深熔K-TIG焊接過(guò)程的聲信號(hào)采集及特征分析

梁 斌，崔延鑫 ，石永華，崔書(shū)婉

（1.海軍駐廣州四二七廠軍事代表室，廣東 廣州 510715；2.華南理工大學(xué) 機(jī)械與汽車工程學(xué)院，廣東 廣州 510640）

0 前言

鎖孔效應(yīng)TIG焊（K-TIG）是一種高效、大熔深的新型焊接技術(shù)，其焊縫成形好、焊接質(zhì)量高，可單面焊雙面成形，因此在中厚板焊接中具有廣闊的應(yīng)用前景。K-TIG焊的熔透程度決定背面焊縫成形，然而在實(shí)際焊接中，工件表面污染、待焊工件的錯(cuò)邊和間隙不均勻以及焊接變形等原因，會(huì)導(dǎo)致在相同焊接工藝參數(shù)下（如焊接電流、焊接速度和氣體流量等），工件的熔透狀態(tài)處于實(shí)時(shí)變化中。因此在K-TIG焊接過(guò)程中，焊件會(huì)出現(xiàn)未熔透、過(guò)熔透和完全熔透3種熔透狀態(tài)。未熔透和過(guò)熔透狀態(tài)將嚴(yán)重影響焊接接頭的質(zhì)量[1-2]，因此實(shí)現(xiàn)K-TIG焊接過(guò)程中的熔透控制具有一定的應(yīng)用價(jià)值。

傳統(tǒng)的焊接動(dòng)態(tài)過(guò)程信息主要包括視覺(jué)信息和聲信息。其中，視覺(jué)信息被廣泛地應(yīng)用在焊縫糾偏、起始點(diǎn)引導(dǎo)以及熔透控制等研究領(lǐng)域[3-4]；聲信息研究較早，但在2005年才由Jan等人驗(yàn)證了其應(yīng)用于焊接質(zhì)量控制的可行性[5-6]。本研究設(shè)計(jì)了一套焊接動(dòng)態(tài)過(guò)程聲信號(hào)實(shí)時(shí)采集系統(tǒng)，采集304不銹鋼K-TIG焊接過(guò)程的聲信號(hào)，研究焊接動(dòng)態(tài)過(guò)程特征，為實(shí)現(xiàn)K-TIG智能化焊接奠定基礎(chǔ)。

1 試驗(yàn)平臺(tái)的建立

試驗(yàn)平臺(tái)如圖1所示，主要包括：K-TIG焊接系統(tǒng)、機(jī)器人系統(tǒng)、工業(yè)計(jì)算機(jī)和聲信號(hào)采集系統(tǒng)。

圖1 K-TIG焊接實(shí)驗(yàn)平臺(tái)Fig.1 K-TIG welding experimental platform

K-TIG焊接系統(tǒng)主要包括：高效逆變式焊接電源、K-TIG焊專用焊槍、焊接控制器、冷卻水箱、焊接保護(hù)氣及流量控制器等。其中，焊接電源輸出50～1 000 A的直流電。該焊接系統(tǒng)適用于碳素合金鋼、不銹鋼、鈦合金、鎳基合金、鈷合金和鋯等材料中厚板的焊接，可一次焊接的最小板厚為3mm，最大板厚為15 mm，超過(guò)部分需要開(kāi)V型坡口。

聲信號(hào)采集系統(tǒng)包括硬件和軟件兩個(gè)部分。硬件部分由北京聲望聲電技術(shù)有限公司生產(chǎn)的高品質(zhì)1/2英寸預(yù)極化駐極體測(cè)量傳聲器MPA201、MC141信號(hào)調(diào)理放大器和美國(guó)國(guó)家儀器公司（NI）生產(chǎn)的USB6221型數(shù)據(jù)采集卡等組成，軟件部分為基于LabVIEW設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)讀取與存儲(chǔ)軟件。使用LabVIEW編寫(xiě)機(jī)器人K-TIG焊接過(guò)程聲信號(hào)數(shù)據(jù)采集軟件，能夠滿足焊接過(guò)程信號(hào)采集的實(shí)時(shí)性和準(zhǔn)確性的要求[7-8]。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 數(shù)據(jù)采集結(jié)構(gòu)Fig.2 Data acquisition structure

2 K-TIG焊接過(guò)程中的聲信號(hào)采集

試驗(yàn)用母材為8 mm厚的304不銹鋼板，不開(kāi)坡口對(duì)接，點(diǎn)焊固定焊件。參數(shù)為：焊接電流500A，焊接速度5.3mm/s，氣體流量20L/min，采用純度99.9%的氬氣保護(hù)。

在焊接過(guò)程中適當(dāng)改變焊接電流，以驗(yàn)證采集系統(tǒng)的靈敏性，焊接階段30～31 s的信號(hào)如圖3所示，信號(hào)噪聲與波動(dòng)較大。設(shè)計(jì)的多通道采集系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)地采集焊接動(dòng)態(tài)過(guò)程多維信號(hào)。

3 聲信號(hào)特征提取

由大量焊接實(shí)驗(yàn)的經(jīng)驗(yàn)可知，聲信號(hào)中蘊(yùn)含著豐富的焊接動(dòng)態(tài)過(guò)程信息，能反映出實(shí)時(shí)焊接狀態(tài)，具有很高的研究?jī)r(jià)值。首先對(duì)聲信號(hào)進(jìn)行降噪處理，分析聲信號(hào)來(lái)源，其次進(jìn)行聲信號(hào)特征提取的研究。

3.1 預(yù)處理降噪

圖3 30～31 s的聲音信號(hào)Fig.3 Sound signal of 30~31 s

式中 S（t）為采集到的含噪含直信號(hào)；Y（t）為含噪信號(hào)；n（t）為環(huán)境噪聲；s（t）為純凈的焊接聲音信號(hào)。對(duì)其進(jìn)行功率譜分析，如圖4所示。

圖4 焊接聲音信號(hào)功率譜分析Fig.4 Welding sound signal power spectrum analysis

信號(hào)的有用頻段集中在高頻與一部分低頻頻段。在低頻頻段，噪聲與聲信號(hào)混疊嚴(yán)重，但電弧聲信號(hào)中仍有較為突出的有用頻段；在高頻頻段，噪聲與聲信號(hào)能量差異明顯，且聲信號(hào)存在較多的有用頻段。信號(hào)中因采集卡及調(diào)理器引入的直流耦合導(dǎo)致聲信號(hào)產(chǎn)生了較大的“零點(diǎn)漂移”，故需要進(jìn)行去除直流分量處理，如圖5所示。小波分析是一種既能看到信號(hào)概貌，又能觀察信號(hào)細(xì)節(jié)的多分辨率分析的信號(hào)處理手段，被稱為“數(shù)學(xué)顯微鏡”。對(duì)于信號(hào)與噪聲，小波變換系數(shù)在尺度增大時(shí)的變化趨勢(shì)相反。由前述分析可知，簡(jiǎn)單的濾波降噪方法如帶通濾波器法，只能簡(jiǎn)單保留信號(hào)的特定頻率分量，既會(huì)造成信號(hào)的有用信息丟失，又無(wú)法有效抑制同頻段噪聲干擾，因此，使用小波變換對(duì)信號(hào)進(jìn)行降噪處理[9]，如圖6所示。

圖5 去漂聲信號(hào)Fig.5 Drifting signal

圖6 小波降噪信號(hào)Fig.6 Wavelet noise reduction signal

3.2 時(shí)域特征提取

在振動(dòng)信號(hào)的分析中，常用能量、方差、均方根、峰度系數(shù)等表征信號(hào)特征。聲信號(hào)作為一種電弧能量變化激勵(lì)的振動(dòng)信號(hào)，還具有常規(guī)振動(dòng)信號(hào)沒(méi)有的語(yǔ)音特性，即可以被人耳感知。故結(jié)合人耳接收聲音的對(duì)數(shù)響應(yīng)特性，對(duì)能量取對(duì)數(shù)，得到對(duì)數(shù)能量進(jìn)行特征表征，結(jié)果如圖7所示。

圖7 焊接聲音信號(hào)時(shí)域統(tǒng)計(jì)特征Fig.7 Time domain statistics of welding sound signals

由圖7可知，均方根R與對(duì)數(shù)能量Le變化趨勢(shì)一致，均為反應(yīng)信號(hào)能量的特征值，兩者的區(qū)別是均方根波動(dòng)幅度大于對(duì)數(shù)能量波動(dòng)幅度，也反映了對(duì)數(shù)的衰減特性。峰度系數(shù)K在電流階躍處發(fā)生突變，在接近焊接結(jié)束時(shí)發(fā)生奇異。方差D則總體反映出信號(hào)的波動(dòng)變化，其變化趨勢(shì)接近于能量變化趨勢(shì)。

3.3 不同焊接狀態(tài)下時(shí)域統(tǒng)計(jì)特征分析

在同一焊接實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，提取因電流變化而導(dǎo)致熔透狀態(tài)發(fā)生變化的過(guò)焊電弧聲信號(hào)與正常狀態(tài)下電弧聲信號(hào)，對(duì)其進(jìn)行時(shí)域統(tǒng)計(jì)特征分析，結(jié)果如圖8所示。由圖8可知，在過(guò)焊時(shí)各統(tǒng)計(jì)特征值均大于對(duì)應(yīng)的正常狀態(tài)特征值，反映了過(guò)焊時(shí)焊接動(dòng)態(tài)過(guò)程的不穩(wěn)定性。不同焊接狀態(tài)下各特征值差異明顯，較易實(shí)現(xiàn)不同焊接狀態(tài)的模式識(shí)別。

圖8 不同焊接狀態(tài)下時(shí)域統(tǒng)計(jì)特征Fig.8 Time domain statistical characteristics in different welding conditions

4 結(jié)論

本研究建立了K-TIG焊接過(guò)程的聲信號(hào)采集系統(tǒng)，采集K-TIG焊接聲信號(hào)并進(jìn)行時(shí)域特征分析，得到結(jié)論如下：

（1）均方根R與對(duì)數(shù)能量Le均為反映信號(hào)能量的特征值，其變化趨勢(shì)一致，其中均方根波動(dòng)幅度大于對(duì)數(shù)能量波動(dòng)幅度。

（2）峰度系數(shù)K在電流階躍處發(fā)生突變，在接近焊接結(jié)束時(shí)發(fā)生奇異，有待進(jìn)一步探究。方差能總體反映出信號(hào)的波動(dòng)變化，其變化趨勢(shì)接近于能量變化趨勢(shì)。