电弧传感器及其应用综述

电弧传感器及其应用综述

罗雨1，焦向东2，纪文刚2，周灿丰2

（1.北京化工大学北京，100029；2.北京石油化工学院海洋工程连接技术中心，北京，102617）

摘要：

0.引言

随着生产自动化和智能化技术的迅速发展，各种新技术在焊接领域得到了广泛应用，焊接自动跟踪系统已成为焊接自动控制研究领域中的一个重要内容。精确的焊缝跟踪可以快速实现焊缝的精确定位，是保证焊接质量的关键，是实现焊接过程自动化的重要研究方向。

焊缝跟踪和焊接质量实时控制是提高焊接过程自动化程度的两个方面，其中焊缝跟踪是保证焊接质量的基础。目前用于焊缝跟踪控制多采用视觉传感器和电弧传感器。视觉传感器属于附加装置，使得焊接系统复杂、重量增加、可达性差，且成本较高，实际应用较少；电弧传感器是利用焊接电弧自身特点的传感器，有较强的传感焊缝坡口信息的能力，不需要在焊枪上附加任何装置，实时性好，焊枪运动的灵活性和可达性最好，尤其符合焊接过程低成本自动化要求，其信号处理也没图像处理技术复杂，对环境要求低，抗干扰能力强，电弧扫描不仅可以跟踪传感，保证焊接参数的稳定，又可以达到改善成形的效果，特别是可明显改善斜角焊缝、搭接焊及厚板开坡口多道焊的表面成形及两侧熔合。它的研究和应用不仅对提高我国自动化焊接的水平有着重大促进作用，还有着非常现实的意义[1]。

目前,电弧传感器作为一种焊接传感手段倍受各国重视, 国外许多焊接设备研究和制造机构都在努力开发这一领域。工业发达国家的研究起步较早, 已研制出多种电弧扫描形式(如双丝并列、摆动和旋转) 的电弧传感器, 新型磁控电弧传感器目前也正处于研制阶段。这些电弧传感器适合于埋弧焊、TIG和MIG/MAG等不同焊接方法, 有些已用于焊接生产。许多国家所生产的弧焊机器人、管道焊接机器人上均配有摆动式或旋转式电弧传感跟踪装置[2]。

1.电弧传感器原理

电弧传感器的基本原理是：利用焊炬与工件之间距离变化引起的焊接参数变化来间接获得焊炬的空间位置信息。以等速送丝、采用焊接电源平或缓降外特性电弧传感系统为例，在这种情况下，焊接电流将随着电弧长度的变化而变化。其工作原理如图(1)所示。

图(1) 电弧传感器工作原理图

L为电源外特性曲线，在稳定焊接状态时，电弧工作点为A0，弧长L0，电流I0，当焊炬与工件表面距离发生阶跃变化增大时．弧长突然被拉长为L1．此时干伸长还来不及变化，电弧在新的工作点A1燃烧，电流突变为I1，电流瞬时变化为△I1反之亦然。从上述分析可以得出电弧位置的变化将引起电弧长度的变化，焊接电流也相应变化，从而可以判断焊炬与焊缝

间的相对位置（高低位置）。

但是，电弧传感器利用电弧的自身调节特性，不是独立于焊接电源-电弧系统之外，而是与焊接电源-电弧系统特性密切相关的一部分，其传感机制比其他形式的传感器更为复杂独特，对它的研究及应用必须考虑电弧扫描实现方式、焊接电源特性、焊接工艺条件、规范及信号提取处理方法等多个影响因素。详细的工艺条件请查看附件。

根据电弧对焊缝扫描方式的不同，气体保护焊中电弧传感与跟踪控制焊缝的方法主要有基于摆动扫描方式的电弧传感器以及基于旋转扫描方式的电弧传感器。电弧传感焊缝跟踪的基本原理是：在焊接过程中，根据电弧在焊缝中进行摆动或旋转扫描时由于焊矩与工件表面距离发生变化而使电弧本身的参数(如电流、电压等)产生变化来确定电弧与焊缝之间的关系，从旋转电弧的电流与电压变化中获得焊缝横向与高低偏差信息，根据电弧传感器输出焊缝位置偏差信息，控制跟踪执行机构进行焊缝跟踪。

但事实上，不同尺寸的坡口、焊接规范的差别、与焊缝成形有关的电弧摆动幅度及频率等条件变化，导致电流信号的灵敏度相差甚远；焊接过程中的电弧会受到各种干扰，如熔滴过渡、飞溅、焊接熔池的影响等；送丝速度与电源特性也难以保证每时每刻的理想恒定；机械摆动位置与电弧长度变化之间的延迟、电弧运动中弧长自调节作用的电流响应速度等不可避免的会引起信号的相位差。这些原因增加了系统应用的难度。怎样从电弧参数变化中准确可靠地得到所需要的信息，这是应用电弧传感器所必须要解决的极其重要的问题，也直接决定着电弧传感器的性能和使用[1]。

以下是几种典型的焊接电源外特性以及对应的焊接电流或电压的扫描波形。

海河大学的姚和清研制的短路过渡电弧传感器使用的焊接电源是Fronius的TPS4000，属于平特性型焊接电源，图(2)是使用等速送丝以及平或缓降外特性的焊接电源的情况下，采用摆动电弧扫描V型坡口的方式采集到的电流波形[3]。

图(2) 焊接电源缓降特性及摆动电弧扫描波形

1987年日本NKK公司申请的专利[4]，介绍了两种焊接电源外特性下焊接电流或电压的扫描波形。（焊接电流的波形只能由具有恒压特性的焊接电源得到。电弧电压波形可以由具有恒压特性也可以由具有恒流特性的焊接电源得到）

图(3)是使用等速送丝以及平或缓降外特性的焊接电源的情况下，采用旋转电弧扫描V型坡口的方式采集到的电流波形。

图(4)是使用等速送丝以及恒流特性焊接电源的情况下，采用旋转电弧扫描V型坡口的方式采集到的电压波形。

日本琦玉大学的Kenji Ohshima等人使用了复合外特性的焊接电源，电弧扫描V型坡口后得到的焊接电流波形，如图(5)所示

[5]

清华大学的刘文焕采用了脉冲焊接新工艺, 其焊接电源的外特性为双阶梯形, 如图(6)所示焊接过程中电源交替输出外特性和外特性, 因而输出了脉冲电流采用这种电源与传统的恒压电源的区别是当电弧在坡口里摆动扫描时,焊接电流和电弧电压都将随弧长的变化而变化,且其变化规律相反。即当弧长变短时, 其电流增加而电压减小反之亦然。因此为了进一步提高系统的跟踪精度和灵敏度, 本系统的传感信号采用维弧期间的电压和脉冲期间的电流二个信号[6]。

王克争研制的电弧传感器的焊缝自动跟踪系统,采用具有先进性能的开关型MIG/MAG脉冲焊接电源,将电流和电压信号同时用作传感信号,通过电弧的扫描,既实现了焊接过程的自动跟踪,又解决了打底焊道的熔透问题,大大提高了产品焊接质量[7]。

图(3) 焊接电源缓降特性及旋转电弧扫描波形

图(4) 焊接电源恒流特性及旋转电弧扫描波形

图(5) 焊接电源恒流特性及旋转电弧扫描波形

图(6) 双阶梯形外特性焊接电源