包曄峰，廖海龍，2，張金輝，張景璋，楊 可，蔣永鋒

本文參考文獻(xiàn)

短周期螺柱焊在線分析系統(tǒng)

包曄峰1，廖海龍1，2，張金輝1，張景璋1，楊 可1，蔣永鋒1

（1.河海大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，江蘇常州213022；2.華中科技大學(xué)武漢國(guó)家光電實(shí)驗(yàn)室，湖北武漢430074）

短周期電弧螺柱焊生產(chǎn)效率高，易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，廣泛應(yīng)用于汽車工業(yè)。開(kāi)發(fā)了由信號(hào)采集單元和分析軟件構(gòu)成的短周期螺柱焊在線分析系統(tǒng)。信號(hào)采集單元包含PIC18F4580單片機(jī)、電源、信號(hào)調(diào)理、外部存儲(chǔ)器和RS485通信等電路，通過(guò)焊接狀態(tài)判斷、AD采樣、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和通信等程序，實(shí)現(xiàn)焊接電流和電壓采集、存儲(chǔ)和傳輸。分析軟件采用Microsoft Visual Studio C#編寫(xiě)，操作界面由主窗口、焊接過(guò)程分析窗口、熔深閾值設(shè)置窗口和報(bào)警窗口等構(gòu)成。DP600鍍鋅鋼板焊接試驗(yàn)表明，開(kāi)發(fā)的短周期螺柱焊分析系統(tǒng)能實(shí)時(shí)顯示焊接電流和電壓波形，提取焊接參數(shù)特征值，判斷電弧的穩(wěn)定性，熔深計(jì)算值與實(shí)測(cè)值相吻合，在線檢測(cè)結(jié)論與外觀目檢、宏觀檢測(cè)和扭矩測(cè)試的結(jié)論一致。系統(tǒng)收集的原始數(shù)據(jù)可用于分析引起質(zhì)量問(wèn)題的具體原因。

螺柱焊；信號(hào)采集；數(shù)據(jù)分析；實(shí)時(shí)判斷

0 前言

二次大戰(zhàn)前夕，在航母建造過(guò)程中，大量的木板需要固定在鋼板上，傳統(tǒng)的方法是在鋼板上先鉆通孔，再用螺栓和螺母固定，這種方法生產(chǎn)效率低、勞動(dòng)強(qiáng)度大，為趕工期迫切需要尋找新的、高效的固定方法。在此背景下，發(fā)明了電弧螺柱焊。電弧螺柱焊無(wú)需在鋼板上鉆孔，可以在1～2 s內(nèi)將螺柱快速焊接到鋼板表面。自電弧螺柱焊發(fā)明以來(lái)，這種方法得到了快速的發(fā)展，已廣泛應(yīng)用于船舶、汽車、鋼結(jié)構(gòu)、鍋爐等行業(yè)[1-2]。目前，電弧螺柱焊可分為儲(chǔ)能式和拉弧式兩大類。儲(chǔ)能式螺柱焊電弧的能量由電容提供，又有接觸式、間隙式和拉弧儲(chǔ)能式等不同的工藝方法。儲(chǔ)能螺柱焊的焊接電流高達(dá)數(shù)千安培至幾萬(wàn)安培，焊接時(shí)間為數(shù)毫秒至十幾毫秒，能量密度非常高，特別適用于薄板的螺柱焊接，已在廚具、電梯、機(jī)箱、機(jī)柜等行業(yè)中得到了運(yùn)用。拉弧式電弧螺柱焊包括短周期和長(zhǎng)周期兩種工藝，長(zhǎng)周期的焊接時(shí)間在0.1～2.5s可調(diào)，焊接時(shí)采用專用的瓷環(huán)保護(hù)電弧空間及熔池的冷卻成型，比較適合厚板的螺柱焊接，已在鋼結(jié)構(gòu)、鍋爐壓力容器、糧食機(jī)械中得到了應(yīng)用。短周期螺柱焊的焊接時(shí)間在100 ms以內(nèi)可調(diào)，可利用大電流產(chǎn)生的爆炸效應(yīng)來(lái)保護(hù)焊接區(qū)域，也可用外加保護(hù)氣的方法對(duì)電弧和熔池進(jìn)行保護(hù)，一般不用瓷環(huán)，易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化[3]，生產(chǎn)效率高，質(zhì)量分散性較小，廣泛應(yīng)用于汽車工業(yè)。螺柱焊的質(zhì)量檢測(cè)有目檢、拉伸和彎曲等方法，國(guó)內(nèi)外都制訂了相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)[4-7]。拉伸和彎曲等破壞性試驗(yàn)一般用于生產(chǎn)前的驗(yàn)證性檢驗(yàn)，以及生產(chǎn)過(guò)程中的抽樣性檢驗(yàn)，不適合對(duì)生產(chǎn)過(guò)程的每個(gè)焊接螺柱進(jìn)行檢驗(yàn)。目檢雖然可以對(duì)生產(chǎn)過(guò)程中的每個(gè)焊接螺柱進(jìn)行檢驗(yàn)，但費(fèi)工費(fèi)時(shí)，檢驗(yàn)人員必須進(jìn)行專門(mén)的培訓(xùn)，且具有相應(yīng)的資質(zhì)。目檢合格的產(chǎn)品并不一定能通過(guò)拉伸和彎曲試驗(yàn)。在螺柱焊接量大、生產(chǎn)節(jié)拍快、質(zhì)量要求高的場(chǎng)合，非常需要對(duì)焊柱焊的質(zhì)量進(jìn)行準(zhǔn)確的在線分析和判斷。為此，本研究開(kāi)發(fā)了一種短周期螺柱焊在線分析系統(tǒng)，該系統(tǒng)能根據(jù)短周期螺柱焊的電流和電壓信號(hào)，分析焊接過(guò)程的穩(wěn)定性，計(jì)算電弧的能量、鍍鋅層的熔化量和熔深等參數(shù)，并能根據(jù)設(shè)定閾值實(shí)時(shí)判斷焊接質(zhì)量。

1 短周期螺柱焊工藝

短周期螺柱焊的焊接過(guò)程可分為短路、導(dǎo)弧、主弧和頂鍛四個(gè)階段。施焊時(shí)，螺柱端頭與工件表面接觸，焊接電源得到開(kāi)始焊接信號(hào)后，輸出幾十安培的電流，同時(shí)給焊槍中的電磁鐵加電，螺柱在電磁鐵的作用下離開(kāi)工件，引燃導(dǎo)弧，導(dǎo)弧燃燒到設(shè)定的時(shí)間后引燃主弧，主弧熔化螺柱端頭和工件，在螺柱下方形成熔池。當(dāng)主弧燃燒時(shí)間達(dá)到設(shè)定值時(shí)，焊槍中的電磁鐵失電，螺柱在彈簧力的作用下迅速向工件運(yùn)動(dòng)，當(dāng)螺柱端頭接觸到熔池時(shí)，電弧熄滅，螺柱繼續(xù)在熔池中運(yùn)動(dòng)，排開(kāi)液態(tài)金屬，頂鍛熔池底部形成焊縫。

導(dǎo)弧的電流小，能量低，不足以熔化較多的工件和螺柱，但在螺柱與工件之間形成了一個(gè)電離的氣體空間，為順利引燃主弧提供條件。另一方面，導(dǎo)弧可使工件表面的油污氣化、氧化物分解，提高焊縫的內(nèi)部質(zhì)量。對(duì)于鍍鋅板，因鋅的沸點(diǎn)低容易氣化，焊接過(guò)程中鋅蒸氣易殘留在熔池中，凝固后形成氣孔，導(dǎo)弧可熔化并氣化鋅層，使鋅逸出電弧空間，減少焊縫中鋅蒸氣孔的產(chǎn)生。研究表明，導(dǎo)弧能量能否完全氣化鋅層是決定焊縫中氣孔數(shù)量的關(guān)鍵因素[8]。因此，分析導(dǎo)弧電流和電壓信息，判斷導(dǎo)弧是否存在熄弧，計(jì)算導(dǎo)弧能量，得出鍍鋅層熔化量，即可監(jiān)測(cè)鍍鋅板螺柱焊氣孔的發(fā)生。主弧燃燒時(shí)間短是短周期螺柱焊名稱的由來(lái)，也是其適合薄板焊接的根本原因，主弧持續(xù)時(shí)間短、電流大，能量密度高，螺柱端部熔化量較小，不足以形成熔滴，一般沒(méi)有熔滴過(guò)渡現(xiàn)象。因此，正常的短周期螺柱焊的電流和電壓波形比較平穩(wěn)，主弧階段的平均電流、平均電壓以及燃弧時(shí)間共同決定了熔池的直徑和深度，最終影響焊縫的強(qiáng)度[9]。根據(jù)頂鍛時(shí)是否有電流，可分為有電頂鍛與無(wú)電頂鍛，短周期螺柱焊適用的螺柱直徑較小，熱容量較低，為防止未熔合缺陷，一般均為有電頂鍛。因此，根據(jù)主弧電流和電壓信息，分析主弧是否熄弧，計(jì)算主弧能量，建立熔深模型，計(jì)算工件的熔化深度，即可實(shí)時(shí)分析焊接質(zhì)量。

2 短周期螺柱焊在線分析系統(tǒng)構(gòu)成

短周期螺柱焊在線分析系統(tǒng)由信號(hào)采集單元和PC機(jī)構(gòu)成，如圖1所示。信號(hào)采集單元與螺柱焊機(jī)相連，實(shí)時(shí)采集焊接電流和電壓信號(hào)，進(jìn)行一定的處理和緩存后，通過(guò)通信口上傳至PC機(jī)，再由PC機(jī)對(duì)焊接電流和電壓信號(hào)作進(jìn)一步的分析處理。信號(hào)采集單元由PIC18F4580單片機(jī)、電源、信號(hào)調(diào)理、外部存儲(chǔ)器和RS485通信等電路構(gòu)成。晶閘管可控整流電源的容量大、耐電流沖擊能力強(qiáng)，控制性能好、可靠性高，目前仍是螺柱焊機(jī)的主流電源，其電流脈動(dòng)的周期性為3.3 ms，頻率300 Hz。根據(jù)奈奎斯特采樣定律，采樣頻率只要大于有效信號(hào)最高頻率的兩倍即可，但為了更好地反映信號(hào)細(xì)跡，實(shí)際應(yīng)用中一般選取信號(hào)最高頻率的5～10倍作為采樣頻率。對(duì)于采用晶閘管可控整流電源的螺柱焊，采樣頻率最小應(yīng)為1.5～3 kHz，PIC18F4580的AD轉(zhuǎn)換最大速率為100kbps，綜合考慮單片機(jī)的AD性能，信號(hào)采集單元的采樣頻率取5 kHz。短周期螺柱焊主弧時(shí)間在100 ms以內(nèi)，加上導(dǎo)弧時(shí)間和有電頂鍛時(shí)間，總的焊接周期在250ms以內(nèi)；PIC18F4580的AD為12位，一個(gè)數(shù)據(jù)需2 B，因此，一次焊接最大數(shù)據(jù)采集量約為5 kB，顯然單片機(jī)本身的存儲(chǔ)空間不能滿足要求，必須采用外部存儲(chǔ)器解決數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)問(wèn)題。信號(hào)采集單元選25LC1024，這是一種非易失性E2PROM，容量1024kB，有1MB的SPI總線。綜合考慮傳輸速率、傳輸距離、抗干擾等性能，信號(hào)采集單元和PC機(jī)之間采用RS-485接口通信。

圖1 短周期螺柱焊在線分析系統(tǒng)Fig.1Online analysis system for the SCWS

3 信號(hào)采集單元控制軟件設(shè)計(jì)

控制信號(hào)采集單元工作的軟件設(shè)計(jì)成4個(gè)模塊：焊接狀態(tài)判斷模塊、AD采樣模塊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊、通信模塊。焊接狀態(tài)判斷模塊用于判斷焊接過(guò)程是否開(kāi)始和結(jié)束。AD采樣模塊用于采集焊接電流和電壓信號(hào)，AD采樣模塊是否工作由焊接狀態(tài)判斷模塊的輸出決定，若焊接狀態(tài)判斷模塊判定焊機(jī)開(kāi)始焊接，則啟動(dòng)AD采樣模塊工作，直到焊接狀態(tài)判斷模塊判定焊機(jī)已結(jié)束焊接，才停止AD采樣模塊工作。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊把內(nèi)存中的數(shù)據(jù)保存到外部存儲(chǔ)器，單片機(jī)寫(xiě)外部存儲(chǔ)器的速度較慢，AD采一次數(shù)據(jù)存一次的方法不可取，為解決外部存儲(chǔ)器數(shù)據(jù)存儲(chǔ)時(shí)間較長(zhǎng)的問(wèn)題，在單片機(jī)RAM中設(shè)置了A、B兩個(gè)大小相等的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，AD采集的數(shù)據(jù)首先保存到A緩沖區(qū)，當(dāng)A區(qū)寫(xiě)滿后，數(shù)據(jù)打包后保存到外部存儲(chǔ)器，此后AD采集的數(shù)據(jù)保存至B緩沖區(qū)，在寫(xiě)滿B區(qū)前，A緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)全部寫(xiě)入外部存儲(chǔ)器，B區(qū)寫(xiě)滿后，數(shù)據(jù)打包后繼續(xù)保存到外部存儲(chǔ)器，此后數(shù)據(jù)重新存入A區(qū)，依次交替進(jìn)行。焊接結(jié)束后，通信模塊工作，把外部存儲(chǔ)器中的數(shù)據(jù)上傳至PC機(jī)，通信結(jié)束后重新進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)。由此可見(jiàn)，一次焊接過(guò)程的數(shù)據(jù)采集包含五種狀態(tài)間的轉(zhuǎn)換：待機(jī)狀態(tài)（Zero）、狀態(tài)判斷（State）、AD采樣狀態(tài)（AD）、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)狀態(tài)（Store）、通信狀態(tài)（RS_485）。5種狀態(tài)間的轉(zhuǎn)換關(guān)系如圖2所示，AD采樣和狀態(tài)判斷、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和AD采樣間為雙向切換，待機(jī)狀態(tài)和狀態(tài)判斷、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)狀態(tài)和數(shù)據(jù)上傳狀態(tài)、數(shù)據(jù)上傳和待機(jī)狀態(tài)為單向切換關(guān)系。

圖2 數(shù)據(jù)采集程序狀態(tài)轉(zhuǎn)換關(guān)系Fig.2Relationship of different states in data acquisition for welding process

4 短周期螺柱焊分析軟件設(shè)計(jì)

短周期螺柱焊分析軟件用Microsoft Visual Studio C#編寫(xiě)，由串口數(shù)據(jù)接受與預(yù)處理、電壓和電流數(shù)據(jù)分離、波形繪制、顯示調(diào)整、波形特征分析、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和質(zhì)量評(píng)估等程序組成，如圖3所示。操作界面采用Windows風(fēng)格。

圖4為主界面，由菜單區(qū)、波形顯示區(qū)、特征值分析區(qū)、顯示調(diào)整區(qū)和串口設(shè)置區(qū)組成。波形顯示區(qū)用于顯示螺柱焊的電流和電壓波形，波形的幅度、寬度、上下和左右位置都可以用顯示調(diào)整區(qū)的功能按鈕調(diào)節(jié)。特征數(shù)據(jù)欄中為顯示區(qū)波形的特征值，包括：導(dǎo)弧電流、導(dǎo)弧時(shí)間、主弧平均電流、主弧平均電壓、主弧時(shí)間和頂鍛時(shí)間。串口設(shè)置區(qū)用于設(shè)置串口通信需要的參數(shù)，有串口號(hào)、波特率、數(shù)據(jù)位、停止位和通斷開(kāi)關(guān)。菜單區(qū)的“隱藏柵格”菜單可以激活或取消波形區(qū)的柵格，“工具”欄中包含：導(dǎo)入波形數(shù)據(jù)、保存波形圖、設(shè)置閾值、導(dǎo)入熔深分析等功能。導(dǎo)入波形數(shù)據(jù)將波形數(shù)據(jù)導(dǎo)入Excel文件保存；保存波形圖將波形保存成.gif格式的圖形文件，根據(jù)工藝需要可用設(shè)置閾值按鍵激活熔深設(shè)置窗口，修改熔深設(shè)置值；導(dǎo)入熔深分析用于激活用熔深判斷焊接質(zhì)量的功能，該功能激活時(shí)，每次焊接結(jié)束，系統(tǒng)將對(duì)焊接質(zhì)量進(jìn)行評(píng)價(jià)，如果不合格，則彈出不合格提示窗口；清除波形用于清除波形顯示區(qū)的波形；測(cè)量菜單可以激活或取消波形顯示區(qū)的兩個(gè)用于測(cè)量波形數(shù)據(jù)的光標(biāo)，圖4中測(cè)量光標(biāo)已激活，光標(biāo)所在位置波形的讀數(shù)顯示在波形顯示區(qū)，光標(biāo)可用鼠標(biāo)拉動(dòng)控制滑塊左右移動(dòng)。利用該功能可以方便地讀取某一時(shí)刻的焊接電流和電壓值，以及兩個(gè)光標(biāo)之間的時(shí)間；過(guò)程評(píng)估用于彈出焊接過(guò)程分析界面。

圖3 短周期螺柱焊分析軟件構(gòu)成Fig.3Diagram of the SCSW analysis software

圖4 短周期電弧螺柱焊的監(jiān)控軟件主界面Fig.4Main window of the SCSW analysis system

圖5 螺柱焊過(guò)程分析界面Fig.5Stud welding process analysis interface

螺柱焊過(guò)程分析界面如圖5所示，由焊接參數(shù)實(shí)測(cè)值、輸入?yún)?shù)和計(jì)算結(jié)果三個(gè)區(qū)域組成。焊接參數(shù)實(shí)測(cè)值包括：導(dǎo)弧電流、電壓、時(shí)間、能量、導(dǎo)弧階段是否有熄弧，主弧電流、電壓、時(shí)間、能量、主弧階段是否有熄弧及頂鍛時(shí)間。這些參數(shù)都是從焊接電流和電壓波形上提取和計(jì)算得到的。輸入?yún)^(qū)有螺柱直徑、端面法蘭直徑、鋅層厚度、導(dǎo)弧加熱系數(shù)和主弧加熱系數(shù)輸入窗口，需根據(jù)焊接螺柱和鋼板的情況輸入相應(yīng)數(shù)據(jù)，導(dǎo)弧加熱系數(shù)和主弧加熱系數(shù)在激活本界面時(shí)已預(yù)設(shè)為0.42和0.65，也可根據(jù)實(shí)際情況作修改。計(jì)算結(jié)果區(qū)的主弧推薦電流和主弧推薦時(shí)間是根據(jù)輸入?yún)^(qū)輸入的螺柱和端頭法蘭直徑由經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算得到，作為分析實(shí)際焊接參數(shù)的對(duì)比參考。熔化鋅層所需最小能量根據(jù)輸入?yún)^(qū)中鋅層的厚度，由建立的鋅層熔化熱力學(xué)模型計(jì)算得到。鋅層熔化量由導(dǎo)弧階段實(shí)測(cè)的能量、導(dǎo)弧加熱系數(shù)和熔化鋅所需最小能量，由建立的鋅層熔化模型計(jì)算得到。熔化深度由建立的熔深熱力學(xué)模型計(jì)算得到。焊接過(guò)程分析數(shù)據(jù)可以保存為Excel表格形式，按生成分析報(bào)告按鍵，會(huì)提示文件名和保存的途徑，確認(rèn)后數(shù)據(jù)以Excel表格形式保存。

5 鍍鋅鋼板螺柱焊測(cè)試試驗(yàn)

試驗(yàn)采用常州市開(kāi)創(chuàng)焊接技術(shù)有限公司生產(chǎn)的ASW850焊機(jī)。該焊機(jī)額定電流850 A，有短周期和長(zhǎng)周期兩種模式，有過(guò)載、缺相、焊槍電路短路等保護(hù)功能，可靠性高；焊接電流采用恒電流控制，焊接質(zhì)量一致性好；焊接電流和時(shí)間無(wú)級(jí)可調(diào)，參數(shù)設(shè)置精度高。試驗(yàn)材料采用DP600汽車用高強(qiáng)鋼板，抗拉強(qiáng)度600 MPa，板厚1.5 mm，表面鍍鋅，鋅層厚度25 μm，焊前清除鋼板表面油污。螺柱材料為08A鋼，表面鍍銅，公稱直徑M6，法蘭直徑7 mm，螺柱長(zhǎng)度25 mm。試驗(yàn)時(shí)，首先啟動(dòng)短周期螺柱焊分析系統(tǒng)，PC機(jī)屏幕上將出現(xiàn)如圖4所示的主界面，在主界面的串口設(shè)置區(qū)設(shè)置好串口參數(shù)，按連接按鈕打開(kāi)串口，用工具菜單下的設(shè)置閾值菜單激活熔深閾值輸入界面，輸入工件最小熔化深度0.7 mm；激活圖5所示螺柱焊過(guò)程分析界面，在參數(shù)輸入?yún)^(qū)輸入螺柱直徑、法蘭直徑、鍍鋅層厚度，這些參數(shù)設(shè)置好后即可進(jìn)行焊接試驗(yàn)。焊接時(shí)，信號(hào)采集單元自動(dòng)采集焊接電流和電壓數(shù)據(jù)，通過(guò)緩沖存入外部存儲(chǔ)器中，每次焊接結(jié)束，即刻將數(shù)據(jù)傳輸?shù)絇C機(jī)，進(jìn)行波形顯示、特征數(shù)據(jù)提取、鍍鋅層熔化量和工件熔化深度計(jì)算，并與預(yù)設(shè)的熔深閾值進(jìn)行比較，若小于閾值，則彈出報(bào)警窗口。圖6為試驗(yàn)過(guò)程中監(jiān)測(cè)到焊接質(zhì)量不合格彈出報(bào)警窗口的界面，圖5為與之對(duì)應(yīng)的焊接過(guò)程分析報(bào)告，在線計(jì)算熔深為0.5 mm，小于設(shè)定閾值0.7 mm，故判定焊接質(zhì)量不合格，圖5中報(bào)告的導(dǎo)弧和主弧都有熄弧現(xiàn)象，與圖6中波形顯示的情況一致。

圖6 質(zhì)量不合格報(bào)警窗口界面Fig.6Alarm window for suspect welding

圖7a為與圖6對(duì)應(yīng)的焊接試樣外觀，可見(jiàn)焊縫邊緣不均勻、不完整。圖7b為其宏觀剖面照片，焊縫中有較大的氣孔，熔深0.56 mm，與計(jì)算結(jié)果接近。分析波形認(rèn)為，焊縫中有較大氣孔與導(dǎo)弧階段有短路熄弧有關(guān)，如圖5中顯示的計(jì)算結(jié)果，導(dǎo)弧熄弧使導(dǎo)弧能量不足以完全氣化鍍鋅層，導(dǎo)致主弧階段仍有很多鋅蒸氣，殘留在焊縫中形成氣孔；熔深較小的原因是主弧階段有短路斷弧，短路時(shí)雖然電流不變，但電壓很小，發(fā)熱功率變小，且短路時(shí)散熱增強(qiáng)，兩方面的作用使鋼板熔化量減少，熔深變小。同組試樣扭矩試驗(yàn)的斷裂扭矩值為19.8 N·m，斷裂位置在焊接接頭處，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)該接頭不合格[10]，與短周期螺柱焊分析系統(tǒng)得出的結(jié)論吻合。

短周期螺柱焊分析系統(tǒng)在實(shí)時(shí)判斷焊接質(zhì)量的同時(shí)，還保存了每次焊接的原始數(shù)據(jù)，這些原始數(shù)據(jù)可用于分析引起質(zhì)量問(wèn)題的具體原因。圖8列出了4種出現(xiàn)不合格報(bào)警的波形，圖8a中先導(dǎo)弧引燃10 ms后就熄滅，主弧沒(méi)有引燃，引起這種現(xiàn)象的原因是：焊槍提升量太大，超過(guò)了導(dǎo)弧能維持的距離，觸發(fā)導(dǎo)弧后，當(dāng)螺柱端頭與工件間的距離大于導(dǎo)弧能維持的距離時(shí)，導(dǎo)弧被拉斷，導(dǎo)致焊接過(guò)程終止。圖8b中導(dǎo)弧和主弧都有短路熄弧現(xiàn)象，原因可能是：螺柱壓裝沒(méi)有到位，或操作時(shí)焊槍把握不穩(wěn)有抖動(dòng)。圖8c中導(dǎo)弧有短路熄弧現(xiàn)象，且主弧觸發(fā)時(shí)螺柱與工件處于短路狀態(tài)，實(shí)際主弧的燃燒時(shí)間小于設(shè)定時(shí)間，燃弧能量不足以熔化足夠的金屬，產(chǎn)生這種情況的原因是螺柱提升高度太小。圖8d中主弧燃燒過(guò)程中電弧電壓有約8 ms的突降，但沒(méi)有降到零，可以判斷該處發(fā)生了熔滴過(guò)渡，熔滴過(guò)渡引起的電壓降低也會(huì)減小主弧能量，影響焊接質(zhì)量。

圖7 與圖6 對(duì)應(yīng)的螺柱焊試樣Fig.7Appearance of the welding specimen,which corresponded to figure 6

圖8 四種不合格焊接的波形Fig.8Four kinds of waveforms while bad welds were detected by the SCSW analysis system

6 結(jié)論

（1）短周期電弧螺柱焊的主弧電流時(shí)間短、能量密度高，適合薄板焊接，生產(chǎn)效率高，質(zhì)量分散性較小，無(wú)需陶瓷環(huán)保護(hù)，易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，廣泛應(yīng)用于汽車工業(yè)。通過(guò)在線分析短周期螺柱焊的電流和電壓信號(hào)，可實(shí)時(shí)監(jiān)控其焊接質(zhì)量。

（2）短周期螺柱焊分析系統(tǒng)的信號(hào)采集單元由PIC18F4580單片機(jī)、電源、信號(hào)調(diào)理、外部存儲(chǔ)器和RS485通信等電路構(gòu)成，采樣頻率5 kHz，外部存儲(chǔ)器容量1 024 kB?？刂栖浖珊附訝顟B(tài)判斷、AD采樣、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和通信4個(gè)模塊構(gòu)成，根據(jù)不同的狀態(tài)啟動(dòng)相應(yīng)的模塊工作，實(shí)現(xiàn)焊接電流和電壓的采集、存儲(chǔ)和傳輸?shù)墓δ堋?/p>

（3）短周期螺柱焊在線分析軟件采用Microsoft Visual Studio C#編寫(xiě)，由主界面、焊接過(guò)程分析界面、熔深閾值設(shè)置窗口和報(bào)警窗口等組成操作界面。實(shí)現(xiàn)焊接電流和電壓的波形顯示及測(cè)量，導(dǎo)弧電流、導(dǎo)弧時(shí)間、主弧平均電流、主弧平均電壓、主弧時(shí)間和頂鍛時(shí)間等特征值的提取，導(dǎo)弧能量、主弧能量、鋅層熔化量和工件熔深的計(jì)算，焊接質(zhì)量的實(shí)時(shí)判斷，以及原始數(shù)據(jù)的保存等。

（4）DP600鍍鋅鋼板試驗(yàn)表明，短周期螺柱焊分析系統(tǒng)能很好地提取焊接過(guò)程的特征值，判斷焊接過(guò)程中是否有熄弧現(xiàn)象產(chǎn)生，熔深計(jì)算值與實(shí)測(cè)值一致性較高。在線檢出不合格的試樣，其外觀目檢、宏觀檢測(cè)和扭矩測(cè)試結(jié)果也不合格。保存的原始數(shù)據(jù)包含信息豐富，可用于分析引起質(zhì)量問(wèn)題的具體原因。

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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

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包曄峰，廖海龍，張金輝，等.短周期螺柱焊在線分析系統(tǒng)[J].電焊機(jī)，2017，47（1）：1-7.

2016-12-21

包曄峰（1966—），男，江蘇常州人，博士，教授，焊接設(shè)備及自動(dòng)控制和焊接工藝與組織性能的研究工作。