[发明专利]一种弧光传感等离子弧焊小孔行为的方法及其装置

说明书

本发明是一种在等离子弧焊焊接过程中实时检测熔池小孔行为的方法及装置，属于金属加工成形技术领域，它涉及对现有技术方法及装置性能的改进与提高。

等离子弧焊利用小孔效应可以实现中厚度金属材料单面一次焊双面良好成形。稳定的小孔形态和尺寸是获得高质量焊接接头的必要条件。因而在实际焊接过程中利用辅助传感装置获取可以真实表征熔池小孔行为的信息，这对于监控等离子弧焊焊接接头质量具有重要意义。

在这方面，国内外的科学家们进行了长期的研究和实践，成功地运用了多种技术方法，并研制出相应的检测设备。其中最具有代表性的有以下几种。

前西德的H.D.Steffens和H.Kayser在1972年№6《焊接杂志》(Welding Journal)的著文，根据形成小孔后透过焊件的等离子焰流的导电性，提出了检测熔池小孔尺寸的方法，并研制了检测装置。其方法是在焊缝背面一定距离上放置一金属测量棒，在焊件与测量棒之间接通220V交流电压，当等离子弧穿透工件形成小孔时，等离子焰流有一定导电性，从而在220V交流电压作用下产生一测量电弧，该电弧电压的大小能反映小孔直径的大小。

英国的J.C.Metcalfe和M.B.C.Quigley在1975年№11《焊接杂志》(Welding Journal)上发表的论文中讨论了等离子弧焊小孔的稳定性，提出了一种实时监测小孔稳定性的方法，并研制了传感装置。其方法是以光电器件做为传感元件，将其放置于焊件背面，等离子弧穿透工件形成小孔时，从焊件背面喷射出等离子焰流，利用光电器件检测等离子焰流的辐射强度，从而获得关于小孔有无及小孔是否稳定的信息。

中国学者胡佰僖等人于1980年在中国的《焊接》杂志第五期上著文，指出采用等离子弧焊方法焊接各种管系构件时，小孔形成时等离子弧高速射入管腔发出响亮的声音，该音频信号的出现与消失同小孔的形成与闭合是同步的，而且信号中存在一个稳定的300Hz的基频信号，将声音传感器放置于管系焊接构件内部，传感器的输出信号可以反映焊件的熔透程度，在脉冲等离子弧焊过程中通过调节离子气流量和峰值电流脉宽实现了焊缝稳定成形的闭环控制。

美国NASA宇航局的工程技术人员研制了一种通过检测焊件背面保护气压力来判断小孔的建立与闭合的装置，背面保护气压力突降表征小孔建立，气压跃升表征小孔闭合。该报道详见1991年№7《焊接设计与生产》(Welding Design&Fabrication)。

上述4种方法都可归纳为背面传感小孔行为的方法，主要特征是传感器探头放置于被焊金属构件的背面，这时传感器探头很难与焊枪随动，实际焊接时，焊枪往往只能固定不动，或者以简单的轨迹运动，这就限制了等离子弧焊的适用范围，尤其是对于密闭容器、复杂型面的焊接构件，背面传感的方法实施非常困难。

本发明的目的就是要克服上述方法和装置的缺点，提供一种广泛适用于平板对接焊缝、角焊缝、丁字型焊缝及管筒壳体环焊缝和复杂曲线型焊缝等多种接头形式的传感等离子弧焊熔池小孔行为的方法及装置。

本发明的目的是通过以下方法及技术措施来实现的：

在等离子弧焊过程中，小孔的形成、闭合及尺寸变化都将改变等离子弧的物理状态和性能参数，焊接过程中电弧的辐射作为等离子弧能量传递的重要方式之一，直观地表达了等离子弧能量与质量的微观输运机制，电弧辐射信息中必然包含着熔池小孔反作用于等离子弧的内容。利用光电器件检测弧光的光谱辐射强度，可以提取出熔池小孔行为的相关信息。

基于这种理论分析及研究实践，本发明提出了一种新的弧光传感等离子弧焊小孔行为的方法，它采用传感装置检测等离子弧的光谱辐射强度，将光谱辐射强度信号转变为电信号并输送到数据采集处理系统，它主要包括焊接系统、弧光传感装置及计算机数据采集处理系统，其特征在于：传感装置从被焊金属构件的正面检测焊接过程中弧光的光谱辐射强度，根据弧光辐射强度信号的跃变幅度特征辨识小孔的状态。

同时，为了获得准确的小孔信息，提高传感信号的信噪比，在传感接收装置中安装了窄带滤光镜片，以选取辐射强度高、信号稳定的一个波长范围的弧光光谱信号作为分析对象。在以纯氩气作为离子气的条件下，所选取的弧光光谱的波长范围为600～800nm。

与上述方法相应的传感等离子焊接熔池小孔行为的装置，它包括传感器探头、传感器接收装置、信号处理电路、数据采集处理系统几个部分，传感器探头直接与焊枪连接在一起，设置在被焊金属构件的正面，随焊枪而运动。