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1、第三届计算机在焊接中的应用技术交流会论义集检测与控制C 0 2 焊接电弧信号分析与稳定性的评价清华大学区智明温贤胤摘要焊接过程中，电弧稳定性对焊接质量的优劣起着决定性的作用。完全依靠操作者的观察与感觉来评价电弧稳定性往往缺乏客观性和科学性的。电弧的电压、电流信号中包含有表征电弧稳定性的丰富信息，本文将通过对电弼电压和电流信号的采集和处理，根据其波形和信号特征，分析0 良短路过渡焊接电弧的稳定性t1 电弧信号分析系统组成数据采集系统在焊枪和工件之间测壁电弧电压信号，通过双光耦线性隔离电路进行光电隔离，经过放大，输入到数据采集板；电流信号通过霍尔电流传感器测量，经过放大后输入数据采集板。由数据采集
2、程序将采样数字信号存入计算机，以备分析。系统的软件组成主要包括数据采集程序、数据读取与转换子程序、数字滤波器、功能选择菜单、各个分析功能予程序、图形窗口控制菜单等。图1 为主程序流程图。程序开始先打开一个文件选择对话框，选择需要分析的采样数据文件，由数据读取与转换子程序读入数据，转换为十进制的电流、电压信号序列，进行数字滤波，然后激活功能选择菜单，按照选择的分析功能调用相应的子程序，计算结果显示在图形窗口中，通过图形窗口控制菜单可以单独或同时调整图形x 轴和Y 轴的比例。2 电弧信号的处理电流、电压信号不可避免地含有干扰信号的成分，采用软件实现的数字滤波器进行滤波，可以消除干扰实际上，数字滤波
3、器是一段线性卷积程序。软件实现的优点是其系统函数具有可变性，仅依赖于算法结构，并且易于获得鞍理想的滤波性能。一个线性时不变( L T I ) 数字滤波器可以用以下的常系数线性差分方程来表示：MN y 0 ) = q x O f ) 一b j y ( n - i ) J l I- 1式中芦( 曲和，( 脚分别表示输入信号和输出信号序列，a ，和所是滤波器系数。设输入信号J ( 而和输出信号J ，( 国在* O 以前处于零起始状态，则滤波器脉冲传递函数为：胃0 ) =叩。6 f z 。 - - 0( 2 )这种系统在M a t l 曲中可以用其分子毒n 分母的系数，即滤波器系数构成的两个向量来表示
4、：A = a ，岛，舀B = 西，如，鲥第三届计算机在焊接中的应用技术交流会论文集检测与控制对于焊接电压、电流信号需要滤除其中的高频干扰成分，保留反映熔滴过渡特征的信号本文采用无限冲击响应巴特沃思( B u t t e r o r t h ) 低通滤波器。这种滤波器的特点是具有通带内最大平坦的幅度特性，而且随着频率升高呈单调减小。B u t t e r w o r t h 低通滤波器的设计可以分以下几步：1 j 选取技术指标：通带上限频率w p 通带最大衰减R p ，阻带下限频率w s 阻带最小衰减R s ；2 、根据选定的技术指标使用滤波器阶数选择函数确定最小阶数N 和固有频率骱；3 、运用
5、最小阶数N 和固有频率w n 产生滤波器系数A ，B 。本文采用的滤波器参数为：W p = 2 0 0 0 H z ，R p = 一I d B ，W s = 3 0 0 0 H z ，R s = - - 4 0 d B ，阶数：9 。实验袭明，通过台理设计数字滤波器的参数，可以抑制了原信号中的高频纹波，削弱信号中的干扰成分，保留和突出反殃电弧信号中的特征信息，为提高信号分析的准确性提供了有利的条件。3 C 0 2 短路过攫焊接电弧信号波形特征与稳定性分析对电弧的稳定性是难以作出统一的绝对量化标准的。在理想的情况下，短路过渡焊接电弧应具有以下特征：焊接过程由稳定的燃弧期和短路期交替变化组成；电弧
6、燃烧具有稳定的电弧长度；各个周期的燃弧状态、焊丝熔化速度相同；熔化熔滴尺寸一致；各个熔滴的过渡过程相同：烙滴过渡频率高，焊接过程连续，没有断弧现象。在这种情况下，电弧的电流、电压信号具有稳定的变化周期，各个周期的波形完全相同。在实际焊接过程中，电弧不可能处于这种理想的状态，各个周期中电弧燃烧和熔滴过渡的情况是不同的，具有一定的分散性，有时还有断弧现象发生，不同周期的电弧电压、电流信号是有差异的，差异越大，稳定性越差。本文通过对电流、电压信号进行不同的处理，从几个方面分析信号的波形特征，分析电弧的稳定性，并通过分析短路液桥的爆断电流的分布来表征飞溅率的情况。3 1 电弧电压、电流信号的统计分析由
7、于短路过程的电弧电压、电流和时间等信号参数的分布具有一定的随机性，对信号采用统计方式处理能够对电弧信号的特征和规律性有一个整体概貌的了解。对电弧电压、电流波形的统计参数有：平均值M 、标准差s ，以及变异系数v ( V = S M ) 。平均值反映了被统计参数大小的总体水平标准差反映了参数瞬时值围绕其平均值的分布情况，变异系数反映了参数变化范围相对于平均值的大小。按照统计规律，标准差变异系数越小，过程越稳定。在短路过渡焊接中，如果焊接过程稳定性好，短路周期、燃弧时间和短路时间变化N l 掏d , ，短路频率稳定反之，如果焊接过程中上述时间参数大幅度变化，则焊接过程稳定性差。根据电弧电压、电流信
8、号和采样频率可以计算出采样期间短路周期、燃弧时间和短路时间和短路频率。由于燃弧与短路交替变换过程是短路过渡电弧的固有特征，燃弧与短路过程具有完全不同的物理特性，连续统计得到的统计参数不能体现不同阶段的特性，因此有必要对燃弧期和短路期分别进行统计- 将电压和电流信号按燃弧和短路两个部分分别进行统计，统计结果可以分别反映出焊接过程中燃弧过程和短路过程的特征。另外燃弧期的最大电压，反映了最大电弧长度不同周期的最大燃弧电压的差异，表现出其2 4 0第三届计算机在焊接中的应用技术交流会论文集检测与控制最大电弧长度的变化焊接过程中各周期最大燃弧电压的平均值则体现了平均最大弧长的水平。值得指出的是，分段统计
9、得出的燃弧电压平均值可以视为平均电弧长度的表征量，它与最大燃弧电压平均值的差异可以体现出焊接过程中瞬时弧长变化量的大小。短路峰值电流是C 嘎短路过渡焊接中一个重要的参数，在传统的平特性焊接中，短路峰值电流影响着短路后期“电爆炸”飞溅的大小。短路峰值电流的平均值可以在一定程度上反映飞溅水平，而短路峰值电流的标准差和变异系数体现了不同熔滴过渡过程的差异。3 。2 短路液桥爆断电流值短路液桥爆断电流的大小直接影响着短路末期“电爆炸”飞溅的大小和电弧重新引燃过程冲击熔池产生的飞溅的大小，间接表征了飞溅量的水平。在传统平外特性电源C 嘎短路过渡焊接中，液桥爆断电流就是短路峰值电流，采用前面描述的分段统计
10、的方法就可以得到。作者对焊接过程中每个短路周期的峰值电流进行了统计。圈2 - a ) 就是对这两个参数的统计结果。从图中可以看出，短路峰值电流值比较分散，说明不同熔滴的短路过渡过程有较大差异，体现出熔滴的规则性较差。为了对液桥爆断电流进行统计，首先要对液桥爆断时刻进行判断。由于燃弧期间和短路期间电阻存在很大差别，利用电流值和电压值可以计算出电弧的等效电阻值，设定一个临界电阻值，短路液桥的爆断使电阻值从低于临界值跃变为高于临界值，所以通过比较电阻值可以判断液桥爆断的时刻，对应的电流值为液桥爆断电流值，液桥爆断电流值在一定程度上反映出飞溅的大小。图2 - b ) 就是用这种方法得到的爆断电流的分布
11、情况。与图2 - a ) 中短路峰值电流的分布相对比，可以看出二者非常近似。这说明常规的C m 焊接方法，液桥基本上都是在峰值电流下爆断的。如果对爆断电流实旎控制，在液挢爆断之前将电漉衰减下来，爆断电流和峰值电流的分布就会出现很大的差异，这种差异的大小就说明了控制效果的好坏。3 3 动态I m U 图分析在电流一电压平面( I - - U ) 平面上，将瞬时电流和电压值按时闻顺序依次连接起来就得到了系绞的工作点在I - - U 平面上的运动轨迹称之为动态I u 图，如图3 所示。图中A B 段对应熔滴与熔池接触过程电压迅速下降，从燃弧状态进入短路状态的过程；8 C 段代表短路阶段电流快速上升的
12、过程；c D 段代表短路液桥爆断，电弧重新引燃，电压迅速上升的过程；D A 段则代表燃弧阶段。组成A B C D 闭环的四段线簇各自的分布越集中，说明熔滴过渡越均匀弧焊过程越稳定。而偏离集中位置的线条则体现了不规则的熔滴过渡。对一个短路过渡周期作动态I - - 0 图则可以准确地显示出该周期内动态工作点的轨迹，反映出电流、电压相互关联的变化过程。从图3 的工作点轨迹可以看出。常规的C 0 2 电弧焊短路液桥爆断过程足沿c D 段从C 到D 短路液桥是在短路峰值电流下爆断的，这也是常规的C 0 2 电弧焊飞溅较大的原因。2 4第三届计算机在焊接中的应用技术交流会论文集检测与控制4 结论本文分析了
13、c 毡短路过渡焊接过程中，反映电弧稳定性及飞溅率的电流、电压信号波形特征：建立了一套电弧信号特征和稳定性分析与评价系统，利用计算机采集电弧电流、电压信号，用数字滤波器滤除干扰，针对电弧稳定性和焊接飞溅率进行分析，并用图形和数据直观地显示对电弧工艺性能进行评价。实验表明，该系统能有效提取电弧信号特征，分析结论与实验结果吻合，取得了较好的效果。该系统为分析电弧的工艺性能和稳定性提供了新的途径。图1 主程序流程图第三属计算机在焊接中的应用技术交流会论文集检测与控制短路电a E 平均值3 4 2 6 3标准差1 0 6 醯5 蟒暮欺0 3 1 1；1 皿岫啊圳) mm ：爆断电流图2 短路电流分布与液桥爆断电流分布图3 工作点在U I 平面上的运动轨迹2 4 3
