全位置手工焊接线能量在线检测技术研究

陈志远　傅强　朱雅琼　吴一飞

摘要：针对手工焊接过程中焊接线能量无法实时、准确测量的问题，提出了一种线能量在线检测方法。设计了具有一定柔性的弧光捕捉机构，可以适应全位置手工焊接中不同的焊道。重点研究由弧光信号向电信号的转换技术，进而搭建以STM32单片机为控制核心的信号处理系统，完成焊接线能量数字量的实时显示。焊接试验表明，该方法实时性好，且检测精度满足要求。

关键词：焊接线能量;全位置焊接;在线检测;STM32单片机

中图分类号：TG434文献标志码：A文章编号：1001-2303（2020）03-0024-04

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2020.03.04

0 前言

焊接线能量是影响焊接接头性能的重要因素之一。若焊接线能量过大，热影响区过宽，导致焊接接头的韧性下降;若焊接线能量过小，焊接接头的冷却速度增快，易形成冷裂纹[1]。因此，对焊接线能量进行实时监测有利于焊接操作人员设置合适的焊接参数，进而提高焊接质量。

由焊接线能量公式Q=UI/v可知，焊接线能量与电弧电壓、焊接电流以及焊接速度有关[2]。其中电弧电压和焊接电流可以通过霍尔传感器测得，而焊接速度的测量则较为困难。对于全自动焊接，焊接速度通过编码器测得，对于传统的手工焊接，并没有专门的传感器能够直接检测其焊接速度;目前常用焊缝总长度除以总的焊接时间来粗略估计焊接速度。这种测量方法不仅精度低，而且不能实时获得焊接速度，缺点明显。有研究者采用在焊枪上装滚轮的方法将焊接速度转化为滚轮转速，之后通过测速仪显示出来[3]。这样得出的结果精度受滚轮行走面的影响，而且无法应用在全位置焊接中。

为此，本文设计了一种用于检测全位置手工焊接线能量的装置。该装置不仅提高了焊接线能量的检测精度，还为焊接工艺参数的制定提供了可靠的数据。

1 焊接速度检测原理

相对于通过检测焊枪或焊接小车的速度来反映焊接速度的方法，电弧的移动速度才更直接、准确地反映了焊接过程中瞬时的焊接速度。全位置手工焊接方法中的焊接电弧多为明弧，因此，本研究将移动电弧作为光源，设计了一种光电法来检测电弧移动速度，光电法的检测原理如图1所示。装置由若干个相同的光敏器件组成（图1表示其中3个光敏器件），每个光敏器件安装于遮光管内，其感光部位正对于焊道，遮光管沿焊道方向阵列排布，每隔一固定距离以柔性部件两两连接。当电弧正对于某一遮光管管口的位置时（图1位置A、C），便会触发遮光管内部的光敏器件产生突变，而其他位置的光敏器件由于遮光管的遮挡不会被触发;当电弧处于柔性连接件前位置时（图1位置B），受到所有遮光管的遮挡不会触发任一个光敏器件。

随着手工焊接的进行，电弧沿焊道方向经过各个光敏器件，光敏器件会被依次触发产生脉冲信号，经后续的电路调理后，便会输出一组矩形脉冲信号，如图2所示。

图2中，t1为电弧从第一个遮光管移动到第二个遮光管所用的总时间，tx1为电弧经过第一个遮光管使光敏器件持续触发所用的时间。在保证遮光管之间距离l一定的情况下，电弧从第m个遮光管到第m+1个遮光管之间的平均速度vm可以用式（1）计算：

2 弧光捕捉机构的设计

依据上述原理设计弧光捕捉机构，光敏器件采用光敏三极管。根据光谱学原理，焊接电弧中各组分（包括保护气体和金属元素）的发射光谱具有一定的辐射频域特征[4]。统计各种常见电弧焊方法的辐射频域特征，其分布曲线并非光滑连续，在波长200～1 000 nm内会叠加分布着线光谱，而在波长800 nm左右处线光谱较为密集，形成一个波峰[5]。根据这些特征，选用型号为3DU5C的光敏三极管，该器件的感光波长范围为750～1 050 nm，相对感度在900 nm处达到最大，适宜焊接电弧的辐射频域。

由焊接速度检测原理可知，弧光捕捉机构需要沿焊道方向与焊道保持平行，而手工焊接存在平焊、立焊、仰焊等多种方式，为了满足全位置焊接检测的需要，该弧光捕捉机构应具有一定的柔性，可以适用于多种焊接场景。

弧光捕捉机构的爆炸视图如图3所示。该机构可以看成由若干个相同的小组件组成，每个小组件由挡圈、链条片、端部片、遮光管、磁铁和光敏三极管组成，图中仅表示了3个小组件。光敏三极管安装于遮光管管内一端，受遮光管的遮挡，保证仅垂直管面入射的弧光能够触发光敏三极管。遮光管外部设计成阶梯状，分别安装挡圈、端部片、链条片和环形磁铁。链条片之间间隙配合，可以相互转动，使得整个弧光捕捉机构能根据焊道的不同而弯曲。磁铁吸附在磁性工件上，起到快速固定的作用。

弧光捕捉机构工作状态如图4所示。对于直径不同的各类钢管，通过控制小组件的数量来达到良好的适应性。

3 信号处理系统的设计

信号处理系统由电源模块、光电转换电路、霍尔传感器、微型处理器以及显示屏组成，如图5所示。由光敏三极管产生的杂乱电信号经光电转换电路处理后，转变成规则的矩形脉冲波形。微型处理器选用型号为STM32C8T6的单片机，该单片机的定时器具有输入捕获功能，可以在检测到脉冲信号的上升沿时开始计时[5]。由光电法的检测原理可知，两个上升沿之间的时间便是tm。由定时器得到tm后，经单片机运算，得出焊接速度的数值。焊接电流与电弧电压通过霍尔传感器进行检测，经AD转换成数字量后，与焊接速度进行运算，得出焊接线能量的数值。综合考虑成本、显示效果、传输速率等原因，选用IIC通讯的OLED作为显示屏。

3.1 光电转换电路

随着电弧逐渐接近和远离光敏三极管，其对光敏三极管的照度会逐渐增强和降低，光敏三极管会感应出缓升和缓降的电信号。如果焊接速度过慢，STM32单片机的上升沿捕获可能会忽略缓升信号。为了保证每个光敏三极管的触发能被捕获，需要将缓升信号调理成陡升，为此设计了如图6所示的光电转换电路。

该电路以LM393比较器为核心控制器件，RP*2与R3串联，RP*2上的分电压作为比较器的反向输入端，可以通过调节滑动变阻器RP*2的阻值来改变阀值电压;若干个光敏三极管并联后与RP*1串联，RP*1上的分电压作为比较器的同向输入端。当同向输入端电压大于反向输入端电压时，输出3.3 V，反之输出0 V。输出端只会存在0 V和3.3 V两个电平状态，因此输出的波形陡升、可靠。

3.1 程序设计

光敏三极管上的电信号经信号调理电路处理后，会输出如图2所示的矩形脉冲信号给STM32C8T6单片机。为此需设计程序来驱动单片机处理矩形脉冲信号，转化为表示焊接速度的数字量，并通过OLED显示出来。

该程序使用一個基本定时器和一个通用定时器，基本定时器在OLED开机画面显示结束后开始计时，每过0.5 s便会产生一次中断，触发OLED更新显示焊接速度的实时值。通用定时器具有输入捕获功能，经过初始化配置后，能自动检测到I/O口上的上升沿电平。通用定时器在第一次检测到上升沿，也就是开始进行实际焊接速度测量时开始计时，保证第一次测出的焊接速度值准确。之后每当捕获到上升沿电平时，就会读取通用定时器T2值，该值是电弧经过相邻两个光敏三极管所用的时间，经计算后得出焊接速度的数字量，然后将通用定时器T2置零，进入下一循环。

4 手工焊接试验验证

采用PM5000系列的水冷数字MIG焊机、φ1.2 mm的E5356焊丝，在厚度为4 mm的6063角铝上进行焊接试验。为保证焊接电弧稳定，采用交流电源，焊接电流控制在100 A左右，电弧电压约为17 V。

弧光捕捉机构平行置于待焊焊道10～15 cm前，保证电弧与光敏三极管处于同一水平线上。并采用型号为UTD2102CM的数字示波器测量光电转换电路的输出端电压。开始焊接，每隔10 s记录OLED显示的数据，如表1所示。

由表1可知，检测到的焊接电流和电弧电压与实际焊机的输出值基本吻合，浮动不大。将OLED显示的焊接速度值与图7所示的示波器波形进行比较分析，示波器波形为矩形脉冲波，符合预期，且通过波形计算的焊接速度与OLED的显示值一致。

经过计算，检测到的整条焊缝平均焊接线能量为450 J/mm。人工计时整个焊接过程的总用时为50 s，测量焊缝总长度183 mm，结合MIG焊机设定的焊接电流与电弧电压，计算平均焊接线能量为464 J/mm。整条焊缝的平均线能量误差在3%以内，具有极高的检测精度。

5 结论

（1）通过对全位置手工焊接线能量检测难点的分析，提出了一种采用光敏器件检测焊接速度的方法，进而研究出一套焊接线能量在线检测技术。

（2）焊接试验表明，该技术相较于传统的测量方法，可以在一条焊缝上得到更多实时数据，且检测结果误差极小。

（3）该技术适应于全位置、多种明弧手工焊接的线能量在线检测，为获得良好的焊接质量提供了保障。

参考文献：

[1] 邢奎，李继红，郑雯，等. 焊接线能量对低碳贝氏体钢焊接接头性能的影响[J]. 热加工工艺，2014，43（21）：19-21+25.

[2] 花斌斌，花勤健. 焊接参数对Q235A碳素结构钢焊接接头晶间组织的影响分析[J]. 工程与建设，2019，33（05）：812-813.

[3] 上海电气核电设备有限公司. 焊接速度测量装置：中国，2016204099631[P]. 2016-05-09[2016-10-05].

[4] 林杨胜蓝，何建萍，王付鑫. 焊接光谱信息的研究现状[J].电焊机，2014，44（09）：27-31.

[5] 张军强，李志勇，刘富强，等. 不锈钢药芯焊丝焊接电弧气氛的光谱分析[J]. 中国测试，2015，41（11）：35-39.