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- 杜 永鵬,
挑戰(zhàn):
焊接質(zhì)量檢驗工作一般是通過焊后無損探傷進行的。對于水下濕法焊接，由于水下操作的特殊情況，開展無損探傷較困難。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)合大量實驗，總結(jié)出與焊接質(zhì)量相關(guān)的信息，用于實時評估焊接質(zhì)量。考慮到水下焊接工程現(xiàn)場的特殊性，利用USB6221設(shè)計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，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的各個參數(shù)，并在陸上檢驗該工件的焊接質(zhì)量（以抗拉強度為參考指標(biāo)）。通過大量工藝試驗，確定電壓標(biāo)準(zhǔn)差、短路過渡頻率、斷弧率（此類參數(shù)可以通過實時采集的電流電壓等數(shù)據(jù)通過運算得出）等參數(shù)與焊接質(zhì)量的函數(shù)關(guān)系。編制軟件以便于實時預(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)的近似對于關(guān)系，達到了實時預(yù)估焊接質(zhì)量的目的。
1． 引言
焊接質(zhì)量檢驗工作一般是通過焊后無損探傷進行的。但近幾年隨著檢測技術(shù)的發(fā)展，有專家學(xué)者提出了焊接質(zhì)量在線檢測分析技術(shù)，該類技術(shù)一般以焊接電流和電弧電壓作為評估信號, 通過系統(tǒng)的檢測分析,能夠分析焊接過程穩(wěn)定性及飛濺的大小等參數(shù),進而用于評估焊接設(shè)備和焊接材料的性能,分析各參數(shù)與熔滴過渡之間的關(guān)系,優(yōu)化焊接工藝參數(shù)。
水下濕法焊接相對于水下干法焊接具有設(shè)備簡單、操作靈活、成本低應(yīng)急性強等優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于海洋工程的施工維護過程中。由于水下操作的特殊情況，通過無損探傷的方式對焊接質(zhì)量進行評估有一定的困難。因此有必要將焊接質(zhì)量在線檢測分析技術(shù)引入水下焊接工作中。有學(xué)者針對水下濕法焊條電弧焊工藝，在不同焊接工藝條件時在線采集焊接電弧電壓瞬時值，然后對其進行統(tǒng)計處理。對水下濕法焊條電弧焊接過程的穩(wěn)定性進行直觀分析和定量評價。
濕法水下焊接工作在工程應(yīng)用過程中，潛水員水下進行施工，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。工作場地條件簡陋，濕度大，條件惡劣，不便于開展數(shù)據(jù)采集工作，因此，開展焊接質(zhì)量在線檢測分析工作的一個前提便是設(shè)計便攜式數(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)合大量實驗，總結(jié)出與焊接質(zhì)量相關(guān)的信息，用于實時評估焊接質(zhì)量�？紤]到水下焊接工程現(xiàn)場的特殊性，利用USB6221設(shè)計出一款便攜式焊接數(shù)據(jù)采集處理設(shè)備。所設(shè)計的裝置如圖1所示。
圖1 數(shù)據(jù)采集裝置示意圖
2． 數(shù)據(jù)采集
焊接過程是一個相當(dāng)復(fù)雜的物理化學(xué)變化過程,很多參數(shù)都能對焊縫質(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)計中，著重考慮焊接電流和焊接電壓這兩個因素。
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)生與之對應(yīng)的電壓差，檢測電壓差的大小即可檢測電流。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，較弱的信號極易被干擾，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，抗干擾能力強等優(yōu)點，最大檢測電流為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，配合一精密測量電阻（考慮到傳感器驅(qū)動能力，測量電阻不宜超過40歐姆。），即可得到與電流對應(yīng)的電壓信號。為了便于計算，實際采用的測量電阻阻值25歐姆。
一般的陸上焊接時，焊接電壓的采集較為簡便，直接采集焊接輸出端即可。但在水下焊接時，焊把線較長，往往100米左右，電纜阻抗較大，水下焊接時焊接電壓的采集需充分考慮電纜壓降帶來的影響，需將采集點置于焊把和工件處。在實際工作中，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)計為為10K，副邊測量電阻4K，這樣，10V的焊接電壓條件下可以得到1V的信號，便于計算，另外，較大的限流電阻，減小了因采樣電纜內(nèi)部阻抗帶來的影響。
上述采集裝置在實際應(yīng)用之前，需要利用大功率負載箱進行標(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)
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項 目
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技術(shù)參數(shù)
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供電電壓
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220V AC
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防護等級
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IP56
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精度
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±0.6%
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線性度
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0.2%
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最大采樣頻率
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100Khz
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電流測量范圍
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0-500A
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電壓測量范圍
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0-200V
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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。在采集工作開始前，可以通過選項卡記錄焊工、焊材、焊機以及預(yù)置焊接電流/電壓等信息。在焊接過程中，該系統(tǒng)將實時的焊接電流電壓存儲到.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)場對焊接參數(shù)進行簡單的分析處理，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)計分析。通過調(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，得出其分布區(qū)間。
 
圖4 焊接參數(shù)統(tǒng)計分析界面
圖5 電流電壓分布
該便攜式數(shù)據(jù)采集裝置設(shè)計完成后，實物照片如圖6所示。在此基礎(chǔ)上，需要通過大量實驗數(shù)據(jù)，并對其進行分析處理，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，以便于實習(xí)焊接質(zhì)量在線檢驗。
圖6 數(shù)據(jù)采集裝置實物照片
4． 實驗設(shè)計
通過前期實驗得知，不同的焊工水下施焊時，其手法對焊接質(zhì)量的影響較大，因此，要通過實驗方式，消除因焊工手法問題帶來的影響。
在實際工作中，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的各個參數(shù)，并在陸上檢驗該工件的焊接質(zhì)量（以抗拉強度為參考指標(biāo)）。通過大量工藝試驗，記錄相關(guān)的焊接參數(shù)，然后對焊接參數(shù)進行整理分析，確定電壓標(biāo)準(zhǔn)差、短路過渡頻率、斷弧率等參數(shù)與焊接質(zhì)量的函數(shù)關(guān)系。編制軟件以便于實時預(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)的近似對于關(guān)系，達到了實時預(yù)估焊接質(zhì)量的目的。
5． 結(jié)論
通過上述工作的開展，設(shè)計了一套攜帶方便、防護等級較高的數(shù)據(jù)采集裝置，適用于在船舶、碼頭等場所進行焊接參數(shù)采集分析。借助于自主開發(fā)的數(shù)據(jù)處理程序，可以實時在線對固定焊接規(guī)范、焊接材料條件下焊接進行預(yù)估焊縫力學(xué)性能指標(biāo)，對焊接質(zhì)量進行在線檢驗，有助于水下焊接項目的推廣和應(yīng)用，進而提高我國海洋裝備的制造和維護能力。
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