短周期螺柱焊在线分析系统

包晔峰，廖海龙，2，张金辉，张景璋，杨 可，蒋永锋

本文参考文献

短周期螺柱焊在线分析系统

包晔峰1，廖海龙1，2，张金辉1，张景璋1，杨 可1，蒋永锋1

（1.河海大学机电工程学院，江苏常州213022；2.华中科技大学武汉国家光电实验室，湖北武汉430074）

短周期电弧螺柱焊生产效率高，易于实现自动化，广泛应用于汽车工业。开发了由信号采集单元和分析软件构成的短周期螺柱焊在线分析系统。信号采集单元包含PIC18F4580单片机、电源、信号调理、外部存储器和RS485通信等电路，通过焊接状态判断、AD采样、数据存储和通信等程序，实现焊接电流和电压采集、存储和传输。分析软件采用Microsoft Visual Studio C#编写，操作界面由主窗口、焊接过程分析窗口、熔深阈值设置窗口和报警窗口等构成。DP600镀锌钢板焊接试验表明，开发的短周期螺柱焊分析系统能实时显示焊接电流和电压波形，提取焊接参数特征值，判断电弧的稳定性，熔深计算值与实测值相吻合，在线检测结论与外观目检、宏观检测和扭矩测试的结论一致。系统收集的原始数据可用于分析引起质量问题的具体原因。

螺柱焊；信号采集；数据分析；实时判断

0 前言

二次大战前夕，在航母建造过程中，大量的木板需要固定在钢板上，传统的方法是在钢板上先钻通孔，再用螺栓和螺母固定，这种方法生产效率低、劳动强度大，为赶工期迫切需要寻找新的、高效的固定方法。在此背景下，发明了电弧螺柱焊。电弧螺柱焊无需在钢板上钻孔，可以在1～2 s内将螺柱快速焊接到钢板表面。自电弧螺柱焊发明以来，这种方法得到了快速的发展，已广泛应用于船舶、汽车、钢结构、锅炉等行业[1-2]。目前，电弧螺柱焊可分为储能式和拉弧式两大类。储能式螺柱焊电弧的能量由电容提供，又有接触式、间隙式和拉弧储能式等不同的工艺方法。储能螺柱焊的焊接电流高达数千安培至几万安培，焊接时间为数毫秒至十几毫秒，能量密度非常高，特别适用于薄板的螺柱焊接，已在厨具、电梯、机箱、机柜等行业中得到了运用。拉弧式电弧螺柱焊包括短周期和长周期两种工艺，长周期的焊接时间在0.1～2.5s可调，焊接时采用专用的瓷环保护电弧空间及熔池的冷却成型，比较适合厚板的螺柱焊接，已在钢结构、锅炉压力容器、粮食机械中得到了应用。短周期螺柱焊的焊接时间在100 ms以内可调，可利用大电流产生的爆炸效应来保护焊接区域，也可用外加保护气的方法对电弧和熔池进行保护，一般不用瓷环，易于实现自动化[3]，生产效率高，质量分散性较小，广泛应用于汽车工业。螺柱焊的质量检测有目检、拉伸和弯曲等方法，国内外都制订了相关的标准[4-7]。拉伸和弯曲等破坏性试验一般用于生产前的验证性检验，以及生产过程中的抽样性检验，不适合对生产过程的每个焊接螺柱进行检验。目检虽然可以对生产过程中的每个焊接螺柱进行检验，但费工费时，检验人员必须进行专门的培训，且具有相应的资质。目检合格的产品并不一定能通过拉伸和弯曲试验。在螺柱焊接量大、生产节拍快、质量要求高的场合，非常需要对焊柱焊的质量进行准确的在线分析和判断。为此，本研究开发了一种短周期螺柱焊在线分析系统，该系统能根据短周期螺柱焊的电流和电压信号，分析焊接过程的稳定性，计算电弧的能量、镀锌层的熔化量和熔深等参数，并能根据设定阈值实时判断焊接质量。

1 短周期螺柱焊工艺

短周期螺柱焊的焊接过程可分为短路、导弧、主弧和顶锻四个阶段。施焊时，螺柱端头与工件表面接触，焊接电源得到开始焊接信号后，输出几十安培的电流，同时给焊枪中的电磁铁加电，螺柱在电磁铁的作用下离开工件，引燃导弧，导弧燃烧到设定的时间后引燃主弧，主弧熔化螺柱端头和工件，在螺柱下方形成熔池。当主弧燃烧时间达到设定值时，焊枪中的电磁铁失电，螺柱在弹簧力的作用下迅速向工件运动，当螺柱端头接触到熔池时，电弧熄灭，螺柱继续在熔池中运动，排开液态金属，顶锻熔池底部形成焊缝。

导弧的电流小，能量低，不足以熔化较多的工件和螺柱，但在螺柱与工件之间形成了一个电离的气体空间，为顺利引燃主弧提供条件。另一方面，导弧可使工件表面的油污气化、氧化物分解，提高焊缝的内部质量。对于镀锌板，因锌的沸点低容易气化，焊接过程中锌蒸气易残留在熔池中，凝固后形成气孔，导弧可熔化并气化锌层，使锌逸出电弧空间，减少焊缝中锌蒸气孔的产生。研究表明，导弧能量能否完全气化锌层是决定焊缝中气孔数量的关键因素[8]。因此，分析导弧电流和电压信息，判断导弧是否存在熄弧，计算导弧能量，得出镀锌层熔化量，即可监测镀锌板螺柱焊气孔的发生。主弧燃烧时间短是短周期螺柱焊名称的由来，也是其适合薄板焊接的根本原因，主弧持续时间短、电流大，能量密度高，螺柱端部熔化量较小，不足以形成熔滴，一般没有熔滴过渡现象。因此，正常的短周期螺柱焊的电流和电压波形比较平稳，主弧阶段的平均电流、平均电压以及燃弧时间共同决定了熔池的直径和深度，最终影响焊缝的强度[9]。根据顶锻时是否有电流，可分为有电顶锻与无电顶锻，短周期螺柱焊适用的螺柱直径较小，热容量较低，为防止未熔合缺陷，一般均为有电顶锻。因此，根据主弧电流和电压信息，分析主弧是否熄弧，计算主弧能量，建立熔深模型，计算工件的熔化深度，即可实时分析焊接质量。

2 短周期螺柱焊在线分析系统构成

短周期螺柱焊在线分析系统由信号采集单元和PC机构成，如图1所示。信号采集单元与螺柱焊机相连，实时采集焊接电流和电压信号，进行一定的处理和缓存后，通过通信口上传至PC机，再由PC机对焊接电流和电压信号作进一步的分析处理。信号采集单元由PIC18F4580单片机、电源、信号调理、外部存储器和RS485通信等电路构成。晶闸管可控整流电源的容量大、耐电流冲击能力强，控制性能好、可靠性高，目前仍是螺柱焊机的主流电源，其电流脉动的周期性为3.3 ms，频率300 Hz。根据奈奎斯特采样定律，采样频率只要大于有效信号最高频率的两倍即可，但为了更好地反映信号细迹，实际应用中一般选取信号最高频率的5～10倍作为采样频率。对于采用晶闸管可控整流电源的螺柱焊，采样频率最小应为1.5～3 kHz，PIC18F4580的AD转换最大速率为100kbps，综合考虑单片机的AD性能，信号采集单元的采样频率取5 kHz。短周期螺柱焊主弧时间在100 ms以内，加上导弧时间和有电顶锻时间，总的焊接周期在250ms以内；PIC18F4580的AD为12位，一个数据需2 B，因此，一次焊接最大数据采集量约为5 kB，显然单片机本身的存储空间不能满足要求，必须采用外部存储器解决数据的存储问题。信号采集单元选25LC1024，这是一种非易失性E2PROM，容量1024kB，有1MB的SPI总线。综合考虑传输速率、传输距离、抗干扰等性能，信号采集单元和PC机之间采用RS-485接口通信。

图1 短周期螺柱焊在线分析系统Fig.1Online analysis system for the SCWS

3 信号采集单元控制软件设计

控制信号采集单元工作的软件设计成4个模块：焊接状态判断模块、AD采样模块、数据存储模块、通信模块。焊接状态判断模块用于判断焊接过程是否开始和结束。AD采样模块用于采集焊接电流和电压信号，AD采样模块是否工作由焊接状态判断模块的输出决定，若焊接状态判断模块判定焊机开始焊接，则启动AD采样模块工作，直到焊接状态判断模块判定焊机已结束焊接，才停止AD采样模块工作。数据存储模块把内存中的数据保存到外部存储器，单片机写外部存储器的速度较慢，AD采一次数据存一次的方法不可取，为解决外部存储器数据存储时间较长的问题，在单片机RAM中设置了A、B两个大小相等的数据缓冲区，AD采集的数据首先保存到A缓冲区，当A区写满后，数据打包后保存到外部存储器，此后AD采集的数据保存至B缓冲区，在写满B区前，A缓冲区的数据全部写入外部存储器，B区写满后，数据打包后继续保存到外部存储器，此后数据重新存入A区，依次交替进行。焊接结束后，通信模块工作，把外部存储器中的数据上传至PC机，通信结束后重新进入待机状态。由此可见，一次焊接过程的数据采集包含五种状态间的转换：待机状态（Zero）、状态判断（State）、AD采样状态（AD）、数据存储状态（Store）、通信状态（RS_485）。5种状态间的转换关系如图2所示，AD采样和状态判断、数据存储和AD采样间为双向切换，待机状态和状态判断、数据存储状态和数据上传状态、数据上传和待机状态为单向切换关系。

图2 数据采集程序状态转换关系Fig.2Relationship of different states in data acquisition for welding process

4 短周期螺柱焊分析软件设计

短周期螺柱焊分析软件用Microsoft Visual Studio C#编写，由串口数据接受与预处理、电压和电流数据分离、波形绘制、显示调整、波形特征分析、数据存储和质量评估等程序组成，如图3所示。操作界面采用Windows风格。

图4为主界面，由菜单区、波形显示区、特征值分析区、显示调整区和串口设置区组成。波形显示区用于显示螺柱焊的电流和电压波形，波形的幅度、宽度、上下和左右位置都可以用显示调整区的功能按钮调节。特征数据栏中为显示区波形的特征值，包括：导弧电流、导弧时间、主弧平均电流、主弧平均电压、主弧时间和顶锻时间。串口设置区用于设置串口通信需要的参数，有串口号、波特率、数据位、停止位和通断开关。菜单区的“隐藏栅格”菜单可以激活或取消波形区的栅格，“工具”栏中包含：导入波形数据、保存波形图、设置阈值、导入熔深分析等功能。导入波形数据将波形数据导入Excel文件保存；保存波形图将波形保存成.gif格式的图形文件，根据工艺需要可用设置阈值按键激活熔深设置窗口，修改熔深设置值；导入熔深分析用于激活用熔深判断焊接质量的功能，该功能激活时，每次焊接结束，系统将对焊接质量进行评价，如果不合格，则弹出不合格提示窗口；清除波形用于清除波形显示区的波形；测量菜单可以激活或取消波形显示区的两个用于测量波形数据的光标，图4中测量光标已激活，光标所在位置波形的读数显示在波形显示区，光标可用鼠标拉动控制滑块左右移动。利用该功能可以方便地读取某一时刻的焊接电流和电压值，以及两个光标之间的时间；过程评估用于弹出焊接过程分析界面。

图3 短周期螺柱焊分析软件构成Fig.3Diagram of the SCSW analysis software

图4 短周期电弧螺柱焊的监控软件主界面Fig.4Main window of the SCSW analysis system

图5 螺柱焊过程分析界面Fig.5Stud welding process analysis interface

螺柱焊过程分析界面如图5所示，由焊接参数实测值、输入参数和计算结果三个区域组成。焊接参数实测值包括：导弧电流、电压、时间、能量、导弧阶段是否有熄弧，主弧电流、电压、时间、能量、主弧阶段是否有熄弧及顶锻时间。这些参数都是从焊接电流和电压波形上提取和计算得到的。输入区有螺柱直径、端面法兰直径、锌层厚度、导弧加热系数和主弧加热系数输入窗口，需根据焊接螺柱和钢板的情况输入相应数据，导弧加热系数和主弧加热系数在激活本界面时已预设为0.42和0.65，也可根据实际情况作修改。计算结果区的主弧推荐电流和主弧推荐时间是根据输入区输入的螺柱和端头法兰直径由经验公式计算得到，作为分析实际焊接参数的对比参考。熔化锌层所需最小能量根据输入区中锌层的厚度，由建立的锌层熔化热力学模型计算得到。锌层熔化量由导弧阶段实测的能量、导弧加热系数和熔化锌所需最小能量，由建立的锌层熔化模型计算得到。熔化深度由建立的熔深热力学模型计算得到。焊接过程分析数据可以保存为Excel表格形式，按生成分析报告按键，会提示文件名和保存的途径，确认后数据以Excel表格形式保存。

5 镀锌钢板螺柱焊测试试验

试验采用常州市开创焊接技术有限公司生产的ASW850焊机。该焊机额定电流850 A，有短周期和长周期两种模式，有过载、缺相、焊枪电路短路等保护功能，可靠性高；焊接电流采用恒电流控制，焊接质量一致性好；焊接电流和时间无级可调，参数设置精度高。试验材料采用DP600汽车用高强钢板，抗拉强度600 MPa，板厚1.5 mm，表面镀锌，锌层厚度25 μm，焊前清除钢板表面油污。螺柱材料为08A钢，表面镀铜，公称直径M6，法兰直径7 mm，螺柱长度25 mm。试验时，首先启动短周期螺柱焊分析系统，PC机屏幕上将出现如图4所示的主界面，在主界面的串口设置区设置好串口参数，按连接按钮打开串口，用工具菜单下的设置阈值菜单激活熔深阈值输入界面，输入工件最小熔化深度0.7 mm；激活图5所示螺柱焊过程分析界面，在参数输入区输入螺柱直径、法兰直径、镀锌层厚度，这些参数设置好后即可进行焊接试验。焊接时，信号采集单元自动采集焊接电流和电压数据，通过缓冲存入外部存储器中，每次焊接结束，即刻将数据传输到PC机，进行波形显示、特征数据提取、镀锌层熔化量和工件熔化深度计算，并与预设的熔深阈值进行比较，若小于阈值，则弹出报警窗口。图6为试验过程中监测到焊接质量不合格弹出报警窗口的界面，图5为与之对应的焊接过程分析报告，在线计算熔深为0.5 mm，小于设定阈值0.7 mm，故判定焊接质量不合格，图5中报告的导弧和主弧都有熄弧现象，与图6中波形显示的情况一致。

图6 质量不合格报警窗口界面Fig.6Alarm window for suspect welding

图7a为与图6对应的焊接试样外观，可见焊缝边缘不均匀、不完整。图7b为其宏观剖面照片，焊缝中有较大的气孔，熔深0.56 mm，与计算结果接近。分析波形认为，焊缝中有较大气孔与导弧阶段有短路熄弧有关，如图5中显示的计算结果，导弧熄弧使导弧能量不足以完全气化镀锌层，导致主弧阶段仍有很多锌蒸气，残留在焊缝中形成气孔；熔深较小的原因是主弧阶段有短路断弧，短路时虽然电流不变，但电压很小，发热功率变小，且短路时散热增强，两方面的作用使钢板熔化量减少，熔深变小。同组试样扭矩试验的断裂扭矩值为19.8 N·m，断裂位置在焊接接头处，根据标准该接头不合格[10]，与短周期螺柱焊分析系统得出的结论吻合。

短周期螺柱焊分析系统在实时判断焊接质量的同时，还保存了每次焊接的原始数据，这些原始数据可用于分析引起质量问题的具体原因。图8列出了4种出现不合格报警的波形，图8a中先导弧引燃10 ms后就熄灭，主弧没有引燃，引起这种现象的原因是：焊枪提升量太大，超过了导弧能维持的距离，触发导弧后，当螺柱端头与工件间的距离大于导弧能维持的距离时，导弧被拉断，导致焊接过程终止。图8b中导弧和主弧都有短路熄弧现象，原因可能是：螺柱压装没有到位，或操作时焊枪把握不稳有抖动。图8c中导弧有短路熄弧现象，且主弧触发时螺柱与工件处于短路状态，实际主弧的燃烧时间小于设定时间，燃弧能量不足以熔化足够的金属，产生这种情况的原因是螺柱提升高度太小。图8d中主弧燃烧过程中电弧电压有约8 ms的突降，但没有降到零，可以判断该处发生了熔滴过渡，熔滴过渡引起的电压降低也会减小主弧能量，影响焊接质量。

图7 与图6 对应的螺柱焊试样Fig.7Appearance of the welding specimen,which corresponded to figure 6

图8 四种不合格焊接的波形Fig.8Four kinds of waveforms while bad welds were detected by the SCSW analysis system

6 结论

（1）短周期电弧螺柱焊的主弧电流时间短、能量密度高，适合薄板焊接，生产效率高，质量分散性较小，无需陶瓷环保护，易于实现自动化，广泛应用于汽车工业。通过在线分析短周期螺柱焊的电流和电压信号，可实时监控其焊接质量。

（2）短周期螺柱焊分析系统的信号采集单元由PIC18F4580单片机、电源、信号调理、外部存储器和RS485通信等电路构成，采样频率5 kHz，外部存储器容量1 024 kB。控制软件由焊接状态判断、AD采样、数据存储和通信4个模块构成，根据不同的状态启动相应的模块工作，实现焊接电流和电压的采集、存储和传输的功能。

（3）短周期螺柱焊在线分析软件采用Microsoft Visual Studio C#编写，由主界面、焊接过程分析界面、熔深阈值设置窗口和报警窗口等组成操作界面。实现焊接电流和电压的波形显示及测量，导弧电流、导弧时间、主弧平均电流、主弧平均电压、主弧时间和顶锻时间等特征值的提取，导弧能量、主弧能量、锌层熔化量和工件熔深的计算，焊接质量的实时判断，以及原始数据的保存等。

（4）DP600镀锌钢板试验表明，短周期螺柱焊分析系统能很好地提取焊接过程的特征值，判断焊接过程中是否有熄弧现象产生，熔深计算值与实测值一致性较高。在线检出不合格的试样，其外观目检、宏观检测和扭矩测试结果也不合格。保存的原始数据包含信息丰富，可用于分析引起质量问题的具体原因。

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Online analysis system for short-cycle arc stud welding

BAO Yefeng1，LIAO Hailong1，2，ZHANG Jinhui1，ZHANG Jingzhang1，YANG Ke1，JIANG Yongfeng1
（1.School of Mechanical and Electrical Engineering，Hohai University，Changzhou 213022，China；2.Wuhan National Laboratory of Optoelectronics，Huazhong University Of Science And Technology，Wuhan 430074，China）

Due to the high production efficiency and automation applications，Short cycle arc stud welding is widely used in automotive industry.A system composed of signal acquisition unit and analysis software was developed in this paper.The signal acquisition unit consisted of PIC18F4580 and circuits of power supply,signal conditioning，external storage and RS485 communication，and the signals of welding current and voltage were gathered，stored，and transferred by software of the AD sampling，data storage and communication respectively based on the judgment of welding state.The interface of the system was programmed by Microsoft Visual Studio C#，which included the main window，welding process analysis window，penetration threshold settings window and alarm window.DP600 galvanized sheet trial showed that the short cycle arc stud welding analysis system could extract the characteristic values of the welding process，judge the stability of the arc.Penetration calculated by the system coincided well with actual values.Online monitor conclusion agreed well with the results of visual inspection，macro examination and torque test.The data collected by the system could be used to identify the causes of poor quality.

stud welding；signal acquisition；quality monitoring；online judgment

TG409；TG438

A

1001－2303（2017）01－0001-07

10.7512/j.issn.1001-2303.2017.01.01

本文参考文献

包晔峰，廖海龙，张金辉，等.短周期螺柱焊在线分析系统[J].电焊机，2017，47（1）：1-7.

2016-12-21

包晔峰（1966—），男，江苏常州人，博士，教授，焊接设备及自动控制和焊接工艺与组织性能的研究工作。