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(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)工程訓(xùn)練教學(xué)部，內(nèi)蒙古呼和浩特 010051;2.內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)材料成型重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，內(nèi)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(shí)形成小孔熔池而實(shí)現(xiàn)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(xì)化晶粒，改善焊接接頭軟化現(xiàn)象，進(jìn)而提高焊接質(zhì)量。但由于加入脈沖電流,使得脈沖VPPA焊接工藝對參數(shù)變化較敏感,因此導(dǎo)致焊縫成形穩(wěn)定變差。

焊縫熔透狀態(tài)是焊接過程中最重要的焊縫幾何參數(shù)及質(zhì)量參數(shù)，其關(guān)鍵是如何實(shí)時(shí)檢測，即尋找焊縫熔透相關(guān)量及其實(shí)時(shí)檢測方法。因此，對于脈沖VPPA焊接，可以實(shí)時(shí)監(jiān)控焊縫熔透狀態(tài)，為實(shí)現(xiàn)焊縫成形閉環(huán)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(shù)和干擾因素多等原因，相關(guān)信號(hào)的提取和處理較為困難，獲取精確反映焊縫熔透狀態(tài)的信號(hào)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(shí)頻局部化的信號(hào)分析方法。小波分析由于自適應(yīng)的時(shí)頻窗口，非常適合信號(hào)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(hù)氣體焊接熔透狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)識(shí)別研究，對電弧聲信號(hào)進(jìn)行小波分解，并對不同頻帶能量進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)聲信號(hào)的頻帶能量與熔透狀態(tài)有較好的對應(yīng)關(guān)系。CHEN等對6061鋁合金攪拌摩擦焊接聲發(fā)射信號(hào)進(jìn)行小波變換分析，通過頻帶能的計(jì)算獲取了暫態(tài)焊接狀態(tài)，并快速識(shí)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(yàn)系統(tǒng)為研究平臺(tái)，對焊接過程電弧電壓進(jìn)行采集，并采用小波分解方法對其進(jìn)行不同頻帶的分解，對不同頻帶能量進(jìn)行歸一化處理，構(gòu)造特征向量，欲從中獲取與熔透狀態(tài)對應(yīng)的特征信號(hào)。

1 試驗(yàn)裝置

脈沖VPPA焊接系統(tǒng)如圖1所示。對8 mm厚3003鋁合金板進(jìn)行脈沖VPPA穿孔堆焊試驗(yàn)，通過數(shù)據(jù)采集卡采集焊接過程電信號(hào)，并采用信號(hào)處理方法，對其進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和分析，欲從中提取能夠反映焊縫熔透狀態(tài)的特征信號(hào)。

圖1 VPPA焊接系統(tǒng)

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(shí)間分辨率，在高頻部分具有較高的時(shí)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(hào)變化緩慢而高頻信號(hào)變化迅速的特點(diǎn)，使小波分析具有信號(hào)的自適應(yīng)性。

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

若將()∈()按以下空間組合展開：

(1)

其中:為任意設(shè)定的尺度。則

(2)

當(dāng)→∞時(shí)，上式變?yōu)?/p>

(3)

小波分解對信號(hào)進(jìn)行低通濾波和高通濾波，信號(hào)分解到不同頻段序列，在不同尺度上分解為近似部分和細(xì)節(jié)部分。文中采用小波分解方法，重點(diǎn)對信號(hào)細(xì)節(jié)部分進(jìn)行分解，將其分解到不同的頻帶，并計(jì)算其頻帶能，探究頻帶能與焊縫熔透之間的關(guān)聯(lián)。

2.2 頻帶能的特征提取方法

對信號(hào)進(jìn)行尺度分解，將其分解到感興趣的頻率范圍，從而提取相應(yīng)頻帶內(nèi)的信息。另一方面，還可以對各頻帶內(nèi)的信號(hào)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，形成反映信號(hào)特征的特征向量，若分析各頻帶內(nèi)的信號(hào)能量，則稱之為頻帶的能量分析。

(4)

式中:為個(gè)頻帶信號(hào)長度。

電弧電壓頻帶能量隨焊縫熔透狀態(tài)而改變，以能量為元素構(gòu)造特征向量

()=[,0，,1，,2,]

(5)

考慮到焊接工藝參數(shù)的變化對焊縫熔透狀態(tài)分析的影響，構(gòu)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(hào)。

3 脈沖VPPA焊接熔透特征的提取

熔透狀態(tài)跟焊接參數(shù)、焊接材料及尺寸等相關(guān)，并呈現(xiàn)出高度的復(fù)雜性和非線性。關(guān)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(yōu)勢。文中對脈沖VPPA焊接電弧電壓進(jìn)行小波分解，并研究頻帶能量與焊縫熔透之間的對應(yīng)關(guān)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(tǒng)進(jìn)行鋁合金脈沖VPPA焊接試驗(yàn)，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(tài)下的焊縫

當(dāng)焊接參數(shù)為正極性平均電流165 A、反極性平均電流205 A時(shí)，完全熔透焊接通過NI數(shù)據(jù)采集卡采集到的電弧電壓時(shí)域波形如圖3(a)所示，圖(b)為對時(shí)域電壓信號(hào)進(jìn)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(chǎn)生沖擊作用，且沖刷頻率遠(yuǎn)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(yīng)的熔透特征信息。因此，文中欲對電弧電壓高頻部分信號(hào)進(jìn)行分析，從中提出能夠反映熔透狀態(tài)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(jìn)行小波分解，將其分解到各個(gè)不同的頻帶區(qū)，然后計(jì)算頻帶能量，最后構(gòu)造特征向量進(jìn)行闡述。

在小波分析中，由于構(gòu)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(gòu)精度和局部分析能力，因此文中選用Daubechies小波基，分解層數(shù)選為6層。

如果信號(hào)被小波分解為6層，則：

=++++++

(8)

式中:為低頻系數(shù);、、、、、為小波分析獲得高頻系數(shù)。其中,被認(rèn)為對原始信號(hào)進(jìn)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(jìn)行小波頻帶能分析。首先對所采集電弧電壓進(jìn)行MATLAB小波分解，然后計(jì)算各個(gè)頻段的頻帶能，最后計(jì)算得出特征向量，即根據(jù)式(6)計(jì)算出的()向量。

為了研究每個(gè)頻帶能量和不同焊縫熔透狀態(tài)之間的關(guān)系，對所采集的3種不同熔透焊接電弧電壓的10 000個(gè)采樣點(diǎn)進(jìn)行了6層Daubechies小波分解，可獲得高頻信號(hào)～，其中、、波形如圖4所示。

從圖4可以看出：對于同一個(gè)頻帶的信號(hào)，不管那種熔透焊接，信號(hào)整體分布趨勢類同，很難從中得出與熔透相關(guān)的信息。因此，針對不同熔透焊接，為了研究每個(gè)小波頻帶能和不同熔透狀態(tài)之間的關(guān)系，對所獲得～的10 000個(gè)采樣點(diǎn)進(jìn)行了頻帶能量均方根的計(jì)算；為了評(píng)估每個(gè)頻帶能量區(qū)分熔透狀態(tài)的性能，計(jì)算了不同熔透狀態(tài)的各個(gè)頻帶能對應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)偏差。3種熔透狀態(tài)每個(gè)頻帶能量的均方根和標(biāo)準(zhǔn)偏差計(jì)算結(jié)果如表1所示。標(biāo)準(zhǔn)偏差最大說明偏離值最大，在3種熔透狀態(tài)電弧電壓中的波動(dòng)最大。從表1可以看出：在3種不同熔透狀態(tài)下，不同頻帶能量～之間，高頻的標(biāo)準(zhǔn)差為最大，達(dá)到了0.110 188，其次為，達(dá)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(tài)的性能，而其他幾種頻帶能量對區(qū)分熔透狀態(tài)的貢獻(xiàn)不明顯。因此，可以將、和三個(gè)頻帶能量作為熔透狀態(tài)的特征向量，其中對表征焊縫熔透狀態(tài)的貢獻(xiàn)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(tài)下電弧電壓小波分解信號(hào)

表1 3種不同熔透焊接的E1～E6統(tǒng)計(jì)參數(shù)

為了更直觀研究頻帶能與脈沖VPPA焊接熔透狀態(tài)之間的關(guān)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(hào)[(0～4.687 5) kHz]的能量，高頻信號(hào)[(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(shí)能量最高，達(dá)到了整個(gè)頻帶能量的70.52%，其他兩種熔透狀態(tài)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(dāng)脈沖VPPA焊接焊縫從完全熔透轉(zhuǎn)變?yōu)槠渌麅煞N熔透狀態(tài)時(shí)，具有明顯的提高，、反而會(huì)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(tài)的變化，脈沖VPPA焊接電弧電壓頻帶能量分布發(fā)生顯著變化，其中最為顯著的是，頻帶能量發(fā)生明顯的突變，從而證明了電弧電壓高頻信號(hào)與熔透狀態(tài)之間的相關(guān)性，可作為脈沖VPPA焊接熔透控制的一種新方法，為焊接質(zhì)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(jié)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(tài)下的電弧電壓進(jìn)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(gè)采樣點(diǎn)進(jìn)行了頻帶能均方根和標(biāo)準(zhǔn)差的計(jì)算，結(jié)果表示:、和具有更好的表征焊縫熔透狀態(tài)的性能，其中最具有代表性；

(3)為了進(jìn)一步驗(yàn)證，比較頻帶能量均方根發(fā)現(xiàn)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(tài)，可作為脈沖VPPA焊接焊縫熔透信息的特征信號(hào)，可作為在線檢測信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)熔透實(shí)時(shí)控制。