深熔K-TIG焊接過程的聲信號采集及特征分析

梁 斌，崔延鑫 ，石永華，崔書婉

（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 機械與汽車工程學院，廣東 廣州 510640）

0 前言

鎖孔效應TIG焊（K-TIG）是一種高效、大熔深的新型焊接技術，其焊縫成形好、焊接質量高，可單面焊雙面成形，因此在中厚板焊接中具有廣闊的應用前景。K-TIG焊的熔透程度決定背面焊縫成形，然而在實際焊接中，工件表面污染、待焊工件的錯邊和間隙不均勻以及焊接變形等原因，會導致在相同焊接工藝參數下（如焊接電流、焊接速度和氣體流量等），工件的熔透狀態處于實時變化中。因此在K-TIG焊接過程中，焊件會出現未熔透、過熔透和完全熔透3種熔透狀態。未熔透和過熔透狀態將嚴重影響焊接接頭的質量[1-2]，因此實現K-TIG焊接過程中的熔透控制具有一定的應用價值。

傳統的焊接動態過程信息主要包括視覺信息和聲信息。其中，視覺信息被廣泛地應用在焊縫糾偏、起始點引導以及熔透控制等研究領域[3-4]；聲信息研究較早，但在2005年才由Jan等人驗證了其應用于焊接質量控制的可行性[5-6]。本研究設計了一套焊接動態過程聲信號實時采集系統，采集304不銹鋼K-TIG焊接過程的聲信號，研究焊接動態過程特征，為實現K-TIG智能化焊接奠定基礎。

1 試驗平臺的建立

試驗平臺如圖1所示，主要包括：K-TIG焊接系統、機器人系統、工業計算機和聲信號采集系統。

圖1 K-TIG焊接實驗平臺Fig.1 K-TIG welding experimental platform

K-TIG焊接系統主要包括：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，超過部分需要開V型坡口。

聲信號采集系統包括硬件和軟件兩個部分。硬件部分由北京聲望聲電技術有限公司生產的高品質1/2英寸預極化駐極體測量傳聲器MPA201、MC141信號調理放大器和美國國家儀器公司（NI）生產的USB6221型數據采集卡等組成，軟件部分為基于LabVIEW設計的數據讀取與存儲軟件。使用LabVIEW編寫機器人K-TIG焊接過程聲信號數據采集軟件，能夠滿足焊接過程信號采集的實時性和準確性的要求[7-8]。數據采集系統結構如圖2所示。

圖2 數據采集結構Fig.2 Data acquisition structure

2 K-TIG焊接過程中的聲信號采集

試驗用母材為8 mm厚的304不銹鋼板，不開坡口對接，點焊固定焊件。參數為：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。

在焊接過程中適當改變焊接電流，以驗證采集系統的靈敏性，焊接階段30～31 s的信號如圖3所示，信號噪聲與波動較大。設計的多通道采集系統能夠準確、實時地采集焊接動態過程多維信號。

3 聲信號特征提取

由大量焊接實驗的經驗可知，聲信號中蘊含著豐富的焊接動態過程信息，能反映出實時焊接狀態，具有很高的研究價值。首先對聲信號進行降噪處理，分析聲信號來源，其次進行聲信號特征提取的研究。

3.1 預處理降噪

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

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

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

信號的有用頻段集中在高頻與一部分低頻頻段。在低頻頻段，噪聲與聲信號混疊嚴重，但電弧聲信號中仍有較為突出的有用頻段；在高頻頻段，噪聲與聲信號能量差異明顯，且聲信號存在較多的有用頻段。信號中因采集卡及調理器引入的直流耦合導致聲信號產生了較大的“零點漂移”，故需要進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概貌，又能觀察信號細節的多分辨率分析的信號處理手段，被稱為“數學顯微鏡”。對于信號與噪聲，小波變換系數在尺度增大時的變化趨勢相反。由前述分析可知，簡單的濾波降噪方法如帶通濾波器法，只能簡單保留信號的特定頻率分量，既會造成信號的有用信息丟失，又無法有效抑制同頻段噪聲干擾，因此，使用小波變換對信號進行降噪處理[9]，如圖6所示。

圖5 去漂聲信號Fig.5 Drifting signal

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

3.2 時域特征提取

在振動信號的分析中，常用能量、方差、均方根、峰度系數等表征信號特征。聲信號作為一種電弧能量變化激勵的振動信號，還具有常規振動信號沒有的語音特性，即可以被人耳感知。故結合人耳接收聲音的對數響應特性，對能量取對數，得到對數能量進行特征表征，結果如圖7所示。

圖7 焊接聲音信號時域統計特征Fig.7 Time domain statistics of welding sound signals

由圖7可知，均方根R與對數能量Le變化趨勢一致，均為反應信號能量的特征值，兩者的區別是均方根波動幅度大于對數能量波動幅度，也反映了對數的衰減特性。峰度系數K在電流階躍處發生突變，在接近焊接結束時發生奇異。方差D則總體反映出信號的波動變化，其變化趨勢接近于能量變化趨勢。

3.3 不同焊接狀態下時域統計特征分析

在同一焊接實驗過程中，提取因電流變化而導致熔透狀態發生變化的過焊電弧聲信號與正常狀態下電弧聲信號，對其進行時域統計特征分析，結果如圖8所示。由圖8可知，在過焊時各統計特征值均大于對應的正常狀態特征值，反映了過焊時焊接動態過程的不穩定性。不同焊接狀態下各特征值差異明顯，較易實現不同焊接狀態的模式識別。

圖8 不同焊接狀態下時域統計特征Fig.8 Time domain statistical characteristics in different welding conditions

4 結論

本研究建立了K-TIG焊接過程的聲信號采集系統，采集K-TIG焊接聲信號并進行時域特征分析，得到結論如下：

（1）均方根R與對數能量Le均為反映信號能量的特征值，其變化趨勢一致，其中均方根波動幅度大于對數能量波動幅度。

（2）峰度系數K在電流階躍處發生突變，在接近焊接結束時發生奇異，有待進一步探究。方差能總體反映出信號的波動變化，其變化趨勢接近于能量變化趨勢。