1.1 系統(tǒng)硬件設計
　　系統(tǒng)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(jù)試驗精度和溫度范圍進行選擇，本系統(tǒng)選擇鎳鉻—鎳硅(K型)熱電偶；放大電路已經(jīng)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(nèi)存大小為64M。
　 1.2 系統(tǒng)軟件設計
　 系統(tǒng)軟件部分包括4大模塊：焊接基礎數(shù)據(jù)庫模塊、焊接熱循環(huán)數(shù)據(jù)采集模塊、焊接熱循環(huán)數(shù)據(jù)處理模塊、焊接熱循環(huán)參數(shù)仿真計算模塊。系統(tǒng)主界
面及菜單如圖2所示。

　　焊接基礎數(shù)據(jù)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(shù)、熱電偶溫度分度等7個數(shù)據(jù)表組成。系統(tǒng)通過ODBC接口與數(shù)據(jù)庫進行連接。該模塊主要功能是對各個數(shù)據(jù)表進行數(shù)據(jù)錄入、修改、刪除、檢索等操作，獲取相關焊接信息。
　　焊接熱循環(huán)數(shù)據(jù)采集模塊的主要功能是將熱電偶的熱電勢差模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)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(tài)，一旦溫度達到設定的自起動值，立即發(fā)送控制字起動A/D轉(zhuǎn)換，獲得的熱電勢數(shù)據(jù)經(jīng)過濾波、溫度補償后存入數(shù)據(jù)文件，當溫度冷卻到自終止值后，數(shù)據(jù)采集程序又處于掛起狀態(tài)，最后在用戶的指令下退出程序。
　　焊接熱循環(huán)數(shù)據(jù)處理模塊主要完成焊接熱循環(huán)曲線的顯示、熱循環(huán)參數(shù)計算以及冷卻相變過程的參數(shù)計算。它先從數(shù)據(jù)庫中獲取待分析數(shù)據(jù)的試驗參數(shù)和熱電偶的分度表，然后將熱電勢差通過查表轉(zhuǎn)換為溫度，根據(jù)需要計算曲線的一次差分和二次差分，連同熱循環(huán)溫度曲線、差分曲線、數(shù)據(jù)網(wǎng)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(huán)參數(shù)，以試驗分析報告的形式給出。
焊接熱循環(huán)參數(shù)仿真計算模塊主要是根據(jù)用戶輸入的焊接試驗參數(shù)，用公式法、線算圖法或人工神經(jīng)網(wǎng)絡法計算焊接熱循環(huán)參數(shù)。在此著重介紹數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)處理模塊設計
　　2.1 熱循環(huán)曲線差分分析
　　從理論上說，在焊接熱循環(huán)曲線上應當可以看到焊接冷卻相變發(fā)生點，亦即相變發(fā)生溫度平臺。因為在連續(xù)冷卻過程中，相變導致熱量的變化而在熱循環(huán)曲線上表現(xiàn)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(tǒng)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(xù)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(jù)式(2)和式(3)對采集的離散的焊接熱循環(huán)溫度數(shù)據(jù)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(huán)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(huán)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(xiàn)不出來。采用當今的計算機軟硬件技術(shù)，不但可以采集到具有足夠精度的焊接冷卻過程的溫度數(shù)據(jù)，而且通過分析溫度曲線可以發(fā)現(xiàn)其中隱含的相變信息。
　　在本系統(tǒng)中，對由硬件系統(tǒng)測得的#!%"$$曲線和通過軟件系統(tǒng)計算所得的dT/dt=f'(t)與d2T/dt2=fn(t)曲線，根據(jù)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(tài)相變過程，本系統(tǒng)設計了一種變長滑動窗口算法來計算相變溫度平臺參數(shù)，其原理如圖3所示。

　　從焊接熱循環(huán)的峰值溫度Tm開始向后逐點比較溫度值，如果有連續(xù)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(shù)據(jù)保持相同或在某一允許范圍內(nèi)(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(shù)據(jù)是一個溫度平臺。然后繼續(xù)增大K值，直到這K個數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)所占的時間長度便是相變時間Tx。據(jù)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(jié)束時間)。

3 系統(tǒng)測試試驗
　　為了驗證本系統(tǒng)硬件和軟件部分的功能，進行了焊接HAZ熱循環(huán)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(shù)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(tǒng)對試驗數(shù)據(jù)進行處理，結(jié)果如表1所示，所得熱循環(huán)曲線如圖4、圖5所示

　　從表1中的計算結(jié)果可以看出，本系統(tǒng)不但可以準確計算出焊接熱循環(huán)的主要參數(shù)，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(tǒng)測得的熱循環(huán)曲線與傳統(tǒng)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(jīng)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(xiàn)了2個 
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