陶旭陽 何建萍 徐磊

摘要：熔池振蕩頻率與熔池尺寸具有直接的物理關(guān)系，在脈沖電流的激發(fā)下，焊接熔池自由表面將會以其自身固有頻率振蕩。在實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有的脈沖微束等離子弧焊接試驗(yàn)系統(tǒng)基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)并搭建焊接電信號實(shí)時采集系統(tǒng)，利用LabView軟件對采集到的電弧電壓信號進(jìn)行頻譜分析，從中提取到了熔池的振蕩頻率。并設(shè)計(jì)變量實(shí)驗(yàn)，以探討脈沖頻率增加對于熔池振蕩頻率的影響。結(jié)果表明，在其他焊接工藝參數(shù)不變的前提下，隨著脈沖頻率的增加熔池的振蕩頻率幾乎呈線性增加，且熔池振蕩頻率約為脈沖頻率的5倍。

關(guān)鍵詞： 熔池振蕩; 電弧電壓; 頻譜分析; LabView

【Abstract】 The oscillating frequency of the molten pool has a direct physical relationship with the size of the molten pool. Under the excitation of the pulse current， the free surface of the welding pool will oscillate at its own natural frequency. The arc voltage can be collected and analyzed by spectrum analysis to obtain the natural oscillation frequency of molten pool. Based on the pulse micro-beam plasma arc welding test system， the arc voltage signal acquisition system is designed and built. The virtual instrument software LabView is used to collect and process the arc voltage signal to obtain the oscillation frequency of the molten pool. The variable experiment is designed to investigate the influence of pulse frequency increase on the natural oscillation frequency of the molten pool. The results show that under the premise of other welding process parameters， the oscillation frequency of the molten pool increases almost linearly with the increase of pulse frequency， and the oscillation frequency of the molten pool is about 5 times of the pulse frequency.

【Key words】 ? welding pool oscillation; arc voltage; spectrum analysis; LabView

0 引 言

熔池形態(tài)與焊接過程中的穩(wěn)定性及焊縫成形質(zhì)量具有直接的關(guān)系[1-2]，可靠檢測并解析脈沖微束等離子弧焊接熔池行為，這對實(shí)現(xiàn)焊接過程控制及焊接自動化具有至關(guān)重要的意義。

微束等離子弧焊接過程中，熔池的振蕩包括熔池固有振蕩以及外加激源的誘發(fā)振蕩[3-9]。由于熔池的固有振蕩十分微弱，不易被檢測到，因此，本文是通過施加短時脈沖電流作為激發(fā)源誘發(fā)焊接熔池的振蕩，使得熔池表面呈現(xiàn)周期性的波動，提高了熔池振蕩的可檢測性[9-14]。而熔池的波動導(dǎo)致弧長產(chǎn)生變化，因此，可以從脈沖微束等離子弧焊接過程中采集到的電弧電壓信號中提取出熔池振蕩的相關(guān)信息。本文在實(shí)驗(yàn)室已有的焊接實(shí)驗(yàn)平臺上，設(shè)計(jì)并構(gòu)建了焊接電信號實(shí)時采集系統(tǒng)。并利用LabView虛擬儀器軟件對所采集到的電弧電壓信號進(jìn)行濾波及頻譜分析，從而成功提取出熔池的振蕩頻率。再通過設(shè)計(jì)變量實(shí)驗(yàn)，探討脈沖頻率改變對于熔池振蕩頻率的影響。熔池振蕩頻率的成功提取，可以實(shí)現(xiàn)對焊接過程的控制，并提高焊件質(zhì)量和實(shí)際生產(chǎn)效率。

1 工藝試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)系統(tǒng)的建立

在實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有的微束等離子弧焊接試驗(yàn)平臺上，搭建了焊接電信號實(shí)時采集系統(tǒng)，其主要的硬件設(shè)備如下：電壓傳感器CHV-100 Vs，泛華恒興PS MDU-3841采集卡，計(jì)算機(jī)。PS MDU-3841數(shù)據(jù)采集模塊提供32路18 bit模擬信號輸入，采樣速率最高可達(dá)1.25 Ms/s，因此能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)采集和焊接過程信號統(tǒng)計(jì)，試驗(yàn)原理如圖1所示。

在上述試驗(yàn)平臺上進(jìn)行試驗(yàn)可實(shí)現(xiàn)微束等離子弧焊接電信號的實(shí)時采集。對焊接電流以及電弧電壓信號進(jìn)行雙通道同步采集時，需將采樣率調(diào)至20 K以保證信號采集不會失真。

1.2 工藝試驗(yàn)

在已搭建完成的試驗(yàn)平臺上進(jìn)行試驗(yàn)，在本次試驗(yàn)中，使用厚度為0.1 mm的鎳基718合金作為焊接母材，且焊接工藝參數(shù)見表1。由于電弧在過快的焊接速度下會發(fā)生偏移，電弧中心軸線會處于熔池中心的前方，所以，為保證熔池振蕩頻率的有效提取，焊速不宜過快，這里將焊速設(shè)置為4.1 mm/s，可保證信號的傳感質(zhì)量。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 試驗(yàn)結(jié)果

通過已搭建好的試驗(yàn)平臺成功采集到在表1焊接工藝參數(shù)下進(jìn)行焊接試驗(yàn)的焊接電信號，如圖2所示。

從圖2（a）中可以看出，通過試驗(yàn)得到的電弧電壓信號波動幅度大且雜亂不堪，這是因?yàn)樵谠囼?yàn)過程中電弧隨著熔池自由表面的波動而被不斷拉長壓縮，導(dǎo)致電弧電壓上下波動，這里包含了豐富熔池振蕩的信息，但想要從信號中提取出熔池振蕩頻率，還需要利用LabView對該信號進(jìn)行處理分析。圖2（b）為焊接試驗(yàn)時采集到的焊接電流的波形，信號具有明顯的周期性，且該信號周期為0.2 s。從圖2（b）中還可以讀出，電流信號基值階段在0.8 A左右，峰值階段在4.8 A左右，峰值電流的加載時間約為整個周期的30%，這與表1所給的焊接工藝參數(shù)基本相符，這表明信號傳感質(zhì)量良好。

3 脈沖頻率對于熔池振蕩頻率的影響

研究表明，熔池的振蕩包括熔池固有振蕩和外界因素的誘發(fā)振蕩，由于熔池的固有振蕩與熔池的尺寸相關(guān)聯(lián)，在超薄板脈沖微束等離子弧焊接過程中熔池尺寸僅為1～2 mm，這使得熔池的固有振蕩過于微弱不易被檢測到。因此，施加過短時脈沖電流作為激發(fā)源誘發(fā)焊接熔池的振蕩，從而提高熔池振蕩頻率的可檢測性。而焊接電弧壓力會隨脈沖電流在基值階段與峰值階段不停切換而改變，導(dǎo)致熔池自由表面受到電弧壓力沖擊產(chǎn)生的振蕩的幅度是不同的。當(dāng)脈沖頻率增加時，即基值電流和峰值電流之間的切換頻率將加快，這是否會對熔池振蕩的頻率產(chǎn)生影響，需要進(jìn)行試驗(yàn)探究。

通過設(shè)計(jì)變量試驗(yàn)，在表1其他各焊接工藝參數(shù)不變的前提下，僅改變焊接電流脈沖頻率進(jìn)行試驗(yàn)，提取出不同脈沖頻率下焊接試驗(yàn)熔池振蕩的頻率。這里選取焊接頻率分別為5 Hz、15 Hz、25 Hz以及100 Hz，其他焊接工藝參數(shù)均保持不變。

研究后可得，從不同脈沖頻率進(jìn)行脈沖微束等離子弧焊試驗(yàn)電弧電壓信號中提取到的熔池振蕩頻率即如圖5所示。

由圖5可知，當(dāng)脈沖頻率為15 Hz時提取到焊接熔池的振蕩頻率為71 Hz;脈沖頻率為25 Hz時提取到焊接熔池的振蕩頻率為123.7 Hz;脈沖頻率為100 Hz時提取到焊接熔池的振蕩頻率為503.5 Hz?？梢园l(fā)現(xiàn)，隨著焊接電流脈沖頻率的增加，熔池振蕩頻率也隨之增加。這是因?yàn)椋S著脈沖頻率的增加，電弧壓力的變化速率也隨之增加，由于熔池表面是在脈沖電弧力的激發(fā)下產(chǎn)生激振，所以，當(dāng)電弧壓力的變化速率變快時，熔池的振蕩頻率也將隨之增加。為研究鎳基718合金脈沖等離子弧焊熔池振蕩頻率與脈沖頻率的關(guān)系，將不同脈沖頻率下熔池振蕩頻率制成X-Y圖，如圖6所示。

4 結(jié)束語

（1）通過以LabView為基礎(chǔ)所構(gòu)建的試驗(yàn)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了鎳基718合金超薄板脈沖等離子弧焊接過程電信號的實(shí)時采集。

（2）利用LabView對電弧電壓信號進(jìn)行頻譜分析，從電弧電壓信號中成功提取到了不同脈沖頻率下熔池的振蕩頻率。

（3）在鎳基718合金超薄板微束等離子弧焊接過程中，熔池的振蕩頻率約為脈沖頻率的5倍，即fz≈5f。

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