范 越

河海大學 機電工程學院，江蘇 常州 213022

0 前言

焊接線能量是影響焊接接頭性能的重要因素。若焊接線能量過大，會導(dǎo)致熱影響區(qū)范圍擴大，焊接接頭的塑韌性急劇下降，甚至出現(xiàn)孔洞型缺陷[1-2]；若焊接線能量過小，焊接接頭的冷卻速度快，易形成淬硬組織，增加冷裂紋傾向。因此，對焊接線能量進行實時檢測有利于焊接操作人員設(shè)置并調(diào)整合適的焊接參數(shù)，提高焊接質(zhì)量。

焊接線能量由焊接電壓、焊接電流以及焊接速度三部分組成。其中焊接電壓與焊接電流可通過霍爾傳感器直接獲取，而焊接速度（特別是手工焊接速度）的測量極為困難。通常采用人工測量估算焊接速度，即測量焊道的總長度，記錄焊接總時間，二者的比值即為焊接速度，該方法測量誤差大、實時性差、費時費力。因此焊接速度的在線檢測是焊接線能量檢測的關(guān)鍵所在[3-4]。

對于焊接速度檢測技術(shù)的研究，可分為自動焊過程中速度檢測和手工焊接速度檢測。目前自動焊主要依靠編碼器來測量焊接小車的行走速度或焊接滾輪架的轉(zhuǎn)速。對于手工焊而言，受人工操作的影響在焊槍上裝夾速度傳感器較為困難，需研制特定的速度傳感器進行測速。西安交通大學研制出一種光電式焊接速度傳感器[5]，利用光柵尺原理設(shè)計了固定長度的剛性調(diào)制板，將弧光的行走速度轉(zhuǎn)換為對應(yīng)的脈沖信號，從而在線計算焊接速度；該技術(shù)中調(diào)制板的長度固定且為剛性，無法用于檢測環(huán)縫焊接等彎曲場合下的焊接速度，其通用性和靈活性受到限制[6]。但其利用光電器件記錄電弧通過相鄰兩狹縫的時間，為后續(xù)研究設(shè)計焊接速度傳感器提供了思路。河海大學研究團隊提出一種利用光敏器件檢測焊接速度的方法，并設(shè)計了柔性弧光捕捉機構(gòu)，針對長直焊縫及規(guī)則的環(huán)焊縫的手動焊接，能實現(xiàn)焊接速度的在線測量。本文在此基礎(chǔ)上改善了機械部分設(shè)計，進一步研究并優(yōu)化了弧光捕捉機構(gòu)各參數(shù)和不同應(yīng)用場景下弧光捕捉機構(gòu)的布局，使之能適應(yīng)于所有的磁性金屬的全位置焊接，并且更加可靠靈活。

1 手動焊接速度檢測原理

大多數(shù)焊接方法都為明弧焊接，故可以通過檢測弧光的位置變化來測量焊接速度。文中的光電檢測方法的測速原理如圖1所示[7-8]。

圖1 光電法測速原理Fig.1 Principle of photoelectric velocity measurement

光電檢測法以光電管的通斷來記錄弧光的移動狀態(tài)，從而計算焊接速度。測速裝置由若干弧光捕捉機構(gòu)組成，且各弧光捕捉機構(gòu)之間為柔性連接，能夠改變形狀，使之始終與焊縫平行。如圖1所示，焊接過程中當電弧移動到AA'位置時，1號光電管接收弧光并導(dǎo)通，輸出脈沖；當電弧位于A'B位置時，弧光受到遮光管的阻擋不會觸發(fā)任何一個光電器件；當電弧位于BB'位置時，2號光電管接收弧光并導(dǎo)通輸出脈沖。隨著焊槍的移動，遮光管內(nèi)的光電器件依次被觸發(fā)，產(chǎn)生一系列脈沖信號，通過后續(xù)處理電路的調(diào)理整形后得到一組規(guī)則的矩形波，將這一規(guī)則的矩形波輸入單片機計算，得出實時焊接速度。

2 焊接速度傳感器設(shè)計

焊接速度傳感器的目的是將焊接速度轉(zhuǎn)換為脈沖信號，送入單片機中進行計算，其核心是弧光捕捉機構(gòu)的設(shè)計及各項參數(shù)的確定。

2.1 弧光捕捉機構(gòu)設(shè)計

弧光捕捉機構(gòu)如圖2所示，外部結(jié)構(gòu)如圖2a所示，鏈條片之間間隙配合，可以相對轉(zhuǎn)動，使得整個弧光捕捉機構(gòu)能夠根據(jù)焊縫的不同而彎曲。環(huán)形磁鐵可以吸附在磁性工件上，起到快速固定的作用。內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2b所示，包括遮光管、光敏三極管和濾光片等主要部件。光敏三極管置于燈罩內(nèi)，安裝在遮光管內(nèi)遠離弧光一端，并保證感光部位正對弧光。相鄰兩種遮光管之間通過連接片等距相連，連接片之間可以相互轉(zhuǎn)動，使得速度傳感器具有一定的柔性，在特定平面內(nèi)達到自由彎曲的效果。

圖2 弧光捕捉機構(gòu)Fig.2 Arc capture mechanism

遮光管的設(shè)計主要考慮結(jié)構(gòu)和參數(shù)兩個方面。在結(jié)構(gòu)設(shè)計上為減少散射弧光對裝置的影響，避免光敏三極管捕捉到錯誤的弧光信號，將遮光管內(nèi)部作發(fā)黑處理，并在弧光入口處設(shè)置濾光片，避免散射弧光對光電管的誤觸發(fā)。遮光管的參數(shù)設(shè)計主要包括遮光管孔徑、管長、兩遮光管之間距離以及遮光管和焊縫之間的距離，這些參數(shù)對弧光照射的影響如下：

（1）遮光管長度l的影響。如圖3所示，當遮光管長度由l1增加到l2時，弧光對光電管照射的有效范圍由A1A1'縮短至A2A2'，脈沖寬度變小，與此同時，脈沖之間的距離變大。

圖3 不同長度遮光管的擋光效果Fig.3 Light blocking effect of light shielding tubes with different lengths

（2）遮光管孔徑d的影響。依據(jù)光學原理分析遮光管孔徑對遮光效果的影響，如圖4所示，當遮光管的內(nèi)孔徑為d1時，弧光對光電管照射的有效范圍是A2A2'；當孔徑增大到d2時，弧光對光電管照射的有效范圍擴大到A1A1'。故遮光管的孔徑越大，所能通過的斜射弧光越多，輸出脈沖的寬度就越大，與此同時，兩個脈沖之間的距離將會縮小，甚至重疊。

圖4 不同孔徑遮光管的擋光效果Fig.4 Light blocking effect of light shielding tubes with different aperture

（3）遮光管和焊縫之間的距離w的影響。如圖5所示，隨著w增大時，脈沖寬度增加、脈沖之間的距離減小，甚至重疊，其影響效果等同于遮光管直徑增加。因此，需設(shè)計合適的遮光管間距同時滿足測量精度及擋光效果，設(shè)備工作時也應(yīng)與待焊工件保持合適的距離。

圖5 遮光管與焊縫之間不同距離的擋光效果Fig.5 Light blocking effect of different distance between light shielding pipe and weld

（4）兩遮光管之間距離s的影響。由焊接速度檢測原理可知，s越小，得到的焊接速度值越準確。但由光學原理可知，s越小，擋光效果越差，光電器件接收到的弧光越多。如圖6所示，在斜射弧光相同的情況下，當遮光管之間距離不斷減小時，AA'和BB'的長度保持不變，而A'B距離減小，這意味著脈沖寬度不變、脈沖之間的距離減小，當距離過小時，會導(dǎo)致兩個脈沖部分重疊。

圖6 不同間距遮光管的擋光效果Fig.6 Light blocking effect of light shielding tubes with different spacing

依據(jù)上述原理并進行多次測試，最終選定遮光管的管長為70 mm，兩端孔徑為8.4 mm，中心孔徑為5 mm，與待焊工件之間距離為200 mm，兩遮光管之間距離為40 mm，調(diào)試后發(fā)現(xiàn)在誤差范圍內(nèi)光敏三極管捕捉的光信號準確，有效降低了斜射弧光的干擾。

2.2 手工焊接速度傳感器設(shè)計

手工焊接速度傳感器包含若干個相同的弧光捕捉機構(gòu)，每個弧光捕捉機構(gòu)通過連接片或連接鉸鏈進行組裝，以適用不同形狀焊縫的檢測。常見的組裝方式如圖7所示（以3個弧光捕捉機構(gòu)為例）。

圖7 不同形狀焊縫時弧光捕捉機構(gòu)的布局Fig.7 Layout of arc light capture mechanism for different shape welds

圖7a為平面直焊縫或環(huán)焊縫的弧光捕捉機構(gòu)布局，各遮光管之間通過連接片組裝，保證遮光管的軸線垂直于焊縫即可。圖7b為平面圓形焊縫或不規(guī)則的弧形焊縫的遮光管布局，可以通過連接鉸鏈組裝，同時保證遮光管的軸線與焊縫垂直。弧光捕捉機構(gòu)可以通過磁鐵或者吸盤固定在工件上。

3 信號處理系統(tǒng)的硬件設(shè)計

3.1 光電轉(zhuǎn)換電路設(shè)計原理

光敏三極管集電極的電流大小與入射光的照度呈正比，當弧光逐漸靠近遮光管時，光敏三極管接收到的弧光持續(xù)增加，輸出的電流也緩慢增大。當弧光正對遮光管時，照射光的強度最大，光敏三極管接收到的弧光最多，輸出的電流達到最大值。當弧光逐漸遠離遮光管時，其強度逐漸減弱，光敏三極管輸出的電流逐漸減小。隨著弧光的移動，弧光捕捉機構(gòu)輸出一組緩升緩降的波形，這樣的波形不利于單片機進行處理，需設(shè)計整形電路將緩升緩降的波形調(diào)理成陡升陡降的脈沖波形，單片機通過捕獲輸入信號的上升沿進行定時，經(jīng)電路處理后的波形變化如圖8所示。

圖8 波形變化示意Fig.8 Waveform change diagram

3.2 光電電路設(shè)計

由前文分析可知，當弧光運動到對應(yīng)的遮光管時，僅該處的弧光捕捉機構(gòu)產(chǎn)生一個脈沖。將所有的弧光捕捉機構(gòu)在電路上設(shè)計為并聯(lián)，則可將每個弧光捕捉機構(gòu)的脈沖串聯(lián)形成一系列的脈沖信號，將這些脈沖信號進行濾波、整形，從而便于單片機的處理與計算。光電轉(zhuǎn)換電路如圖9所示。圖中C1為濾波電容，可濾去波形中的噪聲，特別是針對短路過渡的焊條電弧焊和氣保焊，能濾除短路過渡的波形干擾。手工MIG焊時濾波前后的波形如圖10所示，采用電容濾波后，可獲得圖10b所示的脈沖波形。整形電路是LM393組成的開環(huán)比較器，將光敏三極管輸出的連續(xù)波形轉(zhuǎn)變?yōu)閱纹瑱C能識別的開關(guān)信號。

圖9 光電轉(zhuǎn)換電路Fig.9 Photoelectric conversion circuit

圖10 手工MIG焊接時檢測波形Fig.10 Detection waveform of manual MIG welding

4 試驗結(jié)果分析

采用YD-400AT3HV松下直流手工焊機進行SMAW焊接試驗，焊接母材為Q235，焊條為E4303 φ2.5 mm，焊接電流140 A，焊接電壓27 V，焊縫長度取250 mm?；」獠蹲綑C構(gòu)平行置于待焊焊道前10～15 cm。采用相同參數(shù)進行4次焊接測試，記錄每次焊接所用的總時間，計算出焊接速度的平均值，將其與檢測數(shù)據(jù)的平均值進行對比，驗證測量結(jié)果的準確性。試驗得到的焊接參數(shù)如表1所示?？梢钥闯龈鹘M焊接速度的平均值相差不大，驗證出焊接速度傳感器檢測穩(wěn)定，測量結(jié)果準確度高。

表1 手動焊接時焊接速度檢測數(shù)據(jù)Table 1 Welding speed test data during manual welding

采用PM5000水冷數(shù)字MIG焊機、φ1.2 mm的E5356焊絲，在6063鋁板上進行MIG焊接試驗。通過焊接小車維持焊接速度3.6 mm/s不變，焊縫長度250 mm，在待焊焊道前10～15 cm平行放置弧光捕捉機構(gòu)。通過4組試驗來驗證自動焊接時該設(shè)備檢測焊接速度的準確性，試驗數(shù)據(jù)如表2所示?？梢钥闯觯瑢崪y的焊接速度基本維持在3.6 mm/s附近，說明本檢測方法具有較高的精度，同時也能適應(yīng)于自動焊的焊接速度檢測。

表2 自動焊接時焊接速度檢測數(shù)據(jù)Table 2 Welding speed test data during automatic welding

5 結(jié)論

（1）設(shè)計基于光電檢測原理的弧光捕捉機構(gòu)來檢測手動焊接速度，具體分析弧光捕捉機構(gòu)各參數(shù)對于檢測效果的影響，進一步探討弧光捕捉機構(gòu)在不同應(yīng)用場景下的布局。

（2）通過手工焊接與自動焊接的試驗對比，該方法能夠精準測量焊接速度的實時數(shù)據(jù)，從而進行焊接線能量的在線檢測，為獲得良好的焊接質(zhì)量提供保障。

（3）由于弧光捕捉機構(gòu)是通過環(huán)形磁鐵固定在被焊工件上，所以針對非磁性工件的焊接，可采用加裝吸盤等方式實現(xiàn)裝置的固定，使該方法更方便靈活。