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- 杜 永鵬,
挑戰:
焊接質量檢驗工作一般是通過焊后無損探傷進行的。對于水下濕法焊接，由于水下操作的特殊情況，開展無損探傷較困難。我們利用NI公司數據采集設備采集焊接電參數，經labview編制的數據處理程序，結合大量實驗，總結出與焊接質量相關的信息，用于實時評估焊接質量。考慮到水下焊接工程現場的特殊性，利用USB6221設計出一款便攜式焊接數據采集處理設備。
解決方案:
焊接電流、焊接電壓等焊接電參數能夠反映焊接質量，因此，準確記錄這些參數就顯得尤為重要。利用霍爾電壓傳感器和霍爾電流傳感器，可以將0-100V的電弧電壓以及0-500A的焊接電流轉化0-5V的信號，從而允許數據采集卡采集相關信息。 先由焊工甲水下焊接標準的工件，焊接材料、焊接設備和焊接規范恒定不變。記錄每道焊縫焊接時的各個參數，并在陸上檢驗該工件的焊接質量（以抗拉強度為參考指標）。通過大量工藝試驗，確定電壓標準差、短路過渡頻率、斷弧率（此類參數可以通過實時采集的電流電壓等數據通過運算得出）等參數與焊接質量的函數關系。編制軟件以便于實時預估焊接質量。再由焊工乙水下焊接相同工件，得出數據用于修正之前得到的函數關系。最終，得到該條件下焊接質量與焊接參數的近似對于關系，達到了實時預估焊接質量的目的。
1． 引言
焊接質量檢驗工作一般是通過焊后無損探傷進行的。但近幾年隨著檢測技術的發展，有專家學者提出了焊接質量在線檢測分析技術，該類技術一般以焊接電流和電弧電壓作為評估信號, 通過系統的檢測分析,能夠分析焊接過程穩定性及飛濺的大小等參數,進而用于評估焊接設備和焊接材料的性能,分析各參數與熔滴過渡之間的關系,優化焊接工藝參數。
水下濕法焊接相對于水下干法焊接具有設備簡單、操作靈活、成本低應急性強等優點，廣泛應用于海洋工程的施工維護過程中。由于水下操作的特殊情況，通過無損探傷的方式對焊接質量進行評估有一定的困難。因此有必要將焊接質量在線檢測分析技術引入水下焊接工作中。有學者針對水下濕法焊條電弧焊工藝，在不同焊接工藝條件時在線采集焊接電弧電壓瞬時值，然后對其進行統計處理。對水下濕法焊條電弧焊接過程的穩定性進行直觀分析和定量評價。
濕法水下焊接工作在工程應用過程中，潛水員水下進行施工，輔助工作人員以及焊接電源及相應輔助設備一般固定在碼頭船舶上。工作場地條件簡陋，濕度大，條件惡劣，不便于開展數據采集工作，因此，開展焊接質量在線檢測分析工作的一個前提便是設計便攜式數據采集裝置，并編制相關軟件。
我們利用NI公司數據采集設備采集焊接電參數，經Labview編制的數據處理程序，結合大量實驗，總結出與焊接質量相關的信息，用于實時評估焊接質量。考慮到水下焊接工程現場的特殊性，利用USB6221設計出一款便攜式焊接數據采集處理設備。所設計的裝置如圖1所示。
圖1 數據采集裝置示意圖
2． 數據采集
焊接過程是一個相當復雜的物理化學變化過程,很多參數都能對焊縫質量產生影響。在諸多影響因素當中，焊接電流和焊接電壓的影響較大，因此，在本系統設計中，著重考慮焊接電流和焊接電壓這兩個因素。
濕法水下焊接工作電流一般在200A左右，常用的電流采集裝置有分流器和電流傳感器。分流器是一種精密電阻，流經不同的電流即產生與之對應的電壓差，檢測電壓差的大小即可檢測電流。由于電流較大，為降低分流器壓降，分流器上的電壓差較小，常用的均為mV級，較弱的信號極易被干擾，因此，我們選擇了電流型的LEM公司LT508-S6型霍爾電流傳感器。該產品具有反應迅速，精度高，抗干擾能力強等優點，最大檢測電流為500A。在工作工程中，輸入的焊接電流作為原邊電流，通過傳感器安裝5000:1的比例轉成副邊電流。利用得到的副邊電流，配合一精密測量電阻（考慮到傳感器驅動能力，測量電阻不宜超過40歐姆。），即可得到與電流對應的電壓信號。為了便于計算，實際采用的測量電阻阻值25歐姆。
一般的陸上焊接時，焊接電壓的采集較為簡便，直接采集焊接輸出端即可。但在水下焊接時，焊把線較長，往往100米左右，電纜阻抗較大，水下焊接時焊接電壓的采集需充分考慮電纜壓降帶來的影響，需將采集點置于焊把和工件處。在實際工作中，我們采用LEM公司的LV25-P電壓傳感器。考慮到該傳感器電流傳輸比10:25，在確保設備安全使用的前提下，將原邊限流電阻設計為為10K，副邊測量電阻4K，這樣，10V的焊接電壓條件下可以得到1V的信號，便于計算，另外，較大的限流電阻，減小了因采樣電纜內部阻抗帶來的影響。
上述采集裝置在實際應用之前，需要利用大功率負載箱進行標定，以確保采集精度。
綜上，設備具體指標如表1所示：
表1 便攜式數據采集裝置技術指標
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項 目
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技術參數
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供電電壓
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220V AC
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防護等級
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IP56
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精度
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±0.6%
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線性度
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0.2%
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最大采樣頻率
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100Khz
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電流測量范圍
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0-500A
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電壓測量范圍
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0-200V
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3． 數據處理
在焊接工藝中，影響焊接質量的因素較多，這就要求盡可能多的記錄下相關的數據，以便于后期分析研究。為此，我們利用Labview編制了相應的數據采集程序，程序界面如圖2所示。在采集工作開始前，可以通過選項卡記錄焊工、焊材、焊機以及預置焊接電流/電壓等信息。在焊接過程中，該系統將實時的焊接電流電壓存儲到.xls文件中，以便保存以及后期數據處理。
圖2 數據采集界面
在焊接完成后，我們編制了數據處理程序，可以在工作現場對焊接參數進行簡單的分析處理，主要包含焊接電流電壓波形分析程序、統計分析程序以及UI相圖生成程序。
圖3為分析焊接電壓電流波形的應用例。操作者可以調用以及采集到的數據，轉化成電流電壓波形。
圖3 波形分析界面
圖4為焊接參數統計分析。通過調用以及采集到的電流電壓數據，得出電壓電流的分布概率，并計算出算術平均值、方差以及標準差等數據。圖5則將電流電壓數據作為坐標點，得出其分布區間。
 
圖4 焊接參數統計分析界面
圖5 電流電壓分布
該便攜式數據采集裝置設計完成后，實物照片如圖6所示。在此基礎上，需要通過大量實驗數據，并對其進行分析處理，從而得到焊接質量與焊接參數之間存在的函數關系，以便于實習焊接質量在線檢驗。
圖6 數據采集裝置實物照片
4． 實驗設計
通過前期實驗得知，不同的焊工水下施焊時，其手法對焊接質量的影響較大，因此，要通過實驗方式，消除因焊工手法問題帶來的影響。
在實際工作中，可以由焊工甲水下焊接標準的工件，焊接材料、焊接設備和焊接規范恒定不變。記錄每道焊縫焊接時的各個參數，并在陸上檢驗該工件的焊接質量（以抗拉強度為參考指標）。通過大量工藝試驗，記錄相關的焊接參數，然后對焊接參數進行整理分析，確定電壓標準差、短路過渡頻率、斷弧率等參數與焊接質量的函數關系。編制軟件以便于實時預估焊接質量。再由焊工乙水下焊接相同工件，得出數據用于修正之前得到的函數關系。最終，得到該條件下焊接質量與焊接參數的近似對于關系，達到了實時預估焊接質量的目的。
5． 結論
通過上述工作的開展，設計了一套攜帶方便、防護等級較高的數據采集裝置，適用于在船舶、碼頭等場所進行焊接參數采集分析。借助于自主開發的數據處理程序，可以實時在線對固定焊接規范、焊接材料條件下焊接進行預估焊縫力學性能指標，對焊接質量進行在線檢驗，有助于水下焊接項目的推廣和應用，進而提高我國海洋裝備的制造和維護能力。
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