- 杜 永鵬,

挑戰(zhàn):
焊接質(zhì)量檢驗(yàn)工作一般是通過(guò)焊后無(wú)損探傷進(jìn)行的。對(duì)于水下濕法焊接，由于水下操作的特殊情況，開(kāi)展無(wú)損探傷較困難。我們利用NI公司數(shù)據(jù)采集設(shè)備采集焊接電參數(shù)，經(jīng)labview編制的數(shù)據(jù)處理程序，結(jié)合大量實(shí)驗(yàn)，總結(jié)出與焊接質(zhì)量相關(guān)的信息，用于實(shí)時(shí)評(píng)估焊接質(zhì)量。考慮到水下焊接工程現(xiàn)場(chǎng)的特殊性，利用USB6221設(shè)計(jì)出一款便攜式焊接數(shù)據(jù)采集處理設(shè)備。

解決方案:
焊接電流、焊接電壓等焊接電參數(shù)能夠反映焊接質(zhì)量，因此，準(zhǔn)確記錄這些參數(shù)就顯得尤為重要。利用霍爾電壓傳感器和霍爾電流傳感器，可以將0-100V的電弧電壓以及0-500A的焊接電流轉(zhuǎn)化0-5V的信號(hào)，從而允許數(shù)據(jù)采集卡采集相關(guān)信息。 先由焊工甲水下焊接標(biāo)準(zhǔn)的工件，焊接材料、焊接設(shè)備和焊接規(guī)范恒定不變。記錄每道焊縫焊接時(shí)的各個(gè)參數(shù)，并在陸上檢驗(yàn)該工件的焊接質(zhì)量（以抗拉強(qiáng)度為參考指標(biāo)）。通過(guò)大量工藝試驗(yàn)，確定電壓標(biāo)準(zhǔn)差、短路過(guò)渡頻率、斷弧率（此類(lèi)參數(shù)可以通過(guò)實(shí)時(shí)采集的電流電壓等數(shù)據(jù)通過(guò)運(yùn)算得出）等參數(shù)與焊接質(zhì)量的函數(shù)關(guān)系。編制軟件以便于實(shí)時(shí)預(yù)估焊接質(zhì)量。再由焊工乙水下焊接相同工件，得出數(shù)據(jù)用于修正之前得到的函數(shù)關(guān)系。最終，得到該條件下焊接質(zhì)量與焊接參數(shù)的近似對(duì)于關(guān)系，達(dá)到了實(shí)時(shí)預(yù)估焊接質(zhì)量的目的。

1．           引言

焊接質(zhì)量檢驗(yàn)工作一般是通過(guò)焊后無(wú)損探傷進(jìn)行的。但近幾年隨著檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展，有專(zhuān)家學(xué)者提出了焊接質(zhì)量在線檢測(cè)分析技術(shù)，該類(lèi)技術(shù)一般以焊接電流和電弧電壓作為評(píng)估信號(hào), 通過(guò)系統(tǒng)的檢測(cè)分析,能夠分析焊接過(guò)程穩(wěn)定性及飛濺的大小等參數(shù),進(jìn)而用于評(píng)估焊接設(shè)備和焊接材料的性能,分析各參數(shù)與熔滴過(guò)渡之間的關(guān)系,優(yōu)化焊接工藝參數(shù)。

水下濕法焊接相對(duì)于水下干法焊接具有設(shè)備簡(jiǎn)單、操作靈活、成本低應(yīng)急性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于海洋工程的施工維護(hù)過(guò)程中。由于水下操作的特殊情況，通過(guò)無(wú)損探傷的方式對(duì)焊接質(zhì)量進(jìn)行評(píng)估有一定的困難。因此有必要將焊接質(zhì)量在線檢測(cè)分析技術(shù)引入水下焊接工作中。有學(xué)者針對(duì)水下濕法焊條電弧焊工藝，在不同焊接工藝條件時(shí)在線采集焊接電弧電壓瞬時(shí)值，然后對(duì)其進(jìn)行統(tǒng)計(jì)處理。對(duì)水下濕法焊條電弧焊接過(guò)程的穩(wěn)定性進(jìn)行直觀分析和定量評(píng)價(jià)。

濕法水下焊接工作在工程應(yīng)用過(guò)程中，潛水員水下進(jìn)行施工，輔助工作人員以及焊接電源及相應(yīng)輔助設(shè)備一般固定在碼頭船舶上。工作場(chǎng)地條件簡(jiǎn)陋，濕度大，條件惡劣，不便于開(kāi)展數(shù)據(jù)采集工作，因此，開(kāi)展焊接質(zhì)量在線檢測(cè)分析工作的一個(gè)前提便是設(shè)計(jì)便攜式數(shù)據(jù)采集裝置，并編制相關(guān)軟件。

我們利用NI公司數(shù)據(jù)采集設(shè)備采集焊接電參數(shù)，經(jīng)Labview編制的數(shù)據(jù)處理程序，結(jié)合大量實(shí)驗(yàn)，總結(jié)出與焊接質(zhì)量相關(guān)的信息，用于實(shí)時(shí)評(píng)估焊接質(zhì)量。考慮到水下焊接工程現(xiàn)場(chǎng)的特殊性，利用USB6221設(shè)計(jì)出一款便攜式焊接數(shù)據(jù)采集處理設(shè)備。所設(shè)計(jì)的裝置如圖1所示。

圖1 數(shù)據(jù)采集裝置示意圖

2．           數(shù)據(jù)采集

焊接過(guò)程是一個(gè)相當(dāng)復(fù)雜的物理化學(xué)變化過(guò)程,很多參數(shù)都能對(duì)焊縫質(zhì)量產(chǎn)生影響。在諸多影響因素當(dāng)中，焊接電流和焊接電壓的影響較大，因此，在本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，著重考慮焊接電流和焊接電壓這兩個(gè)因素。

濕法水下焊接工作電流一般在200A左右，常用的電流采集裝置有分流器和電流傳感器。分流器是一種精密電阻，流經(jīng)不同的電流即產(chǎn)生與之對(duì)應(yīng)的電壓差，檢測(cè)電壓差的大小即可檢測(cè)電流。由于電流較大，為降低分流器壓降，分流器上的電壓差較小，常用的均為mV級(jí)，較弱的信號(hào)極易被干擾，因此，我們選擇了電流型的LEM公司LT508-S6型霍爾電流傳感器。該產(chǎn)品具有反應(yīng)迅速，精度高，抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，最大檢測(cè)電流為500A。在工作工程中，輸入的焊接電流作為原邊電流，通過(guò)傳感器安裝5000:1的比例轉(zhuǎn)成副邊電流。利用得到的副邊電流，配合一精密測(cè)量電阻（考慮到傳感器驅(qū)動(dòng)能力，測(cè)量電阻不宜超過(guò)40歐姆。），即可得到與電流對(duì)應(yīng)的電壓信號(hào)。為了便于計(jì)算，實(shí)際采用的測(cè)量電阻阻值25歐姆。

一般的陸上焊接時(shí)，焊接電壓的采集較為簡(jiǎn)便，直接采集焊接輸出端即可。但在水下焊接時(shí)，焊把線較長(zhǎng)，往往100米左右，電纜阻抗較大，水下焊接時(shí)焊接電壓的采集需充分考慮電纜壓降帶來(lái)的影響，需將采集點(diǎn)置于焊把和工件處。在實(shí)際工作中，我們采用LEM公司的LV25-P電壓傳感器。考慮到該傳感器電流傳輸比10:25，在確保設(shè)備安全使用的前提下，將原邊限流電阻設(shè)計(jì)為為10K，副邊測(cè)量電阻4K，這樣，10V的焊接電壓條件下可以得到1V的信號(hào)，便于計(jì)算，另外，較大的限流電阻，減小了因采樣電纜內(nèi)部阻抗帶來(lái)的影響。

上述采集裝置在實(shí)際應(yīng)用之前，需要利用大功率負(fù)載箱進(jìn)行標(biāo)定，以確保采集精度。

綜上，設(shè)備具體指標(biāo)如表1所示：

表1 便攜式數(shù)據(jù)采集裝置技術(shù)指標(biāo)

3．           數(shù)據(jù)處理

在焊接工藝中，影響焊接質(zhì)量的因素較多，這就要求盡可能多的記錄下相關(guān)的數(shù)據(jù)，以便于后期分析研究。為此，我們利用Labview編制了相應(yīng)的數(shù)據(jù)采集程序，程序界面如圖2所示。在采集工作開(kāi)始前，可以通過(guò)選項(xiàng)卡記錄焊工、焊材、焊機(jī)以及預(yù)置焊接電流/電壓等信息。在焊接過(guò)程中，該系統(tǒng)將實(shí)時(shí)的焊接電流電壓存儲(chǔ)到.xls文件中，以便保存以及后期數(shù)據(jù)處理。

圖2 數(shù)據(jù)采集界面

在焊接完成后，我們編制了數(shù)據(jù)處理程序，可以在工作現(xiàn)場(chǎng)對(duì)焊接參數(shù)進(jìn)行簡(jiǎn)單的分析處理，主要包含焊接電流電壓波形分析程序、統(tǒng)計(jì)分析程序以及UI相圖生成程序。

圖3為分析焊接電壓電流波形的應(yīng)用例。操作者可以調(diào)用以及采集到的數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)化成電流電壓波形。

圖3 波形分析界面

圖4為焊接參數(shù)統(tǒng)計(jì)分析。通過(guò)調(diào)用以及采集到的電流電壓數(shù)據(jù)，得出電壓電流的分布概率，并計(jì)算出算術(shù)平均值、方差以及標(biāo)準(zhǔn)差等數(shù)據(jù)。圖5則將電流電壓數(shù)據(jù)作為坐標(biāo)點(diǎn)，得出其分布區(qū)間。

圖4 焊接參數(shù)統(tǒng)計(jì)分析界面

圖5 電流電壓分布

該便攜式數(shù)據(jù)采集裝置設(shè)計(jì)完成后，實(shí)物照片如圖6所示。在此基礎(chǔ)上，需要通過(guò)大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，并對(duì)其進(jìn)行分析處理，從而得到焊接質(zhì)量與焊接參數(shù)之間存在的函數(shù)關(guān)系，以便于實(shí)習(xí)焊接質(zhì)量在線檢驗(yàn)。

圖6 數(shù)據(jù)采集裝置實(shí)物照片

4．           實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

通過(guò)前期實(shí)驗(yàn)得知，不同的焊工水下施焊時(shí)，其手法對(duì)焊接質(zhì)量的影響較大，因此，要通過(guò)實(shí)驗(yàn)方式，消除因焊工手法問(wèn)題帶來(lái)的影響。

在實(shí)際工作中，可以由焊工甲水下焊接標(biāo)準(zhǔn)的工件，焊接材料、焊接設(shè)備和焊接規(guī)范恒定不變。記錄每道焊縫焊接時(shí)的各個(gè)參數(shù)，并在陸上檢驗(yàn)該工件的焊接質(zhì)量（以抗拉強(qiáng)度為參考指標(biāo)）。通過(guò)大量工藝試驗(yàn)，記錄相關(guān)的焊接參數(shù)，然后對(duì)焊接參數(shù)進(jìn)行整理分析，確定電壓標(biāo)準(zhǔn)差、短路過(guò)渡頻率、斷弧率等參數(shù)與焊接質(zhì)量的函數(shù)關(guān)系。編制軟件以便于實(shí)時(shí)預(yù)估焊接質(zhì)量。再由焊工乙水下焊接相同工件，得出數(shù)據(jù)用于修正之前得到的函數(shù)關(guān)系。最終，得到該條件下焊接質(zhì)量與焊接參數(shù)的近似對(duì)于關(guān)系，達(dá)到了實(shí)時(shí)預(yù)估焊接質(zhì)量的目的。

5．           結(jié)論

通過(guò)上述工作的開(kāi)展，設(shè)計(jì)了一套攜帶方便、防護(hù)等級(jí)較高的數(shù)據(jù)采集裝置，適用于在船舶、碼頭等場(chǎng)所進(jìn)行焊接參數(shù)采集分析。借助于自主開(kāi)發(fā)的數(shù)據(jù)處理程序，可以實(shí)時(shí)在線對(duì)固定焊接規(guī)范、焊接材料條件下焊接進(jìn)行預(yù)估焊縫力學(xué)性能指標(biāo)，對(duì)焊接質(zhì)量進(jìn)行在線檢驗(yàn)，有助于水下焊接項(xiàng)目的推廣和應(yīng)用，進(jìn)而提高我國(guó)海洋裝備的制造和維護(hù)能力。