窄間隙MAG焊電弧聲行為分析

豐雪，朱冠清，張松磊，周暢

（平頂山平煤機煤礦機械裝備有限公司，河南 平頂山 467100）

在液壓支架千斤頂加工行業中，傳統的千斤頂缸體焊接工藝通常采用大凹槽坡口、多層多道焊接。一方面，制造大凹槽坡口需要時間，需要進行大量的焊接，消耗大量焊接材料，價格昂貴且效率低下。另一方面，熱輸入大并且應力和應變大，熱影響面積大，焊接的機械性能較差。而窄間隙使用狹窄的凹槽以減少焊接材料的消耗。同時，由于焊接期間的熱輸入非常低，因此減少了焊接后的變形和應力，是一種有效的焊接方法。但由于窄間隙焊接中電弧與坡口側壁幾乎平行，造成電弧無法對側壁直接加熱，易出現側壁未熔合缺陷，造成千斤頂在使用過程中的漏液、缸底脫落等，嚴重影響千斤頂的安全。確保側壁熔合的可靠度非常重要，歸根結底是追蹤電弧的位置。當今的電弧跟蹤主要是基于人的看和聽，產品的質量在很大程度上取決于操作人員的技能和責任。因此，提高MAG焊接工藝的自動化程度，降低人為因素的影響尤為重要。本文通過電弧規律分析為側壁熔合電弧作用位置的預警提供一種途徑。

1 窄間隙MAG焊實現原理

圖1顯示了窄間隙MAG焊的焊接原理。

圖1 實現原理

該方法的特征之一是用矩形截面的導電嘴代替常規的圓柱形，焊絲作為熔化極伸入坡口內焊接。電弧在合適的焊接參數范圍內，焊絲的兩側與間隙的側壁之間的Lw距離小于或等于燃燒電弧的長度La。隨著電弧的不斷燃燒，焊絲與坡口側壁和根部之間的距離有規律地變化。送絲機連續不斷地運送焊絲，對側壁加熱的橫向擺動電弧便在間隙之間形成，以這種方式加熱側壁實現其焊接。

2 試驗設置

電弧聲音信號采集系統主要由麥克風，一調整模塊（AWA14603）和采集模塊（PCI-1713）。焊接實驗在德國克魯斯QRH—390—E/Z焊接機器人上進行，QINEO PULSE 600焊接電源。測試板由Q345鋼制成，長600mm，寬200mm，厚25mm。凹槽寬20mm，深12mm，底部倒角半徑約3mm，焊絲直徑1.2mm,焊接參數如表1。

表1

3 結果

3.1 短時加窗處理

電弧信號的產生是一個異常隨機的過程，其特性會隨時間變化。但是，從另一個角度來看，這是一個相對較短的時期，頻譜特性和某些物理特性基本不變，可以將其作為穩準態信號。在這種情況下，電弧的聲信號的處理和分析應該在短時間內進行，常采用“短時加窗”實現。經過幾次嘗試，當幀長為100ms（每幀的采樣容量為4800）時，分析結果基本相同。這點在實施實時在線監控指標時將非常有用。電弧的開始和結束時燃燒的不穩定性，因此不考慮相應的時間信號。圖2顯示了當電弧位于焊道中心時使用矩形窗對電弧聲音的加窗處理情況。可以看出，窄間隙MAG焊垂直焊接時電弧聲音信號在大約100Hz的頻率上表現出周期性的“振鈴”衰減特性。其原因是，電弧的聲音由所造成的基值和峰值之間的電流轉移形成的電弧功率變化引起。當電流從基極變化到峰值時，電弧的功率會非常迅速地變化，從而引發強烈的“振鈴”，幅值維持在±0.5V上下。

圖2 短時電弧聲波形

3.2 功率譜分析

音頻信號的特征之一是，隨著時間的流逝，波形對外部干擾非常敏感，并且反射特性在某種程度上對外界很強。因此，圍繞頻域進行的功率譜分析是電弧聲音頻信號分析的最可靠、最有效的分析方法之一，可用于評估隨時間變化的隨機信號功率的頻率分布。如圖3所示，電弧聲分配距離在0.3～12.0kHz。此外，大部分功率集中在0.3～3.0kHz和9.0～12.0kHz這兩個頻率上，并且有多個共振峰顯示。

圖3 電弧聲功率譜

隨后的實驗表明，不同的電弧側壁距離會相應改變電弧聲信號的頻譜細節。當電弧的側壁接近Δ=1.6mm（圖4a）時，處于0.3～1.5kHz的低頻范圍內。側壁的距離增加到Δ=2.6mm和3.6mm（圖4b和圖4c），電弧的功率離散分化，在9.0～12.0kHz頻率范圍內的功率顯著增加。橫向側壁距離的增加，當Δ=4.6mm（圖4d），其特性與圖3相似。

圖4 電弧-側壁距離對電弧聲功率譜的影響

就像人類的發聲機制一樣，焊接是一個聲音系統，電能的轉換被電弧聲聲源激發。電弧電極和保護氣屏蔽形成的共振腔形成電弧的聲源和聲通道，聲源和聲通道相互作用形成電弧聲，通道的頻率響應將確定其頻譜顯示特性。焊接參數、電弧運動、熔滴運動、熔池形狀和其他影響因素決定了通道電弧聲的頻率。在窄間隙MAG垂直焊接的情況下，如果電弧與側壁之間的距離很短，則電弧會立即被吸引到側壁上，沿著側壁上升并迅速擴展（圖5a）。功率變化很大，但是，聲道型腔增加，并且電弧聲頻的頻率降低。隨著電極和側壁之間距離的增加，電弧在焊縫的兩側移動，電弧形態自然被側壁壓縮（圖5b和圖5c），通道修改的效果顯而易見，電弧聲頻的頻率變大。隨著繼續增加電弧與側壁之間的距離，側壁將減少電壓縮（圖5d）。總的來說，電弧聲音的域頻特性在很大程度上與電弧的位置有關。但鑒于其復雜性和高度模糊性，要發現兩者之間的數學關系并不容易。

圖5

4 結語

窄間隙MAG時域波形表現出周期性的“振鈴”規律，其頻率對應于焊接電源的脈沖頻率；電弧聲的功率范圍是0.3～12.0kHz，并且有兩個集中的頻率（0.3～3.0kHz和9.0～12.0kHz）。隨著電弧與側壁之間的距離逐漸增加，電弧的聲能具有較低的頻率分布，具有“間歇-連續-間歇”特征的。高頻分布出現在側壁距離2.6mm以上，并表現出“連續且間歇”的分布特性。