基于小波頻帶能的脈沖VPPA焊接熔透特征信息提取

春蘭，包曉艷，洪海濤，韓文穎

(1.內蒙古工業大學工程訓練教學部，內蒙古呼和浩特 010051;2.內蒙古工業大學材料成型重點實驗室，內蒙古呼和浩特 010051)

0 前言

脈沖變極性等離子弧(Variable Polarity Plasma Arc，VPPA)焊接是一種焊接時形成小孔熔池而實現鋁合金單面焊雙面自由成型的高效焊接方法。脈沖電流對VPPA焊接熔池具有沖擊和攪拌作用，從而細化晶粒，改善焊接接頭軟化現象，進而提高焊接質量。但由于加入脈沖電流,使得脈沖VPPA焊接工藝對參數變化較敏感,因此導致焊縫成形穩定變差。

焊縫熔透狀態是焊接過程中最重要的焊縫幾何參數及質量參數，其關鍵是如何實時檢測，即尋找焊縫熔透相關量及其實時檢測方法。因此，對于脈沖VPPA焊接，可以實時監控焊縫熔透狀態，為實現焊縫成形閉環控制提供有效的檢測方法。脈沖VPPA焊接方法所涉及到的參數和干擾因素多等原因，相關信號的提取和處理較為困難，獲取精確反映焊縫熔透狀態的信號就更難了。

小波分析方法是一種窗口形狀可變但其面積不變的時頻局部化的信號分析方法。小波分析由于自適應的時頻窗口，非常適合信號特征的提取。ZHANG和CHEN采用聲、電、光譜等多傳感融合方法對保護氣體焊接熔透狀態進行實時識別研究，對電弧聲信號進行小波分解，并對不同頻帶能量進行分析，發現聲信號的頻帶能量與熔透狀態有較好的對應關系。CHEN等對6061鋁合金攪拌摩擦焊接聲發射信號進行小波變換分析，通過頻帶能的計算獲取了暫態焊接狀態，并快速識別到焊縫的缺陷。

對于脈沖VPPA焊接，由于加入脈沖電流而影響了焊縫熔池振蕩信息，從而提高了獲取焊縫熔透信息的難度。為了克服脈沖電流對熔透的影響，本文作者以脈沖VPPA焊接試驗系統為研究平臺，對焊接過程電弧電壓進行采集，并采用小波分解方法對其進行不同頻帶的分解，對不同頻帶能量進行歸一化處理，構造特征向量，欲從中獲取與熔透狀態對應的特征信號。

1 試驗裝置

脈沖VPPA焊接系統如圖1所示。對8 mm厚3003鋁合金板進行脈沖VPPA穿孔堆焊試驗，通過數據采集卡采集焊接過程電信號，并采用信號處理方法，對其進行數據處理和分析，欲從中提取能夠反映焊縫熔透狀態的特征信號。

圖1 VPPA焊接系統

2 小波分解與頻帶能特征提取方法

2.1 小波分解

小波分析在低頻部分具有較高的頻率分辨率和較低的時間分辨率，在高頻部分具有較高的時間分辨率和較低的頻率分辨率。正是這種特性，適合低頻信號變化緩慢而高頻信號變化迅速的特點，使小波分析具有信號的自適應性。

對于任意函數()∈，可以將它分解為細節部分和大尺度逼近部分，然后將大尺度逼近部分進一步分解。如此重復到任意尺度(或分辨率)上的逼近部分和細節部分。

若將()∈()按以下空間組合展開：

(1)

其中:為任意設定的尺度。則

(2)

當→∞時，上式變為

(3)

小波分解對信號進行低通濾波和高通濾波，信號分解到不同頻段序列，在不同尺度上分解為近似部分和細節部分。文中采用小波分解方法，重點對信號細節部分進行分解，將其分解到不同的頻帶，并計算其頻帶能，探究頻帶能與焊縫熔透之間的關聯。

2.2 頻帶能的特征提取方法

對信號進行尺度分解，將其分解到感興趣的頻率范圍，從而提取相應頻帶內的信息。另一方面，還可以對各頻帶內的信號進行統計分析，形成反映信號特征的特征向量，若分析各頻帶內的信號能量，則稱之為頻帶的能量分析。

(4)

式中:為個頻帶信號長度。

電弧電壓頻帶能量隨焊縫熔透狀態而改變，以能量為元素構造特征向量

()=[,0，,1，,2,]

(5)

考慮到焊接工藝參數的變化對焊縫熔透狀態分析的影響，構造無量綱歸一化特征向量

()=[,0，,1，,2,]

(6)

式中:

(7)

式中：為分解尺度；為頻帶序號。

3 脈沖VPPA焊接熔透特征的提取

熔透狀態跟焊接參數、焊接材料及尺寸等相關，并呈現出高度的復雜性和非線性。關于熔透控制的研究方法中，電弧電壓方法由于無附加外部傳感器而具有明顯的優勢。文中對脈沖VPPA焊接電弧電壓進行小波分解，并研究頻帶能量與焊縫熔透之間的對應關系。

3.1 電弧電壓的采集與分析

對圖1所示的脈沖VPPA焊接系統進行鋁合金脈沖VPPA焊接試驗，分別獲得未熔透、完全熔透和過熔透3種焊縫，如圖2所示。

圖2 不同熔透狀態下的焊縫

當焊接參數為正極性平均電流165 A、反極性平均電流205 A時，完全熔透焊接通過NI數據采集卡采集到的電弧電壓時域波形如圖3(a)所示，圖(b)為對時域電壓信號進行頻譜分析所獲得的頻譜圖，采樣頻率為300 kHz。

圖3 完全熔透電弧電壓波形

從圖3可知：焊接電流頻譜整體分布范圍為0～200 Hz。由于高頻1 kHz脈沖電流對熔池產生沖擊作用，且沖刷頻率遠超過了熔池固有振蕩頻率，從而影響了熔池固有振蕩頻率，很難從低頻部分獲取與此對應的熔透特征信息。因此，文中欲對電弧電壓高頻部分信號進行分析，從中提出能夠反映熔透狀態的特征信息，為脈沖VPPA焊接在線控制熔透提供新方法。

3.2 脈沖VPPA熔透特征提取

首先采用MATLAB軟件編程對脈沖VPPA焊接電弧電壓進行小波分解，將其分解到各個不同的頻帶區，然后計算頻帶能量，最后構造特征向量進行闡述。

在小波分析中，由于構造方法不同，形成了不同的小波基。其中Daubechies系列在同等條件下具有比較好的重構精度和局部分析能力，因此文中選用Daubechies小波基，分解層數選為6層。

如果信號被小波分解為6層，則：

=++++++

(8)

式中:為低頻系數;、、、、、為小波分析獲得高頻系數。其中,被認為對原始信號進行低通濾波后獲得的，頻帶范圍為[0，4.687 5] kHz；、、、、、頻帶分別為[4.687 5，9.375] kHz、[9.375，18.75] kHz、[18.75，37.5] kHz、[37.5，75] kHz、[75，150] kHz和[150，300] kHz。

對圖2所獲得的未熔透焊接、完全熔透焊接和過熔透焊接3種焊接電弧電壓進行小波頻帶能分析。首先對所采集電弧電壓進行MATLAB小波分解，然后計算各個頻段的頻帶能，最后計算得出特征向量，即根據式(6)計算出的()向量。

為了研究每個頻帶能量和不同焊縫熔透狀態之間的關系，對所采集的3種不同熔透焊接電弧電壓的10 000個采樣點進行了6層Daubechies小波分解，可獲得高頻信號～，其中、、波形如圖4所示。

從圖4可以看出：對于同一個頻帶的信號，不管那種熔透焊接，信號整體分布趨勢類同，很難從中得出與熔透相關的信息。因此，針對不同熔透焊接，為了研究每個小波頻帶能和不同熔透狀態之間的關系，對所獲得～的10 000個采樣點進行了頻帶能量均方根的計算；為了評估每個頻帶能量區分熔透狀態的性能，計算了不同熔透狀態的各個頻帶能對應的標準偏差。3種熔透狀態每個頻帶能量的均方根和標準偏差計算結果如表1所示。標準偏差最大說明偏離值最大，在3種熔透狀態電弧電壓中的波動最大。從表1可以看出：在3種不同熔透狀態下，不同頻帶能量～之間，高頻的標準差為最大，達到了0.110 188，其次為，達到了0.092 134，再次為、、和。這表明頻帶能量和、具有更好的表征不同熔透狀態的性能，而其他幾種頻帶能量對區分熔透狀態的貢獻不明顯。因此，可以將、和三個頻帶能量作為熔透狀態的特征向量，其中對表征焊縫熔透狀態的貢獻最為顯著，比、更具有代表性，而可以忽略、、等頻帶能量。

圖4 不同熔透狀態下電弧電壓小波分解信號

表1 3種不同熔透焊接的E1～E6統計參數

為了更直觀研究頻帶能與脈沖VPPA焊接熔透狀態之間的關系，以、和作為特征向量，采用頻帶能量均方根柱狀分布圖表示3種熔透焊接的不同頻帶能量，如圖5所示。一方面，不考慮低頻信號[(0～4.687 5) kHz]的能量，高頻信號[(150～300) kHz]具有最大的頻帶能，表明電弧電壓的高頻部分能量主要分布在150～300 kHz頻帶，這可能是由于高頻脈沖的作用對電弧電壓高頻部分的影響更為顯著。另一方面，在3種不同熔透焊接條件下，完全熔透焊接時能量最高，達到了整個頻帶能量的70.52%，其他兩種熔透狀態下均低于完全熔透，分別為51.46%和51.41%，與完全熔透相比較，分別降低了19.06%和19.11%，有明顯的突變。而完全熔透焊接的和均比其他兩種熔透焊接低，但變化不明顯。當脈沖VPPA焊接焊縫從完全熔透轉變為其他兩種熔透狀態時，具有明顯的提高，、反而會降低，這可能是能量守恒引起的。

顯而易見，隨著焊縫熔透狀態的變化，脈沖VPPA焊接電弧電壓頻帶能量分布發生顯著變化，其中最為顯著的是，頻帶能量發生明顯的突變，從而證明了電弧電壓高頻信號與熔透狀態之間的相關性，可作為脈沖VPPA焊接熔透控制的一種新方法，為焊接質量控制提供一種新途徑。

圖5 頻帶能量均方根柱狀分布圖

4 結論

(1)采用db小波分解方法，對脈沖VPPA焊接未熔透、完全熔透和過熔透3種不同熔透狀態下的電弧電壓進行了多尺度分解，將其分解到了和～等不同的頻帶；

(2)對高頻尺度～的10 000個采樣點進行了頻帶能均方根和標準差的計算，結果表示:、和具有更好的表征焊縫熔透狀態的性能，其中最具有代表性；

(3)為了進一步驗證，比較頻帶能量均方根發現完全熔透焊接與未熔透和過熔透焊接相比較，分別降低了1906和1911，變化幅度最為顯著。因此，很好地反映了脈沖VPPA焊接熔透狀態，可作為脈沖VPPA焊接焊縫熔透信息的特征信號，可作為在線檢測信號，從而實現熔透實時控制。