[管道电弧声发射特征与熔深控制基础实验研究]焊接熔深标准

　　摘要:为满足国际市场竞争的需要、符合我国能源发展战略要求，并拓展声发射应用领域、促进管道焊接新技术发展，本文对管道电弧声发射（AAE, Arc Acoustic Emission）特征信号硬件系统设计方面进行了初步论述。
　　关键词:管道焊接；焊缝熔深控制；电弧声发射
　　
　　近年来，虽然我国的管道行业有了一个快速的发展，但我国具有自主知识产权的管道全位置自动焊机还比较少。管道全位置自动焊接装备在我国管道工程上大规模应用，管道焊接熔深控制成为实现管道打底单面焊双面成型关键技术之一。在实际生产中，熟练焊工往往能根据电弧声辨别熔滴过渡方式、焊接过程稳定性和飞溅大小，这说明电弧声可成为用于焊接质量检测的潜在信息源之一，而管道结构特征为电弧声发射信号在低噪声管内传播创造条件，因此本课题提出管道电弧声发射特征与熔深控制试验研究，为管道焊接熔深智能控制提供新的方法，对管道焊接新技术在实际生产中应用具有一定推动作用。
　　
　　一、管道电弧声发射（AAE, Arc Acoustic Emission）特征信号硬件系统设计；
　　
　　1、管道焊接电弧声发射试验系统示意图
　　2、传声器
　　传声器是声电转换的换能器，通过声波作用到电声元件上产生电压，再转为电能。选用Φ16.5mm的电容式传声器进行电弧声发射信号拾取，传声器的频率响应范围为20～20000Hz，具有超心形指向性，灵敏度89.1mV/Pa（1kHz），信噪比大于60dB，拾音距离范围20～50cm。管外传声器固定在焊枪上，管内传声器的放置由支架完成，并指向电弧，距离电弧中心约50cm。
　　3、信号适配电路
　　信号适配电路原理如图3所示。焊接电流和电弧电压分别采用分流器和分压电阻获取，经运算放大器LM358放大，再经阻抗变换、限幅后进入PCI-1713的模拟通道AI2和AI3。
　　传声器拾取的电弧声发射信号比较微弱，通过LM358提高其分辨率。为了减少噪声影响，考虑到传声器的频率响应范围，采用MAXIM公司的集成芯片MAX274和MAX263设计了通带频率范围为20～20000Hz的带通滤波器。信号经滤波后进入PCI-1713的模拟通道AI2和AI3。
　　4、数据采集卡
　　本系统使用基于PCI总线的32通道模拟量采集控制卡PCI-1713，它采用12位高速A/D转换，采集率可达100KS/s，并在输入和PCI总线之间提供了2500VDC的直流光隔离保护，用于保护PC及外设免受输入线上高压电的损害。PCI-1713使用一个PCI控制器作为采集卡与PCI总线的接口所示。由于它支持PnP（Plug and Play），其基地址及中断都由系统自动配置。
　　
　　二、研究方案
　　
　　1、建立管道焊接电弧声发射（AE, Acoustic Emission）采集试验硬件系统
　　1）管道外正面电弧声发射单通道信号采集系统，用于监测电弧飞溅、干伸长、弧长、熔透和焊接位置等方面的电弧声发射信号特征；
　　2）管道内电弧声发射单通道信号采集系统，用于监测管道内电弧声发射特征，主要监测熔透电弧声发射特征；
　　3）管道壁上安装1个传感器，研究电弧声在管壁中传播特性。
　　2、管道焊接电弧声发射声道形成机理
　　试验是采用内外2个声传感器，测量电弧声发射信号在空气中传播特性；同时在管道壁上安装1个传感器，研究电弧声在管壁中传播特性，信号分析软件用MATLAB。
　　1）电弧声采集传感器安装位置对电弧声信号影响试验，不同相应频率的声信号采集器对电弧声信号采集影响，
　　2）保护气Ar+CO2的混合比例对电弧声影响试验（CO2（5-20%）+Ar（95-80%）混合气体保护焊）
　　3）熔滴过渡形式对电弧声发射影响
　　4）飞溅电弧声发射特征试验
　　5）焊接电流、电压和干伸长对电弧声发射影响
　　6）焊丝成份对电弧声发射影响
　　7）厚壁管坡口尺寸、焊接间隙变化，错边等因素对电弧声发射特征影响；对电弧声发射影响试验
　　8）焊接空间位置对电弧声发射影响
　　9）熔透程度对电弧在熔池前段坡口间隙大小影响试验，因熔透现在还没有在线精确量化手段，将熔透程度分成五个级别：未熔透，稍微熔透，熔透，稍微过熔透，过熔透。对应每种熔透情况，通过图像传感测量熔池前段坡口间隙大小；
　　10）打底焊时熔池前段坡口间隙大小对电弧声幅频特性影响试验，进而找到电弧声幅频特性与熔透关系。
　　由于焊接环境具有强噪声干扰，影响电弧声发射特征信号提取，这也是电弧声发射传感在焊接中应用受到限制原因之一，为此在建立管道焊接电弧声发射采集系统时，采取硬件电磁屏蔽抗干扰技术，降低焊接噪声对AE信号采集影响，在此基础上，再利用独立分量分析（ICA）方法对电弧声发射信号进行降噪处理。
　　
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