一种不锈钢在线焊缝质量判定系统的应用

洪 涛，吕孟静，徐云飞

（1.宁波宝新不锈钢有限公司，浙江宁波 315807；2.上海锲孚智能科技有限公司，上海 201700）

0 引言

宁波宝新不锈钢有限公司2BA 机组是2012 年投产的不锈钢光亮板连续生产线，焊机设备是机组的关键设备，在生产线上有着连接前后带钢的重要作用。良好的焊接质量是保证机组生产线稳定运行的基础，该机组采用的是米巴赫公司的QMH13 滚焊机[1]，是前期不锈钢连续产线应用比较广泛的一种电阻焊机。此焊机设计配备了一台离线杯凸实验机用于焊缝质量的判断，原有的设备配置已无法满足当前发展的需求。由于焊机是早期产品，因机械结构问题无法加装米巴赫公司后期研发的QCDS（Quality-Cost-Delivery-Services，品质、成本、交期和服务）系统。针对宝新不锈钢有限公司2BA 机组实际生产情况，开发出一种适合QMH13 型电阻焊机焊接不锈钢的在线焊缝质量判定系统，并在线应用。

1 在线焊缝质量判定系统的硬件结构

在线焊缝质量判定系统的主要硬件有：①台式工作站一台（预装智能焊机管理系统）；②网络交换机两台，一台用于服务器端，一台用于台式机端；③台式机一台（用于访问智能焊机管理系统的看板及管理页面）；④温度检测系统与电压检测系统（接入焊机PLC）；⑤焊机设备本体上的各类传感器（从焊机PLC 读取）（图1）。其中，PWA-C 为中间件服务器，用于焊机相关数据的读取以及与大数据服务器通信，负责数据转发和调度功能。

图1 硬件结构

2 系统软件模型简介

在线焊缝判定系统应用数据驱动方法，结合历史数据分析，使用针对焊机定制化的HPF（Highest Priority First，优先级调度算法）智能化算法[2]。该方法包括3 个阶段：物理空间的分割和映射，特征模型的开发和验证，特征模型的联动与整合。

在物理空间的分割和映射阶段，针对焊接过程提取出焊机和被焊带钢两个物理对象，再从这两个物理对象进一步抽象出相应的3 个重要物理特征关注点：焊机温度传感器的健康度，焊机的工作参数，焊缝的质量。基于上述关注点，结合焊机的历史数据与相关领域知识，分别建立其对应的的数学模型（图2）[2]，即焊机温度传感器健康管理模型、焊机参数优化模型和焊缝反馈评估模型。

图2 模型

这样就初步建立了基于物理特征的焊接过程表征，也就是HPF 的第二阶段。最后阶段需要把这3 个模型整合在一起，彻底完成焊接过程的数字化镜像。在这一阶段，可以通过近期的焊缝质量变化来评价焊机的温度传感器健康状态，也可以根据焊机的状态调整焊机的工作参数，让焊缝质量在当前状态下达到最优。

3 在线焊缝质量判定系统的工作流程

2BA 焊机的在线焊缝判定系统安装于单台硬件服务器中，服务器需要接入焊机PLC 所在网络。任何接入该网络的计算机，只需要安装Chrome 浏览器就可以访问系统的看板和管理员历史数据查询页面。看板与管理员界面为本系统的主要人机交互接口，提供了一整套直接查询的统一入口。

本系统除了提供看板和管理员历史数据查询界面外，还提供了两个数据接口，用于接收数据和提供反馈，可供第三方系统在后台直接调取使用。

（1）接口1：参数实际设定采集、推荐设定接口。焊接开始前，由网络内的PWA-C 系统获取带钢信息，包括：前行以及后行带钢的卷号、宽度，厚度，钢种，并发送到本接口。接口收到数据后会反馈出设定参数的推荐值，包括电流、速度、焊轮压力、搭接量、搭接补偿等。

（2）接口2：焊缝评分接口。焊接结束后，由网络内的PWA-C 系统获取焊接过程中采集的温度以及反馈电压数据，并发送到本接口。

4 在线焊缝质量判断系统在BA 产线的应用

在线焊缝质量判断系统在2BA机组的应用界面主要分为主界面和历史数据库两部分，其中主界面由5个部分组成（图3）：①显示最近一次焊接的判断结果（分数）；②当前焊接时间及当时焊接的带钢参数，以及推荐和实际设定的焊接参数；③下次焊接带钢参数及参数推荐；④温度传感器健康度；⑤当前焊接的温度、速度、电流、电压、压力等曲线。

图3 主界面

历史数据库由历史数据记录和曲线详情组成（图4、图5）。

图4 历史数据

图5 曲线详情

原2BA 机组采用的焊缝质量判定方法：在焊接结束后首先将焊缝定位到焊机辅助设备月牙剪处，进行剪月牙[3]作业；把剪下的焊缝在相关设备上进行弯折试验或杯凸实验，待检测合格后放行带钢，如检测不合格后再把焊缝拉回焊机的双精剪处进行剪切重焊作业。这种在线焊缝判定系统是在焊机焊接时测量和收集相关数据，在焊接结束后第一时间给出质量判定结果：判定合格后再进行剪月牙作业后直接放行，对认为有疑问的焊缝可以再按原方法操作检测；把判定不合格的结果传输给焊机PLC，可以直接进行重焊焊接，减少焊缝重新拉回来的定位过程，有效缩短重焊时间。在线焊缝质量判定系统可以有效判定不合格焊缝，与图4 历史库数据所对应的实际不合格焊缝见图6。

图6 实际不合格焊缝

5 结论

在线焊缝质量判定系统可以有效替代原有的人工弯折、敲击或杯凸检验，有效节约操作时间，降低员工的工作负荷。