摘要：采用計算機軟、硬件技術和數據處理方法，研究和開發了一種新型焊接熱循環測試與分析系統。該系統集焊接熱循環溫度數據采集、存儲、處理和分析功能于一體，能夠測試和計算焊接熱循環參數和焊接冷卻過程中的相變溫度平臺等參數。
關鍵詞：焊接熱循環；測試儀；相變溫度平臺
焊接熱循環曲線包含了焊接接頭溫度變化和冷卻相變等重要的焊接冷卻過程信息，這些信息對于了解焊接冷卻相變過程、接頭組織、應力變形、提高焊接質量都具有重要意義[1]。同時，焊接熱循環參數是分析焊接熱影響區(HAZ)組織與性能的重要數據，也是制定、評定和優化焊接工藝的重要依據。因此，焊接熱循環的測試、計算和分析具有重要的理論意義和實際的使用價值。
測試焊接熱循環的傳統方法是使用熱電偶和X-Y函數記錄儀。該方法實時性差、精度低，同時由于機械慣性的影響，難以獲得具有明顯冷卻相變過程特征的熱循環曲線。另外，使用根據焊接傳熱學推導出來的數學模型也可以計算焊接熱循環的主要參數，但這種計算過程繁瑣，并且誤差大，很難獲得準確數據。計算機軟硬件技術的飛速發展為焊接熱循環測試提供了新的方法和途徑。本研究把計算機軟硬件技術和數據處理方法應用于焊接熱循環測試與分析系統的開發，并對熱循環參數的分析計算進行了深入的研究，提出了一種變長滑動窗口算法，用以找出焊接冷卻過程中的相變發生點。本系統采用Borland C Builder和MS Access作為開發工具，該工具提供了友好的人機界面，具有完備的焊接熱循環參數的采集、處理、計算和分析功能，可以進行熱電勢數據轉換、熱循環曲線繪制、局部曲線放大、一次和二次差分分析、熱循環參數數值計算等操作，還建立了焊接基礎數據庫，滿足對相關資料的檢索。
1 系統總體設計方案
本系統分為硬件系統和軟件系統2大部分，系統總體模型如圖1所示。該系統有如下特點：
a. 面向應用為主。
本系統從焊接現場采集熱循環數據，經過理論分析可以判斷接頭的組織與性能，同時通過計算熱循環參數，可以制定、優化焊接工藝，從而指導焊接生產。整個過程面向應用，形成試驗→理論研究→生產應用→試驗的閉合回路。
b.具有開放性和可擴充性。
系統的數據采集部分具有通用性。只需針對不同領域設計不同的數據分析程序接口，則可直接應用本系統采集數字信號并進行相關分析處理。
1.1 系統硬件設計
系統硬件部分由焊接設備、熱電偶、集成放大電路和濾波器件的A/D 接口板、微機等組成。焊接設備是焊接熱源的提供者；熱電偶根據試驗精度和溫度范圍進行選擇，本系統選擇鎳鉻—鎳硅(K型)熱電偶；放大電路已經集成在A/D板上；A/D板選擇12位的A/D ISA插件接口板；微機采用普通的兼容PC機，其CPU主頻為433MHz，內存大小為64M。
1.2 系統軟件設計
系統軟件部分包括4大模塊：焊接基礎數據庫模塊、焊接熱循環數據采集模塊、焊接熱循環數據處理模塊、焊接熱循環參數仿真計算模塊。系統主界
面及菜單如圖2所示。
焊接基礎數據庫模塊由熱電偶、母材類型、母材成分、焊接材料、焊接方法、試驗參數、熱電偶溫度分度等7個數據表組成。系統通過ODBC接口與數據庫進行連接。該模塊主要功能是對各個數據表進行數據錄入、修改、刪除、檢索等操作，獲取相關焊接信息。
焊接熱循環數據采集模塊的主要功能是將熱電偶的熱電勢差模擬信號轉換為數字信號，并存儲到微機硬盤中。該模塊在運行后處于掛起等待服務狀態，一旦溫度達到設定的自起動值，立即發送控制字起動A/D轉換，獲得的熱電勢數據經過濾波、溫度補償后存入數據文件，當溫度冷卻到自終止值后，數據采集程序又處于掛起狀態，最后在用戶的指令下退出程序。
焊接熱循環數據處理模塊主要完成焊接熱循環曲線的顯示、熱循環參數計算以及冷卻相變過程的參數計算。它先從數據庫中獲取待分析數據的試驗參數和熱電偶的分度表，然后將熱電勢差通過查表轉換為溫度，根據需要計算曲線的一次差分和二次差分，連同熱循環溫度曲線、差分曲線、數據網格坐標軸一并繪制，最后計算t85、相變溫度點、相變溫度時間等熱循環參數，以試驗分析報告的形式給出。
焊接熱循環參數仿真計算模塊主要是根據用戶輸入的焊接試驗參數，用公式法、線算圖法或人工神經網絡法計算焊接熱循環參數。在此著重介紹數據處理模塊的原理及其在研究焊接冷卻相變過程中的應用實例。
2 數據處理模塊設計
2.1 熱循環曲線差分分析
從理論上說，在焊接熱循環曲線上應當可以看到焊接冷卻相變發生點，亦即相變發生溫度平臺。因為在連續冷卻過程中，相變導致熱量的變化而在熱循環曲線上表現為溫度平臺或曲線斜率變化。但對于短暫的相變，因為熱量的變化量較小和傳統試驗儀器的精度限制而使得相變溫度平臺不明顯。如果對溫度—時間曲線T=f(t)進行微分運算，可以獲得較好的效果。對于連續時間信號ya(t)差分形式如下:
而對于離散時間序列y(n),n，n取值間隔為1，其一階后向差分形式為：
y(n)的二階后向差分形式為：
根據式(2)和式(3)對采集的離散的焊接熱循環溫度數據序列進行一階和二階差分計算便可得到dT/dt=f'(t)和d2T/dt2=fn(t)曲線。
2.2 變長滑動窗口算法計算相變溫度平臺
目前關于焊接熱循環對焊縫組織的影響的研究大多是在熱模擬機上進行[3]。在熱模擬機上，通過X-Y記錄儀描繪的熱循環曲線因為精度、噪聲、機械慣性滯后等原因而使溫度平臺不明顯，有時甚至根本表現不出來。采用當今的計算機軟硬件技術，不但可以采集到具有足夠精度的焊接冷卻過程的溫度數據，而且通過分析溫度曲線可以發現其中隱含的相變信息。
在本系統中，對由硬件系統測得的#!%"$$曲線和通過軟件系統計算所得的dT/dt=f'(t)與d2T/dt2=fn(t)曲線，根據其上的拐點和曲線斜率的變化可以確定焊接冷卻相變過程。為了深入細致分析焊接冷卻固態相變過程，本系統設計了一種變長滑動窗口算法來計算相變溫度平臺參數，其原理如圖3所示。
從焊接熱循環的峰值溫度Tm開始向后逐點比較溫度值，如果有連續的K(K稱為滑動窗口長度，對應圖中滑動窗口的寬度)個溫度數據保持相同或在某一允許范圍內(設這一溫度范圍的閾值為R，對應圖中滑動窗口的高度)，則可以初步判斷這K個數據是一個溫度平臺。然后繼續增大K值，直到這K個數據的溫度差超過閾值R為止，從而確定這個溫度便是相變溫度Tx，這K個數據所占的時間長度便是相變時間Tx。據此，在圖3中的TB即為相變溫度，(TE-TS)即為相變時間(TS為相變開始時間，TE為相變結束時間)。
3 系統測試試驗
為了驗證本系統硬件和軟件部分的功能，進行了焊接HAZ熱循環測試試驗。試驗選擇250mmX150mmX30mm的15MnMoVN低合金鋼板進行平板堆焊，主要試驗參數設置為：焊接電流170A;焊接電壓27V；焊接速度2.5m/min；采樣頻率10Hz。采用本系統對試驗數據進行處理，結果如表1所示，所得熱循環曲線如圖4、圖5所示
從表1中的計算結果可以看出，本系統不但可以準確計算出焊接熱循環的主要參數，而且可以計算出相變溫度平臺的溫度和相變時間，這對于研究焊接冷卻相變過程有著十分重要的意義。
在圖4中，該系統測得的熱循環曲線與傳統的X-Y記錄儀測得的曲線并沒有明顯的差異，但在圖5中，對所得曲線用變長滑動窗口算法分析并經局部放大后，可以觀察到在焊接冷卻過程中的中溫階段(即在400℃和340℃時)出現了2個
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