小孔等离子弧焊接中小孔状态的传感技术研究

图+ 无源探针法检测等离子云的模型
这种无电源探针检测法是基于等离子鞘层理 论的。 所谓等离子体中的 “ 鞘层” 理论， 就是当把物 体浸入等离子体中时， 若物体表面是不发射离子或 吸收离子的， 则在等离子体与物体表面接触后， 在物 体表面形成 * 个暗区、 带负电位的薄层区， 这个薄层 被称为 “ 鞘” ， 它把等离子体与物体分开。 在这一区域， 明显偏离电中性， 电子数和正离子数是不同的， 其电 位从外向内单调递增。 采用探针检测等离子云时， 即 是将探针浸入等离子体， 因此在探针表面形成 * 个 负电位， 利用简单的电路测量即可测出其 “ 鞘层” 电压。 这就是无电源探针检测法不外加电源， 即可检 测出小孔状态的机理。 总之， 等离子云导电法是用 * 个探针和测量回 路使得传感器和焊炬连为一体， 结构小巧， 有一定 的稳定性和灵敏度。 但由于等离子云温度较高， 易烧 损检测探针， 所以探针的放置位置至关重要。 实验表 明， 这种传感器可以成功的检测小孔的状态。
!"$
多传感信息融合法
代大山等人提出基于多传感器信息融合的检
测方法)*-,。 该方法利用焊接电流、 焊接电压、 小孔尾焰 电压、 焊接声音和弧光谱线强度多个参数对小孔状 态及焊缝质量进行监测， 再以一定的融合规则进行 融合获得一个当前小孔状态的综合评估结果。 这种控 制方法的检测设备复杂， 需要处理的数据量大， 实时 响应慢， 工业应用前景不理想。
!"!
利用声音信号传感方法
声音是一种机械波， 焊接过程中熔池的振动、 等
离子气流的脉动都会以声波形式表现出来。 当工件熔 透时， 熔池小孔形状发生突变， 并发射一定的音频信 号。 因此， 通过检测焊接过程中的声音信号， 对它进 行分析处理， 可用于识别焊接过程中熔池小孔的状态。 国内外学者对等离子弧声音信号的研究主要有 以下几方面： 胡百僖等人在脉冲等离子弧焊接圆管的 过程中利用声音信号控制焊接质量， 在工件背面放 置麦克风， 发现电弧穿透工件时产生 !"" #$ 的脉动 音频信号， 这样通过检测这个音频信号， 就可以判断 工件是否熔透%&’。王耀文等人检测小孔等离子弧焊接 时产生的声音信号， 在熔池的过渡阶段产生低频振 动， 经频域分析， 设计了声音信号的 ( 算法%)’。 研究发 现， 在未穿孔阶段， 穿孔阶 ( 算法处理得到的值较大； 在过渡阶段， 是穿孔阶段和 段， ( 值最小； ( 值最大， 未穿孔阶段 ) 倍之多。 设计的 ( 算法能够较准确地反 映焊接过程中熔池小孔的状态信息， 其可靠性较高。 总之， 检测声音信号判断小孔熔透的方法属于 非接触式焊接传感方法， 它有一个很大的缺陷， 即 来自生产环境的噪声很容易干扰检测信号， 这就使 得声音的信噪比较小， 不易于处理。 而且， 在全位置 焊接过程中， 声音信号的强度* 幅值 + 是变化的， 在上 坡焊时， 规范足够大乃至脉冲电流结束后小孔仍不 关闭时， 声音信号强度小， 而下坡焊时声音信号强度 大 ， 这就给实时控制带来了不便。 在一般焊接条件下，
5 小孔等离子弧焊接小孔状态的传 感方法
国内外的研究人员提出了多种小孔行为的传
・ "2 ・
!"#$%&’$ ()"*’+, -.$/’+)
专题综述
卢亚静等： 小孔等离子弧焊接中小孔状态的传感技术研究
第)期
感方法， 按传感信号分类， 主要有声音信号、 电弧弧 光强度、 尾焰电压、 熔池图像信号、 多传感信息融 合、 等离子云导电法。
文章编号： .$$./&"$"!&$$)0$&1$$"21$)
!"#$%#& ’"()#*+*&, %# ’)" -",)*+" .+/$0/ /12 3"+4%#&
34 56789:; ， <4 =>?:;7@A: ， 5B C96D7E9:， <FG H9:;7>A6 I=J>DDE DK L6M?N96E@ =J9?:J? O P:;9:??N9:; ， ’96:89: 4:9Q?N@9MR， ’96:89: "$$$%& ， ->9:60 FS@MN6JM ： ’>? T?R>DE? UE6@V6 6NJ W?EX9:; 9@ 6 T9:X DK W?EX9:; V?M>DX W9M> >9;> ?:?N;R 6:X ?KK9J9?:JRY’>? @M6S9E9MR DK 9M 9@ 6:
第
") 卷 第 $& 期 &$$) 年 $& 月
PE?JMN9J ‘?EX9:; L6J>9:?
^DEY") GDY& _?SY&$$)
专题综述
小孔等离子弧焊接中小孔状态的 传感技术研究
卢亚静， 胡绳荪， 易小林， 韩敬华
天津 "#$$%&! !天津大学 材料科学与工程学院，
小孔等离子弧焊接是一种高能量密度的高效焊接方法， 小孔的稳定性是影响小孔型等离子 摘要： 弧焊接过程稳定性和接头质量的重要因素。在焊接过程中及时获取表征熔池小孔特征行为的信息， 就成为等离子弧焊接研究的前沿课题。介绍了小孔等离子弧焊接中小孔状态的传感检测原理， 指出利 用声音信号、 电弧弧光强度、 尾焰电压、 熔池图像信号、 多传感信息融合和等离子云导电性都能在 一定条件下实现小孔状态的检测， 并分析了这些传感方法的特点。 等离子弧焊； 小孔； 传感； 概况 关键词： 中图分类号： 文献标识码： ’()"*+, -
电压法设备简单， 可靠性好。 但将传感器放在工件背 面， 对密闭容器， 复杂结构工件和小孔径管系的焊 接是不适用的。 而且， 若电流足够大， 等离子弧柱温 度很高， 即使是在尾焰边界处， 温度也较高， 容易烧 损金属测量板。
种传感器能放置在工件正面， 不受空间的限制， 比尾 焰电压法检测应用范围更加广泛。 由于此检测方法外 也可称为有电源探针检测法。 加了 * 个直流电源， 近年来， 天津大学在小孔等离子弧焊小孔状态 的检测和质量控制方面开展了研究， 提出了无电源 探针法来检测小孔的状态)*7,。 检测原理图如图 + 所示。 该方法不仅可以通过检测等离子云的有无来检测小 孔是否形成， 而且可以通过检测等离子云形态来检 测等离子弧熔深， 从而实现等离子弧焊接质量控制。
!"#
利用电弧弧光传感方法
电弧弧光传感主要有 ) 种方法： 一是直接检测 弧光强度， 二是检测某些特征谱线的辐射强度。 直接检测弧光强度的方法， 又可分为正面弧光 传感和背面弧光传感。 在正面弧光传感的研究中发 现， 当等离子云 * 一部分等 离 子 体 在 焊 接 速 度 反 方
专题综述
第 -. 卷
向上沿着熔池壁喷射出， 形状像云， 称为等离子云 或电弧反翘。 +出现在主电弧至传感器接收探头的光 必然要吸收主电 路中时 * 即小孔形成且未穿孔时 + ， 弧的辐射能量， 从而导致入射在探头的辐射能量降 低， 因此， 弧光传感器的输出电压信号形成了一个 负脉冲的幅值跃变%-’。 这种传感器与光谱分析的传感 器相比， 具有体积小、 成本低的优点， 但是由于实际 焊接过程中电弧的漂移， 必然使传感器的输出信号 产生波动。 另外， 探头位置及角度的选择也是一个关 键问题， 它关系到输出信号的灵敏度和准确度。 在背面弧光的研究中， ./0/12345672 等人利用光 敏元件对背面弧光强度进行了检测， 发现在小孔穿透 和闭合时， 背面弧光强度有显著变化， 从而实现了 小孔熔透的闭环控制%8’。 这种方法由于传感器放置在 工件背面， 因此对于一些复杂的结构工件， 很难应用。 分析某些特定谱线强度的研究亦取得了一些 进展。9/:/15;3<=2$ 等人在铝合金小孔等离子弧焊接 过程中， 从正面对小孔的状态进行了检测%>’。 用一台 光谱仪实时检测焊缝正面的弧光， 研究结果表明在 小孔形成前后， 氢 *8-8 =?+ 谱线强度与氩 *8@8 =?+ 谱 线强度值之比发生显著下降， 从而提出一种从正面 利用光谱仪检测小孔状态的方法。 此外， 随着熔池小 孔状态的变化， 谱线辐射强度和谱段的积分辐射强 度产生了形似于负脉冲信号的跃变， 而且小孔形成 前， 弧光辐射强度降到最低值时刻较稳定形成小孔 这对于预测小孔的形成是极为有利 时刻有超前 %A’， 的。 这种方法的优点是： 与检测弧光辐射谱段的积分 强度相比， 提高了信号的响应度， 优化了传感信号品 质。 不足之处在于这套装置较复杂， 体积大， 成本高。
%&’
经常由于机器噪音和人为的干扰， 使声音传感检测 出来的声音信号发生扰动， 因此这种方法对环境的 要求相对较高， 需要避开环境噪音的干扰 。
%!’
!"$
尾焰电压法
尾焰电压法是在工件背面放置一块金属板， 当
等离子弧通过小孔穿过工件接触到金属板时， 在工 件与金属板间形成导电通路， 由于小孔状态的变化， 引 起通路上电压降的变化， 从而可通过检测尾焰电压来 检测小孔状态， 完成对焊接过程的控制。 #/B/C32772=D 等人通过研究发现， 小孔尾焰电压与小孔直径之间 存在线性关系， 从而提出一种保持小孔尺寸恒定的 控制方法， 即将测量的小孔尾焰电压与一给定电压 进行比较， 偏差量作为反馈控制量用于调节焊接电 流， 从而实现闭环反馈控制%@’。 白钢等人探讨了小孔 等离子弧焊接过程中小孔尾焰电压与离子气流量、 焊接速度以及焊接电流的关系， 通过逐步回归法对 试验数据进行处理， 得出了相应的数学关系式%&"’。 尾焰
!"#$%&’$ ()"*’+, -.$/’+)
・ !> ・
但需要指出的是， 在管道的焊接中声音信号容 易测取， 用一般的声电转换器在管端即可测得， 又由 于管壁的屏蔽作用， 来自车间的噪音很难进入管道， 这就使得声音的信噪比能够令人满意， 易于处理 。