陶旭阳 何建萍 徐磊

摘要：熔池振荡频率与熔池尺寸具有直接的物理关系，在脉冲电流的激发下，焊接熔池自由表面将会以其自身固有频率振荡。在实验室现有的脉冲微束等离子弧焊接试验系统基础上，设计并搭建焊接电信号实时采集系统，利用LabView软件对采集到的电弧电压信号进行频谱分析，从中提取到了熔池的振荡频率。并设计变量实验，以探讨脉冲频率增加对于熔池振荡频率的影响。结果表明，在其他焊接工艺参数不变的前提下，随着脉冲频率的增加熔池的振荡频率几乎呈线性增加，且熔池振荡频率约为脉冲频率的5倍。

关键词： 熔池振荡; 电弧电压; 频谱分析; LabView

【Abstract】 The oscillating frequency of the molten pool has a direct physical relationship with the size of the molten pool. Under the excitation of the pulse current， the free surface of the welding pool will oscillate at its own natural frequency. The arc voltage can be collected and analyzed by spectrum analysis to obtain the natural oscillation frequency of molten pool. Based on the pulse micro-beam plasma arc welding test system， the arc voltage signal acquisition system is designed and built. The virtual instrument software LabView is used to collect and process the arc voltage signal to obtain the oscillation frequency of the molten pool. The variable experiment is designed to investigate the influence of pulse frequency increase on the natural oscillation frequency of the molten pool. The results show that under the premise of other welding process parameters， the oscillation frequency of the molten pool increases almost linearly with the increase of pulse frequency， and the oscillation frequency of the molten pool is about 5 times of the pulse frequency.

【Key words】   welding pool oscillation; arc voltage; spectrum analysis; LabView

0 引 言

熔池形态与焊接过程中的稳定性及焊缝成形质量具有直接的关系[1-2]，可靠检测并解析脉冲微束等离子弧焊接熔池行为，这对实现焊接过程控制及焊接自动化具有至关重要的意义。

微束等离子弧焊接过程中，熔池的振荡包括熔池固有振荡以及外加激源的诱发振荡[3-9]。由于熔池的固有振荡十分微弱，不易被检测到，因此，本文是通过施加短时脉冲电流作为激发源诱发焊接熔池的振荡，使得熔池表面呈现周期性的波动，提高了熔池振荡的可检测性[9-14]。而熔池的波动导致弧长产生变化，因此，可以从脉冲微束等离子弧焊接过程中采集到的电弧电压信号中提取出熔池振荡的相关信息。本文在实验室已有的焊接实验平台上，设计并构建了焊接电信号实时采集系统。并利用LabView虚拟仪器软件对所采集到的电弧电压信号进行滤波及频谱分析，从而成功提取出熔池的振荡频率。再通过设计变量实验，探讨脉冲频率改变对于熔池振荡频率的影响。熔池振荡频率的成功提取，可以实现对焊接过程的控制，并提高焊件质量和实际生产效率。

1 工艺试验

1.1 试验系统的建立

在实验室现有的微束等离子弧焊接试验平台上，搭建了焊接电信号实时采集系统，其主要的硬件设备如下：电压传感器CHV-100 Vs，泛华恒兴PS MDU-3841采集卡，计算机。PS MDU-3841数据采集模块提供32路18 bit模拟信号输入，采样速率最高可达1.25 Ms/s，因此能够实现数据采集和焊接过程信号统计，试验原理如图1所示。

在上述试验平台上进行试验可实现微束等离子弧焊接电信号的实时采集。对焊接电流以及电弧电压信号进行双通道同步采集时，需将采样率调至20 K以保证信号采集不会失真。

1.2 工艺试验

在已搭建完成的试验平台上进行试验，在本次试验中，使用厚度為0.1 mm的镍基718合金作为焊接母材，且焊接工艺参数见表1。由于电弧在过快的焊接速度下会发生偏移，电弧中心轴线会处于熔池中心的前方，所以，为保证熔池振荡频率的有效提取，焊速不宜过快，这里将焊速设置为4.1 mm/s，可保证信号的传感质量。

2 试验结果及分析

2.1 试验结果

通过已搭建好的试验平台成功采集到在表1焊接工艺参数下进行焊接试验的焊接电信号，如图2所示。

从图2（a）中可以看出，通过试验得到的电弧电压信号波动幅度大且杂乱不堪，这是因为在试验过程中电弧随着熔池自由表面的波动而被不断拉长压缩，导致电弧电压上下波动，这里包含了丰富熔池振荡的信息，但想要从信号中提取出熔池振荡频率，还需要利用LabView对该信号进行处理分析。图2（b）为焊接试验时采集到的焊接电流的波形，信号具有明显的周期性，且该信号周期为0.2 s。从图2（b）中还可以读出，电流信号基值阶段在0.8 A左右，峰值阶段在4.8 A左右，峰值电流的加载时间约为整个周期的30%，这与表1所给的焊接工艺参数基本相符，这表明信号传感质量良好。

3 脉冲频率对于熔池振荡频率的影响

研究表明，熔池的振荡包括熔池固有振荡和外界因素的诱发振荡，由于熔池的固有振荡与熔池的尺寸相关联，在超薄板脉冲微束等离子弧焊接过程中熔池尺寸仅为1～2 mm，这使得熔池的固有振荡过于微弱不易被检测到。因此，施加过短时脉冲电流作为激发源诱发焊接熔池的振荡，从而提高熔池振荡频率的可检测性。而焊接电弧压力会随脉冲电流在基值阶段与峰值阶段不停切换而改变，导致熔池自由表面受到电弧压力冲击产生的振荡的幅度是不同的。当脉冲频率增加时，即基值电流和峰值电流之间的切换频率将加快，这是否会对熔池振荡的频率产生影响，需要进行试验探究。

通过设计变量试验，在表1其他各焊接工艺参数不变的前提下，仅改变焊接电流脉冲频率进行试验，提取出不同脉冲频率下焊接试验熔池振荡的频率。这里选取焊接频率分别为5 Hz、15 Hz、25 Hz以及100 Hz，其他焊接工艺参数均保持不变。

研究后可得，从不同脉冲频率进行脉冲微束等离子弧焊试验电弧电压信号中提取到的熔池振荡频率即如图5所示。

由图5可知，当脉冲频率为15 Hz时提取到焊接熔池的振荡频率为71 Hz;脉冲频率为25 Hz时提取到焊接熔池的振荡频率为123.7 Hz;脉冲频率为100 Hz时提取到焊接熔池的振荡频率为503.5 Hz。可以发现，随着焊接电流脉冲频率的增加，熔池振荡频率也随之增加。这是因为，随着脉冲频率的增加，电弧压力的变化速率也随之增加，由于熔池表面是在脉冲电弧力的激发下产生激振，所以，当电弧压力的变化速率变快时，熔池的振荡频率也将随之增加。为研究镍基718合金脉冲等离子弧焊熔池振荡频率与脉冲频率的关系，将不同脉冲频率下熔池振荡频率制成X-Y图，如图6所示。

4 结束语

（1）通过以LabView为基础所构建的试验系统，实现了镍基718合金超薄板脉冲等离子弧焊接过程电信号的实时采集。

（2）利用LabView对电弧电压信号进行频谱分析，从电弧电压信号中成功提取到了不同脉冲频率下熔池的振荡频率。

（3）在镍基718合金超薄板微束等离子弧焊接过程中，熔池的振荡频率约为脉冲频率的5倍，即fz≈5f。

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