GTAW焊接过程声音信号的分析

    焊接声音主要反映了电弧变化以及电弧与溶池的相互作用,包含了丰富的焊接质量以及焊接稳定性的信息[1]。类似的很多别的工业过程也伴随着声音的产生,如马达振动产生声音,而这些声音恰好也已经被用于测量系统故障,监控系统工作稳接过程进行监控,是一个有效的途径。文献[2]做了一个心理-物理测试,结果表明焊工在焊接时,对声音信号作为一个反馈信号有一定的依赖。日本学者对焊接声音作了较早的研究[3-5],发现焊接过程声音跟焊接方法有很大关系,也受焊接电流波形影响很大。D. Saini[6]通过统计分析方法,试图提取焊接声音信号的特征信息,结果并不理想。国内兰州理工大学对焊接声音特征提取做了很多研究,通过谱分析,小波包分解,语音识别技术对电弧焊接声音特征进行提取,研究监测焊接过程的稳定性以及干伸长[7, 8]。然而目前为止,关于焊接声音信号与焊接参数的关系,以及焊接声音的物理特性的报道非常少,对于这些内容的研究可促进我们更好的利用焊接声音信号提取有效的焊接声音特点。   

    1 试验环境

    实验所采用的设备及系统如图1,焊机采用OTC 500P逆变电源,焊接材料为4mm厚铝合金LF6,采用交流进行平板堆焊。声音传统系统采用北京声望技术公司生产的MP201麦克风和MC104信号调理系统。麦克风的响应频率为20-20 KHz,灵敏度为50 mv/Pa,试验中采集到的声压值可结合灵敏度转化成常用的分贝值表示,本试验用声压原始值。实验中麦克风正对电弧,距电弧中心距离为30 cm,并保持不变。麦克风轴线与工件平面的夹角可调节,不特殊声明时H=75b。信号调理系统除了具有信号的放大还有滤波功能,根据之前声音信号的频谱分析后,发觉15 K以上的信号强度非常微弱,因此低通滤波器截至频率设置为15 KHz。信号调理器输出的信号与计算机中数据采集卡AI端口相连,采集频率为40 KHz。

    2 试验结果及分析

    采用方波脉冲交流进行焊接,焊接电流波形示意图如图2a,其中大幅度处为脉冲峰值期,小幅度处为基值期,电源的交流频率为70 Hz。图2b为一个整脉冲下的声音信号,从图中看出声音信号存在固定的直流偏置大小为-0. 143 V,因此在后续对声音信号处理时都需要减掉此值,并且后面分析中所得声音信号值是指对原始声音信号取绝对值后再求平均值。

    下面分别从焊接气流,焊接速度,焊接弧长和焊接角度分别分析这几个参数对焊接电弧声音的影响。

    2.1 焊接气流对声音信号的影响

    图3表明焊接声音的声压值随着保护气体流量增加而增加,并且当气体流量超过15 L/min时声压趋于恒定。当气体流量少于5 L/min时,无法达到有效焊接,焊接区表面发黑,表面为坑凹状,没有形成正常熔池,声音沉闷。