短周期螺柱焊在線分析系統

包曄峰，廖海龍，2，張金輝，張景璋，楊 可，蔣永鋒

本文參考文獻

短周期螺柱焊在線分析系統

包曄峰1，廖海龍1，2，張金輝1，張景璋1，楊 可1，蔣永鋒1

（1.河海大學機電工程學院，江蘇常州213022；2.華中科技大學武漢國家光電實驗室，湖北武漢430074）

短周期電弧螺柱焊生產效率高，易于實現自動化，廣泛應用于汽車工業。開發了由信號采集單元和分析軟件構成的短周期螺柱焊在線分析系統。信號采集單元包含PIC18F4580單片機、電源、信號調理、外部存儲器和RS485通信等電路，通過焊接狀態判斷、AD采樣、數據存儲和通信等程序，實現焊接電流和電壓采集、存儲和傳輸。分析軟件采用Microsoft Visual Studio C#編寫，操作界面由主窗口、焊接過程分析窗口、熔深閾值設置窗口和報警窗口等構成。DP600鍍鋅鋼板焊接試驗表明，開發的短周期螺柱焊分析系統能實時顯示焊接電流和電壓波形，提取焊接參數特征值，判斷電弧的穩定性，熔深計算值與實測值相吻合，在線檢測結論與外觀目檢、宏觀檢測和扭矩測試的結論一致。系統收集的原始數據可用于分析引起質量問題的具體原因。

螺柱焊；信號采集；數據分析；實時判斷

0 前言

二次大戰前夕，在航母建造過程中，大量的木板需要固定在鋼板上，傳統的方法是在鋼板上先鉆通孔，再用螺栓和螺母固定，這種方法生產效率低、勞動強度大，為趕工期迫切需要尋找新的、高效的固定方法。在此背景下，發明了電弧螺柱焊。電弧螺柱焊無需在鋼板上鉆孔，可以在1～2 s內將螺柱快速焊接到鋼板表面。自電弧螺柱焊發明以來，這種方法得到了快速的發展，已廣泛應用于船舶、汽車、鋼結構、鍋爐等行業[1-2]。目前，電弧螺柱焊可分為儲能式和拉弧式兩大類。儲能式螺柱焊電弧的能量由電容提供，又有接觸式、間隙式和拉弧儲能式等不同的工藝方法。儲能螺柱焊的焊接電流高達數千安培至幾萬安培，焊接時間為數毫秒至十幾毫秒，能量密度非常高，特別適用于薄板的螺柱焊接，已在廚具、電梯、機箱、機柜等行業中得到了運用。拉弧式電弧螺柱焊包括短周期和長周期兩種工藝，長周期的焊接時間在0.1～2.5s可調，焊接時采用專用的瓷環保護電弧空間及熔池的冷卻成型，比較適合厚板的螺柱焊接，已在鋼結構、鍋爐壓力容器、糧食機械中得到了應用。短周期螺柱焊的焊接時間在100 ms以內可調，可利用大電流產生的爆炸效應來保護焊接區域，也可用外加保護氣的方法對電弧和熔池進行保護，一般不用瓷環，易于實現自動化[3]，生產效率高，質量分散性較小，廣泛應用于汽車工業。螺柱焊的質量檢測有目檢、拉伸和彎曲等方法，國內外都制訂了相關的標準[4-7]。拉伸和彎曲等破壞性試驗一般用于生產前的驗證性檢驗，以及生產過程中的抽樣性檢驗，不適合對生產過程的每個焊接螺柱進行檢驗。目檢雖然可以對生產過程中的每個焊接螺柱進行檢驗，但費工費時，檢驗人員必須進行專門的培訓，且具有相應的資質。目檢合格的產品并不一定能通過拉伸和彎曲試驗。在螺柱焊接量大、生產節拍快、質量要求高的場合，非常需要對焊柱焊的質量進行準確的在線分析和判斷。為此，本研究開發了一種短周期螺柱焊在線分析系統，該系統能根據短周期螺柱焊的電流和電壓信號，分析焊接過程的穩定性，計算電弧的能量、鍍鋅層的熔化量和熔深等參數，并能根據設定閾值實時判斷焊接質量。

1 短周期螺柱焊工藝

短周期螺柱焊的焊接過程可分為短路、導弧、主弧和頂鍛四個階段。施焊時，螺柱端頭與工件表面接觸，焊接電源得到開始焊接信號后，輸出幾十安培的電流，同時給焊槍中的電磁鐵加電，螺柱在電磁鐵的作用下離開工件，引燃導弧，導弧燃燒到設定的時間后引燃主弧，主弧熔化螺柱端頭和工件，在螺柱下方形成熔池。當主弧燃燒時間達到設定值時，焊槍中的電磁鐵失電，螺柱在彈簧力的作用下迅速向工件運動，當螺柱端頭接觸到熔池時，電弧熄滅，螺柱繼續在熔池中運動，排開液態金屬，頂鍛熔池底部形成焊縫。

導弧的電流小，能量低，不足以熔化較多的工件和螺柱，但在螺柱與工件之間形成了一個電離的氣體空間，為順利引燃主弧提供條件。另一方面，導弧可使工件表面的油污氣化、氧化物分解，提高焊縫的內部質量。對于鍍鋅板，因鋅的沸點低容易氣化，焊接過程中鋅蒸氣易殘留在熔池中，凝固后形成氣孔，導弧可熔化并氣化鋅層，使鋅逸出電弧空間，減少焊縫中鋅蒸氣孔的產生。研究表明，導弧能量能否完全氣化鋅層是決定焊縫中氣孔數量的關鍵因素[8]。因此，分析導弧電流和電壓信息，判斷導弧是否存在熄弧，計算導弧能量，得出鍍鋅層熔化量，即可監測鍍鋅板螺柱焊氣孔的發生。主弧燃燒時間短是短周期螺柱焊名稱的由來，也是其適合薄板焊接的根本原因，主弧持續時間短、電流大，能量密度高，螺柱端部熔化量較小，不足以形成熔滴，一般沒有熔滴過渡現象。因此，正常的短周期螺柱焊的電流和電壓波形比較平穩，主弧階段的平均電流、平均電壓以及燃弧時間共同決定了熔池的直徑和深度，最終影響焊縫的強度[9]。根據頂鍛時是否有電流，可分為有電頂鍛與無電頂鍛，短周期螺柱焊適用的螺柱直徑較小，熱容量較低，為防止未熔合缺陷，一般均為有電頂鍛。因此，根據主弧電流和電壓信息，分析主弧是否熄弧，計算主弧能量，建立熔深模型，計算工件的熔化深度，即可實時分析焊接質量。

2 短周期螺柱焊在線分析系統構成

短周期螺柱焊在線分析系統由信號采集單元和PC機構成，如圖1所示。信號采集單元與螺柱焊機相連，實時采集焊接電流和電壓信號，進行一定的處理和緩存后，通過通信口上傳至PC機，再由PC機對焊接電流和電壓信號作進一步的分析處理。信號采集單元由PIC18F4580單片機、電源、信號調理、外部存儲器和RS485通信等電路構成。晶閘管可控整流電源的容量大、耐電流沖擊能力強，控制性能好、可靠性高，目前仍是螺柱焊機的主流電源，其電流脈動的周期性為3.3 ms，頻率300 Hz。根據奈奎斯特采樣定律，采樣頻率只要大于有效信號最高頻率的兩倍即可，但為了更好地反映信號細跡，實際應用中一般選取信號最高頻率的5～10倍作為采樣頻率。對于采用晶閘管可控整流電源的螺柱焊，采樣頻率最小應為1.5～3 kHz，PIC18F4580的AD轉換最大速率為100kbps，綜合考慮單片機的AD性能，信號采集單元的采樣頻率取5 kHz。短周期螺柱焊主弧時間在100 ms以內，加上導弧時間和有電頂鍛時間，總的焊接周期在250ms以內；PIC18F4580的AD為12位，一個數據需2 B，因此，一次焊接最大數據采集量約為5 kB，顯然單片機本身的存儲空間不能滿足要求，必須采用外部存儲器解決數據的存儲問題。信號采集單元選25LC1024，這是一種非易失性E2PROM，容量1024kB，有1MB的SPI總線。綜合考慮傳輸速率、傳輸距離、抗干擾等性能，信號采集單元和PC機之間采用RS-485接口通信。

圖1 短周期螺柱焊在線分析系統Fig.1Online analysis system for the SCWS

3 信號采集單元控制軟件設計

控制信號采集單元工作的軟件設計成4個模塊：焊接狀態判斷模塊、AD采樣模塊、數據存儲模塊、通信模塊。焊接狀態判斷模塊用于判斷焊接過程是否開始和結束。AD采樣模塊用于采集焊接電流和電壓信號，AD采樣模塊是否工作由焊接狀態判斷模塊的輸出決定，若焊接狀態判斷模塊判定焊機開始焊接，則啟動AD采樣模塊工作，直到焊接狀態判斷模塊判定焊機已結束焊接，才停止AD采樣模塊工作。數據存儲模塊把內存中的數據保存到外部存儲器，單片機寫外部存儲器的速度較慢，AD采一次數據存一次的方法不可取，為解決外部存儲器數據存儲時間較長的問題，在單片機RAM中設置了A、B兩個大小相等的數據緩沖區，AD采集的數據首先保存到A緩沖區，當A區寫滿后，數據打包后保存到外部存儲器，此后AD采集的數據保存至B緩沖區，在寫滿B區前，A緩沖區的數據全部寫入外部存儲器，B區寫滿后，數據打包后繼續保存到外部存儲器，此后數據重新存入A區，依次交替進行。焊接結束后，通信模塊工作，把外部存儲器中的數據上傳至PC機，通信結束后重新進入待機狀態。由此可見，一次焊接過程的數據采集包含五種狀態間的轉換：待機狀態（Zero）、狀態判斷（State）、AD采樣狀態（AD）、數據存儲狀態（Store）、通信狀態（RS_485）。5種狀態間的轉換關系如圖2所示，AD采樣和狀態判斷、數據存儲和AD采樣間為雙向切換，待機狀態和狀態判斷、數據存儲狀態和數據上傳狀態、數據上傳和待機狀態為單向切換關系。

圖2 數據采集程序狀態轉換關系Fig.2Relationship of different states in data acquisition for welding process

4 短周期螺柱焊分析軟件設計

短周期螺柱焊分析軟件用Microsoft Visual Studio C#編寫，由串口數據接受與預處理、電壓和電流數據分離、波形繪制、顯示調整、波形特征分析、數據存儲和質量評估等程序組成，如圖3所示。操作界面采用Windows風格。

圖4為主界面，由菜單區、波形顯示區、特征值分析區、顯示調整區和串口設置區組成。波形顯示區用于顯示螺柱焊的電流和電壓波形，波形的幅度、寬度、上下和左右位置都可以用顯示調整區的功能按鈕調節。特征數據欄中為顯示區波形的特征值，包括：導弧電流、導弧時間、主弧平均電流、主弧平均電壓、主弧時間和頂鍛時間。串口設置區用于設置串口通信需要的參數，有串口號、波特率、數據位、停止位和通斷開關。菜單區的“隱藏柵格”菜單可以激活或取消波形區的柵格，“工具”欄中包含：導入波形數據、保存波形圖、設置閾值、導入熔深分析等功能。導入波形數據將波形數據導入Excel文件保存；保存波形圖將波形保存成.gif格式的圖形文件，根據工藝需要可用設置閾值按鍵激活熔深設置窗口，修改熔深設置值；導入熔深分析用于激活用熔深判斷焊接質量的功能，該功能激活時，每次焊接結束，系統將對焊接質量進行評價，如果不合格，則彈出不合格提示窗口；清除波形用于清除波形顯示區的波形；測量菜單可以激活或取消波形顯示區的兩個用于測量波形數據的光標，圖4中測量光標已激活，光標所在位置波形的讀數顯示在波形顯示區，光標可用鼠標拉動控制滑塊左右移動。利用該功能可以方便地讀取某一時刻的焊接電流和電壓值，以及兩個光標之間的時間；過程評估用于彈出焊接過程分析界面。

圖3 短周期螺柱焊分析軟件構成Fig.3Diagram of the SCSW analysis software

圖4 短周期電弧螺柱焊的監控軟件主界面Fig.4Main window of the SCSW analysis system

圖5 螺柱焊過程分析界面Fig.5Stud welding process analysis interface

螺柱焊過程分析界面如圖5所示，由焊接參數實測值、輸入參數和計算結果三個區域組成。焊接參數實測值包括：導弧電流、電壓、時間、能量、導弧階段是否有熄弧，主弧電流、電壓、時間、能量、主弧階段是否有熄弧及頂鍛時間。這些參數都是從焊接電流和電壓波形上提取和計算得到的。輸入區有螺柱直徑、端面法蘭直徑、鋅層厚度、導弧加熱系數和主弧加熱系數輸入窗口，需根據焊接螺柱和鋼板的情況輸入相應數據，導弧加熱系數和主弧加熱系數在激活本界面時已預設為0.42和0.65，也可根據實際情況作修改。計算結果區的主弧推薦電流和主弧推薦時間是根據輸入區輸入的螺柱和端頭法蘭直徑由經驗公式計算得到，作為分析實際焊接參數的對比參考。熔化鋅層所需最小能量根據輸入區中鋅層的厚度，由建立的鋅層熔化熱力學模型計算得到。鋅層熔化量由導弧階段實測的能量、導弧加熱系數和熔化鋅所需最小能量，由建立的鋅層熔化模型計算得到。熔化深度由建立的熔深熱力學模型計算得到。焊接過程分析數據可以保存為Excel表格形式，按生成分析報告按鍵，會提示文件名和保存的途徑，確認后數據以Excel表格形式保存。

5 鍍鋅鋼板螺柱焊測試試驗

試驗采用常州市開創焊接技術有限公司生產的ASW850焊機。該焊機額定電流850 A，有短周期和長周期兩種模式，有過載、缺相、焊槍電路短路等保護功能，可靠性高；焊接電流采用恒電流控制，焊接質量一致性好；焊接電流和時間無級可調，參數設置精度高。試驗材料采用DP600汽車用高強鋼板，抗拉強度600 MPa，板厚1.5 mm，表面鍍鋅，鋅層厚度25 μm，焊前清除鋼板表面油污。螺柱材料為08A鋼，表面鍍銅，公稱直徑M6，法蘭直徑7 mm，螺柱長度25 mm。試驗時，首先啟動短周期螺柱焊分析系統，PC機屏幕上將出現如圖4所示的主界面，在主界面的串口設置區設置好串口參數，按連接按鈕打開串口，用工具菜單下的設置閾值菜單激活熔深閾值輸入界面，輸入工件最小熔化深度0.7 mm；激活圖5所示螺柱焊過程分析界面，在參數輸入區輸入螺柱直徑、法蘭直徑、鍍鋅層厚度，這些參數設置好后即可進行焊接試驗。焊接時，信號采集單元自動采集焊接電流和電壓數據，通過緩沖存入外部存儲器中，每次焊接結束，即刻將數據傳輸到PC機，進行波形顯示、特征數據提取、鍍鋅層熔化量和工件熔化深度計算，并與預設的熔深閾值進行比較，若小于閾值，則彈出報警窗口。圖6為試驗過程中監測到焊接質量不合格彈出報警窗口的界面，圖5為與之對應的焊接過程分析報告，在線計算熔深為0.5 mm，小于設定閾值0.7 mm，故判定焊接質量不合格，圖5中報告的導弧和主弧都有熄弧現象，與圖6中波形顯示的情況一致。

圖6 質量不合格報警窗口界面Fig.6Alarm window for suspect welding

圖7a為與圖6對應的焊接試樣外觀，可見焊縫邊緣不均勻、不完整。圖7b為其宏觀剖面照片，焊縫中有較大的氣孔，熔深0.56 mm，與計算結果接近。分析波形認為，焊縫中有較大氣孔與導弧階段有短路熄弧有關，如圖5中顯示的計算結果，導弧熄弧使導弧能量不足以完全氣化鍍鋅層，導致主弧階段仍有很多鋅蒸氣，殘留在焊縫中形成氣孔；熔深較小的原因是主弧階段有短路斷弧，短路時雖然電流不變，但電壓很小，發熱功率變小，且短路時散熱增強，兩方面的作用使鋼板熔化量減少，熔深變小。同組試樣扭矩試驗的斷裂扭矩值為19.8 N·m，斷裂位置在焊接接頭處，根據標準該接頭不合格[10]，與短周期螺柱焊分析系統得出的結論吻合。

短周期螺柱焊分析系統在實時判斷焊接質量的同時，還保存了每次焊接的原始數據，這些原始數據可用于分析引起質量問題的具體原因。圖8列出了4種出現不合格報警的波形，圖8a中先導弧引燃10 ms后就熄滅，主弧沒有引燃，引起這種現象的原因是：焊槍提升量太大，超過了導弧能維持的距離，觸發導弧后，當螺柱端頭與工件間的距離大于導弧能維持的距離時，導弧被拉斷，導致焊接過程終止。圖8b中導弧和主弧都有短路熄弧現象，原因可能是：螺柱壓裝沒有到位，或操作時焊槍把握不穩有抖動。圖8c中導弧有短路熄弧現象，且主弧觸發時螺柱與工件處于短路狀態，實際主弧的燃燒時間小于設定時間，燃弧能量不足以熔化足夠的金屬，產生這種情況的原因是螺柱提升高度太小。圖8d中主弧燃燒過程中電弧電壓有約8 ms的突降，但沒有降到零，可以判斷該處發生了熔滴過渡，熔滴過渡引起的電壓降低也會減小主弧能量，影響焊接質量。

圖7 與圖6 對應的螺柱焊試樣Fig.7Appearance of the welding specimen,which corresponded to figure 6

圖8 四種不合格焊接的波形Fig.8Four kinds of waveforms while bad welds were detected by the SCSW analysis system

6 結論

（1）短周期電弧螺柱焊的主弧電流時間短、能量密度高，適合薄板焊接，生產效率高，質量分散性較小，無需陶瓷環保護，易于實現自動化，廣泛應用于汽車工業。通過在線分析短周期螺柱焊的電流和電壓信號，可實時監控其焊接質量。

（2）短周期螺柱焊分析系統的信號采集單元由PIC18F4580單片機、電源、信號調理、外部存儲器和RS485通信等電路構成，采樣頻率5 kHz，外部存儲器容量1 024 kB。控制軟件由焊接狀態判斷、AD采樣、數據存儲和通信4個模塊構成，根據不同的狀態啟動相應的模塊工作，實現焊接電流和電壓的采集、存儲和傳輸的功能。

（3）短周期螺柱焊在線分析軟件采用Microsoft Visual Studio C#編寫，由主界面、焊接過程分析界面、熔深閾值設置窗口和報警窗口等組成操作界面。實現焊接電流和電壓的波形顯示及測量，導弧電流、導弧時間、主弧平均電流、主弧平均電壓、主弧時間和頂鍛時間等特征值的提取，導弧能量、主弧能量、鋅層熔化量和工件熔深的計算，焊接質量的實時判斷，以及原始數據的保存等。

（4）DP600鍍鋅鋼板試驗表明，短周期螺柱焊分析系統能很好地提取焊接過程的特征值，判斷焊接過程中是否有熄弧現象產生，熔深計算值與實測值一致性較高。在線檢出不合格的試樣，其外觀目檢、宏觀檢測和扭矩測試結果也不合格。保存的原始數據包含信息豐富，可用于分析引起質量問題的具體原因。

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Online analysis system for short-cycle arc stud welding

BAO Yefeng1，LIAO Hailong1，2，ZHANG Jinhui1，ZHANG Jingzhang1，YANG Ke1，JIANG Yongfeng1
（1.School of Mechanical and Electrical Engineering，Hohai University，Changzhou 213022，China；2.Wuhan National Laboratory of Optoelectronics，Huazhong University Of Science And Technology，Wuhan 430074，China）

Due to the high production efficiency and automation applications，Short cycle arc stud welding is widely used in automotive industry.A system composed of signal acquisition unit and analysis software was developed in this paper.The signal acquisition unit consisted of PIC18F4580 and circuits of power supply,signal conditioning，external storage and RS485 communication，and the signals of welding current and voltage were gathered，stored，and transferred by software of the AD sampling，data storage and communication respectively based on the judgment of welding state.The interface of the system was programmed by Microsoft Visual Studio C#，which included the main window，welding process analysis window，penetration threshold settings window and alarm window.DP600 galvanized sheet trial showed that the short cycle arc stud welding analysis system could extract the characteristic values of the welding process，judge the stability of the arc.Penetration calculated by the system coincided well with actual values.Online monitor conclusion agreed well with the results of visual inspection，macro examination and torque test.The data collected by the system could be used to identify the causes of poor quality.

stud welding；signal acquisition；quality monitoring；online judgment

TG409；TG438

A

1001－2303（2017）01－0001-07

10.7512/j.issn.1001-2303.2017.01.01

本文參考文獻

包曄峰，廖海龍，張金輝，等.短周期螺柱焊在線分析系統[J].電焊機，2017，47（1）：1-7.

2016-12-21

包曄峰（1966—），男，江蘇常州人，博士，教授，焊接設備及自動控制和焊接工藝與組織性能的研究工作。