) 低压电流基值：进入低压后，钢轨端面已经被加热，一旦短路，液态过 梁容易断开，此时尽管回拉电流基值比高压阶段的电流基值大，闪光仍然很稳定， 对焊接质量有利，但若进步增大基值电流，短路频繁，影响质量。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第l l 页 ( 13 ) 低压烧化时间：太短形不成合适温度场，太长尽管灰斑面积小，但焊接 效率低，应取合适值。 对于脉冲闪光焊而言，其工艺参数较连续闪光焊复杂一些，主要是增加了以下 几个参数：其焊接工艺参数有：高压烧化量、加速烧化量、低压烧化量 ( 1 ) 高压烧化量：高压阶段消耗的预留量，反映了在高压阶段积累热量的程度。 ( 2 ) 低压烧化量：高压阶段消耗的预留量。 ( 3 ) 加速烧化量：从低压阶段结束到带电顶锻开始前消耗的预留量，该指标过 大则可能表示焊接接头的热积累过大，此时接头比较软，在顶锻阶段可能使得端 面的氧化物难以被挤出来从而形成缺陷；但是加速烧化量如果过小则有可能在顶 锻阶段出现”硬顶”的情况。 1 4 高效钢轨交流闪光焊工艺简介 对于钢轨交流闪光焊而言如何能够在保证焊接接头质量的情况下提高焊接生 产效率是一个很有意义的课题。西南交通大学焊接研究所吕其兵老师、戴虹老师、 骆德阳老师、谭克利老师等人在总结交流闪光焊的特点后，提出了基于最大输出 功率的高效交流闪光焊工艺“。 采用上述工艺的原理为：焊接过程的高压阶段以及低压阶段的前期，采用最大 输出功率控制可以使加热迅速，缩短焊接生产时间，节约焊接成本。因为在焊接初 期，采用较高的电源电压以利于激起闪光；对于低压阶段的后期和加速阶段的前 期不适合采用最大输出功率控制法来提高焊接生产效率，因为在低压阶段的后期 和加速阶段的前期必须保证闪光的连续、稳定以保证焊接区的保护和接头端面 的加热均匀，此时的焊接电流较小，焊机输出功率较小，但这是保证焊接质量所必 须的。 为了实现基于最大输出功率的高效交流闪光焊工艺，在焊接开始前在p l c 中 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 2 页 设定好动夹具的最大送进和回拉速度，以及基准电流、送进临界电流、回退( 开始) i 临界电流和极限电流。在焊接过程中，对焊接电流进行实时检测：当焊接电流小 于或者等于基准电流时，动夹具以最大的速度前进；当工件有微小的接触后，焊 接电流开始上升，在焊接电流还没有到达送进临界电流时，动夹具仍然按照一定 的比例进行送进，不过随着焊接电流的增大，工件之间的距离进一步缩小，送进 的速度也逐渐减小。当焊接电流超过了送进临界电流以后，此时接头的闪光比较 剧烈，为了保证接头质量，此时停止动夹具的送进。当检测到焊接电流超过一定 的临界值以后，应该将动夹具进行回拉，这个可以对过梁的爆破进行有效的控制， 防止过于剧烈的闪光爆破所形成较大的坑，在闪光后期不能被新的液态金属所填 充，而形成焊接缺陷。其过程如图1 5 所示： 流( a ) 图卜5 动夹具动作与焊接电流的关系 其中动夹具的送进与回拉的速度控制采用的闭环控制。通过检测焊接过程中 的焊接电流值的大小，决定送进( 或回拉) 的速度大小。其控制关系如下所示： 一连宣)巡艘 亘塑奎望查堂堡主塑窒圭兰堡笙皇篁! ! 夏 夹具= h k ( ，焊接电拒一，基准电流) ( ，送进临界电流一j 基准电流) o 一 0 埠接电流，基准电流 ，基准电濂，埠接电流s ，送进临界电涟 ( 1 1 ) 气迸临界电流焊接电流退临界电流 ，焊拄电漉名退临界电漉 式中：乃表示动夹具最大的送进速度，单位( m 州s ) 乃表示动夹具最大的回拉速度，单位( m 州s ) 一 ， 、 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 4 页 第2 章焊接接头质量在线预测系统设计 21 系统硬件设计 2 1 ，1 数据采集系统硬件构成 常见的交流闪光焊机系统主回路如图2 1 所示，通过一组晶闸管的切波来分 别实现对焊接过程中高压和低压阶段电压的控制。 图2 一l 常见的闪光焊机系统主回路 若在高压和低压阶段分别使用不同晶闸管进行切波，可以控制高压和低压阶 段的控制角很小或为零，从而保证在闪光阶段中不出现长时间断路现象。从而有 效的控制焊接过程中的长时间短路和断路现象。焊接电流的恒值控制通过计算机 控制液压比例阀，从而控制动夹具的送进和后退方向以及速度大小来控制m 控制液压比例阀，从而控制动夹具的送进和后退方向以及速度大小来控制。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 5 页 图2 2采集系统的硬件的构成 为了提取与焊接质量相关的参数信息，需要对焊接接头的一个过程信息进行 提取。需要提取的过程信息包括：焊接电流、焊接电压、焊接位移、焊接时间等。 因此需要设计一个满足焊接实时性要求的数据采集硬件系统。为了保证采集信号 的真实性和可靠性，满足采集数据采集卡对信号范围的要求( 1 0 v ) ，在信号进行 a d 转换前，需要对信号进行处理【1 9 。系统的硬件的构成如图2 2 示： 整个采集系统硬件部分是由信号调理变换部分和数据采集箱所构成的。其中信 号调理变换部分的作用是将需要采集的信号变送到数据采集卡所能接受的电平范 围内。由于采用的数据采集板卡研华公司 的基于i s a 总线的高速数据采集卡，其 所能接受的最大的信号范围为：1 0 v 【l5 1 。而采集的焊接电压( 嵌口电压) 的范围为 2 0 v 以内，焊接电流则在1 0 0 0 a 左右。因此在进行d 转换前需要对信号进 行调理变换处理。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 6 页 2 1 2 信号的调理与变换 2 1 2 1 电压信号 焊接电压信号采集的电路原理如图2 3 所示。 工件 图2 3 焊接电压信号采集的电路原理 焊接电压信号取自钳口，其信号的电平范围为1 0 v 。因此在送入端子板之前 先用降压变压器对信号进行隔离降压处理。此外为了对防止外部干扰信号，电路 中还加入了r c 滤波电路，滤掉干扰信号产生的尖脉冲。 2 1 2 2 电流信号 交流闪光焊机的焊接电流一般比较大，例如k 系列焊机正常焊接时次级电流 一般为2 8 k a 左右，次级短路电流可高达2 2 0k a 以上，因此只有在焊接变压器初 级通过电流互感器测实际焊接电流的大小。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 7 页 图2 3 焊接电流信号采集的电路原理 根据焊机的实际情况，焊接电流信号采集不论是瞬时值还是有效值，均取自 于焊接变压器的初级。焊接电流信号采集电路原理如图2 3 所示。当进行焊接电 流采集的时候，焊接电流通过2 0 0 0 a 5 a 的电流互感器输出，然后再通过一个 5 a 2 0 m a 的电流互感器进行输出，同时在回路上串联一个电阻r ，电流的变化就 可以通过电阻r 两端的电压变化检测出来。同样，为了防止干扰信号，在电路中 加入了r c 滤波电路。 2 1 2 3 位移信号 采集位移信号的电路原理如图2 4 所示。开关电源为传感器供电，动立柱 的移动改变传感器输出信号的大小，从 而将位移的变化转变为电压的变化。 传感器采用了n s w d e 直流双向位移 传感器，量程为1 0 0 m m “。其抗干扰能 力强，精度较高( 0 1 ) 。如果采用电磁式图2 4 位移信号采集的电路原理 板 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 8 页 位移传感器，则会受到现场强电磁的干扰，信号失真会非常严重。 2 1 _ 3 便携式数据采集设备 为了提高数据数据采集系统的可移动性和通用性，设计了数据采集箱。由接 线端子、信号调理板、数据采集卡和带触摸屏功能的工控计算机四大部分构成。 数据采集箱的面板上采集用接线柱的形式将端子板上的数据采集通道接线引到面 板上。这样在进行数据采集时，只要将外部的信号线直接接到面板上所标示的接 线柱上。同时还将工控计算机的u s b 接口引到面板上，方便外接各种设备，如打 印机、键盘、光驱等。在数据采集箱的内部集成了信号调理板，该信号调理板能 够对外接的信号进行隔离、滤波、降压等处理，其存在极大的提高了数据采集箱 的应用领域。同时由于整个数据采集箱采用的是金属材质，因此在客观上起到信 号屏蔽的作用，降低了外界干扰信号的影响。 图2 5 数据采集箱总图( 左) 端子板( 右) 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 9 页 2 2 系统软件设计 2 2 1 软件设计要求 国内钢轨闪光焊接头焊接质量在线判断系统主要是依靠国外引进的焊机中自 带的专家系统。如国内较早引进的乌克兰巴顿。研究所的k9 0 0 系列焊机，就能提 取焊接过程中的一些焊接参数( 焊接电压、焊接电流、动立柱位移等) ，通过运算 得到一些结果，并与知识库中的判断条件进行对比，然后对焊接接头的焊接质量 进行评估，给出参考结果，并以y e s 用。的形式给出提示。但是由于原有的专家系 统采用的知识库并没有根据我国的焊接实际情况进行修正，同时所提取的焊接过 程信息有限( 采集频率仅有1 0 h z ) ，因此所给出的质量判断结果并不理想。 目前，西南交通大学焊接研究所吕其兵老师等人率先对钢轨闪光焊接头焊接 质量在线判断系统展开研究。采用高速数据采集卡( 采样率为5 0 ，0 0 0 h z ) 配合美 国n i 公司的l a b v i e 归软件搭建了高速数据采集平台对钢轨闪光焊的闪光细节信 息进行提取，从微观上对钢轨闪光焊过程进行了研究。同时将神经网络算法引入 其中，建立起了钢轨闪光焊与落锤结果之间的数学模型，初步实现了对钢轨接头 焊接质量的在线判断。在x1 9 0 上的现场应用表明，此种研究方法具有较高的应 用价值。 但是该系统存在以下的一些不足，值得改进： ( 1 ) 软件平台不统一：对焊接过程信息提取采用的是美国n i 公司的l a b v i e w 软件，而对采集信息分析的是运用v i s u a lb a s i c 开发的应用程序，存在着系统软 件相互连接和兼容的问题； ( 2 ) 在采样率的确定方面值得商榷。原系统中并没有对采样率进行有效的分 析，由于采样率过高，虽然有利于焊接过程细节信息的分析，但对后期的数据处 理运算不利，这直接影响到实际生产的应用。 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 0 页 ( 3 ) 采用落锤结果作为钢轨质量判定条件值得商榷：由于钢轨在落锤时的结果 与很多外界不确定的因素有关，因此采用焊接接头灰斑面积作为判定条件更加合 理。 为了克服原有系统的一些不足，新开发的钢轨闪光焊接头焊接质量在线判断 系统满足以下要求： ( 1 ) 整个在线判断系统都运行在统一的平台下，需要将数据采集、分析、运算 处理和存储管理等功能融合在一起。 ( 2 ) 对采样率进行探讨，寻找一个合适的采样率，使得钢轨焊接过程中的细节 能够得到较好的保存，同时又能够使得数据量尽可髓的小，便于计算机对数据进 行快速的处理，满足对钢轨接头焊接质量在线判断这一实时性的要求。 ( 3 ) 将神经网络运算模块嵌入到系统中，使得该系统具有自学习功能，能够根 据实际焊接情况进行自学习，从而使得此系统具有跨设备使用的功能。 2 2 2 软件设计 要对钢轨闪光焊接头的焊接质量进行在线判断，首先就必需对焊接过程的闪光 细节信息有比较详细的记录。通过对记录数据的分析、运算和提取，可以得到一 些与焊接接头质量相关的信息。对这些信息通过图形、量化的数据表格等方式直 观的表达出来后，为技术人员和管理人员对焊接接头质景的判断方面提供了有价 值的参考信息，为今后的焊接接头质量管理的可追溯性提供了可靠的保障。 根据设计要求，新的钢轨闪光焊焊接接头质量在线判断系统采用v i s u a l b a s i c 固6 0 进行开发。软件根据设计要求由高速数据采集模块和神经网络质量判 断模块组成。如图2 6 所示。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第2 l 页 实 时 盥 布 蠖 块 钢轨闪光焊 焊接质壁在线剡断系统 高速数据采集模块 辩 采 曼 参 数 设 置 擘 习 群 本 管 理 种 经 婀 缝 硒 算 谨 鼻 结 果 的 存 储 图2 6 软件系统总体构成 其中高速数据采集模块根据数据采集的流程又分为实时显示模块、数据运算及 存储模块、历史曲线显示模块和采集参数设置模块。而神经网络质量判断模块根 据神经网络自学习这一特点分为学习样本管理模块、神经网络运算模块和运算结 果的存储模块。 2 2 2 1 高速数据采集模块 高速数据采集模块是整个质量在线判断系统的重要组成部分，相当于人的眼 睛、耳朵和鼻子。负责将钢轨接头焊接过程中的信息准确、详实的记录下来。为 将来的运算、决策做好铺垫。数据采集系统是整个在线判断系统的基础。数据采 集系统的设计是以数据为对象，根据数据流向，采用模块化的设计。同时还考虑 到焊接实际工作情况，对软件的操作进行了优化设计。使其具有良好的人机交互 功能。高速数据采集模块流程图2 7 如下所示： 西南交通大学硕士研究生学位论文 第2 2 页 图2 7 高速数据采集模块工作流程 在进入采集系统模块后，系统自动进入到等待界面，此时可以对数据采集系 统的一些参数进行设置。如修改采样率、设定采样通道、采集信号的范围等。在 确定采样参数后就可以开始进行数据采集。值得注意的是，参数设定这一过程并 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 3 页 不是必需的，为了方便操作，程序保留了默认的采样参数。焊接开始后，采集系 统会自动记录焊接参数，同时以实时曲线的方式直观的显示出来。当焊接完成后， 系统会提示是否保留当前接头的数据，确认保存后系统将会对当前采集的数据进 行运算处理并将得到的结果保存，完成后会回到等待界面。 1 、实时显示子模块 我国所引进的焊机都带有焊接参数监控系统，在焊接过程中能够通过图形化 的方式将焊接参数显示出来，方便焊接操作人员对焊接过程进行监控。监控系统 一般采用通过串行通讯的方式直接从p l c 中读取焊接参数的数值，然后通过滚动 条的方式显示出来。如图2 8 一a 所示。在监控界面中能够直观的反映出焊接参数 的变化情况以及当前焊接过程所处的工艺阶段。但是这样的系统也存在这一些不 a 低速采集系统b 高速采集系统 图2 8 高低速数据采集系统运行界面对比 足的地方。由于采用串行通讯的方式，因此采样率很低( 1 0 h z ) ，所采集的数据不 能反映焊接过程中的一些参数变化的细节。由此得到的数据对焊接接头质量在线 判断系统所提供的支持就不充分，从而进一步的影响到最后的判定结果。为了解 决采样率过低所引起的焊接参数过程信息丢失过多的问题，西南交通大学焊接研 究所对原有监控系统进行了改造，放弃了串行通讯从p l c 中读取数据的方法，采 用数据采集卡的方式读取焊接参数。在新的监控系统中，利用v i s u a lb a s i c 固的 a c t i v e x 控件技术，通过控件编程，利用t i m e r 控件定时采样。由于新的方法提 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 4 页 高了采样率( 4 0 0 h z 左右) ，相对于原有的监控系统而言，更多的焊接参数信息得 到保存。”。 但是采用t i m e r 控件实现的定时采样也有一些局限性，比如在采样时间的间隔 就不能做的很精确。计算机系统每秒生成1 8 个时钟信号，所以即使用毫秒衡 量，间隔实际的精确度不会超过十八分之一秒。“。此外，由于采样率的限制， 采用此种解决方案也不能将闪光细节信息记录下来。如果提高采样率，就要求减 小采样间隔。由于数据存储速度与数据采集卡a d 转换的速度之间存在着严重的 不匹配，前者的速度远远小于后者的速度。因此，采用采用t i m e r 控件方式，很 难实现数据的高速存储与实时曲线显示。 为了解决数据存储与实时曲线显示的矛盾，在高速数据系统中放弃了采用 t i m e r 控件控制数据采样。利用高速数据卡所支持的中断传输方式进行编程。采 用该方式后，只需要编写中断服务程序( i s r ) ，将板卡上的数据传输到预定义好的 内存变量中，每次a d 转换结束后，e 0 c 信号都会产生一个硬件中断，然后由中 断服务程序( i s r ) 完成数据传输。运用此方式可以保证在较高的采样率下完成数据 采集任务。“。在参数的曲线显示方面，可以运用t i m e r 控件的方式以较大的间隔 周期读取内存变量中的数值进行显示。由于数据采集存储与实时显示之间是运用 不同的方式进行操作，因此可以做到在采样率较高的情况下仍然可以实现参数的 实时显示。如图2 8 - b 图所示的是在焊接过程中应用的高速数据采集系统的界面。 在运用了硬件中断方式后，可以很容易实现高速下的数据存储与实时显示。 2 、数据运算及存储子模块 当一个焊接接头的数据采集完成后，就需要对该接头的数据进行运算处理， 并将得到的结果进行存储。处理后每个焊接接头的过程信息都得到完整记录，方 便将来对焊接接头质量进行预测和判断。根据质量判断的神经网络模型的计算要 求，在焊接过程完成后需要提取以下信息：输入总能量、烧化量、加速阶段闪光 率、低压二阶段闪光率和焊接时间。 输入总能量 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 5 页 常见的钢轨交流闪光焊机其焊接主回路等效电路图如图2 9 所示。其中，d 。为 焊接变压器的空载输出电压，j 为焊接回 路电流，焊接过程中每一阶段焊接变压器 的输入电压为一常数；l 为接回路感抗 的等效值；r 。包括焊接变压器内阻、汇 流排与变压器的接触电阻、汇流排与钢轨 的接触电阻等；月为焊接接头处的电阻， 当开路时为无穷大，当带电顶锻时接近为 零。 根据电工学的回路定理 l 眦 1 门r 。 l u r 口 o 一 图2 一g 交流闪光焊主回路 u n2lr q + 、t 妊l + lr 由上式可以得j = j 云南 ( 2 - 1 ) ，m l十a+ 代。 设用于加热焊接接头的功率为p ，则加热功率可以用下式表示 j p = 阿 ( 2 2 ) 由( 1 ) 、( 2 ) 可以得到： p ：鼎 s ， ( 3 ) 式为计算功率的一般表达式。在高速采集下，采集得到的焊接电流和焊接电 压为离散值。如图2 1 0 所示。 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 6 页 信号 徐 。 t i 屯 m 时间 y 图2 1 0 离散信号采样 此时计算公式为： q 输入= u j ，f l 2 = o ，1 ，2 ，3 即 ( 2 4 ) ；0 f ：至壁( 2 5 ) 式中：f焊接采样点之间的时间间隔 一个焊接周期中的采样的点数 采集的电压值( 钳口电压) 五 采集的电流值 n 。、n z 焊接电流、焊接电压采集值与真实值之间的换算系数 通过可以统计出在焊接过程中。焊机的能量输入。 由于交流闪光焊机为电感性负载，因此在正常的情况下焊接电压和焊接电流 之间存