基于LabVIEW的焊接过程多信息分析平台

郭 勇，李志勇，赵洪志，闫晓成

(中北大学 材料科学与工程学院，山西 太原 030051)

基于LabVIEW的焊接过程多信息分析平台

郭 勇，李志勇，赵洪志，闫晓成

(中北大学 材料科学与工程学院，山西 太原 030051)

基于焊接多信息同步采集系统，采用LabVIEW图形化语言，以熔化极气保焊的焊接电流、电弧电压、电弧光谱为信号源，构建了包括电信号参数设置、电信号数据分析模块、光信号参数设置与自动选择、光信号数据分析的焊接过程多信息分析平台。可实时显示焊接电流波形、电弧电压波形、电弧辐射光谱等；系统还通过数据分析处理得到U-I相图、焊接电流和电弧电压概率密度、短路时间频次图、电弧辐射光强与波长对应图、计算焊接温度的玻尔兹曼图等，通过上述信息分析，检测电弧状态和信息，可用于焊接过程诊断和焊接电弧物理研究等。

LabVIEW；熔化极气体保护焊；多信息分析

0 前言

随着现代焊接技术的发展，人们对焊接电源的性能和焊缝质量提出了越来越高的要求。无论是焊接电源性能还是焊缝质量的评判，都需要对焊接过程中所能够表征焊接电弧物理现象的信息进行分析。

国内外在焊接参数测量和监测方面做了大量的工作，并开发了多种分析仪器。例如美国CRC公司、梅利克公司和LINDE公司，英国O.L.S公司，德国STRUNK公司和汉诺威工业大学，国内的船舶工业总公司、哈尔滨工业大学、黎明机械公司、哈尔滨焊接研究所等均开发了多种参数测量分析仪。国外具有代表性的主要有两种：(1)Mita研制的焊接过程稳定性分析仪[1]，该系统通过多元回归技术统计分析确立了波形参数和电弧稳定性的关系，并建立了一种稳定性指数表达式；(2)德国汉诺威工业大学D.Rehfeldt教授研制的一种焊接过程测试分析仪[2-3]，可实现电弧电压、焊接电流波形的记录和再现，并能进行统计分析。从国内来看，具有代表性的有哈尔滨焊接研究所研制的DHCC-2型焊接参数测量仪[4]。综合对比这几项研究，这几种型号的参数测量仪都存在着一些不完善的地方。Mita研制的焊接过程稳定性分析仪对影响焊接飞溅和成形方面的特征参数分析不够；汉诺威工业大学研制的测试分析仪可测量和分析的特征参数较少，并且对焊接过程稳定性分析不够；DHCC-2型测量仪在人机交互和可视化操作方面有很多不足，使参数以形象的图形输出变得十分困难，且没有对焊接过程及其稳定性进行分析和评价[5-6]。在这些仪器的分析中完全没有涉及焊接过程中电弧光谱信息的分析。

为克服上述不足，在此开发的基于LabVIEW的焊接信息分析与过程检测平台不仅在电信息分析中给出了熔滴短路过程中特征参数的变化曲线、统计规律，还添加了光谱信息分析，对光强和焊接温度的计算，能够更好地检测焊接过程信息。

1 开发背景

此平台的开发是在基于焊接多信息同步采集系统的基础上开发的。焊接多信息同步采集系统可以实现焊接电流、光弧电压、电弧光谱的同步采集，为后续的数据分析处理提供了可靠的电信息和光信息数据。

1.1 LabVIEW简介

LabVIEW是一种程序开发环境，由美国国家仪器(NI)公司研制开发的，类似于C和BASIC开发环境，但是LabVIEW与其他计算机语言的显著区别是：其他计算机语言都是采用基于文本的语言产生代码，而LabVIEW使用的是图形化编辑语言G编写程序，产生的程序是框图形式[7]。

1.2 电信号的采集

数据采集卡的使用是焊接测试装置的重要环节，采集卡直接决定了计算机数据采集速度和所测电参数的精度。在条件允许的情况下，采用频率较高的采集卡，同时应采用12位字长的采集卡，尽量不用8位字长的采集卡，以保证采集精度。

PCI-1716是一款功能强大的高分辨率多功能PCI数据采集卡。它带有一个250 ks／s16位A／D转换器，1K用于A／D的采样FIFO缓冲器。PCI-1716可以提供16路单端模拟量输入和8路差分模拟量输入，也可组合输入。它带有2个16位D／A输出通道、16路数字量输入／输出通道和10 MHz的16位计数器通道。适用于PC及兼容机，可用于各类电信号的采集、控制和处理电信号输出。

因此，选用台湾研华公司推出的一款工业标准的经济型数据采集卡PCI-1716。将实验过程中采集的电压和电流信号以数字形式储存于某一特定.txt文档中，以备实验数据分析和检测。

由于采集卡对信号的幅值有着严格的要求，为保障采集卡安全采集数据信息，实验室自制了电压传感器、电流传感器。电压、电流传感器实物如图1、图2所示。

图1 电压传感器

图2 电流传感器

电压、电流传感器的主要部分均为北京科海模块，分别利用电磁感应中磁补偿原理和霍尔效应原理将得到的电压、电流信号转化为电压值输入采集卡，其输入电压0～5 V，并通过限幅电路保证采集卡安全工作。

1.3 光信号的采集

光信号是焊接过程的重要物理信息源。因此，对焊接过程中的光信号进行了同步采集，在采集电信号的同时给光谱仪一个采集触发信号，光谱仪收到触发信号后，开始采集焊接过程中产生的光。在光信号采集过程中，采用荷兰Advantes的Avaspec-2048FT-2光纤式数字光谱仪，它基于avaBench-75光学平台，对称式Czerny-Turner光路设计，分辨率为0.3 nm，数据传输速度1.8 ms，且支持模拟信号的输入输出，可以实现8个特征谱段积分强度的同步采集，便于信号的融合和特征信号的提取。光谱仪及其自带程序界面中显示的光谱如图3所示。

图3 光谱仪及其操作界面

2 焊接过程多信息分析程序

2.1 电信号的分析程序

整个电信号分析程序流程、程序界面和程序框图如图4所示。

2.1.1 电压、电流同步显示模块

为了直观、方便地观察焊接过程中电压、电流的同步变化情况，可以将采集的数据转换为图表形式进行分析和观察。图5为焊接过程中采集到的焊接电压、电流的同步显示窗口。该窗口具有可以进行整体或者局部放大和缩小的功能。

2.1.2 电压、电流概率分布图

电压、电流概率分布是研究焊接过程的重要物理量。图6、图7分别给出了焊接过程中电流与电压概率分布的模块窗口。

2.1.3 U-I相图模块

U-I相图即瞬时电压与电流之间的关系，如图8中相点的分布密度可以提取相关的焊接过程特征信息，这也是目前弧焊分析系统提取焊接过程特征信息的主要途径之一[8]。

图4 电信号采集程序

图5 电压、电流的同步显示窗口

2.1.4 短路时间与频次的计算

对于焊接过程中短路频次的检测，采用设定某一个值作为短路电压的临界值，当电压小于临界值时认为这个时刻短路。这样，短路发生与结束时就会产生布尔函数的变化，再根据布尔函数值的变化次数，得到采集焊接时间内短路的次数，计算出短路频次。通过概率统计后而得出短路次数和概率的分布图。短路时间与短路次数分布显示界面如图9所示。

图6 电流概率分布窗口

图7 电压概率分布窗口

图8 U-I相图显示窗口

图9 短路时间与短路次数

2.2 光信号分析部分

光信号分析程序的整体程序流程与界面如图10所示。

焊接电弧的温度是焊接电弧物理研究的重要物理量。本程序采用玻尔兹曼图法来计算焊接电弧的温度。

图10 光信号分析程序

2.2.1 光谱元素的选择

在运行程序前，首先确定计算采用的光谱元素，为方便计算、减少在查找NIST库中元素对应值时出现的错误，在程序中设置了光谱元素选择模块。图11为程序中光谱元素选择模块的界面，若选择界面没有所要分析的光谱元素，只需要把此元素及其对应值添加入数据库，即可运行该程序。

图11 元素选择模块界面

2.2.2 连续光强的计算

焊接过程中，某一光谱的辐射强度是光信号分析过程中的重要物理量。谱线强度的计算有两种方法：一种方法是在其0.5 nm内读取极大值；另一种方法是在其0.5 nm内，前后各取两个点，即共五个点，计算这五个点下的面积积分值，就是该谱线的光强[9]。连续采集到的谱线波长与光强对应界面如图12所示。

图12 波长与光强对应界面

2.2.3 计算温度

程序中温度是利用玻尔兹曼图法来计算的，然而玻尔兹曼图法在谱线能差较小时会有很大的误差[10]，这就需要在程序中有一个谱线选择的过程。忽略γmn小于某个值的点，以免影响温度的计算。

3 结论

通过LabVIEW软件开发的焊接过程多信息分析平台，能够得到GMAW焊接过程的电压、电流的概率分布统计、短路频次、短路时间概率分布与辐射光强、焊接温度的计算，与传统的对电信号进行分析的平台相比，能够更加准确地获取焊接过程电弧稳定性、熔滴过渡频率的特征信息。该平台可持续开发性强，通过开发与完善，可在焊接过程检测方面得到应用。

图13 拟合的玻尔兹曼图显示界面

[1] Mita T，Sakabe.A quantititive estimates of arc stability for CO2gas shielded arc welding[J].Welding Internation，1988，2(2)：105-109.

[2] RehfeldtD，SchmitzT.ProcessmonitoringOnshort-arc-welding[A].Proceedingsof2ndEuropeanConference on Joining Technology[C].Florence，1994：931-943.

[3]张晓园，张军红，黄石生.实时监测焊接过程的新型分析仪介绍-Analyzer Hannover AH XII[A].第八次全国焊接会议论文集[C].北京：机械工业出版社，1997：439-441.

[4]侯天奎.DHCC-2型焊接参数测量仪的研制[A].第八次全国焊接会议论文集[C].北京：机械工业出版社，1997.

[5] Yu Jianrong，Jiang Lipei.Synthetically quantitative evaluation function of characteristic parameters for real-time control on CO2arc welding process[J].China Welding，2001，10(1)：19-26.

[6]俞建荣，蒋力培，孙振国.基于特征参数的CO2弧焊电源的实时监测与评价[J].电工技术学报，2001，10(5)：73-76.

[7]张 桐.精通LabVIEW程序设计[M].北京：电子工业出版社，2008：1-10.

[8]万 文，熊振宇.基于LabVIEW的焊接过程分析系统软件设计[J].电焊机，2010，40(3)：43-45.

[9]李志勇，王 宝，李 桓.不同参数钢和铝TIG焊电弧光谱辐射分析[J].焊接学报，2008，5(5)：49-56.

[10]过增元，赵文华.电弧和热等离子体[M].北京：科学出版社，1986：260-27.

Study on analysis platform with multi-signal information of welding process based LabVIEW

GUO Yong，LI Zhi-yong，ZHAO Hong-zhi，YAN Xiao-cheng
(School of Material Science and Engineering，North University of China，Taiyuan 030051，China)

Based on a synchronization multi-signal collecting system of arc welding，LabVIEW is used to develop a multi-signal software，which can analyze the electrical signal and optical signal of welding process with the application of welding current，arc voltage and spectra of arc radiation for gas metal arc welding(GMAW).The system can display the welding current waveform，the arc voltage waveform and the spectra of arc radiation timely.Furthermore，through analyzing of the collected data，it was acquired the UI phase diagram，probability density distribution of the welding current and arc voltage，frequency of short-circuit period verse time，the arc radiation intensity verse wavelength，the Boltzmann figure for temperature calculation，etc.With the application of the information related to arc state，the software can be used for diagnosis of arc welding process and arc physics exploration.

LabVIEW；gas metal arc welding；multi-signal analysis

TG409

A

1001-2303(2012)04-0018-05

2011-06-17

山西省青年科学基金资助项目(2006021027)

郭 勇(1986—)，男，河北沧州人，在读硕士，主要从事焊接过程信息采集与过程检测方面的研究工作。