電弧聲信號在焊接質(zhì)量監(jiān)測領域的研究現(xiàn)狀

(天津工業(yè)大學機械工程學院 天津 300387)

在實際焊接過程中，有經(jīng)驗的焊工根據(jù)電弧聲信號就可以判別焊接狀態(tài)，并及時調(diào)整焊接參數(shù)從而保證焊接質(zhì)量，由此可知，電弧聲信號監(jiān)控焊接質(zhì)量是可行的。目前電弧聲信號對焊接質(zhì)量監(jiān)測大多停留在理論研究階段，并未在焊接自動化領域廣泛應用，深入研究電弧聲信號在焊接質(zhì)量監(jiān)測方面有重要的意義。

一、電弧聲信號監(jiān)測焊縫熔透

焊縫熔透狀態(tài)作為反映焊接質(zhì)量的重要信息之一，相比傳統(tǒng)的焊接后進行焊接缺陷檢查，實現(xiàn)焊接過程熔透信息實時監(jiān)測有著重要的意義，而電弧聲信號的實時性、動態(tài)性可以反映焊縫熔透狀態(tài)。

已有學者在電弧聲信號監(jiān)測焊縫熔透方面進行了研究，焊縫熔透狀態(tài)大致可以分為：未熔透、熔透及過熔透。呂娜[1]等人通過提取鋁合金的脈沖GTAW焊接過程的電弧聲信號，首先研究了電弧聲信號的產(chǎn)生機理，并進一步分析了電弧聲信號與焊縫熔透狀態(tài)的相關性，提出完整的一套電弧聲信號時、頻域特征提取算法，大量試驗證明，這些特征信號與焊縫熔透狀態(tài)高度相關。基于電弧聲信號與熔透狀態(tài)的非線性特點，建立了BP_Adaboost神經(jīng)網(wǎng)絡預測模型，得到了較高的熔透狀態(tài)識別率，滿足焊縫熔透實時監(jiān)測的要求。

焊接穿孔為焊接過熔透的一種表現(xiàn)形式，直接影響焊接質(zhì)量，但部分穿孔位置隱藏焊層下方，難以直接發(fā)現(xiàn)。MFM Yusof[2]針對焊接穿孔現(xiàn)象與電弧聲信號之間的關系展開研究。在天然氣管道MIG焊接過程中，明顯的焊接穿孔位置對應電弧聲時域上的波動，隱藏于焊層下的焊接穿孔在聲信號時域波形上無明顯特征。其通過對電弧聲信號進行希爾伯特黃變換得到了電弧聲能量與焊接穿孔位置圖，較高的能量幅值對應較大的焊接穿孔，而且能量突變位置與焊接穿孔位置高度對應，對于識別隱藏的焊接穿孔缺陷具有重要的輔助作用。

此外，畢淑娟[3]等對借助主成分分析方法實現(xiàn)了平板對接MIG焊熔透狀態(tài)在線監(jiān)測。首先提取不同熔透狀態(tài)下的電弧聲信號，提取了短時能量、短時平均幅度、短時過零率等11個可表征焊縫熔透狀態(tài)的特征參數(shù)組成60維聯(lián)合特征向量，聯(lián)合特征向量雖然能全面的反映焊縫熔透狀態(tài)，各特征之間難免存在相關性。經(jīng)主成分降維后獲得8維主成分特征向量，以此為輸入，焊縫熔透狀態(tài)為輸出，借助BP和RBF神經(jīng)網(wǎng)絡建立熔透狀態(tài)辨識網(wǎng)絡模型。

二、電弧聲信號監(jiān)測焊槍位置

焊接過程中，焊槍與側(cè)壁之間的距離控制是保證側(cè)壁融合良好的關鍵，因此可靠且能實時反映焊槍與側(cè)壁距離的信號源尤為重要。電弧聲信號作為伴隨焊接過程產(chǎn)生的信號源引起了廣大專家學者的關注。

蘭虎[4]以窄間隙熔化極活性氣體保護焊接為基礎，采用分段焊接試驗，改變焊槍擺動幅度從而改變焊槍與側(cè)壁的距離并采集對應的電弧聲信號。通過功率密度譜分析對電弧聲信號的頻域進行分析發(fā)現(xiàn)，電弧聲信號頻譜分布與焊槍到側(cè)壁的距離有較高的相關性。焊槍與側(cè)壁的距離較小時，電弧聲能量主要集中在低頻段；當焊槍與側(cè)壁的距離較大時，電弧聲能量在低頻和高頻段均有分布。在功率密度分析的基礎上進行了聯(lián)合時頻分析，隨著焊槍與側(cè)壁之間的距離增加，電弧聲能量在低頻段始終有分布，當距離增加到2.6mm以上時，電弧聲能量在高頻出呈現(xiàn)“斷續(xù)-連續(xù)”的分布特征，從理論上說明利用電弧聲在時頻域上的分布特征可以實現(xiàn)監(jiān)測預警作用。

由于焊接路徑的偏差將會影響焊接質(zhì)量，焊接路徑的在線監(jiān)測是非常重要的。呂娜[5]等人提出了一種基于雙麥克風陣列的焊接路徑監(jiān)測技術。通過電弧聲特征分析，得到電弧聲信號與焊接路徑偏差兩者之間的關系，從而建立了焊接路徑預測模型。通過試驗證明雙麥克風陣列在焊接路徑監(jiān)測中有更好的預測精度預測誤差最大為1.1901毫米。基于雙麥克風陣列的監(jiān)測系統(tǒng)能夠滿足脈沖MIG焊接質(zhì)量控制的位置精度要求

三、電弧聲信號監(jiān)測焊接質(zhì)量領域的其他應用

除上述焊縫熔透、焊槍位置會影響焊接質(zhì)量之外，焊接過程中的熔滴過渡形式、焊接飛濺、保護氣流量等也會影響到焊接質(zhì)量。

在實際焊接過程中，熔滴過渡形式會直接影響焊縫成形的效果，從而決定焊接質(zhì)量。熔滴過渡的形式可分為：短路過渡、大滴過渡、射滴過渡與射流過渡，其中射滴過渡為較理想的過渡方式。但在自動化焊接過程中，射滴過渡的參數(shù)匹配范圍窄，因此對焊接過程中熔滴過渡方式的監(jiān)控具有重要意義。石玗[6]等人通過控制焊接參數(shù)，得到不同熔滴過渡形式下的電弧聲信號，對其進行功率密度分析發(fā)現(xiàn)：射滴過渡與射流過渡在頻率分布上較為相似，但幅值差別較大，短路過渡與大滴過渡在功率密度分析中區(qū)別不明顯。進而對四類情況下的電弧聲進行了ARMA雙譜分析，四類熔滴過渡形式有明顯的特征區(qū)別。

焊接飛濺、保護氣流量對焊接質(zhì)量也有一定的影響。溫建力[7]基于MIG焊分別進行焊接飛濺試驗和保護氣流量試驗并提取了對應過程的電弧聲信號。分析發(fā)現(xiàn)，當發(fā)生焊接飛濺時，電弧聲幅值顯著增加，說明電弧聲信號可以檢測焊接飛濺。合適保護氣流量能夠保證焊接電弧的穩(wěn)定性，從而獲得較好的焊縫成形。經(jīng)試驗驗證，當保護氣流量達到15L/min時，電弧聲信號比較平滑，電弧燃弧穩(wěn)定。

四、結論

本文綜述了近些年電弧聲信號在焊接質(zhì)量監(jiān)測領域的研究成果，大多學者集中在MIG焊電弧聲信號監(jiān)測焊接質(zhì)量的研究，MIG焊接過程無短路，電弧聲信號受到干擾較少，而且大多研究成果是通過神經(jīng)網(wǎng)絡將電弧聲特征與焊接質(zhì)量進行關聯(lián)，在實際工業(yè)控制中不能直接應用。在電弧聲信號特征應用于焊槍位置監(jiān)測方面，目前的研究還不足以通過電弧聲信號特征精確判別焊槍位置，基于電弧聲信號的焊縫跟蹤技術還需要進一步深入研究。