不銹鋼焊管的焊接質量監控與管理系統

本文分析了目前不銹鋼焊管生產中焊接質量的監控與管理中存在的主要問題，利用虛擬儀器技術開發了一套焊接監測與管理系統。系統能自動采集焊接的電流、電壓和速度等信號，并利用現代統計分析法來進一步揭示這些信號與焊接質量之間的關系，為焊接質量的在線監控提供參考依據。另外系統還能以焊管為基本單位，收集焊接生產的其它工藝信息，連同所測信息一起整理并儲存到專用數據庫中，為生產管理、質量追蹤和工藝優化等工作的開展提供了平臺。

在石油管道的焊接生產監測領域，現有監測設備仍沿用上世紀60年代產品，采用傳統機械指針儀表人工判讀方式進行測量，焊接質量一般是通過穩定焊接工藝參數和焊后檢驗來保證的。由于焊接過程存在大量的隨機影響因素，僅通過穩定工藝參數不可能全面保證焊縫質量；焊后檢驗作為質量保證體系中的一部分雖必不可少，但不具實時性，無法及時發現焊接故障、進行焊接質量的在線監控，有缺陷的焊縫只能返修或報廢。長期以來，人們一直在尋求獲取更多和更直接的反映焊接狀態、焊縫質量或焊接缺陷的途徑，實現焊接質量的在線識別、評價和監控。近年來的科技發展為實現這種目標提供了兩種途徑：其一，通過先進、復雜的傳感技術，獲取焊接焊縫熔深、熔寬、熔透等信息，推測熔池形狀、調節工藝參數，獲得合格焊縫；其二，借助于現代信號分析、模式識別、人工神經網絡的新成果和計算機的數據處理能力，研究焊接過程中電流、電壓以及聲、光等信號，提取能夠反映焊接過程物理狀態變化、導致缺陷或影響接頭質量的信號特征，實現缺陷預警、質量分類乃至于焊接質量的閉環控制及工藝的優化。

本系統利用計算機虛擬儀器技術，采用前后臺的結構思想和模塊化理論，設計成一個高速自動采集和管理系統。自動采集焊接的電流、電壓和速度等工藝參數，進行實時處理并繪出與不銹鋼焊管位置相對應的焊接電流電壓速度曲線圖，再連同當時生產的其它工藝參數和管理信息進行存入數據庫，并根據現代信號分析方法判定焊接狀態。

它不僅能夠對當時的生產起到重要的監控作用，而且可以對下一步的探傷工序提供預示和指導作用。同時，對每根不銹鋼焊管的工藝參數進行存儲，可以監控每個班組的生產情況，對于提高生產效率，降低廢品率和質量跟蹤都有著非常重要的意義。最為重要的是，以此可以對焊接生產數據進行積累、分析，進而實現工藝參數的優化，形成計算機焊接專家系統。這不僅對提高工藝水平和不銹鋼焊管質量有著非常重大的作用，而且對提高整個工廠的競爭力也存在著巨大的意義。

1采集硬件的選擇及系統構成

虛擬儀器是從智能儀器、PC儀器基礎上發展起來的第三代儀器，其最主要的特點是它的靈活性，用戶可以根據自己的要求利用軟件對儀器的功能進行修改和擴展，其次，它主要使用軟件來做儀器，并且這些軟件在虛擬儀器平臺上可以由用戶編寫。因此虛擬儀器具有很強的生命力。利用虛擬儀器技術設計的測試裝置包括軟件和硬件兩方面。硬件部分要采用合適的信號傳感器，保證能獲得真實準確的信號；軟件部分則包括信號測試的基本算法和糾正誤差算法、友好的人機界面等。

1.1傳感器的選擇

準確測試的基礎是選用先進的傳感器，傳感器應能最大限度地保持信號的真實性，有較寬的測試范圍。LEM霍爾傳感器基于電磁霍爾效應原理制成，傳感器電路與原來電路沒有電的聯系，使傳感器的接入對原來的電路的影響能降到最小，同時又具有較快的動態響應和較高的精度，不論是交流信號還是直流信號，電流信號還是電壓信號，LEM霍爾傳感器都能測量，因此近年來使用越來越多。再者LEM傳感器對待測量信號源與傳感器已經進行了隔離，因此能很方便地同時對同一電路進行多點測試?；诳紤]到以上，該系統選用LEM霍爾傳感。

1.2采集卡的選擇

計算機數據采集速度和數據字長直接影響著所測電參數的精度。在以往的電焊機測試儀器開發中，由于當時硬件水平的限制，計算機數據采集速度一般都很低，有的采集頻率僅200hz。由于電焊機本身信號頻率都已經大于這一頻率，加之信號波形畸變，存在更高頻率，由此采集到的信號真實性肯定不好；計算機采集數據長度也影響著測量精度，若采用12位字長的采集卡參數測量不確定度為0.4%，若采用14位或16位字長的采集卡參數測量不確定度將降為0.02%和0.0015%，可見測量準確度已經大大提高，基本能保證測量精度要求。本文選取的是北京阿爾泰公司的PCI2306高速數據采集卡，該卡是一種基于PCI總線的數據采集卡，可直接插在IBM-PC/AT或與之兼容的計算機內的任一PCI插槽中，非常適用于工業生產過程監控系統。PCI2306板上裝有12Bit分辨率的A/D轉換器和D/A轉換器。為用戶提供了8雙/16單的模擬輸入通道和4路模擬輸出通道。

1.3系統的構架

圖1給出了所開發的焊接測試系統硬件組成，系統由8路信號采樣和帶有a/d采集卡的pc機組成。其中包括4路初級電流，4路初級電壓和1路焊接速度。數據采集卡采集頻率高達100khz,字長為12位，即使8個通道同時采樣，每個通道的采集頻率也能達到12.5khz，完全能滿足所適用的電焊機測量要求。

1.4系統界面———儀器面板

系統利用虛擬儀器的儀器面板集成技術，把復雜的操作隱含在友好的面板背面，使枯燥的測量數據通過圖文并茂的方式提供給用戶，大大方便用戶使用。圖2為系統儀器面板-主界面，所有操作幾乎都在這一界面下進行，不同的操作有不同的儀器面板-子界面。系統主要功能包括信號采集、數據處理、數據查詢、參數設定、數據保存、表格打印、波形輸出等幾大部分。這些操作通過儀表面板上的操作按鈕隨時切換，系統自動轉換工作界面。信號采樣時操作者可以監視信號采樣過程，判斷采樣是否正常，采集到足夠的數據后測試結果以數字形式在儀器面板下部給出，并可隨時進行分析、存儲和打印分析結果。調用存盤文件時，可根據數據保存方式選擇不同的打開方式，在文件打開時也能顯示相應的信號數據分析結果。

2測試參數與信號分析

2.1測試參數的選取

在焊接過程中產生電弧電壓和電流等電信號，以及伴隨的聲、光、磁、熱等信號，直接影響電弧穩定。這些信號與熔滴過渡行為、熔池幾何形狀等有著密切的關系，反映了焊接穩定性與焊接質量，并間接反應了不銹鋼焊管的質量。

由于電弧電壓與電流的物理意義較明確，采集方便，具有周期短、頻率高、信號頻率幅值變化劇烈等特點，且與焊接狀態密切相關，因此成為最常用的源信號。本文便是選取電流、電壓和送絲速度作為監控測試的對象。

在埋弧焊接中，電弧電流與電弧電壓為由長時低頻成分和短時高頻成分組成的時變非常迅速的非平穩信號，通過檢測這些非平穩信號的突變處的奇異點，能夠提取重要的特征。圖3便是檢測到的電壓和電流的實時波形，圖中的曲線的奇異點表示焊接過程中可能出現了瞬時斷路現象。

2.2信號的分析方法

由于電弧電壓、電流瞬時信號既有隨機性，又非常龐雜。因此本文采用統計分析法，提取出焊接狀態的評定信息特征。在正常燃弧、焊穿或者是斷弧時，其相應電弧的電壓和電流具有明顯不同的概率分布，為此可根據一定時段內的電流、電壓的分布概率值，來區分焊接狀態是正常燃弧、焊穿或是斷弧。比如當短路峰值電流過大，焊接電流概率密度分布在短路過渡特征信息區的特征顯著性變大，表明焊接過程存在大量的瞬時短路。

再者，本文還根據焊接過程中燃弧時間、短路時間、短路周期以及電弧電壓、電流信號的均值和標準差等統計數值，等作為特征參數，來分析焊接的穩定性。

3信息管理子系統

隨著現代化生產規模的不斷擴大，生產效率和產品質量日益受到企業的重視。為了提高產品的穩定性和可靠性，現代化質量管理體系對每個部件產品的質量提出了可記錄性和可追溯性的要求。

目前在石油管道的焊接生產監測領域，現有監測設備仍沿用上世紀60年代產品，采用傳統機械指針儀表人工判讀方式進行測量。生產中最常用的焊接質量檢測手段都是離線檢測，焊接質量一般是通過穩定焊接工藝參數和焊后檢驗來保證，焊接質量信息不能及時地反饋到生產環節，自動化程度低，測量不方便，已不適應現代化生產的要求。本文在前面介紹的焊接參數監測系統基礎上，研究開發了埋弧焊接質量信息化管理系統。

整個系統的結構如圖4所示，該系統除了能夠進行實時數據的采集、處理、顯示和存儲之外，還能具有用戶登入管理、設備操作管理、零件信息錄入、工藝參數設定、報警閥值設定和焊接狀態查詢等功能。圖5和圖6分別為設備管理子界面和焊接工藝參數設定子界面。另外，系統還以單根焊管為基本單位，將以上所有信息進行整理，并自動存入數據庫中。借助于該系統，不但能進行焊接質量的實時監控、管理及追蹤，而且還為日后的質量統計分析和工藝優化提高了數據源。

4結論

本文分析了目前不銹鋼焊管生產中焊接質量的監控與管理中存在的主要問題，利用虛擬儀器技術開發了一套焊接監測與管理系統。系統能自動采集焊接的電流、電壓和速度等信號，并利用現代統計分析法來進一步揭示這些信號與焊接質量之間的關系，為焊接質量的在線監控提供參考依據。另外系統還能以焊管為基本單位，收集焊接生產的其它工藝信息，連同所測信息一起整理并儲存到專用數據庫中，為生產管理、質量追蹤和工藝優化等工作的開展提供了平臺。該系統已經投入到實際應用中，受到了用戶的肯定。從實際使用效果來看，該系統顯著提高了焊接質量和產品的合格率，較好地達到了預計的效果。如能對該系統進一步開發，增加對數據的處理方法，比如小波分析法和人工神經網絡算法等，或許能夠進一步提高檢測焊接質量的有效性和準確性。