專利名稱：基于電弧多譜段光信息傳感的mig焊質量監測方法
技術領域：
本發明屬于熔化極氣體保護電弧焊(MIG焊)的過程控制技術，涉及一種 MIG焊的質量監測方法。本發明具體是一種基于電弧多譜段光信息傳感的MIG焊 質量監測方法。
技術背景隨著現代焊接制造技術的發展，焊接機器人等高效化生產手段得到廣泛應 用，研究者對于自動化所帶來的焊接質量檢測與控制越來越重視。在線焊接質 量檢測與控制技術不僅可以降低成本，提高生產效率，而且在許多情況下，大 型結構的焊后無損檢測是不可行的，所以，在線焊接質量檢測技術對于實現優 質高效化焊接是至關重要的。對于焊接質量的檢測，研究者過去嘗試采用電信號、聲信號進行分析，并 取得了一些較成功的應用。但是在上述檢測過程中，還是存在不少問題聲音 信號容易受干擾而受到限制，只是在埋弧焊等光信號無法發揮作用的場合，或 聲信號具有明顯特征的激光、等離子弧中得到應用，而對于MIG焊應用相對較 少。電信號在某些條件下獲得的信號品質不理想，所以在建立信號與焊接質量 之間的關系時，需要較多地依賴后續數學分析，判識準確率受干擾因素種類和 分析方法影響較大，且在許多情況下準確率與實時檢測(數學分析復雜程度) 是一對矛盾，對干擾因素的實時檢測困難，難以建立信號特點與焊接過程之間 的本質聯系。光譜信號作為一種新型的信號源，信息量較電信號豐富，光譜輻射直接由 電弧本身產生，與焊接過程的穩定性存在密切的聯系，具有響應速度快，信號 不易受其他外界因素(如電、磁、自然光)干擾等特點，所以電弧光譜具有良 好的信號品質。這已經在TIG焊弧長測控的精度提高和脈沖MIG焊熔滴過渡方 面的應用得到很好地驗證。例如，ZL 00131566專利提供了一種脈沖熔化極氣體保護焊熔滴過渡的光譜控制法，該方法過程是確定電弧和熔滴的測試截面，利 用光譜檢測系統選擇特征譜線，再由光電轉換器將特征光譜信號轉換為足夠強 度的電信號，經模數轉換系統處理后，輸入微機處理，輸出的控制信號再通過 P麗控制器調制，輸出驅動脈沖信號，驅動逆變電流的IGBT高壓開關管，實施 切變電流動作，達到一脈一滴的控制目的。MIG焊作為一種廣泛使用的焊接方法，具有節能、高效、方便的特點，焊縫 成型好，工藝適應性寬，特別適用于熱敏感材料和有色金屬的焊接。但在MIG 焊的過程中，往往由于干擾因素造成電弧不穩定，從而帶來焊接的質量問題。然而，除了在熔滴過渡控制上的應用外，焊接電弧的光譜信息在MIG焊質 量監測上的應用受到了限制，困難主要存在于以下兩個方面1、 特征譜段的選取MIG焊電弧光譜中，由于金屬譜線的輻射強度和數量明顯增多，選擇合適的 測控譜段就相對困難。選擇合適的譜段可以有效提高信號的品質，不同干擾因 素的有效信號譜段存在差異。2、 干擾因素的判識焊接過程中，由于熔滴過渡及正常焊接過程中的弧長變化，會造成焊接電 弧光譜的波動，外界干擾因素也會造成電弧輻射光譜的波動。同一焊接過程的 波動可能是由于熔滴過渡引起的，也可能是由于干擾因素造成的，對干擾因素 的有效判識會受到熔滴過渡波動的影響，遠比TIG焊復雜。實際上，如何通過信號提取，對引起焊接不穩定的因素實現有效判識，對 于現代自動化焊接生產非常重要。 發明內容本發明的目的是提供一種MIG焊的質量監測方法，該方法通過選取特征譜 段，從選定頻段中獲取影響焊接質量的干擾因素信息，從而實現對MIG焊質量 的監測。本發明的基于電弧多譜段光信息傳感的MIG焊質量監測方法包括a) 選取特征譜段，在焊接過程中，由光電轉換器采集特征譜段的電弧光譜 信號，并將其轉換為電信號；b) 對選定頻段的電弧光譜電信號進行提取，以獲取焊接過程信息的特征信號；c) 將獲取的特征信號與設定的數學判據進行比較，給出判識結果，實現對 焊接質量的有效判識。MIG焊電弧光譜在紫外區、可見光區、近紅外區的輻射特點明顯不同，不同 的譜段有著各自的分布規律和主要影響元素，圖1 ~圖4給出了不同譜段的MIG 焊電弧的光譜分布。從圖l可以看出，紫外輻射區(230 ~ 300nm)以大量FeII 和FeI譜線為主，如Fel1 274. 648、 Fel1 274. 698等；由圖2、圖3可見，可見 光輻射區(380 ~ 780nm)則以Fe I譜線為主，如492. 0505、 495.76、 526.6579、 526. 9541、 537. 1493、 561. 5652、 602. 4等；圖4顯示近紅外輻射區(800 ~ 1000nm) 以Ar I譜線為主，同時存在部分Fe I譜線，如Ar I 8115. 311、 Ar I 9122. 967 等；在譜線聚集區之間還存在著一些譜線相對較弱的的輻射區間，如570 ~ 590nm。不同譜段的光譜輻射變化規律與其主要影響元素的密度、電弧長度、電 弧溫度等影響因素密切相關，因此，可以通過分析不同譜段光譜輻射的變化規 律，實現對MIG焊焊接質量的有效監測。本發明通過分析和比較，選取了 230 ~ 300nm、 370 ~ 450nm、 570 ~ 590nm、 800 ~ 830nm四個譜段作為光譜輻射的特征譜 段。特征譜段選定后，本發明通過光電轉換器傳感焊接過程中特征譜段的電弧 光譜輻射特征信號，采集四個譜段的光譜輻射積分強度，并將積分強度隨焊接 時間變化的響應信號傳輸進計算機，轉換成數字信號。本發明采用的光電轉換器為光纖式微型光譜儀。釆集到計算機的多譜段電弧光譜信號中，蘊含著大量的焊接過程信息。在同一焊接過程中，電弧光譜信號存在著很大的波動(圖6、 7)。焊接過程中的光 譜波動可以由不同的因素引起，如不同形式的熔滴過渡過程、正常焊接過程中 的弧長波動、不同的外界干擾因素等。這些可能造成光譜波動的因素同時存在 于同一焊接過程中，對焊接過程的有效判識造成影響，因此，有必要通過對各 種因素的分析，釆用有效的方法獲取需要的焊接過程信息。研究表明，上述因素引起的光譜波動在信號頻率上存在著差別，表現出信 號頻段的不同。例如焊接過程中的外部干擾因素通常頻率較低，而且只有在頻 率較低、較長存在時間的情況下才能對焊接過程的穩定性和焊接質量造成明顯影響， 一般此頻段在0.5 lHz以下；在焊接過程中由于短路、滴狀過渡等造成 的弧長規律波動引起的光譜波動信號，其頻率在2 5Hz之間；焊接過程中由于 熔滴過渡本身引起的光譜波動信號則在10Hz以上，為了防止高頻干擾因素的影 響， 一般選取10 40Hz的帶通信號來反映。基于此，本發明釆用FFT數字濾波技術，根據要監測的過程特點，選擇不 同的頻段，對選定頻段的電弧光譜信號進行提取。通過上述頻段濾波，對不同 頻段的光譜信號進行提取分析后，可以獲取相關焊接過程信息的特征信號，實 現對焊接質量的有效判識。具體方法是對10 40Hz頻段的電弧光譜信號進行提取，以獲取熔滴過渡 穩定性相關的特征信號；對2 5Hz頻段的電弧光譜信號進行提取，以獲取焊接 過程中弧長波動的特征信號；對小于0.5Hz頻段的電弧光譜信號進行提取，以 獲取外界干擾因素的特征信號。本發明將在一定譜段和頻段下正常焊接時產生的電弧光譜電信號以定值的 方式存儲在計算機中，作為數學判據。將獲取的焊接過程特征信號與設定的數 學判據進行比較，給出判識結果。如果該焊接過程的特征信號值與數學判據之 間的差值超出正常范圍，就判定該焊接過程為有質量問題。對于不同干擾因素引起的質量問題，體現其表征的相應譜段和特征是不同的。例如近紅外區譜段對弧長波動、氣流量變化、焊道塌陷、焊速變化等干擾 因素具有較好的響應，可見光區譜段對于送絲速度變化、弧壓變化、熔滴過渡 等干擾因素和焊接過程特征具有較好的響應，而紫外區譜段則對爆炸過渡瞬時 的特征響應較好。因此，可以根據以上規律，對焊接過程中外界干擾因素的種 類、發生時間實現有效的判識，從而對焊接質量進行綜合監測和判識。本發明提出的基于電弧多譜段光信息傳感的MIG焊質量監測方法通過分析 MIG焊光譜的分布特征和波動特點，選定了監測特征譜段，對選定譜段的信號進行分析，并利用FFT濾波技術從低頻段信息中有效獲取影響焊接質量的干擾因 素信息，進一步優化了信號品質，從而實現了對焊接質量的實時監測。利用本發明的監測方法，可以實現對如送絲速度變化、弧長變化、氣流量 變化、焊接速度變化、焊件表面狀態、外界氣氛干擾、電弧抖動等多種干擾因 素引起的焊接質量問題的監測。本發明的監測方法具有信號特征明顯、信號品 質好、數學方法簡單、易于實現實時監測、無介入性、信息量豐富、可依據不 同譜段、頻段信號特征進行分類判識的優點。 .


圖1是200 ~ 350nm譜段的MIG焊電弧的光譜分布； 圖2是3S0 650nm譜段的MIG焊電弧的光譜分布； 圖3是650 ~ 750nm譜段的MIG焊電弧的光譜分布； 圖4是750 ~ 1000nm譜段的MIG焊電弧的光譜分布； 圖5是光譜釆集系統示意圖；圖6是同一焊接過程中MIG焊電弧的200 650nm光譜分布及波動特點； 圖7是同一焊接過程中MIG焊電弧的650 1000mn光譜分布及波動特點； 圖8是送絲溫度變化時的原始光譜信號及0. 5Hz低通FFT濾波信號； 圖9是焊接電壓變化時的原始光譜信號及0. 5Hz低通FFT濾波信號； 圖10是側吹風時的原始光譜信號及0. 5Hz低通FFT濾波信號；圖ll是氣流量降低時的原始光譜信號及0. 5Hz低通FFT濾波信號；圖12是焊速變化時的原始光譜信號及2 ~ 5Hz帶通FFT濾波信號；圖13是側吹風時的原始光譜信號及10-40Hz帶通FFT濾波信號；圖14是焊道變寬缺陷對應的特征譜段光譜信號；圖15是焊道表面氣孔對應的特征譜段光譜信號；圖16是焊道存在高度變化時對應的特征譜段光譜信號。注圖8~圖16的光譜信號曲線圖中，F1、F2、 F3、F4分別代表230 - 300nm、370 ~ 450nm、 570 ~ 590nm、 800 ~ 830nm的特征譜段。
具體實施方式
實施例1典型的基于電弧多譜段光信息傳感的MIG焊質量監測方法如圖5所示，焊 接電源為NB-500氣保焊機，釆用平特性匹配等速送絲實現MIG焊接，焊接過程 小車自動行走，純氬保護，焊絲為H08Mn2Si。釆用一個"Y"字形的光纖探頭，以固定的角度和距離釆集焊接過程中電弧 發出的光譜輻射信息，并將輻射信息傳輸進光譜儀，光譜儀通過光柵色散，對 230 ~ 300nm、 370 ~ 450nm、 570 ~ 590nm、 800 ~ 830nm四個特征譜段光譜信號的輻射積分強度進行釆集，得到焊接過程中光譜輻射強度隨時間變化的信號，并 通過CCD實現光電轉換后，將釆集到的光譜數字信號通過高速USB2接口傳輸到計算機中，通過軟件系統將釆集到的多譜段光譜信號顯示出來。釆集到的原始多譜段光譜信號進一步經過FFT軟件濾波，得到其在三個關鍵頻段(0. 5Hz低通濾波頻段、2 ~ 5Hz帶通濾波頻段和10 ~ 40Hz帶通濾波頻段)的光譜信息，其中0.5Hz低通濾波信號是進行外部干擾因素和焊接質量的主要監測頻段，其余兩個頻段作為補充信息頻段。對于提取到的不同頻段光譜信息，將其與正常焊接過程的光譜信號值(相應數學判據)進行對比，如果特征信號值在允許的范圍之外，就可以判定焊接8過程不正常，存在焊接質量問題。對于不同的干擾因素，其特征信號的存在譜 段是不同的，可以據此進行分類判識，給出判識結果。 實施例2在圖8的焊接過程中，由于外界干擾，送絲速度由正常值一增大一回到正常值，在0.5Hz低通濾波的光譜信號中，從不同譜段的中段都可以看到由于送 絲速度增加出現的明顯輻射降低，隨后送絲速度恢復正常后，輻射又回到初始 值。F2、 F3譜段的信噪最好，將其在F2譜段的信號與此條件下的標準輻射值 (15000Counts)對比，可以準確檢測到在10 ~ 25s段出現的外部干擾信號。 實施例3圖9的焊接過程中，焊接電壓在外界干擾下發生變化，發生兩次弧壓下降 (32~28V， 28 - 26V),其對應0. 5Hz低通濾波光譜信號的變化，信噪比最好的 譜段是F2和F3，兩次電壓下降可以分別在14s和24s找到對應的信號特征；將 F2譜段的輻射強度值與標準輻射值(15000Counts)對比，可以準確檢測到在 14s和24s出現的干擾信號。 實施例4圖IO為外界側吹風干擾時的光譜信號，焊接過程中出現兩次短時側吹風干 擾，由于側吹風造成瞬時Ar氣氛的破壞，從O. 5Hz低通濾波的光譜信號中可以 看到，在F4譜段，4.8s和13. 2s出現兩次明顯的"凹陷"信號，而在其它譜段 上基本沒有反映。將F4譜段的輻射信號與此條件下的標準輻射值(250 ~ 300Coimts)對比，可以將干擾信號準確檢出。此干擾因素的特征譜段為F4，與 圖8、圖9不同，可以據此進行分類判識。實施例5圖ll為外界干擾因素引起氣流量減小時，光譜信號的變化圖。兩次氣流量 的變化，第一次由16L/min波動減少到10L/min,第二次由10L/min短時減少到 5L/min。從0. 5Hz低通濾波的光譜信號中，可以看到在F4譜段(3s處)出現了輻射波動下降，對應第一次氣流量變化；16s處發生第二次輻射降低，對應第二 次氣流量變化。將輻射值與標準輻射值(250 300Counts)對比，可以將干擾 信號準確檢出。 實施例6對于焊接過程，監測外部干擾因素非常重要，但有時需要得到更多的焊接 過程信息，以更好地對焊接質量進行控制。圖12給出的是焊接過程中由于焊接 速度變化時，其在2~5Hz的光譜信號。通過圖12可以看出，在焊接過程正常 和其他參數不變的情況下，焊速變化雖然沒有帶來明顯的干擾信息和焊接質量 問題，但其帶來的弧長的波動增加可以在對應譜段上明顯看出。將其輻射值的 標準差作為判識依據。實施例7圖13給出了側吹風干擾時，在10~40Hz頻段的濾波信號。此頻段的信號 與熔滴過渡方式和飛濺大小密切相關，從圖13可看出，側吹風干擾引起了電弧 和熔滴過渡的不穩定，在F2、 F3、 F4譜段產生明顯的特征信號，10 40Hz濾波 后的信號品質更好。頻段的信號幅值被用來對焊接過程的飛濺大小和穩定性進 行補充判識。上述實施例2到實施例7主要針對干擾因素和焊接過程狀態對本發明的監 測方法給予了說明，下面在實施例8到實施例10中，將進一步結合焊接質量本 身，對本發明的監測方法給以實證。實施例8圖14為焊接過程中，由于外界因素干擾，造成電流瞬時增加，在焊道中存 在一個明顯的焊道變寬所帶來的焊接質量問題。通過本發明的檢測方法，可以 在0. 5Hz低通濾波的光譜信號中看到存在一個明顯的輻射增強區，其在F4和F3 的特征信號最明顯，將F4譜段與其在此條件下的標準輻射值(8000Coimts)對 比，可以將缺陷準確檢出。實施例9圖15的焊接過程中，在焊道上存在一個焊接表面氣孔缺陷區，通過光譜信 號可以看出，在對應的缺陷段，F3譜段濾波后的光譜信號存在尖峰，出現了明 顯異于正常焊接過程的強輻射，通過其與正常輻射值的對比，可以將其明顯檢 出。上述缺陷是在沒有明顯外界干擾因素下，由焊件表面狀態引起的焊接質量問題，由于其與熔滴過渡的穩定性密切相關，所以通過10 40Hz帶通濾波信號 檢出。實施例10圖16是在焊道中部加墊板情況下，引起焊接質量問題的判識。焊接電弧進 入墊板區間時，弧長減小，移出墊板區間后，弧長增加。在0. 5Hz低通濾波的 光譜信號中，F4譜段可以觀察到進入墊板區間時(3~4s時)，輻射強度逐漸下 降；由于墊板較薄，在12-14s區段，隨著焊接過程進行，發生焊道的塌陷(見 焊道照片圖)，輻射明顯減少，移出墊板區間后，輻射再次增強；將輻射值與標 準輻射值(300Counts)對比，可以將缺陷準確檢出。
權利要求
1. 基于電弧多譜段光信息傳感的MIG焊質量監測方法，該方法包括a)選取特征譜段，在焊接過程中，由光電轉換器采集特征譜段的電弧光譜信號，并將其轉換為電信號；b)對選定頻段的電弧光譜電信號進行提取，以獲取焊接過程信息的特征信號；c)將獲取的特征信號與設定的數學判據進行比較，給出判識結果，實現對焊接質量的有效判識。
2、 根據權利要求1所述的基于電弧多譜段光信息傳感的MIG焊質量監測方 法，其特征是選取23Q~ 300nm、 370 ~ 450nm、 570 ~ 590nm、 800 830nm四個譜 段作為特征譜段。
3、 根據權利要求1所述的基于電弧多譜段光信息傳感的MIG焊質量監測方 法，其特征是釆用光纖式微型光譜儀實現光電轉換。
4、 根據權利要求1所述的基于電弧多譜段光信息傳感的MIG焊質量監測方 法，其特征是通過FFT數字濾波對選定頻段的電弧光譜信號進行提取。
5、 根據權利要求1所述的基于電弧多譜段光信息傳感的MIG焊質量監測方 法，其特征是對10 40Hz頻段的電弧光譜電信號進行提取，以獲取熔滴過渡的 特征信號。
6、 根據權利要求1所述的基于電弧多譜段光信息傳感的MIG焊質量監測方 法，其特征是對2-5Hz頻段的電弧光譜電信號進行提取，以獲舉焊接干擾因素 的特征信號。
7、 根據權利要求1所述的基于電弧多譜段光信息傳感的MIG焊質量監測方 法，其特征是對小于0.5Hz頻段的電弧光譜電信號進行提取，以獲取外界干擾 因素的特征信號。
8、 根據權利要求1所述的基于電弧多譜段光信息傳感的MIG焊質量監測方 法，其特征是一定譜段和頻段下的數學判據為定值。
全文摘要
一種基于電弧多譜段光信息傳感的MIG焊質量監測方法，是利用焊接電弧光譜信息的變化特點，選取四個特征譜段(230～300nm、370～450nm、570～590nm、800～830nm)，采集焊接過程中的特征譜段電弧光譜信號，轉換為電信號，再通過FFT濾波提取特征信號，與設定的數學判據進行比較，以對焊接過程中的干擾因素進行有效判識，實現焊接質量的實時監測。利用本發明的監測方法可以實現對送絲速度變化、弧長變化、氣流量變化、焊接速度變化、焊件表面狀態、外界氣氛干擾、電弧抖動等多種干擾因素及其引起的焊接質量問題的監測。
文檔編號G01N21/67GK101275913SQ200810054439
公開日2008年10月1日 申請日期2008年1月10日 優先權日2008年1月10日
發明者任惠民, 劉富強, 麗 宋, 李志勇, 薛春霞 申請人:中北大學