不锈钢焊管的焊接质量监控与管理系统

本文分析了目前不锈钢焊管生产中焊接质量的监控与管理中存在的主要问题，利用虚拟仪器技术开发了一套焊接监测与管理系统。系统能自动采集焊接的电流、电压和速度等信号，并利用现代统计分析法来进一步揭示这些信号与焊接质量之间的关系，为焊接质量的在线监控提供参考依据。另外系统还能以焊管为基本单位，收集焊接生产的其它工艺信息，连同所测信息一起整理并储存到专用数据库中，为生产管理、质量追踪和工艺优化等工作的开展提供了平台。

在石油管道的焊接生产监测领域，现有监测设备仍沿用上世纪60年代产品，采用传统机械指针仪表人工判读方式进行测量，焊接质量一般是通过稳定焊接工艺参数和焊后检验来保证的。由于焊接过程存在大量的随机影响因素，仅通过稳定工艺参数不可能全面保证焊缝质量；焊后检验作为质量保证体系中的一部分虽必不可少，但不具实时性，无法及时发现焊接故障、进行焊接质量的在线监控，有缺陷的焊缝只能返修或报废。长期以来，人们一直在寻求获取更多和更直接的反映焊接状态、焊缝质量或焊接缺陷的途径，实现焊接质量的在线识别、评价和监控。近年来的科技发展为实现这种目标提供了两种途径：其一，通过先进、复杂的传感技术，获取焊接焊缝熔深、熔宽、熔透等信息，推测熔池形状、调节工艺参数，获得合格焊缝；其二，借助于现代信号分析、模式识别、人工神经网络的新成果和计算机的数据处理能力，研究焊接过程中电流、电压以及声、光等信号，提取能够反映焊接过程物理状态变化、导致缺陷或影响接头质量的信号特征，实现缺陷预警、质量分类乃至于焊接质量的闭环控制及工艺的优化。

本系统利用计算机虚拟仪器技术，采用前后台的结构思想和模块化理论，设计成一个高速自动采集和管理系统。自动采集焊接的电流、电压和速度等工艺参数，进行实时处理并绘出与不锈钢焊管位置相对应的焊接电流电压速度曲线图，再连同当时生产的其它工艺参数和管理信息进行存入数据库，并根据现代信号分析方法判定焊接状态。

它不仅能够对当时的生产起到重要的监控作用，而且可以对下一步的探伤工序提供预示和指导作用。同时，对每根不锈钢焊管的工艺参数进行存储，可以监控每个班组的生产情况，对于提高生产效率，降低废品率和质量跟踪都有着非常重要的意义。最为重要的是，以此可以对焊接生产数据进行积累、分析，进而实现工艺参数的优化，形成计算机焊接专家系统。这不仅对提高工艺水平和不锈钢焊管质量有着非常重大的作用，而且对提高整个工厂的竞争力也存在着巨大的意义。

1采集硬件的选择及系统构成

虚拟仪器是从智能仪器、PC仪器基础上发展起来的第三代仪器，其最主要的特点是它的灵活性，用户可以根据自己的要求利用软件对仪器的功能进行修改和扩展，其次，它主要使用软件来做仪器，并且这些软件在虚拟仪器平台上可以由用户编写。因此虚拟仪器具有很强的生命力。利用虚拟仪器技术设计的测试装置包括软件和硬件两方面。硬件部分要采用合适的信号传感器，保证能获得真实准确的信号；软件部分则包括信号测试的基本算法和纠正误差算法、友好的人机界面等。

1.1传感器的选择

准确测试的基础是选用先进的传感器，传感器应能最大限度地保持信号的真实性，有较宽的测试范围。LEM霍尔传感器基于电磁霍尔效应原理制成，传感器电路与原来电路没有电的联系，使传感器的接入对原来的电路的影响能降到最小，同时又具有较快的动态响应和较高的精度，不论是交流信号还是直流信号，电流信号还是电压信号，LEM霍尔传感器都能测量，因此近年来使用越来越多。再者LEM传感器对待测量信号源与传感器已经进行了隔离，因此能很方便地同时对同一电路进行多点测试。基于考虑到以上，该系统选用LEM霍尔传感。

1.2采集卡的选择

计算机数据采集速度和数据字长直接影响着所测电参数的精度。在以往的电焊机测试仪器开发中，由于当时硬件水平的限制，计算机数据采集速度一般都很低，有的采集频率仅200hz。由于电焊机本身信号频率都已经大于这一频率，加之信号波形畸变，存在更高频率，由此采集到的信号真实性肯定不好；计算机采集数据长度也影响着测量精度，若采用12位字长的采集卡参数测量不确定度为0.4%，若采用14位或16位字长的采集卡参数测量不确定度将降为0.02%和0.0015%，可见测量准确度已经大大提高，基本能保证测量精度要求。本文选取的是北京阿尔泰公司的PCI2306高速数据采集卡，该卡是一种基于PCI总线的数据采集卡，可直接插在IBM-PC/AT或与之兼容的计算机内的任一PCI插槽中，非常适用于工业生产过程监控系统。PCI2306板上装有12Bit分辨率的A/D转换器和D/A转换器。为用户提供了8双/16单的模拟输入通道和4路模拟输出通道。

1.3系统的构架

图1给出了所开发的焊接测试系统硬件组成，系统由8路信号采样和带有a/d采集卡的pc机组成。其中包括4路初级电流，4路初级电压和1路焊接速度。数据采集卡采集频率高达100khz,字长为12位，即使8个通道同时采样，每个通道的采集频率也能达到12.5khz，完全能满足所适用的电焊机测量要求。

1.4系统界面———仪器面板

系统利用虚拟仪器的仪器面板集成技术，把复杂的操作隐含在友好的面板背面，使枯燥的测量数据通过图文并茂的方式提供给用户，大大方便用户使用。图2为系统仪器面板-主界面，所有操作几乎都在这一界面下进行，不同的操作有不同的仪器面板-子界面。系统主要功能包括信号采集、数据处理、数据查询、参数设定、数据保存、表格打印、波形输出等几大部分。这些操作通过仪表面板上的操作按钮随时切换，系统自动转换工作界面。信号采样时操作者可以监视信号采样过程，判断采样是否正常，采集到足够的数据后测试结果以数字形式在仪器面板下部给出，并可随时进行分析、存储和打印分析结果。调用存盘文件时，可根据数据保存方式选择不同的打开方式，在文件打开时也能显示相应的信号数据分析结果。

2测试参数与信号分析

2.1测试参数的选取

在焊接过程中产生电弧电压和电流等电信号，以及伴随的声、光、磁、热等信号，直接影响电弧稳定。这些信号与熔滴过渡行为、熔池几何形状等有着密切的关系，反映了焊接稳定性与焊接质量，并间接反应了不锈钢焊管的质量。

由于电弧电压与电流的物理意义较明确，采集方便，具有周期短、频率高、信号频率幅值变化剧烈等特点，且与焊接状态密切相关，因此成为最常用的源信号。本文便是选取电流、电压和送丝速度作为监控测试的对象。

在埋弧焊接中，电弧电流与电弧电压为由长时低频成分和短时高频成分组成的时变非常迅速的非平稳信号，通过检测这些非平稳信号的突变处的奇异点，能够提取重要的特征。图3便是检测到的电压和电流的实时波形，图中的曲线的奇异点表示焊接过程中可能出现了瞬时断路现象。

2.2信号的分析方法

由于电弧电压、电流瞬时信号既有随机性，又非常庞杂。因此本文采用统计分析法，提取出焊接状态的评定信息特征。在正常燃弧、焊穿或者是断弧时，其相应电弧的电压和电流具有明显不同的概率分布，为此可根据一定时段内的电流、电压的分布概率值，来区分焊接状态是正常燃弧、焊穿或是断弧。比如当短路峰值电流过大，焊接电流概率密度分布在短路过渡特征信息区的特征显著性变大，表明焊接过程存在大量的瞬时短路。

再者，本文还根据焊接过程中燃弧时间、短路时间、短路周期以及电弧电压、电流信号的均值和标准差等统计数值，等作为特征参数，来分析焊接的稳定性。

3信息管理子系统

随着现代化生产规模的不断扩大，生产效率和产品质量日益受到企业的重视。为了提高产品的稳定性和可靠性，现代化质量管理体系对每个部件产品的质量提出了可记录性和可追溯性的要求。

目前在石油管道的焊接生产监测领域，现有监测设备仍沿用上世纪60年代产品，采用传统机械指针仪表人工判读方式进行测量。生产中最常用的焊接质量检测手段都是离线检测，焊接质量一般是通过稳定焊接工艺参数和焊后检验来保证，焊接质量信息不能及时地反馈到生产环节，自动化程度低，测量不方便，已不适应现代化生产的要求。本文在前面介绍的焊接参数监测系统基础上，研究开发了埋弧焊接质量信息化管理系统。

整个系统的结构如图4所示，该系统除了能够进行实时数据的采集、处理、显示和存储之外，还能具有用户登入管理、设备操作管理、零件信息录入、工艺参数设定、报警阀值设定和焊接状态查询等功能。图5和图6分别为设备管理子界面和焊接工艺参数设定子界面。另外，系统还以单根焊管为基本单位，将以上所有信息进行整理，并自动存入数据库中。借助于该系统，不但能进行焊接质量的实时监控、管理及追踪，而且还为日后的质量统计分析和工艺优化提高了数据源。

4结论

本文分析了目前不锈钢焊管生产中焊接质量的监控与管理中存在的主要问题，利用虚拟仪器技术开发了一套焊接监测与管理系统。系统能自动采集焊接的电流、电压和速度等信号，并利用现代统计分析法来进一步揭示这些信号与焊接质量之间的关系，为焊接质量的在线监控提供参考依据。另外系统还能以焊管为基本单位，收集焊接生产的其它工艺信息，连同所测信息一起整理并储存到专用数据库中，为生产管理、质量追踪和工艺优化等工作的开展提供了平台。该系统已经投入到实际应用中，受到了用户的肯定。从实际使用效果来看，该系统显著提高了焊接质量和产品的合格率，较好地达到了预计的效果。如能对该系统进一步开发，增加对数据的处理方法，比如小波分析法和人工神经网络算法等，或许能够进一步提高检测焊接质量的有效性和准确性。