焊接热循环数据采集系统中的硬件设计

李宇

摘 要：研究和设计了一种焊接热循环参数测试与分析系统的硬件部分。该部分由热电偶、数据采集卡、滤波放大电路等组成。硬件部分的主要功能是为后面的数据采集提供可供采集的信号。为了检测系统的硬件部分和软件部分的功能，做一个系统的测试实验。

关键词：热电偶；滤波放大电路；数据采集

中图分类号：TJ430.3+8 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2017）28-0096-02

引言

在金属结构材料的研制中，材料的焊接性作为一项重要工艺性能受到人们的关注。人们通常根据热影响区金属经历的不同焊接热循环过程与热影响区组织间的对应关系来绘制焊接曲線，进而确定具体焊接工艺参数。传统的热模拟分析，对焊接热影响区性能只是做了定性的分析，对焊逢在焊接热循环过程中温度变化不能定量分析。本系统的设计就是对焊接热循环过程中，焊接热影响区定量的变化，利用电脑辅助分析，绘制出温度变化曲线，分析出对焊逢性能的影响。

1 温度数据采集系统中的硬件设计

1.1 温度传感器的选择

本系统采集的温度数据产生于焊接热循环过程中，温度相当高，且要求传感器的线形尽量好，故而选择镍硅-镍铬热电偶温度传感器。选用的补偿导线是：正极-铜，导线线芯为红色；负极-康铜，导线线芯为蓝色。

1.2 集成运算放大器的选择

对热电偶信号的放大，一般情况下，应该采用低温漂的放大器，这样才能使放大信号的失真最小。由于工作环境比较稳定，工作时间不太长，再加上考虑到热电偶所采集的温度信号只有毫伏级，为了达到所要求的输出放大电压，采用集成运算放大器LM741。

1.3 滤波放大电路

图1是由温度变化产生的电压信号的放大滤波电路。滤波电路采用RC滤波电路。考虑到实际的电压和电路情况，电阻R3的电阻值选用1K欧。电容C5的值在计算的范围内取适当的值，取4.7uf，其额定电压尽量取大，以防止电容由于电压过载而造成的损坏。

1.4 数据采集卡

本系统数据采集卡选用PCI-1710型A/D数据采集卡。

2 系统测定实验及结果分析

实验装置图如图2所示。

2.1 实验前期准备

2.1.1 焊条和焊接电流电压的选择

在本实验中，被焊的是一块厚度约为10mm的普通低碳钢钢板。选择直径为3.2mm的酸性焊条。焊条型号为：E4303。焊接电流选100-130A。焊接电压选择电焊机额定工作电压。

2.1.2 焊接设备的选择

电焊机选用直流弧焊焊机，焊钳型号用G352。焊接电缆选YHHR型电焊橡皮套特软电缆，电缆端面面积为16mm2。

2.2 焊接实验

焊接前先用蜡烛外焰对热电偶进行加热，看看在显示屏上得到的曲线是不是合理。

调节滤波放大电路上的可变电阻，使滤波放大电路的增益精确到219.5，然后开始采集蜡烛外焰温度。从图3所示的蜡烛外焰加热热电偶的采集曲线来看，最大电压可以达到3.6伏。

对钢板进行焊接，同时硬件电路开始放大热电偶采集到的电压信号，数据采集程序在电压达到一定值后，也开始进行数据采集，利用数据采集卡和数据采集程序对焊接热影响区的温度数据进行采集和分析，并最终得到结论。

焊接加热和冷却过程中，数据采集软件程序对焊接热影响区产生热电势的采集。热电偶产生的热电势为毫伏级的，经过滤波放大电路的放大和滤波，采集到的电压信号能达到6.5伏。

2.3 实验结果分析

从图3蜡烛外焰加热热电偶得到的曲线来看，在滤波放大电路输出的电压达到最高值以前，输出电压值一直稳步上升。在上升过程中，由于蜡烛火焰的抖动，造成输出电压曲线在保持持续上升的势头的同时，在一个微小范围内波动。当输出电压达到最大值并保持一段时间后，输出电压值发生了较大幅度的波动。从实验条件和实验情景来看，是因为蜡烛火焰在外界风的吹动下，发生了跳动，造成对热电偶的加热不均匀，从而使滤波放大电路的输出电压发生较大变化，波动范围为2-3.6伏。

从焊接热循环过程温度数据采集曲线可看出在焊接过程的初期，所形成的焊逢远离热电偶，热电偶所采集到温度信号还不够大，没有输出信号。随着焊逢逐渐接近热电偶，热电偶所采集到的温度信号逐渐升高，在显示曲线上开始出现电压信号。当焊逢到达热电偶处的时候，热电偶采集到的温度是最高的。滤波放大电路的输出电压达到最大值6.5伏，在曲线上显示为曲线的波峰。焊逢在停止焊接后，温度逐渐下降。温度下降到一定的程度后，输出电压波形基本趋于直线。

3 结束语

通过蜡烛外焰温度加热和焊接热循环温度数据的采集，可以得出结论：硬件部分的设计是正确的，连接是良好的；软件编程部分，能采集到6.5伏的电压，在显示屏上能显示出完整的曲线，软件编程部分也是正确的。

参考文献：

[1]陈丙森.计算机辅助焊接技术[M].机械工业出版社，1999.

[2]王文锋.焊接热循环曲线以及相变点测试系统的研究[D].重庆大学，2004.

[3]陈强，等.焊接过程模糊控制[J].机械工程学报，1995（8）.endprint