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由脉冲金属焊条惰性气体保护焊中的电弧声音和温度信号对金属沉积预测

Kamal Pal amp; Sandip Bhattacharya amp; Surjya K. Pal

收到：2009年1月9日/接受：2009年4月2日 /网上公布：2009年5月5日

斯普林格出版社伦敦有限公司2009年版

摘 要

焊接熔敷效率是一个重要的经济要素，如气体保护金属极电弧焊的生产率和焊接质量。在气体保护金属极电弧焊中，电弧声信号和电弧的稳定性（或沉积效率）有很强的相关性。在本次工作中，对脉冲金属惰性气体焊接的不同脉冲参数的焊接沉积效率的变化进行了研究。在时域和频域对电弧声信号与电流、电压信号进行采集和分析。发现声音信号的峰度、电弧功率与焊接过程稳定性高度相关。焊接熔敷效率也与焊接表面的峰值温度有关。最后，尝试对声音信号的时频特征与沉积效率的关系进行分析。快速傅立叶变换分析证明了脉冲形状与占空比的变化也影响了沉积效率。

关键词：P-MIGW；电弧稳定性；沉积效率；电弧声音

介绍

脉冲气体金属电弧焊接（P-GMAW）常被用来改善焊缝质量以及提升在金属薄板行业的生产率。它是一个恒定电流焊接的变化，包括焊接电流在特定的脉冲频率从高到低的循环。被用来实现在低平均电流下稳定的喷雾传输。在脉冲熔化极气体保护焊中矩形脉冲的主要参数是峰值电压（VP），背景电压（VB），脉冲持续时间（TP）、脉冲频率（FP）。脉动降低总的热输入和飞溅。峰值电流主要是实现良好的焊接，而背景电流被设置到足够的水平，以保持稳定的电弧。选择适当的P-GMAW脉冲参数，可以显著改善焊接连接强度以及焊缝组织。

生产行业经常因电弧稳定性差而导致焊接质量问题。GMAW焊接过程的稳定性，即电弧稳定性和金属转移行为影响焊缝熔敷效率（eta;_d）。它表明了有用的电极材料在焊接的百分比，可以通过减少飞溅损失和由于蒸发金属损失提高百分比。电弧稳定性差或不规则的金属转移导致大量的飞溅,影响焊缝质量和焊缝沉积。P-GMAW各种脉冲参数变化的影响电弧长度变化，焊接过程中的稳定性深受电弧长度的变化影响。液滴分离与振荡行为有关,同时也受脉冲参数的影响。如果脉冲级是不够，相应的脉冲下液滴可能不分离，金属转移可能会变得不稳定。

当短路频率等于短路气体金属电弧焊焊接池的振荡频率，可以实现焊接过程稳定,没有任何飞溅。它在脉冲熔化极气体保护焊中更加难以实现。在P-GMAW一脉一滴的(ODPP)条件下的液滴直径接近电极线时，可获得一个稳定的电弧。这可以通过电磁力与脉冲电流小于过渡电流下液滴向下的动能适当相位匹配而实现。米兰达等人也开发了一种控制系统能够自动调整脉冲参数，从而实现稳定ODPP金属转移。Palani和Murugan综述了脉冲参数的各个方面，以及其为获得高质量的焊缝的选择。在P-GMAW中选择的脉冲参数的最佳范围的主要标准是熔化速度、液滴脱离、电弧稳定。很多不可控的因素,如污染和环境条件影响熔化极气体保护焊。因此,实时监控和控制熔化极气体保护焊需要克服在现代自动化焊接环境中耗时昂贵的离线检测的缺点。各种智能建模、分析和仿真技术,如软计算工具,有限元方法和热模型被用来监视熔化极气体保护焊。还有各种数学和软计算模型来优化GMAW的焊接质量和生产率。但实际工艺参数是动态变化的。因此,各种先进的(即可靠、非接触、无损)在线传感器被开发。这些传感器可以用来获得工艺参数的实际值，作为优化模型的输入提高可预测性,实时监控、优化和控制能力。

目前使用的最可靠、简单和具竞争性的传感器是电流和电压传感器。已使用这些传感器统计的时频域特性数据与智能模型来监控电弧稳定。这些传感器信号也被用于各种混合的软计算工具来提高在脉冲金属惰性气体焊接(P-MIGW)的监测能力。但是这两个电弧传感器不足以完全描述实时的焊接质量。因此,目视检查,人工视觉传感、红外传感、射线检测等也被应用。红外传感器是用于监测焊缝中心线温度和在电弧焊焊接的穿透深度。但是很难把握动态焊接特点,特别是在温度很高、易飞溅、有烟雾的电弧附近。电声学和超声波传感可以用来克服这些困难。因此,麦克风信号可能有用完全描述电弧特性和金属转移行为。

在GMAW产生的声波与电弧的状态、熔融焊缝池、金属液滴传输模式相关。Erdmann-Jesnitzer、Jolly等证实在熔化极气体保护焊中声波的相关性。Arata等试图分别在持续MIGW、CO₂电弧焊、脉冲钨极惰性气体保护焊(TIG)中关联焊接声音与各种工艺参数。Drouet等开发了一个用声压表监测弧长的技术。Mansoor等将在熔化极气体保护焊中同一现象的时频分析与金属过渡模式联系在一起。Grad等使用各种统计参数评估电弧焊接过程稳定性，获得声音信号,建立了理论和实验为基础的电弧声信号来监控工业环境中熔化极气体保护焊。Fan等得出的结论是二氧化碳焊接电弧声能量和飞溅损失成比例。Deuster，Mayer, Wang等人提出了在埋弧焊声发射监测系统。Futamata等用转移弧等离子弧焊(PAW) 分析了等离子体喷射的声音。Saad等使用良好焊接声音的功率谱密度与人工神经网络(ANN) 从钥匙孔模式确定了在变量极性PAW中切削模式。

在工业环境中, 背景噪声可能阻碍获取电弧声信号。但这些问题可能适当的克服和声学监测技术可能比其他技术好。Ogawa等发现CO2弧焊焊穿条件只能由电弧声音检测确认。Luksa关联在熔化极气体保护焊排放的声音与在各种金属过渡模式的弧电路中注册过的信号。Čudina等提出了两种类型的噪声产生机制,即声音脉冲由于灭弧和点弧的声音、由于在熔化极气体保护焊短路中金属过渡的扰动噪声。Lou等使用频域和小波分析对在锁眼和ANN传导激光焊接中的焊接缺陷进行分类。Tam等依靠专业焊工对声谱特征的经验提出了心理声学的实验来更好地理解焊接声音特征。Poopat、Warinsiriruk等人使用时频特性识别在金属熔化极气体保护焊中的熔滴过渡形态和缺陷。Lin用ANN模型的弧焊声音来预测焊缝的几何形状和飞溅的程度。

在GMAW中电弧声信号和电弧稳定性(或焊接质量)之间有一种紧密的关系,特别是在二氧化碳焊接和短路熔化极气体保护焊中。在本次研究中,焊接电弧声音是用来预测在P-MIGW中焊缝的沉积效率。最初在连续焊和P-MIGW之间比较焊缝沉积效率。然后, 研究在各脉冲电压参数下焊缝沉积效率的变化。将获得焊接声音信号在时域和频域分析。研究焊缝沉积效率与不同电弧声信号时域统计值的关系，时域统计值如均方根(RMS)、平均值、标准偏差、峰值。发现声音信号的峰值、电弧功率与沉积效率有紧密的关联。焊缝表面最高温度也与焊接沉积效率有关。最后, 在时域以及频域研究沉积效率与电弧声音的关系。

图1 实验装置示意图

实验步骤

在本次研究中, 使用FRONIOUS的恒压P-MIGW机。电源和控制单元分别为FRONIUS 500 TRANSARC VR131类型。实验使用7.5毫米厚度的低碳软钢板，用铜低碳钢作为填充焊丝(ESAB, 线S-6, 直径1.2-mm)，选用板上堆焊的方法。焊丝由四辊驱动系统填入的焊枪。有四个传感器,即电流传感器(采用霍尔电流传感器LEM，模型LT 500S),电压传感器,声音传感器,红外高温计。实验装置的示意图如图1所示。的测量电压在输入数据采集卡之前调到在1:11下。如图所示，连接的前置放大器(2669L)的麦克风(B amp; K,4189)和调节放大器(Nexus 2690,结合灵敏度:2690 mV / Pa) 定位在距离焊炬1米的位置。红外高温计(Omegascope OS523-3)主要采集在距离弧20毫米板表面的温度。分别在40 kHz的采样频率(对电流、电压、和声音信号)和10赫兹(高温计)下，使用两个数据采集卡(国家仪器,usb - 6210)、两个英特尔奔腾、使用4台电脑上LabVIEW数据采集界面采集信号。通过光学发射光谱学分析基板的化学成分 (见表1)。为了更好的可焊性，采用刷和酒精清洗焊接板块。纯氩(99.9%)被用作保护气。分析六个工艺参数:焊接速度和送丝速度(F)以及四个脉冲电压参数(脉冲频率(F)、脉冲准时(tp) 、峰值电压(Vp)和背景电压(Vb))。

表1

首先, 在两个连续的模式以及脉冲MIGW中焊接速度和送丝速度是不同的,电压(26V)保持恒定。电弧稳定性与峰值电流与背景电流之比(Ip / Ib)以及在PMIGW脉冲形状(或占空因数)相关。因此,在第二阶段中,用控制变量法研究三个脉冲参数:电压比率(Vp / Vb),脉冲电压频率(fp)和占空因数(Dp)。电压比率(Vp / Vb)和脉冲电压频率(fp)选取两个不同平均电压 (26和20 V)和两个可接受的送丝速度(6和7和7和8米/分钟) 条件下(表2和图3)。因为选择两个平均电压条件,所以平均电流可能会比过渡电流低一些或高一些 (电流需要球状过渡到喷雾的金属传输模式)。脉冲电压占空因数(Dp)采用不同常量的Vp,Vb,fp(送丝速度的两个值为每个设置的Vp和Vb)。详细的实验过程参数设置(64 nos.)、平均值、均方根值、弧功率(Pm和Prms)、焊接温度峰值(Tp)和电弧声峰值(Sk)如表4和表5所示。

根据焊接金属沉积的理论，焊缝沉积效率(eta;d)用板增强重量的比值表s示。基板和焊接板的重量是由电子天平测量机(A和D有限公司,GF-3000)测量。板增强的重量为最终(Wf)和初(Wi)板重量的差值。沉积效率如下:

eta;d=[(Wf-Wi)/Wd) （1）

使用Eq.2计算理论金属沉积(Wd)。Tw为焊接时间;F是送丝速度和w是单位长度导线重量。沉积效率如表4和5所示。

Wd=[Tw*F*w] （2）

实验结果及讨论

从原始电弧声信号计算各种电弧声信号参数。发现声音峰度(锐利度)与金属转移的稳定性有密切关系。如之前Ghosh等人所发现的，电弧强度影响金属转移行为，电弧功率的均方根(或平均值)表示电弧强度(或稳定性)。因此,焊接沉积效率与声音的峰度、弧的能量相关。焊缝表面峰值温度也用作金属转移行为的指标,因为它是与金属液滴温度、焊接热含量相关在重供能弧条件下,即当P-MIGW的电压从低到高(Vb到Vp) ，观察到一个大的声音弧峰。同样的, 当电压从高到低(Vp到Vb)观察到的一个小的峰值。但这小的声音弧峰不能区别于动荡的金属传输声音,特别是在液滴传输模式或不稳定弧条件，因为有几乎相同的金属液滴转移声音或飞溅的声音。然而,主要声音峰值出现是由于连续MIGW金属过渡,但是他们有不均匀的频率和大小。电弧声压的变化与相应的电压和电流脉冲P-MIGW在图2所示。

表3在P-MIG焊接工艺参数(脉冲)数值(第二组实验)

表4 详细的实验设计矩阵与相应的响应(连续MIG焊接)

表5 详细的实验设计矩阵与相应的响应(脉冲MIG焊)

表5（续）

3.1 工艺参数对金属沉积、电弧、电弧声、焊接温度的影响

在熔化极气体保护焊中电弧声音的峰值指示金属转移行为。在此次工作中, 研究了在常值平均弧电压(26V)的连续焊和P-MIGW下，不同焊接速度和送丝速度对金属沉积、电弧能量、电弧声音和焊接温度的影响。在两种模式下研究电弧功率(也就是Pm, RMS, Pms)、电弧声音峰度(Sk)和焊缝表面峰值温度(Tp)与沉积效率(eta;d)的关系。

3.1.1 焊接速度的影响

焊接速度和电弧功率影响声音和电弧稳定性(或金属转移行为)。降低焊接速度焊接热含量降低。在本次工作, 发现焊接速度影响金属沉积、电弧能量、电弧声音和焊接温度。

连续MIGW电弧焊:随焊接速度增加电弧能量也随之增加(表4)。但焊缝沉积效率没有显著随焊接速度增加而增加(图3)。这可能是由于连续MIGW的不规则金属转移。

在高速焊接时金属转移几乎是均匀较低的球状飞溅，此时为低速焊接不规则金属转移。声音峰度值随焊接速度增加先增加,然后保持不变(表6)。

由于少的热量输入，峰值温度随着焊接速度增加(上升到一定极限)而显著降低(表6)。

P-MIGW：如同连续MIGW，电弧焊接能量随着焊接速度增加而增加(表6)。由于更好的电弧稳定性(或更高的电弧能量;图3a)，焊接速度增加到一定极限时焊缝沉积效率显著增加。由于电弧稳定性更好，P-MIGW的焊缝沉积效率高于连续MIGW。

发现声音峰度值随焊接速度增加而降低到一定程度后,就保持不变(表6)。大量飞溅的声音可能是在较低的焊接速度下高声音峰度的主要原因。此时为稳定金属喷射过渡方式，进一步提高了焊接速度。

图2 在P-MIGW声音峰值与相应的电压和电流脉冲(实验# 10)

图3连续和脉冲MIGW中沉积效率随a焊接速度和b送丝速度的变化

由于球状或液滴的金属过渡方式，在连续MIGW中有更高的声音峰度值。而ODPP和喷雾P-MIGW无法实现。

随焊接速度增加峰值温度显著降低,然后随着焊接速度进一步提高峰值温度几乎保持不变(表6)。

3.1.2 送丝速度的影响

在任何给定的焊接电压保持一个特定的送丝速度，此时熔化速度与送丝速度一样，造成恒定的弧长。因此,送丝速度也会影响金属沉积。弧电源、电弧声和焊接热含量也与送丝速度有关。

连续MIGW：由于在同一电压条件更高的平均电流，电弧能量随送丝速度增加而增加(表7)。

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