手工焊焊接速度在线检测技术研究

范 越

河海大学 机电工程学院，江苏 常州 213022

0 前言

焊接线能量是影响焊接接头性能的重要因素。若焊接线能量过大，会导致热影响区范围扩大，焊接接头的塑韧性急剧下降，甚至出现孔洞型缺陷[1-2]；若焊接线能量过小，焊接接头的冷却速度快，易形成淬硬组织，增加冷裂纹倾向。因此，对焊接线能量进行实时检测有利于焊接操作人员设置并调整合适的焊接参数，提高焊接质量。

焊接线能量由焊接电压、焊接电流以及焊接速度三部分组成。其中焊接电压与焊接电流可通过霍尔传感器直接获取，而焊接速度（特别是手工焊接速度）的测量极为困难。通常采用人工测量估算焊接速度，即测量焊道的总长度，记录焊接总时间，二者的比值即为焊接速度，该方法测量误差大、实时性差、费时费力。因此焊接速度的在线检测是焊接线能量检测的关键所在[3-4]。

对于焊接速度检测技术的研究，可分为自动焊过程中速度检测和手工焊接速度检测。目前自动焊主要依靠编码器来测量焊接小车的行走速度或焊接滚轮架的转速。对于手工焊而言，受人工操作的影响在焊枪上装夹速度传感器较为困难，需研制特定的速度传感器进行测速。西安交通大学研制出一种光电式焊接速度传感器[5]，利用光栅尺原理设计了固定长度的刚性调制板，将弧光的行走速度转换为对应的脉冲信号，从而在线计算焊接速度；该技术中调制板的长度固定且为刚性，无法用于检测环缝焊接等弯曲场合下的焊接速度，其通用性和灵活性受到限制[6]。但其利用光电器件记录电弧通过相邻两狭缝的时间，为后续研究设计焊接速度传感器提供了思路。河海大学研究团队提出一种利用光敏器件检测焊接速度的方法，并设计了柔性弧光捕捉机构，针对长直焊缝及规则的环焊缝的手动焊接，能实现焊接速度的在线测量。本文在此基础上改善了机械部分设计，进一步研究并优化了弧光捕捉机构各参数和不同应用场景下弧光捕捉机构的布局，使之能适应于所有的磁性金属的全位置焊接，并且更加可靠灵活。

1 手动焊接速度检测原理

大多数焊接方法都为明弧焊接，故可以通过检测弧光的位置变化来测量焊接速度。文中的光电检测方法的测速原理如图1所示[7-8]。

图1 光电法测速原理Fig.1 Principle of photoelectric velocity measurement

光电检测法以光电管的通断来记录弧光的移动状态，从而计算焊接速度。测速装置由若干弧光捕捉机构组成，且各弧光捕捉机构之间为柔性连接，能够改变形状，使之始终与焊缝平行。如图1所示，焊接过程中当电弧移动到AA'位置时，1号光电管接收弧光并导通，输出脉冲；当电弧位于A'B位置时，弧光受到遮光管的阻挡不会触发任何一个光电器件；当电弧位于BB'位置时，2号光电管接收弧光并导通输出脉冲。随着焊枪的移动，遮光管内的光电器件依次被触发，产生一系列脉冲信号，通过后续处理电路的调理整形后得到一组规则的矩形波，将这一规则的矩形波输入单片机计算，得出实时焊接速度。

2 焊接速度传感器设计

焊接速度传感器的目的是将焊接速度转换为脉冲信号，送入单片机中进行计算，其核心是弧光捕捉机构的设计及各项参数的确定。

2.1 弧光捕捉机构设计

弧光捕捉机构如图2所示，外部结构如图2a所示，链条片之间间隙配合，可以相对转动，使得整个弧光捕捉机构能够根据焊缝的不同而弯曲。环形磁铁可以吸附在磁性工件上，起到快速固定的作用。内部结构如图2b所示，包括遮光管、光敏三极管和滤光片等主要部件。光敏三极管置于灯罩内，安装在遮光管内远离弧光一端，并保证感光部位正对弧光。相邻两种遮光管之间通过连接片等距相连，连接片之间可以相互转动，使得速度传感器具有一定的柔性，在特定平面内达到自由弯曲的效果。

图2 弧光捕捉机构Fig.2 Arc capture mechanism

遮光管的设计主要考虑结构和参数两个方面。在结构设计上为减少散射弧光对装置的影响，避免光敏三极管捕捉到错误的弧光信号，将遮光管内部作发黑处理，并在弧光入口处设置滤光片，避免散射弧光对光电管的误触发。遮光管的参数设计主要包括遮光管孔径、管长、两遮光管之间距离以及遮光管和焊缝之间的距离，这些参数对弧光照射的影响如下：

（1）遮光管长度l的影响。如图3所示，当遮光管长度由l1增加到l2时，弧光对光电管照射的有效范围由A1A1'缩短至A2A2'，脉冲宽度变小，与此同时，脉冲之间的距离变大。

图3 不同长度遮光管的挡光效果Fig.3 Light blocking effect of light shielding tubes with different lengths

（2）遮光管孔径d的影响。依据光学原理分析遮光管孔径对遮光效果的影响，如图4所示，当遮光管的内孔径为d1时，弧光对光电管照射的有效范围是A2A2'；当孔径增大到d2时，弧光对光电管照射的有效范围扩大到A1A1'。故遮光管的孔径越大，所能通过的斜射弧光越多，输出脉冲的宽度就越大，与此同时，两个脉冲之间的距离将会缩小，甚至重叠。

图4 不同孔径遮光管的挡光效果Fig.4 Light blocking effect of light shielding tubes with different aperture

（3）遮光管和焊缝之间的距离w的影响。如图5所示，随着w增大时，脉冲宽度增加、脉冲之间的距离减小，甚至重叠，其影响效果等同于遮光管直径增加。因此，需设计合适的遮光管间距同时满足测量精度及挡光效果，设备工作时也应与待焊工件保持合适的距离。

图5 遮光管与焊缝之间不同距离的挡光效果Fig.5 Light blocking effect of different distance between light shielding pipe and weld

（4）两遮光管之间距离s的影响。由焊接速度检测原理可知，s越小，得到的焊接速度值越准确。但由光学原理可知，s越小，挡光效果越差，光电器件接收到的弧光越多。如图6所示，在斜射弧光相同的情况下，当遮光管之间距离不断减小时，AA'和BB'的长度保持不变，而A'B距离减小，这意味着脉冲宽度不变、脉冲之间的距离减小，当距离过小时，会导致两个脉冲部分重叠。

图6 不同间距遮光管的挡光效果Fig.6 Light blocking effect of light shielding tubes with different spacing

依据上述原理并进行多次测试，最终选定遮光管的管长为70 mm，两端孔径为8.4 mm，中心孔径为5 mm，与待焊工件之间距离为200 mm，两遮光管之间距离为40 mm，调试后发现在误差范围内光敏三极管捕捉的光信号准确，有效降低了斜射弧光的干扰。

2.2 手工焊接速度传感器设计

手工焊接速度传感器包含若干个相同的弧光捕捉机构，每个弧光捕捉机构通过连接片或连接铰链进行组装，以适用不同形状焊缝的检测。常见的组装方式如图7所示（以3个弧光捕捉机构为例）。

图7 不同形状焊缝时弧光捕捉机构的布局Fig.7 Layout of arc light capture mechanism for different shape welds

图7a为平面直焊缝或环焊缝的弧光捕捉机构布局，各遮光管之间通过连接片组装，保证遮光管的轴线垂直于焊缝即可。图7b为平面圆形焊缝或不规则的弧形焊缝的遮光管布局，可以通过连接铰链组装，同时保证遮光管的轴线与焊缝垂直。弧光捕捉机构可以通过磁铁或者吸盘固定在工件上。

3 信号处理系统的硬件设计

3.1 光电转换电路设计原理

光敏三极管集电极的电流大小与入射光的照度呈正比，当弧光逐渐靠近遮光管时，光敏三极管接收到的弧光持续增加，输出的电流也缓慢增大。当弧光正对遮光管时，照射光的强度最大，光敏三极管接收到的弧光最多，输出的电流达到最大值。当弧光逐渐远离遮光管时，其强度逐渐减弱，光敏三极管输出的电流逐渐减小。随着弧光的移动，弧光捕捉机构输出一组缓升缓降的波形，这样的波形不利于单片机进行处理，需设计整形电路将缓升缓降的波形调理成陡升陡降的脉冲波形，单片机通过捕获输入信号的上升沿进行定时，经电路处理后的波形变化如图8所示。

图8 波形变化示意Fig.8 Waveform change diagram

3.2 光电电路设计

由前文分析可知，当弧光运动到对应的遮光管时，仅该处的弧光捕捉机构产生一个脉冲。将所有的弧光捕捉机构在电路上设计为并联，则可将每个弧光捕捉机构的脉冲串联形成一系列的脉冲信号，将这些脉冲信号进行滤波、整形，从而便于单片机的处理与计算。光电转换电路如图9所示。图中C1为滤波电容，可滤去波形中的噪声，特别是针对短路过渡的焊条电弧焊和气保焊，能滤除短路过渡的波形干扰。手工MIG焊时滤波前后的波形如图10所示，采用电容滤波后，可获得图10b所示的脉冲波形。整形电路是LM393组成的开环比较器，将光敏三极管输出的连续波形转变为单片机能识别的开关信号。

图9 光电转换电路Fig.9 Photoelectric conversion circuit

图10 手工MIG焊接时检测波形Fig.10 Detection waveform of manual MIG welding

4 试验结果分析

采用YD-400AT3HV松下直流手工焊机进行SMAW焊接试验，焊接母材为Q235，焊条为E4303 φ2.5 mm，焊接电流140 A，焊接电压27 V，焊缝长度取250 mm。弧光捕捉机构平行置于待焊焊道前10～15 cm。采用相同参数进行4次焊接测试，记录每次焊接所用的总时间，计算出焊接速度的平均值，将其与检测数据的平均值进行对比，验证测量结果的准确性。试验得到的焊接参数如表1所示。可以看出各组焊接速度的平均值相差不大，验证出焊接速度传感器检测稳定，测量结果准确度高。

表1 手动焊接时焊接速度检测数据Table 1 Welding speed test data during manual welding

采用PM5000水冷数字MIG焊机、φ1.2 mm的E5356焊丝，在6063铝板上进行MIG焊接试验。通过焊接小车维持焊接速度3.6 mm/s不变，焊缝长度250 mm，在待焊焊道前10～15 cm平行放置弧光捕捉机构。通过4组试验来验证自动焊接时该设备检测焊接速度的准确性，试验数据如表2所示。可以看出，实测的焊接速度基本维持在3.6 mm/s附近，说明本检测方法具有较高的精度，同时也能适应于自动焊的焊接速度检测。

表2 自动焊接时焊接速度检测数据Table 2 Welding speed test data during automatic welding

5 结论

（1）设计基于光电检测原理的弧光捕捉机构来检测手动焊接速度，具体分析弧光捕捉机构各参数对于检测效果的影响，进一步探讨弧光捕捉机构在不同应用场景下的布局。

（2）通过手工焊接与自动焊接的试验对比，该方法能够精准测量焊接速度的实时数据，从而进行焊接线能量的在线检测，为获得良好的焊接质量提供保障。

（3）由于弧光捕捉机构是通过环形磁铁固定在被焊工件上，所以针对非磁性工件的焊接，可采用加装吸盘等方式实现装置的固定，使该方法更方便灵活。