穿孔等离子弧焊弧光传感熔池小孔特征行为的实验研究

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1、第九次全国焊接会议论文集 穿孔等离子弧焊弧光传感熔池小孔特征行为的实验研究 哈尔滨工业大学董春林吴林 北京航空工艺研究所张慧 朱轶峰 邵 亦陈 摘要 在不锈钥穿 孔等离子弧焊过程中.随着熔池小孔的特征变化, 正面 弧光光i p 辐射强度具有类似于 负脉冲的显著跃变, 主题词:等离子弧埠、弧光传感、小孔 0前言 在穿孔等离子弧 焊过程中,熔池的小孔行为是影响焊接过程稳定性 及接头质量的关 键因素。国内外研究人员提出了多种熔池小孔行为的传感方法,如尾焰导电法D ) 、尾 焰光电法 2 ) 声音传感3 ) 等。以上几种传感方法均可以准确地反映出小孔的有无,但 也存在相同的局限性,即传感元件需要放置在

2、焊件背面, 对于密闭容器、复杂型面的 焊接构件, 背面传感实施较困 难。本文研究了不 锈钢等离子弧焊过程中 ,熔池小孔的特 征行为 ( 小 孔建立与闭 合)与正面弧光光谱辐射强度之间的关系,发现小孔建立与闭合 时,正面弧光光谱辐射强度均具有显著的阶跃变化特征。 1实验系统和条件 1 . l 实验系统组成 实验系统主要由以 下几部分组成: P A W 焊接系统、多通道光谱分析系统、焊接规范 参数检测线路及双计算机数 据同 步读取控制线路,图1 为实 验系统组成方框图。 等离子弧焊设备 霍尔电流传感器 霍尔电压传感器 1 9 尔电压传感器 面阵C C D探测器 图 1 . 焊接规范参数与电弧光谱同

3、步检测实验系统框图 】 一 5 9 9 第九 次 全国 焊 接 会议 论 文 集_ P A W 焊接系统由P A W逆变电 源、 程序控制器、 P A W焊枪、 纵缝自 动焊装夹具及其 控 制 器组 成 。 多 通 道光 谱 分 析 系 统由 接 收 光 路、 石 英 光纤 传 光 束 、 光 谱 仪、 光 谱 接收 器 件、 光谱分 析仪控制器和计算机构成。光 谱仪焦距为 S O O m m ,光 谱接收器 件为光学镀膜 紫外增强型面阵C C D , 按时间序列可实 现多 幅光谱连续采集。 从图 1可以 看出, 焊接规范参数( 包括尾焰电 压) 和等离子弧 辐射光谱的数据采集分 别由 两台计

4、算机完成,为了让这两类数据在时间 序列上具有对应关系,设计了同步控制 线路 计算机 1 负责采集焊接规范 参数, 在采集一次焊 接规范 参数之前先发出触发信号, 经同步控制线路输出 到S T - 1 3 控制器, 快门 曝光一次, 计算机2 读入电 弧光谱数据, S T - 1 3 3 再准备接收下一个触发脉冲信号。 对于一次 完整的 焊接过程,如3 0 0 m m长的平板试件, 全过程约4 0 - 5 0 秒,光谱连续 采集6 0 0 幅, 焊接参数各采集3 0 0 0 点,每5 次电参数采 集 周期发一个控制读光谱的触发脉冲 信号, 约8 5 m s 采集一幅光 谱。 1 . 2 实 验条

5、件 焊接试件材料为4 m m厚 1 C r 1 8 N i 9 T i 板 材不 锈钢, 平板堆焊, 焊接规范参数为:离 子气流最1 . 5 U m i n 。 保护气流量1 0 U m i n ,离子气 和保护气均为氛气,喷嘴孔径2 . 2 m m, 钨极内缩2 . 5 m m,钨极直径 5 mm. 2实验结果与分析 2 :实际 焊接条件下等离子弧的发 射光谱 图 2为在实际焊接条件 F 等离子弧的光谱分布,在 3 0 0 - 9 0 0 n m谱段,整体弧光光谱 分布的荃本规律是在较低的连续谱上叠加许多 线谱, 线谱的 最强 部分在7 0 0 - 8 5 0 n 。 范围内 以 氢原子谱线

6、居多, 辐射强 度值高, 可以 观测到金属原子谱线和 氢谱线( H 6 5 6 . 3 n m ) 。 2 8 0 0 0 2 40 0 0 2 0 0 00 1 6 0 00 1 20 0 0 8 00 0 4 0 00 侧姗公琳盆卑 3 0 0 4 0 05 0 0 6 0 0 7 0 0 波 长了 n . 8 0 0 9 0 0 图2 . P A W电弧 光谱分布( 1 5 0 g i m m ) 2 .2正面弧光光谱辐射强度与小孔特征行为之间的关系 采用了 双计算机同 步数据二泌 集实验系统,一次 全焊接过程连续采集6 0 0 幅弧光光谱. 从每幅光谱中记录下氢原子、氢原子和铁原子谱线

7、辐射强 度值,然后以全过程数据采集 点数为横坐标,它也表征过程时间,分别以焊接电流、 焊接电 压、尾焰电压及各谱线辐 射强 度为纵坐标,这样,将焊接电 参数与弧光辐射强度描述在同 一坐标系下,可以 进行 1一 5 9 0 一 一一一止鱼迎丝塑当继生塑一一一一 一一 - 一 对 比 分 析 。 图3 是 利 用 双 计 算 机 同 步 数 据 采 集实 验 系 统 得 到 的 实 验 结 果 。 其中 图3 ( a ) 记 录 的是焊接电参数,图 3 ( b ) 记录的是弧光光谱谱线辐射强 度信号,从图中可以 看出,在焊 接电流由缓升到恒流时小孔建立几 种原子谱线强度值经历了由强至弱再到强的变化

8、过 程,形状类似于一个负脉冲信号,在小孔闭合时,同 样产生了 类似于负脉冲的 跃变,跃 变幅度耍小 于小孔建立时谱线强度的跃变。 不同 元素的 原子谱线随熔池小孔特征变化的 不同 变化规 律,铁原子谱线随小孔建立与闭 合所产生的 辐射强 度变化较缓慢, 跃变幅度 小,但全过程量值波动非常小,而 氢原子谱线所产生的辐射强度变化较剧烈,跃变幅度 大, 全过 程量值波动小, 氢原子谱线强度的 变化规律基本与是原子 类似。 净.坦留像嗽 ”20” 工J胜,刁.IJ.,J.,J,T A.以钾妊叹 二 M!李扮止 60和20的8 06040加。 嘱留那嗽 一妙一呻 洲州友解鱿书 3 0 0 6 0 0 9

9、 0 0 1 2 0 0 1 5 0 0 1 6 0 0 采样 点数 ( b 图3等离 子焊全过 程正 面弧 光光谱辐射强 度信号 ( a ) 全 过程焊接电 参数曲线( b ) 全过程 光谱辐射强度曲线 3结论 以氢气作为离子气和保护气的 等离子 弧,氢原子谱线辐射强度值较稳定,谱线 辐射 强 度值高;随着熔池小孔的 特征变化,租原子谱线辐射强度信号 具有类似于负脉冲的跃 变, 跃变幅度大, 可以 利用该跃 变信号判定小孔的建立与闭 合。 参考文献 1 S t e ff e n s , H . D. Au t o m a t ic C o n t r o l o f P la s m a A

10、 r c We l d i n g w it h C o n s t a n t K e y h o l e , W e l d i n g J o u r n a l , 1 9 7 2 , 5 1 ( 6 ) : 4 0 8 . 4 1 8 2吴厚先, 钻杆等离子弧焊接参数光电 反馈自 动控制,第四届 焊接学术会议论文,H - I V b - 0 1 3 - 8 1 3 F u t a m a t a , M. , A p p li c a t io n o f A r c S o u n d f o r De t e c t i o n o f We l d in g P r o c e s s . Q u a rt e r ly J o u rna l o f th e J a p a n We l d in g S o c i e ty , 1 9 8 3 , 1 ( 1 ) 二 1 1 - 1 5 】 一 5 9 1

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