彭亞萍

成都融合電氣有限公司，四川 成都 610051

0 前言

20世紀(jì)60年代，數(shù)據(jù)信息分析技術(shù)開始應(yīng)用于焊接領(lǐng)域。其中德國(guó)萊布尼茨大學(xué)D.Rehfeldt教授開創(chuàng)的“漢諾威分析儀”在國(guó)內(nèi)外焊接界負(fù)有盛名[1]，在焊接材料、焊接工藝以及焊接電源等數(shù)據(jù)信息的分析方法、特征量提取與理解等方面都進(jìn)行了大量實(shí)踐，為進(jìn)一步加強(qiáng)數(shù)據(jù)信息對(duì)焊接制造的指導(dǎo)作用提供了發(fā)展方向[2]。

近年來，自動(dòng)化和機(jī)器人技術(shù)在焊接制造領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣泛，在很大程度上改善了焊接過程信息獲取環(huán)境，不僅提高了信息的可重復(fù)、可追溯性，而且促進(jìn)了從焊接材料、焊接工藝到包括焊接電源在內(nèi)的焊接生產(chǎn)各個(gè)環(huán)節(jié)信息鏈接的逐步形成，有力地推動(dòng)了傳統(tǒng)焊接制造從經(jīng)驗(yàn)向數(shù)據(jù)的深刻轉(zhuǎn)變[3]。

弧焊在焊接制造中占有重要的地位，對(duì)弧焊過程信息的獲取與關(guān)鍵信息提取、分析和認(rèn)知正日益得到深化，其發(fā)展集中表現(xiàn)在兩個(gè)方面：一是對(duì)弧焊過程宏觀統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)分析的規(guī)范化，其中包括對(duì)數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)，即其散度、偏度、非正態(tài)、多事件耦合等分布屬性的探究，對(duì)以往的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)、參數(shù)檢測(cè)方法及其粗放表達(dá)方式提出了“重構(gòu)”的思路[4]，從而在提高數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析的科學(xué)性和有效性基礎(chǔ)上，建立焊接制造一體化的“信息鏈”；二是對(duì)焊接過程偶發(fā)性、隨機(jī)性等細(xì)觀信息的數(shù)據(jù)分析，其中包括由于焊絲成分、表面狀態(tài)以及工藝性、焊接裝備等影響因素，力圖改變和解決以往焊接過程數(shù)據(jù)分析中存在的難以解讀和對(duì)比、數(shù)據(jù)信息的有效性、可互用等問題。

本文主要介紹當(dāng)前弧焊過程信息分析的研究與應(yīng)用的進(jìn)展，借助“弧焊信息分析平臺(tái)”的功能（見圖1）開展三個(gè)方面的討論：（1）如何用數(shù)據(jù)找問題，以及在數(shù)據(jù)中發(fā)現(xiàn)和獲得新認(rèn)知；（2）如何根據(jù)數(shù)據(jù)對(duì)問題定位，發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)信息中的“盲點(diǎn)”；（3）實(shí)現(xiàn)圖像與數(shù)據(jù)之間的信息“可視化”映射，為數(shù)據(jù)的深度學(xué)習(xí)與圖像智能識(shí)別提供基礎(chǔ)。

圖1 “弧焊信息分析平臺(tái)”主要功能示意Fig.1 Main functions of "arc welding information analysis platform"

1 用數(shù)據(jù)找問題

“用數(shù)據(jù)找問題”已成為當(dāng)前數(shù)據(jù)信息技術(shù)應(yīng)用的一個(gè)特點(diǎn)。這里通過一個(gè)數(shù)字化焊接生產(chǎn)車間的案例來說明。在機(jī)器人生產(chǎn)線的相同焊接工況下，發(fā)現(xiàn)1#、2#生產(chǎn)線的焊縫成形與焊縫表面存在差異，其中2#生產(chǎn)線時(shí)常出現(xiàn)焊縫金屬向中心線凸起、焊縫表面呈氧化色彩等問題。經(jīng)檢測(cè)后的數(shù)據(jù)分析與對(duì)比結(jié)果如圖2所示。出現(xiàn)問題的根源為：所配置的不同焊接電源其動(dòng)態(tài)性能的差異影響了電弧過程的穩(wěn)定性，對(duì)焊縫表面保護(hù)和焊縫成形出現(xiàn)隨機(jī)干擾，而這在車間宏觀數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)值的監(jiān)控設(shè)備上無法得到反映。這一“差異”會(huì)使局部焊縫內(nèi)的氮[N]、氧[O]等氣體含量增加，降低焊接接頭局部位置沖擊韌性。此時(shí)小概率數(shù)據(jù)說明了兩者在電弧過程穩(wěn)定性上的差異。

圖2 不同配置的焊接電源在同一焊接參數(shù)條件下的不同數(shù)據(jù)分布（時(shí)長(zhǎng)30 s）Fig.2 Different data distribution of welding power sources with differ‐ent configurations under the same welding parameters（duration：30 s）

由圖2可知，1#生產(chǎn)線的焊機(jī)和2#生產(chǎn)線的焊機(jī)的電流均值分別是324 A和325 A（四舍五入到個(gè)位），電弧電壓均值分別是30.7 V和30.0 V（取小數(shù)點(diǎn)后1位）。然而，在焊接電流數(shù)據(jù)的概率密度分布（PDD）中（見圖2a），2#焊機(jī)在190～280 A以及400～500 A之間出現(xiàn)的小概率數(shù)據(jù)分布信息表征了焊接過程對(duì)電流調(diào)控的失穩(wěn)，電弧電壓PDD中低電壓（7～11 V）數(shù)據(jù)分布（見圖2b）說明焊接過程出現(xiàn)了頻繁的瞬間短路而導(dǎo)致電弧的不穩(wěn)定。焊接過程的功率密度分布曲線如圖3所示，進(jìn)一步驗(yàn)證了1#焊機(jī)能量輸出的集中程度優(yōu)于2#焊機(jī)。

圖3 焊接過程電弧能量的功率密度分布曲線Fig.3 Power density distribution curve of arc energy in welding process

對(duì)本案例的分析說明了兩點(diǎn)：一是在目前常規(guī)的檢測(cè)條件下，盡管對(duì)焊接生產(chǎn)工況及參數(shù)已調(diào)控到相當(dāng)高的宏觀精度，但仍然未能發(fā)現(xiàn)由于焊機(jī)輸出特性的不同而對(duì)焊縫產(chǎn)生可直接觀察到的差異以及對(duì)焊接產(chǎn)品質(zhì)量的潛在影響；二是由于這類“差異現(xiàn)象”的發(fā)生具有一定的隨機(jī)性，尤其易出現(xiàn)在電弧擺動(dòng)時(shí)弧長(zhǎng)變化的某些瞬間（例如坡口邊緣），焊機(jī)的動(dòng)特性直接影響了該瞬間的電弧穩(wěn)定性。由此，本案例的分析亦提出了對(duì)焊接生產(chǎn)過程中數(shù)據(jù)信息的獲取是否具備了監(jiān)控焊接質(zhì)量的作用，以及焊接車間信息化與數(shù)據(jù)監(jiān)管標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)施等實(shí)際工程應(yīng)用問題。

2 從數(shù)據(jù)中發(fā)現(xiàn)和獲得新認(rèn)知

在熔化極脈沖氣保焊的焊接過程中，由于熔滴過渡在不同電流工況下有自身的變化規(guī)律，對(duì)脈沖電弧過程進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，有助于理解熔滴過渡狀態(tài)并成為焊接工藝優(yōu)化的依據(jù)。圖4是一個(gè)對(duì)中厚鋁合金板件多層焊的工藝設(shè)計(jì)實(shí)例。圖4a是打底焊縫，將熔滴脫離焊絲末端的時(shí)刻調(diào)控在電流脈沖峰值時(shí)段，此時(shí)熔滴尺寸較小且速度較快，有利于打底層的背透，同時(shí)有利于鋁合金打底焊縫對(duì)氣孔等缺欠的抑制；圖4b是蓋面焊縫，熔滴過渡調(diào)控在脈沖峰值電流下降沿的中段，此時(shí)熔滴尺寸較大且速度較慢，有利于控制打底層的重熔深度，同時(shí)有利于控制熔池結(jié)晶和焊接接頭組織的均勻性。

圖4 多層焊的脈沖MIG焊工藝設(shè)計(jì)示意Fig.4 Schematic diagram of the pulsed MIG welding process design for multi-layer welding

圖4中包括焊接電弧與熔滴過渡之間物理過程相關(guān)性的細(xì)節(jié)。一是電壓波形反映的熔滴脫離焊絲末端的時(shí)刻，圖4a的電壓尖峰位于脈沖電流的峰值時(shí)段（參見虛線圈內(nèi)）；圖4b的電壓尖峰出現(xiàn)在脈沖電流的下降沿，是焊絲末端的熔滴尺寸和速度等不同的原因。二是揭示了熔滴過渡的時(shí)刻與電弧弧長(zhǎng)之間的相關(guān)性（見圖4的右側(cè)），直觀反映了脈沖電弧的弧長(zhǎng)、導(dǎo)電嘴到工件的阻抗等演變規(guī)律。

圖5是一脈多滴的特征圖，即在脈沖電流峰值時(shí)段的電壓尖峰有一熔滴脫離焊絲，但由于脈沖電弧能量在峰值時(shí)段仍在持續(xù)作用，在脈沖的下降沿又形成尺寸較小的熔滴過渡（見圖5a），即同時(shí)具有在脈沖電流峰值時(shí)刻和脈沖電流的下降沿熔滴過渡的特征（見圖5b）。

圖5 一脈多滴的特征圖Fig.5 Characteristic diagram of multiple drops per pulse

對(duì)本案例的分析表明，即使數(shù)據(jù)本身并未提供焊接過程明確的物理特征，但將幾個(gè)數(shù)據(jù)特征量組合在一起或者進(jìn)行整合之后，就會(huì)有新的發(fā)現(xiàn)。通過對(duì)數(shù)據(jù)信息的組合分析能獲得脈沖電流焊接中熔滴過渡時(shí)刻以及是否出現(xiàn)多個(gè)熔滴過渡等工藝細(xì)節(jié)，及時(shí)為電弧能量的分配和工藝效果的優(yōu)化提供調(diào)整方向。

3 尋找數(shù)據(jù)信息中的盲點(diǎn)

很多時(shí)候，欠缺的不是解決問題的方式，而是定位問題的能力。數(shù)據(jù)信息中的“盲點(diǎn)”分為兩類：一是信息的物理盲點(diǎn)；二是信息的邏輯盲點(diǎn)。所謂信息的物理盲點(diǎn)，是指用戶需要收集卻沒有收集到的數(shù)據(jù)。這一類盲點(diǎn)的產(chǎn)生通常是數(shù)據(jù)獲取與分析策略出了問題，多數(shù)情況下需要增加硬件。而信息的邏輯盲點(diǎn)是指有數(shù)據(jù)，但沒有被很好地發(fā)掘出來成為“特征量”。

眾所周知，鋁合金焊絲的存放環(huán)境、剩余焊絲的保管方式等會(huì)影響焊絲的表面狀態(tài)（如氧化、油污等）。由于Al2O3的熔點(diǎn)遠(yuǎn)高于鋁，一方面焊絲表面的氧化層在電弧高溫下“破碎”并在熔滴形成中起“質(zhì)點(diǎn)”成核的作用，另一方面焊絲表面氧化有時(shí)是間斷的或局部的，導(dǎo)致焊絲表面張力的不均衡而產(chǎn)生熔滴在焊絲末端的“震蕩”現(xiàn)象，如圖6所示。在宏觀上表現(xiàn)為電弧不穩(wěn)定、飛濺增加、熔滴尺寸不均勻；對(duì)于焊縫金屬，則出現(xiàn)夾雜物、氣孔等缺陷的增多。該現(xiàn)象提取出能夠揭示其物理意義的特征量，對(duì)于生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的焊接質(zhì)量監(jiān)控具有實(shí)際意義。

圖6 焊接參數(shù)波形所表現(xiàn)的焊絲表面氧化導(dǎo)致熔滴在焊絲末端的“震蕩”現(xiàn)象Fig.6 "Oscillation" phenomenon of droplet at the end of welding wire caused by surface oxidation of welding wire shown by welding parameter waveform

為此，本案例對(duì)鋁合金焊絲表面有無氧化的不同狀態(tài)作了分析對(duì)比。在設(shè)置電流為260 A、直流反接MIG焊接的工況下，對(duì)焊接過程的采樣和分析時(shí)長(zhǎng)均為30 s。由圖7a可以看出，出現(xiàn)表面氧化的焊絲，在MIG電弧的電阻（由導(dǎo)電嘴的接觸電阻、固態(tài)焊絲電阻、焊絲末端液態(tài)熔滴的電阻以及電弧弧柱等構(gòu)成）與電弧電壓的動(dòng)態(tài)對(duì)應(yīng)關(guān)系圖上出現(xiàn)了一個(gè)電弧電壓“對(duì)應(yīng)”兩個(gè)電阻值的分布現(xiàn)象。從圖7a中的虛線圈內(nèi)可以看出，25 V的電弧電壓對(duì)應(yīng)于動(dòng)態(tài)電阻變化范圍的平均值分別是100 mΩ和130 mΩ；由圖7b可知，表面未產(chǎn)生氧化的鋁合金焊絲在25 V電弧電壓對(duì)應(yīng)于阻抗的平均值是95 mΩ。較低的平均電阻反映了正常鋁合金焊絲在導(dǎo)電嘴與工件之間各電阻的變化特點(diǎn)；而較高的平均電阻則是因焊絲表面氧化所致，即焊絲表面氧化的特征。

圖7 鋁合金焊絲不同的表面狀態(tài)對(duì)應(yīng)的焊接過程動(dòng)態(tài)電阻與電弧電壓的相關(guān)性Fig.7 Correlation between dynamic resistance and arc voltage in welding process corresponding to different surface states of aluminum alloy welding wire

從本案例的分析中可以得出，鋁合金表面狀態(tài)（包括光潔度、清潔度等）一是與導(dǎo)電嘴的接觸電阻相關(guān)，二是與熔滴過渡均勻性和飛濺相關(guān)，兩者都直接影響電弧過程的穩(wěn)定性。用電阻-電壓動(dòng)態(tài)圖法或可為鋁合金焊絲表面狀態(tài)的檢測(cè)提供一個(gè)簡(jiǎn)易有效的工程現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)評(píng)價(jià)途徑。

由于檢測(cè)的數(shù)據(jù)源于導(dǎo)電嘴到工件之間的動(dòng)態(tài)壓降，其中包括焊絲與導(dǎo)電嘴之間接觸電阻的波動(dòng)信息及其對(duì)電弧壓降的影響，因此，本案例的分析方法亦為焊接過程電弧穩(wěn)定性提供了一個(gè)新的分析途徑。

4 數(shù)據(jù)的可視化

借助于高速攝影或攝像技術(shù)觀測(cè)弧焊過程已有相當(dāng)長(zhǎng)的歷史[5]，從中可獲得對(duì)電弧形態(tài)、熔滴過渡的類型、熔池現(xiàn)象以及氣體保護(hù)成分與效果影響等大量的基本概念和機(jī)理的認(rèn)識(shí)。在當(dāng)前焊接新材料和新工藝迅速發(fā)展的形勢(shì)下，高速圖像與焊接參數(shù)數(shù)據(jù)的同步播放和分析仍然是一種先進(jìn)的手段。例如，在實(shí)心焊絲的圖像與焊接電流與電弧電壓的對(duì)應(yīng)關(guān)系中，獲得了飛濺產(chǎn)生的機(jī)理并指導(dǎo)波控技術(shù)的發(fā)展[6]。對(duì)藥芯焊絲的金屬與熔渣過渡形式的相關(guān)性觀測(cè)與分析，有助于深化對(duì)該類焊絲成分原位復(fù)合均勻性的認(rèn)識(shí)。圖8是焊接過程圖像與波形同步播放界面的實(shí)例，該界面的主要特點(diǎn)是：（1）對(duì)圖像的顯示尺寸可任意調(diào)整和居中，可選擇任意位置的圖像作為同步播放的起始點(diǎn)；（2）具有對(duì)自動(dòng)播放的速度、波形顯示時(shí)長(zhǎng)的實(shí)時(shí)調(diào)整功能；（3）具有手動(dòng)的逐幀進(jìn)退、快速翻頁以及在任意設(shè)置循環(huán)同步播放等功能。

圖8 藥芯焊絲的同步分析實(shí)例Fig.8 Example of simultaneous analysis of flux cored wire

圖8a、8b是藥芯焊絲的一個(gè)典型的短路過渡過程，開始出現(xiàn)短路時(shí)，熔渣中有熔滴接觸熔池，電弧電壓逐漸降低；而當(dāng)短路過渡結(jié)束瞬間，還有熔渣與熔池相連，但電弧電壓已與燃弧時(shí)相當(dāng)。圖8c是藥芯焊絲典型的渣柱過渡形式，焊絲末端的渣柱與熔池“搭橋”，但電弧電壓仍與燃弧時(shí)相當(dāng)。

在時(shí)間分辨率方面，如高速圖像是每秒10 000幀，用100 kHz并行采樣頻率獲得了每幀圖像具有10組焊接電流與電弧電壓數(shù)據(jù)信息的“圖-數(shù)環(huán)境”，即有10組焊接數(shù)據(jù)構(gòu)建了焊接電量與圖像變化這兩個(gè)相關(guān)物理過程之間的信息聯(lián)系，并且其中有一組數(shù)據(jù)與該瞬間的圖像嚴(yán)格同步，提供了每一圖像的瞬間能量狀態(tài)及其前后變化的條件。這一功能為熔化極弧焊過程的圖像與電量之間的精細(xì)、定量分析以及進(jìn)一步的人工智能識(shí)別打下了基礎(chǔ)。

5 結(jié)論

焊接制造從“經(jīng)驗(yàn)信息”轉(zhuǎn)變?yōu)椤皵?shù)據(jù)信息”的根本區(qū)別主要表現(xiàn)在兩個(gè)方面：一是各個(gè)環(huán)節(jié)信息不斷趨于完整，構(gòu)成一種“系統(tǒng)化”的認(rèn)知，從而避免以往“碎片化”個(gè)別經(jīng)驗(yàn)的局限性，使焊接生產(chǎn)的信息可對(duì)比、可移植；二是對(duì)數(shù)據(jù)信息中特征量的提取和分析，成為改善和優(yōu)化焊接工藝的導(dǎo)向，并能發(fā)現(xiàn)焊接生產(chǎn)中的異?，F(xiàn)象及其來源，從而實(shí)現(xiàn)在數(shù)據(jù)中發(fā)現(xiàn)問題并又通過數(shù)據(jù)來驗(yàn)證是否解決了問題。本文以此作為目標(biāo)，力圖促進(jìn)對(duì)弧焊過程的數(shù)據(jù)信息分析和認(rèn)知，在各環(huán)節(jié)特征量之間建立起信息鏈接，并為數(shù)據(jù)的深度學(xué)習(xí)和人工智能在焊接制造中的應(yīng)用打下基礎(chǔ)。