呂小青，郝福旺，王壯壯，徐連勇，荊洪陽(yáng)

(1.天津大學(xué),天津，300350；2.天津市現(xiàn)代連接技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,天津，300350)

0 序言

電弧焊接是一個(gè)時(shí)變、非線性的物理過(guò)程，對(duì)該過(guò)程進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)有助于增加對(duì)其物理機(jī)理的認(rèn)識(shí)，提升焊接質(zhì)量[1].目前，焊接過(guò)程中的監(jiān)測(cè)對(duì)象有電信號(hào)，電弧、熔池或熔滴過(guò)渡圖像[2]、聲信號(hào)[3-4]、光譜信號(hào)[5-6]等.其中，因視覺(jué)圖像是直觀反映電弧的燃燒過(guò)程，在實(shí)際的電弧機(jī)理研究中，應(yīng)用最為廣泛[7-10].但由于高速攝像設(shè)備的內(nèi)存有限，在實(shí)際應(yīng)用中，常常用于短時(shí)的規(guī)律性過(guò)渡過(guò)程觀察.而在探索電弧機(jī)理時(shí)，往往需要拍攝某些隨機(jī)的、不穩(wěn)定的電弧行為或熔滴過(guò)渡形態(tài)，如產(chǎn)生焊接缺陷時(shí)電弧出現(xiàn)重燃或跳弧等現(xiàn)象.

文中提出了一種基于電信號(hào)監(jiān)測(cè)的可控自觸發(fā)拍攝技術(shù)來(lái)解決以上問(wèn)題.基于前期電信號(hào)參數(shù)計(jì)算分析，按需設(shè)定拍攝的觸發(fā)條件，使拍攝過(guò)程具有高度的靈活性，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)某些“突變”電弧行為的抓獲，為促進(jìn)焊接機(jī)理的深入認(rèn)識(shí)提供鋪墊.

1 硬件系統(tǒng)組成

硬件系統(tǒng)是由高速攝像機(jī)、數(shù)據(jù)采集卡、霍爾電流傳感器、電壓傳感器、焊接電源、伺服移動(dòng)工作臺(tái)以及計(jì)算機(jī)組成，其結(jié)構(gòu)如圖1 所示.

圖1 硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure of hardware system

高速攝像機(jī)型號(hào)為Photron FASTCAM Mini UX100，內(nèi)存為16 GB，最高拍攝頻率為204 800 幀/s，支持軟件和外部電平觸發(fā)，背部配備有兩個(gè)輸出端口，可以通過(guò)編程分別配置輸出信號(hào)為SYNC POS(高速攝像機(jī)拍攝頻率的倍頻同步信號(hào)，倍頻因子P 可調(diào))和REC POS(高速攝像機(jī)狀態(tài)識(shí)別信號(hào)，拍攝中REC POS 為高電平，非拍攝狀態(tài)為低電平).數(shù)據(jù)采集卡型號(hào)為NI 6361，最高采樣頻率2 MHz，焊接電源型號(hào)為福尼斯Fronius 的CMT Advanced 4000R.

高速攝像機(jī)的拍攝觸發(fā)模式包括開(kāi)始模式、中心點(diǎn)模式及終止模式等.開(kāi)始模式下高速攝像機(jī)在收到觸發(fā)信號(hào)后開(kāi)始拍攝，直到內(nèi)存裝滿后拍攝停止，目前實(shí)際應(yīng)用中大部分采用該種模式.中心點(diǎn)模式的特點(diǎn)是高速攝像機(jī)一直處于循環(huán)攝錄狀態(tài)(高速攝像機(jī)無(wú)止拍攝，當(dāng)其內(nèi)存裝滿后，新的圖像會(huì)覆蓋舊的圖像)，直至其收到觸發(fā)信號(hào)后，高速攝像機(jī)繼續(xù)拍攝內(nèi)存一半的時(shí)長(zhǎng)，之后停止拍攝，最終內(nèi)存中保存著觸發(fā)點(diǎn)前后相等時(shí)長(zhǎng)的內(nèi)容.終止觸發(fā)模式與中心點(diǎn)模式類(lèi)似，高速攝像機(jī)同樣處于循環(huán)拍攝狀態(tài)，區(qū)別是在此模式下高速攝像機(jī)收到觸發(fā)信號(hào)時(shí)即停止拍攝，內(nèi)存保存觸發(fā)信號(hào)之前的內(nèi)容.顯然，高速攝像機(jī)中心點(diǎn)模式和終止模式是實(shí)施基于電信號(hào)可自控拍攝的根本保證，文中試驗(yàn)選擇了中心點(diǎn)觸發(fā)模式.

2 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 軟件總體框架

軟件主要功能是監(jiān)測(cè)焊接過(guò)程中的電信號(hào)數(shù)據(jù)，當(dāng)其滿足設(shè)定條件時(shí)，自動(dòng)觸發(fā)高速攝像機(jī)完成拍攝記錄.為了滿足實(shí)際需要，軟件還應(yīng)能夠配置高速攝像機(jī)的拍攝參數(shù)、觸發(fā)模式、輸出端子信號(hào)和數(shù)據(jù)采集卡的采集參數(shù)等設(shè)備參數(shù)，以及實(shí)現(xiàn)同步采集、保存和回放圖像與電信號(hào)數(shù)據(jù).軟件總體框架如圖2 所示，分為4 個(gè)模塊：人機(jī)界面模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)處理與監(jiān)測(cè)模塊和相機(jī)控制模塊.因?yàn)長(zhǎng)abVIEW 能夠?qū)崿F(xiàn)代碼自動(dòng)多線程，所以各模塊并行執(zhí)行.

圖2 軟件總體框架圖Fig.2 Overall software framework

人機(jī)界面模塊主要負(fù)責(zé)人機(jī)交互，包括硬件參數(shù)的設(shè)定、電信號(hào)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)條件的設(shè)定、顯示圖像與電信號(hào)波形等.數(shù)據(jù)采集模塊負(fù)責(zé)按照設(shè)定的參數(shù)完成數(shù)據(jù)采集卡的配置，以及電信號(hào)數(shù)據(jù)的讀取.數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)模塊負(fù)責(zé)對(duì)采集到的電信號(hào)數(shù)據(jù)進(jìn)行循環(huán)保存和實(shí)時(shí)分析，包括當(dāng)發(fā)現(xiàn)滿足所設(shè)定監(jiān)測(cè)條件的數(shù)據(jù)時(shí)向高速攝像機(jī)控制模塊發(fā)送觸發(fā)消息，以及采集完成后的數(shù)據(jù)處理.高速攝像機(jī)控制模塊主要負(fù)責(zé)高速攝像機(jī)的參數(shù)配置，拍攝和觸發(fā)指令的發(fā)送，高速攝像機(jī)內(nèi)存圖像的讀取以及將圖像保存至計(jì)算機(jī)硬盤(pán).

2.2 拍攝觸發(fā)算法

電信號(hào)監(jiān)測(cè)是實(shí)現(xiàn)觸發(fā)高速攝影拍攝的關(guān)鍵，但是不同的缺陷在不同角度(如時(shí)域、頻域、統(tǒng)計(jì)學(xué)、非線性動(dòng)力學(xué)等)所表現(xiàn)的顯著性并不完全一致，故暫以電信號(hào)RMS(root mean square 均方根)值作為觸發(fā)監(jiān)測(cè)條件.另外，不同工藝條件下，其電信號(hào)相差較大，因此觸發(fā)條件的閾值需要結(jié)合實(shí)際焊接過(guò)程來(lái)設(shè)定.監(jiān)測(cè)算法流程如圖3 所示.

圖3 穩(wěn)定性監(jiān)測(cè)算法流程圖Fig.3 Flow chart of stability monitoring algorithm

監(jiān)測(cè)焊機(jī)是否成功起弧，每個(gè)數(shù)據(jù)讀取周期計(jì)算電流信號(hào)的RMS 值，當(dāng)連續(xù)N個(gè)RMS 值大于起弧閾值時(shí)認(rèn)為焊機(jī)起弧成功.程序監(jiān)測(cè)到成功起弧后，轉(zhuǎn)入閾值設(shè)定狀態(tài)，選擇電壓信號(hào)作為監(jiān)測(cè)對(duì)象，每個(gè)數(shù)據(jù)讀取周期計(jì)算電壓信號(hào)的RMS 值，以連續(xù)J個(gè)RMS 值的變異系數(shù)作為閾值設(shè)定基準(zhǔn)，考慮到焊接過(guò)程中電信號(hào)本身的波動(dòng)性以及噪聲干擾引起的偽觸發(fā)，將求得值乘以觸發(fā)閾值系數(shù)K作為觸發(fā)閾值.完成觸發(fā)閾值設(shè)定后，程序轉(zhuǎn)入焊接監(jiān)測(cè)狀態(tài)，以連續(xù)L個(gè)讀取周期為一個(gè)監(jiān)測(cè)周期，每個(gè)監(jiān)測(cè)周期計(jì)算RMS 值的變異系數(shù)，當(dāng)連續(xù)M個(gè)監(jiān)測(cè)周期計(jì)算的變異系數(shù)值均大于觸發(fā)閾值時(shí)程序向高速攝像機(jī)發(fā)送觸發(fā)信號(hào)，監(jiān)測(cè)程序結(jié)束.

人機(jī)界面相關(guān)監(jiān)測(cè)條件設(shè)定界面如圖4 所示，在實(shí)際應(yīng)用中相關(guān)參數(shù)可以靈活設(shè)定.

圖4 監(jiān)測(cè)條件設(shè)定界面Fig.4 Monitoring condition setting interface

2.3 電弧圖像和焊接電信號(hào)的同步循環(huán)采集

本質(zhì)上電信號(hào)和圖像信號(hào)可以各自獨(dú)立存儲(chǔ)，但是為了便于后續(xù)電弧物理過(guò)程的分析，以及提升計(jì)算機(jī)應(yīng)用效率，文中設(shè)計(jì)了兩者信號(hào)的同步采集系統(tǒng)，而對(duì)監(jiān)測(cè)過(guò)程中的前期電信號(hào)并不在計(jì)算機(jī)內(nèi)進(jìn)行最終保存.

與高速攝像機(jī)在循環(huán)拍攝模式下存儲(chǔ)圖像的方式類(lèi)似，電信號(hào)數(shù)據(jù)也采用循環(huán)保存模式.方法是在計(jì)算機(jī)內(nèi)存中以有限長(zhǎng)度隊(duì)列的形式存儲(chǔ)采集到的電信號(hào)數(shù)據(jù)，隊(duì)列長(zhǎng)度與高速攝像機(jī)內(nèi)存可存儲(chǔ)圖像幀數(shù)相適應(yīng).當(dāng)隊(duì)列滿后，新的電信號(hào)數(shù)據(jù)繼續(xù)從隊(duì)尾入隊(duì)，同時(shí)舊的數(shù)據(jù)從隊(duì)頭出隊(duì)，隊(duì)列長(zhǎng)度保持不變，直至高速攝像機(jī)拍攝完成.在這種模式下，軟件可以實(shí)時(shí)分析采集到的電信號(hào)，而且使得最終計(jì)算機(jī)內(nèi)存中保存的電信號(hào)數(shù)據(jù)與高速攝像機(jī)內(nèi)存中的圖像相對(duì)應(yīng).

為了詳細(xì)說(shuō)明如何實(shí)現(xiàn)電弧圖像和焊接電信號(hào)的同步循環(huán)采集，舉例如下：高速攝像機(jī)的倍頻因子P設(shè)為2，數(shù)據(jù)采集卡以SYNC POS 為采樣時(shí)鐘信號(hào)，以REC POS 的上升沿作為采集開(kāi)始信號(hào)，下降沿作為采集停止信號(hào).高速攝像機(jī)與數(shù)據(jù)采集卡工作時(shí)序如圖5 所示.t0時(shí)刻高速攝像機(jī)與數(shù)據(jù)采集卡均處于預(yù)備狀態(tài)，等待用戶下達(dá)開(kāi)始指令；t1時(shí)刻用戶按下開(kāi)始按鈕，高速攝像機(jī)開(kāi)始無(wú)止攝錄，內(nèi)存循環(huán)記錄拍攝到的圖像；由于設(shè)備自身限制，一個(gè)拍攝脈沖延遲后，t2時(shí)刻REC POS 由低電平轉(zhuǎn)換為高電平，同時(shí)數(shù)據(jù)采集卡檢測(cè)到REC POS 上升沿；一個(gè)采樣時(shí)鐘周期延遲后，t3時(shí)刻采集卡開(kāi)始電信號(hào)采集；t3～t4時(shí)段高速攝像機(jī)和數(shù)據(jù)采集卡同步循環(huán)拍攝與采集，電信號(hào)數(shù)據(jù)在計(jì)算機(jī)內(nèi)存中循環(huán)存儲(chǔ)，另外系統(tǒng)不斷對(duì)采集到的電信號(hào)進(jìn)行監(jiān)測(cè)；t5時(shí)刻高速攝像機(jī)收到觸發(fā)信號(hào)，高速攝像機(jī)內(nèi)存保留以觸發(fā)點(diǎn)為中心前后等時(shí)長(zhǎng)的圖像，即t4～t6時(shí)刻時(shí)段拍攝的圖像；t6時(shí)刻高速攝像機(jī)停止拍攝；t7時(shí)刻REC POS 由高電平轉(zhuǎn)換為低電平；數(shù)據(jù)采集卡檢測(cè)到REC POS 下降沿后再采集兩個(gè)樣本點(diǎn)，t8時(shí)刻數(shù)據(jù)采集卡停止采集.

圖5 高速攝像機(jī)與數(shù)據(jù)采集卡工作時(shí)序圖Fig.5 Operating sequence diagram of high-speed camera and data acquisition card

3 試驗(yàn)驗(yàn)證與討論

3.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

以試樣表面存在油污為例進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證.選取直徑為1.2 mm 的ER5356 鋁焊絲，在6061 鋁合金上進(jìn)行平板堆焊，試樣尺寸為150 mm × 50 mm ×2 mm，如圖6 所示.在試樣沿焊接方向2/3 位置涂抹少許二硫化鉬潤(rùn)滑脂來(lái)模擬油污，寬度為4 mm左右.保護(hù)氣體采用99.999%的高純氬氣，氣體流量為15 L/min.焊接工藝為冷金屬過(guò)渡(cold metal transfer，CMT)工藝，送絲速度為4 m/min，焊接速度為40 cm/min，導(dǎo)電嘴到試樣距離為15 mm.

圖6 表面帶有油污的試樣Fig.6 Specimen with greasy surface

高速攝像機(jī)的拍攝頻率為5000 幀/s，分辨率為640 × 480 Pixel，最大拍攝記錄時(shí)長(zhǎng)為7.453 s，倍頻因子P為2.數(shù)據(jù)采集卡的采樣頻率為10 kHz.監(jiān)測(cè)參數(shù)設(shè)定如圖4 所示，電信號(hào)讀取周期設(shè)為33 ms，起弧電流閾值設(shè)為20 A，由于起弧后的短暫時(shí)間內(nèi)焊接電流與電弧電壓均不穩(wěn)定，適當(dāng)加大起弧監(jiān)測(cè)時(shí)長(zhǎng)以減少對(duì)閾值設(shè)定的干擾，N取70 (起弧延遲約為2.3 s)，J取30 (計(jì)算30 個(gè)電壓RMS 值的變異系數(shù)作為閾值設(shè)定基準(zhǔn))，觸發(fā)閾值系數(shù)K取2，監(jiān)測(cè)周期設(shè)為10 個(gè)讀取周期，M取2 (連續(xù)2 個(gè)監(jiān)測(cè)周期的變異系數(shù)大于觸發(fā)閾值時(shí)觸發(fā)高速攝像機(jī)拍攝).

3.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

以3.1 節(jié)設(shè)定的參數(shù)計(jì)算采集到電壓信號(hào)的RMS 值的變異系數(shù)，結(jié)果如圖7 所示.從圖7 可以看出，3～4 s 時(shí)電壓RMS 值的變異系數(shù)明顯高于其它時(shí)刻，高速攝像機(jī)在這一區(qū)間內(nèi)被觸發(fā)，成功拍攝到以油污處為中心的一系列電弧圖像，試驗(yàn)證明了所提出算法的有效性.

圖7 電壓RMS 值的變異系數(shù)Fig.7 Variation coefficient of voltage RMS

如圖7 所示，0～2 s 時(shí)間內(nèi)為正常焊接過(guò)程，3～4 s 時(shí)間內(nèi)為試樣表面存在油污時(shí)的焊接過(guò)程.為了對(duì)比這兩種情況下電弧形態(tài)與電信號(hào)的變化，分別在這兩種不同焊接情況下任選一個(gè)監(jiān)測(cè)周期時(shí)長(zhǎng)的電信號(hào)，如圖8 和圖9 所示.這兩種情況下電信號(hào)均呈現(xiàn)一定的周期性，但試樣表面存在油污時(shí)電信號(hào)周期明顯大于正常焊接時(shí)電信號(hào)周期，而且信號(hào)周期的平穩(wěn)性較差.

圖8 正常焊接電流和電弧電壓波形Fig.8 Normal welding current and arc voltage waveform

圖9 試樣表面存有油污時(shí)焊接電流和電弧電壓波形Fig.9 Welding current and arc voltage waveform with greasy specimen surface

從拍攝到的圖像中分別挑選一組在圖8 和圖9所示電信號(hào)時(shí)間軸范圍內(nèi)的能夠反映完整熔滴過(guò)渡周期的電弧圖像，如圖10 和圖11 所示，圖像下標(biāo)注的時(shí)間通過(guò)圖像編號(hào)乘以拍攝周期(0.2 ms)得到.其中，圖10a、圖11a 為熔滴過(guò)渡到熔池，電弧剛好熄滅，對(duì)應(yīng)電信號(hào)短路階段；圖10b～圖10d 和圖11b～圖11d 為起弧階段，電弧亮度和體積快速增加，對(duì)應(yīng)焊接電流快速上升階段；圖10e～圖10h和圖11e～圖11h 的電弧亮度和體積達(dá)到最大，對(duì)應(yīng)峰值電流階段；圖10i～圖10o 和圖11i～圖11o 的電弧明顯變暗，體積減小，對(duì)應(yīng)基值電流階段；圖10p和圖11p 的電弧熄滅，一個(gè)短路過(guò)渡周期完成.

圖10 正常焊接過(guò)程中的電弧圖像Fig.10 Arc image during normal welding process.(a) 0.939 8 s;(b) 0.943 1 s;(c) 0.943 5 s;(d) 0.943 9 s;(e) 0.944 3 s;(f) 0.944 7 s;(g) 0.945 1 s;(h) 0.945 5 s;(i) 0.945 9 s;(j) 0.946 3 s;(k) 0.947 5 s;(l) 0.955 3 s;(m) 0.967 3 s;(n) 0.971 1 s;(o) 0.971 9 s;(p) 0.972 3 s

圖11 試樣表面存在油污時(shí)的電弧圖像Fig.11 Arc image with greasy specimen surface.(a) 3.745 8 s;(b) 3.751 6 s;(c) 3.752 0 s;(d) 3.752 4 s;(e) 3.752 8 s;(f) 3.753 2 s;(g) 3.753 6 s;(h) 3.754 0 s;(i) 3.754 4 s;(j) 3.754 8 s;(k) 3.758 4 s;(l) 3.769 0 s;(m) 3.775 0 s;(n) 3.793 6 s;(o) 3.798 6 s;(p) 3.799 4 s

正常焊接時(shí)熔滴過(guò)渡周期大約為32.5 ms，試樣表面存在油污時(shí)熔滴過(guò)渡周期達(dá)到了53.6 ms.后者增加的時(shí)長(zhǎng)主要體現(xiàn)在兩個(gè)階段:一是短路階段，其電弧的燃弧時(shí)刻遲于正常電弧，二是基值電流階段，其持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng).從電弧形態(tài)上看，試樣表面存在油污時(shí)電弧比正常焊接時(shí)更為發(fā)散，在熔滴長(zhǎng)大階段，電弧有明顯由暗轉(zhuǎn)亮的過(guò)程，如圖11k～圖11m 所示，這可能是油污參與了電弧的燃燒造成的.從圖8～圖11 可以看出，電信號(hào)與電弧圖像具有良好的同步性.

3.3 應(yīng)用展望

不同的焊接缺陷對(duì)應(yīng)的電信號(hào)特征不盡相同，采用不同的焊接工藝時(shí)電信號(hào)特征也發(fā)生變化.為了更加快速有效獲得最佳的拍攝閾值條件，可先進(jìn)行電信號(hào)監(jiān)測(cè)，對(duì)采集到的電信號(hào)進(jìn)行預(yù)先處理分析，再進(jìn)行相應(yīng)拍攝觸發(fā)算法與閾值的設(shè)定.另外，在成功判定起弧后，進(jìn)行閾值設(shè)定時(shí)需要一段穩(wěn)定的焊接過(guò)程，雖然該過(guò)程時(shí)間長(zhǎng)短可通過(guò)軟件進(jìn)行設(shè)置，但在實(shí)際應(yīng)用中需要留意.

4 結(jié)論

(1) 在LabVIEW 平臺(tái)進(jìn)行了可控自觸發(fā)電弧圖像采集軟件系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)，給出了系統(tǒng)總體框架以及拍攝觸發(fā)算法.基于高速攝像機(jī)SYNC POS 和REC POS 兩路輸出信號(hào)，實(shí)現(xiàn)了電信號(hào)和圖像信號(hào)同步采集.

(2) 通過(guò)對(duì)試樣表面涂油污進(jìn)行了依據(jù)電信號(hào)RMS 值作為觸發(fā)條件的可控自觸發(fā)圖像采集系統(tǒng)的驗(yàn)證.并由電壓RMS 值的變異系數(shù)驗(yàn)證了觸發(fā)條件的有效性，且由焊接電流、電弧電壓時(shí)域信號(hào)和高速攝影的圖像信號(hào)驗(yàn)證了整個(gè)系統(tǒng)同步采集的準(zhǔn)確性.

(3) 基于自觸發(fā)電弧圖像的采集系統(tǒng)對(duì)焊接過(guò)程進(jìn)行監(jiān)測(cè)試驗(yàn).結(jié)果表明，試樣表面存在油污時(shí)相比于正常過(guò)渡過(guò)程，具有較長(zhǎng)的過(guò)渡周期，電弧形態(tài)具有較大的發(fā)散性等特點(diǎn).