钢轨闪光焊接高速数据采集分析系统

摘要：针对闪光焊接接头质量判断中存在的难点，分析焊接数据采集系统现状，以USB6009采集卡为基础，利用labview软件，研制一套数据采集系统，实现焊接数据的高速采集，并分析焊接断火率、热量等因素对接头质量的影响，为焊接工艺参数调试和焊接质量评判提供参考。

关键词：labview；数据采集；焊接断火率；灰斑

1引言

随着铁路的快速发展，钢轨闪光焊接技术以其焊接接头质量好、焊接生产率高等特点，成为目前国内外大部分钢轨焊接普遍采用的焊接方法。由上海铁路局科研所和南车戚墅堰机车车辆研究所共同开发的移动式钢轨闪光焊机拥有了我国铁路移动式钢轨焊接大部分市场，对加快我国铁路安全建设起到了不可估量的贡献。移动式闪光焊机在上线作业前，根据规定需要对其焊接后的钢轨接头进行型式检验，包括落锤、静弯、疲劳和拉伸等试验。其中落锤试验的要求是在确保接头缺陷不超标的情况下，连续十五根钢轨不断裂（锤头质量1000kg，锤高5.1m一锤不断；锤高3.2m两锤不断）。在做型式检验的时候，技术人员要调试63个参数，找出一组最佳焊接参数使钢轨的焊接接头符合落锤试验的要求。由于调试的过程受到设备、操作人员、钢轨质量及作业气候等因素的影响，要调试出一台合格的焊机工作量相当大。

2系统设计

在钢轨焊接结束时，由工控机生成的焊接曲线，是技术人员在调试过程中的重要参考依据，根据它可以对焊接参数进行修改完善。现有的焊机数据采集系统是将数据由机头传输到PLC中，工控机再从PLC中读取数据并保存记录，最后形成焊接曲线，采集频率为4Hz，形成的曲线和数据库，不能确切的反应焊接过程中存在的问题。因此，提高系统的数据采集速率，在单位时间内记录保存更多的数据，使最后生成的焊接曲线更加的完善和直观，对提高焊接工艺参数调试的效率和质量，显得尤为重要。

2.1系统设计思路

本次设计采用了美国NI仪器公司生产的USB-6009高速数据采集卡，利用其搭配的labview8.6图形化数据采集软件，建立了一套钢轨闪光焊接高速数据采集分析系统，采集频率达到200Hz，较之前提高了50倍。

2.2USB-6009

本次课题主要是以NI仪器公司的USB6009数据采集卡为主要系统硬件，它具有8路模拟输入(14位，48k/s)；2路模拟输出(12位,150k/s);12路数字I/O；32位计数器；总线供电，实现高移动性；内置信号连接。

3系统软件功能介绍

3.1系统界面

本次系统编程采用的是labview8.6图形化可编程开发软件，它是美国NI公司专门为测量测试开发的，其在这块领域应用很广泛，虚拟测量仪器是其中重要的组成部分。通过用编程软件和计算机，模拟仪器做测量测试。设计的焊接数据采集分析系统界面图。从系统界面上看，大的波形图表为焊接曲线实时显示仪器；三个圆形表盘分别为焊接电压、焊接电流、焊接压力实时参数；右侧为焊接位移、焊接阶段实时显示；焊接结束后，各个阶段的平均电流、平均电压、最值等数据分析显示。在焊接数据分析中，引进了断火率和焊接热量这两个创新型焊接过程判断依据。

3.2焊接数据的存储及显示功能

根据编程软件的特定数据格式，焊接数据采用TDMS文件形式存储。技术数据管理流(TDMS)是NI软件最常用于存储所采集数据通道的文件格式，同时它也对第三方工具开放。其中左边的选择框可以选择四个通道内电流、电压、位移、压力等焊接曲线，同时由于焊接采集的数据量巨大，自行编写的文件查看器还可以选着加载数据的数量和位置，还可以对局部时间段进行曲线放大处理。

3.3焊接电流与灰斑的关系

目前在参数调试过程中，接头主要存在灰斑、未熔合、未焊透、过烧等常见缺陷，而其中主要以灰斑为最常见，总公司技术规范规定整个接头断面的灰斑总面积不能超过20mm2，单个灰斑面积不能超过10mm2，否则将视为落锤试验不通过。而灰斑的产生，主要跟焊接后期闪光电流的大小有关系，过大或过小的电流都容易造成灰斑出现。过大的焊接电流，容易造成大的闪光爆破，在焊接端面形成大的火坑，让硅酸铝盐类残留在其中，形成灰斑。过小的电流使得闪光程度不激烈，无法让硅酸盐类爆破出去，同时使得整个端面的气体保护程度下降，使空气进入，形成硅酸氧化物，同样也会产生灰斑。所以说，整个焊接过程，特别是中后期，电流对焊接接头的质量产生很重大的影响。所以本次研究中提出了“断火率”作为焊接接头质量评判的一个重要指标。它是根据焊接后期阶段的电流值与电流基准值进行比较得到的百分率。从一个侧面反应了由电流过小导致焊接缺陷存在的可能性和概率。前面已经提到，灰斑的形成还有一部分重要的原因是大电流，后期的研究将同时关注大电流的产生和对焊接断面的影响。由于断火率的判断指标需要大量的焊接数据和试验结果来验证，目前该套系统已经应用现场焊接工艺参数调试，并积累数据。

4结论

本次课题研究开发了一套以USB6009采集卡为主要硬件的高速数据采集与分析系统，具备实时显示焊接数据功能，能更好地监控焊接过程。该系统能有效地对焊接数据进行分析，直观地指导焊接工艺参数调试。同时尝试性地将断火率引进作为接头质量判断标准，具有重要的意义。

作者：贺颂 陈雪芬 单位：上海铁路局科研所 上海航天精密机械研究所