-- 作者：wangxinxin
-- 發(fā)布時(shí)間：2010-12-17 10:36:30
-- 新型焊接熱循環(huán)測(cè)試與分析系統(tǒng)的研究
摘要：采用計(jì)算機(jī)軟、硬件技術(shù)和數(shù)據(jù)處理方法，研究和開發(fā)了一種新型焊接熱循環(huán)測(cè)試與分析系統(tǒng)。該系統(tǒng)集焊接熱循環(huán)溫度數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)、處理和分析功能于一體，能夠測(cè)試和計(jì)算焊接熱循環(huán)參數(shù)和焊接冷卻過(guò)程中的相變溫度平臺(tái)等參數(shù)。
關(guān)鍵詞：焊接熱循環(huán)；測(cè)試儀；相變溫度平臺(tái)
焊接熱循環(huán)曲線包含了焊接接頭溫度變化和冷卻相變等重要的焊接冷卻過(guò)程信息，這些信息對(duì)于了解焊接冷卻相變過(guò)程、接頭組織、應(yīng)力變形、提高焊接質(zhì)量都具有重要意義[1]。同時(shí)，焊接熱循環(huán)參數(shù)是分析焊接熱影響區(qū)(HAZ)組織與性能的重要數(shù)據(jù)，也是制定、評(píng)定和優(yōu)化焊接工藝的重要依據(jù)。因此，焊接熱循環(huán)的測(cè)試、計(jì)算和分析具有重要的理論意義和實(shí)際的使用價(jià)值。
測(cè)試焊接熱循環(huán)的傳統(tǒng)方法是使用熱電偶和X-Y函數(shù)記錄儀。該方法實(shí)時(shí)性差、精度低，同時(shí)由于機(jī)械慣性的影響，難以獲得具有明顯冷卻相變過(guò)程特征的熱循環(huán)曲線。另外，使用根據(jù)焊接傳熱學(xué)推導(dǎo)出來(lái)的數(shù)學(xué)模型也可以計(jì)算焊接熱循環(huán)的主要參數(shù)，但這種計(jì)算過(guò)程繁瑣，并且誤差大，很難獲得準(zhǔn)確數(shù)據(jù)。計(jì)算機(jī)軟硬件技術(shù)的飛速發(fā)展為焊接熱循環(huán)測(cè)試提供了新的方法和途徑。本研究把計(jì)算機(jī)軟硬件技術(shù)和數(shù)據(jù)處理方法應(yīng)用于焊接熱循環(huán)測(cè)試與分析系統(tǒng)的開發(fā)，并對(duì)熱循環(huán)參數(shù)的分析計(jì)算進(jìn)行了深入的研究，提出了一種變長(zhǎng)滑動(dòng)窗口算法，用以找出焊接冷卻過(guò)程中的相變發(fā)生點(diǎn)。本系統(tǒng)采用Borland C Builder和MS Access作為開發(fā)工具，該工具提供了友好的人機(jī)界面，具有完備的焊接熱循環(huán)參數(shù)的采集、處理、計(jì)算和分析功能，可以進(jìn)行熱電勢(shì)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、熱循環(huán)曲線繪制、局部曲線放大、一次和二次差分分析、熱循環(huán)參數(shù)數(shù)值計(jì)算等操作，還建立了焊接基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)，滿足對(duì)相關(guān)資料的檢索。
1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案
本系統(tǒng)分為硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)2大部分，系統(tǒng)總體模型如圖1所示。該系統(tǒng)有如下特點(diǎn)：
a. 面向應(yīng)用為主。
本系統(tǒng)從焊接現(xiàn)場(chǎng)采集熱循環(huán)數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)理論分析可以判斷接頭的組織與性能，同時(shí)通過(guò)計(jì)算熱循環(huán)參數(shù)，可以制定、優(yōu)化焊接工藝，從而指導(dǎo)焊接生產(chǎn)。整個(gè)過(guò)程面向應(yīng)用，形成試驗(yàn)→理論研究→生產(chǎn)應(yīng)用→試驗(yàn)的閉合回路。
b.具有開放性和可擴(kuò)充性。
系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集部分具有通用性。只需針對(duì)不同領(lǐng)域設(shè)計(jì)不同的數(shù)據(jù)分析程序接口，則可直接應(yīng)用本系統(tǒng)采集數(shù)字信號(hào)并進(jìn)行相關(guān)分析處理。
1.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
系統(tǒng)硬件部分由焊接設(shè)備、熱電偶、集成放大電路和濾波器件的A/D 接口板、微機(jī)等組成。焊接設(shè)備是焊接熱源的提供者；熱電偶根據(jù)試驗(yàn)精度和溫度范圍進(jìn)行選擇，本系統(tǒng)選擇鎳鉻—鎳硅(K型)熱電偶；放大電路已經(jīng)集成在A/D板上；A/D板選擇12位的A/D ISA插件接口板；微機(jī)采用普通的兼容PC機(jī)，其CPU主頻為433MHz，內(nèi)存大小為64M。
1.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
系統(tǒng)軟件部分包括4大模塊：焊接基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)模塊、焊接熱循環(huán)數(shù)據(jù)采集模塊、焊接熱循環(huán)數(shù)據(jù)處理模塊、焊接熱循環(huán)參數(shù)仿真計(jì)算模塊。系統(tǒng)主界
面及菜單如圖2所示。
焊接基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)模塊由熱電偶、母材類型、母材成分、焊接材料、焊接方法、試驗(yàn)參數(shù)、熱電偶溫度分度等7個(gè)數(shù)據(jù)表組成。系統(tǒng)通過(guò)ODBC接口與數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行連接。該模塊主要功能是對(duì)各個(gè)數(shù)據(jù)表進(jìn)行數(shù)據(jù)錄入、修改、刪除、檢索等操作，獲取相關(guān)焊接信息。
焊接熱循環(huán)數(shù)據(jù)采集模塊的主要功能是將熱電偶的熱電勢(shì)差模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，并存儲(chǔ)到微機(jī)硬盤中。該模塊在運(yùn)行后處于掛起等待服務(wù)狀態(tài)，一旦溫度達(dá)到設(shè)定的自起動(dòng)值，立即發(fā)送控制字起動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換，獲得的熱電勢(shì)數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)濾波、溫度補(bǔ)償后存入數(shù)據(jù)文件，當(dāng)溫度冷卻到自終止值后，數(shù)據(jù)采集程序又處于掛起狀態(tài)，最后在用戶的指令下退出程序。
焊接熱循環(huán)數(shù)據(jù)處理模塊主要完成焊接熱循環(huán)曲線的顯示、熱循環(huán)參數(shù)計(jì)算以及冷卻相變過(guò)程的參數(shù)計(jì)算。它先從數(shù)據(jù)庫(kù)中獲取待分析數(shù)據(jù)的試驗(yàn)參數(shù)和熱電偶的分度表，然后將熱電勢(shì)差通過(guò)查表轉(zhuǎn)換為溫度，根據(jù)需要計(jì)算曲線的一次差分和二次差分，連同熱循環(huán)溫度曲線、差分曲線、數(shù)據(jù)網(wǎng)格坐標(biāo)軸一并繪制，最后計(jì)算t85、相變溫度點(diǎn)、相變溫度時(shí)間等熱循環(huán)參數(shù)，以試驗(yàn)分析報(bào)告的形式給出。
焊接熱循環(huán)參數(shù)仿真計(jì)算模塊主要是根據(jù)用戶輸入的焊接試驗(yàn)參數(shù)，用公式法、線算圖法或人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法計(jì)算焊接熱循環(huán)參數(shù)。在此著重介紹數(shù)據(jù)處理模塊的原理及其在研究焊接冷卻相變過(guò)程中的應(yīng)用實(shí)例。
2 數(shù)據(jù)處理模塊設(shè)計(jì)
2.1 熱循環(huán)曲線差分分析
從理論上說(shuō)，在焊接熱循環(huán)曲線上應(yīng)當(dāng)可以看到焊接冷卻相變發(fā)生點(diǎn)，亦即相變發(fā)生溫度平臺(tái)。因?yàn)樵谶B續(xù)冷卻過(guò)程中，相變導(dǎo)致熱量的變化而在熱循環(huán)曲線上表現(xiàn)為溫度平臺(tái)或曲線斜率變化。但對(duì)于短暫的相變，因?yàn)闊崃康淖兓枯^小和傳統(tǒng)試驗(yàn)儀器的精度限制而使得相變溫度平臺(tái)不明顯。如果對(duì)溫度—時(shí)間曲線T=f(t)進(jìn)行微分運(yùn)算，可以獲得較好的效果。對(duì)于連續(xù)時(shí)間信號(hào)ya(t)差分形式如下:
而對(duì)于離散時(shí)間序列y(n),n，n取值間隔為1，其一階后向差分形式為：
y(n)的二階后向差分形式為：
根據(jù)式(2)和式(3)對(duì)采集的離散的焊接熱循環(huán)溫度數(shù)據(jù)序列進(jìn)行一階和二階差分計(jì)算便可得到dT/dt=f\'(t)和d2T/dt2=fn(t)曲線。
2.2 變長(zhǎng)滑動(dòng)窗口算法計(jì)算相變溫度平臺(tái)
目前關(guān)于焊接熱循環(huán)對(duì)焊縫組織的影響的研究大多是在熱模擬機(jī)上進(jìn)行[3]。在熱模擬機(jī)上，通過(guò)X-Y記錄儀描繪的熱循環(huán)曲線因?yàn)榫�、噪聲、機(jī)械慣性滯后等原因而使溫度平臺(tái)不明顯，有時(shí)甚至根本表現(xiàn)不出來(lái)。采用當(dāng)今的計(jì)算機(jī)軟硬件技術(shù)，不但可以采集到具有足夠精度的焊接冷卻過(guò)程的溫度數(shù)據(jù)，而且通過(guò)分析溫度曲線可以發(fā)現(xiàn)其中隱含的相變信息。
在本系統(tǒng)中，對(duì)由硬件系統(tǒng)測(cè)得的#!%"$$曲線和通過(guò)軟件系統(tǒng)計(jì)算所得的dT/dt=f\'(t)與d2T/dt2=fn(t)曲線，根據(jù)其上的拐點(diǎn)和曲線斜率的變化可以確定焊接冷卻相變過(guò)程。為了深入細(xì)致分析焊接冷卻固態(tài)相變過(guò)程，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)了一種變長(zhǎng)滑動(dòng)窗口算法來(lái)計(jì)算相變溫度平臺(tái)參數(shù)，其原理如圖3所示。
從焊接熱循環(huán)的峰值溫度Tm開始向后逐點(diǎn)比較溫度值，如果有連續(xù)的K(K稱為滑動(dòng)窗口長(zhǎng)度，對(duì)應(yīng)圖中滑動(dòng)窗口的寬度)個(gè)溫度數(shù)據(jù)保持相同或在某一允許范圍內(nèi)(設(shè)這一溫度范圍的閾值為R，對(duì)應(yīng)圖中滑動(dòng)窗口的高度)，則可以初步判斷這K個(gè)數(shù)據(jù)是一個(gè)溫度平臺(tái)。然后繼續(xù)增大K值，直到這K個(gè)數(shù)據(jù)的溫度差超過(guò)閾值R為止，從而確定這個(gè)溫度便是相變溫度Tx，這K個(gè)數(shù)據(jù)所占的時(shí)間長(zhǎng)度便是相變時(shí)間Tx。據(jù)此，在圖3中的TB即為相變溫度，(TE-TS)即為相變時(shí)間(TS為相變開始時(shí)間，TE為相變結(jié)束時(shí)間)。
3 系統(tǒng)測(cè)試試驗(yàn)
為了驗(yàn)證本系統(tǒng)硬件和軟件部分的功能，進(jìn)行了焊接HAZ熱循環(huán)測(cè)試試驗(yàn)。試驗(yàn)選擇250mmX150mmX30mm的15MnMoVN低合金鋼板進(jìn)行平板堆焊，主要試驗(yàn)參數(shù)設(shè)置為：焊接電流170A;焊接電壓27V；焊接速度2.5m/min；采樣頻率10Hz。采用本系統(tǒng)對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，結(jié)果如表1所示，所得熱循環(huán)曲線如圖4、圖5所示
從表1中的計(jì)算結(jié)果可以看出，本系統(tǒng)不但可以準(zhǔn)確計(jì)算出焊接熱循環(huán)的主要參數(shù)，而且可以計(jì)算出相變溫度平臺(tái)的溫度和相變時(shí)間，這對(duì)于研究焊接冷卻相變過(guò)程有著十分重要的意義。
在圖4中，該系統(tǒng)測(cè)得的熱循環(huán)曲線與傳統(tǒng)的X-Y記錄儀測(cè)得的曲線并沒(méi)有明顯的差異，但在圖5中，對(duì)所得曲線用變長(zhǎng)滑動(dòng)窗口算法分析并經(jīng)局部放大后，可以觀察到在焊接冷卻過(guò)程中的中溫階段(即在400℃和340℃時(shí))出現(xiàn)了2個(gè)
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