电弧声信号在焊接质量监测领域的研究现状

(天津工业大学机械工程学院 天津 300387)

在实际焊接过程中，有经验的焊工根据电弧声信号就可以判别焊接状态，并及时调整焊接参数从而保证焊接质量，由此可知，电弧声信号监控焊接质量是可行的。目前电弧声信号对焊接质量监测大多停留在理论研究阶段，并未在焊接自动化领域广泛应用，深入研究电弧声信号在焊接质量监测方面有重要的意义。

一、电弧声信号监测焊缝熔透

焊缝熔透状态作为反映焊接质量的重要信息之一，相比传统的焊接后进行焊接缺陷检查，实现焊接过程熔透信息实时监测有着重要的意义，而电弧声信号的实时性、动态性可以反映焊缝熔透状态。

已有学者在电弧声信号监测焊缝熔透方面进行了研究，焊缝熔透状态大致可以分为：未熔透、熔透及过熔透。吕娜[1]等人通过提取铝合金的脉冲GTAW焊接过程的电弧声信号，首先研究了电弧声信号的产生机理，并进一步分析了电弧声信号与焊缝熔透状态的相关性，提出完整的一套电弧声信号时、频域特征提取算法，大量试验证明，这些特征信号与焊缝熔透状态高度相关。基于电弧声信号与熔透状态的非线性特点，建立了BP_Adaboost神经网络预测模型，得到了较高的熔透状态识别率，满足焊缝熔透实时监测的要求。

焊接穿孔为焊接过熔透的一种表现形式，直接影响焊接质量，但部分穿孔位置隐藏焊层下方，难以直接发现。MFM Yusof[2]针对焊接穿孔现象与电弧声信号之间的关系展开研究。在天然气管道MIG焊接过程中，明显的焊接穿孔位置对应电弧声时域上的波动，隐藏于焊层下的焊接穿孔在声信号时域波形上无明显特征。其通过对电弧声信号进行希尔伯特黄变换得到了电弧声能量与焊接穿孔位置图，较高的能量幅值对应较大的焊接穿孔，而且能量突变位置与焊接穿孔位置高度对应，对于识别隐藏的焊接穿孔缺陷具有重要的辅助作用。

此外，毕淑娟[3]等对借助主成分分析方法实现了平板对接MIG焊熔透状态在线监测。首先提取不同熔透状态下的电弧声信号，提取了短时能量、短时平均幅度、短时过零率等11个可表征焊缝熔透状态的特征参数组成60维联合特征向量，联合特征向量虽然能全面的反映焊缝熔透状态，各特征之间难免存在相关性。经主成分降维后获得8维主成分特征向量，以此为输入，焊缝熔透状态为输出，借助BP和RBF神经网络建立熔透状态辨识网络模型。

二、电弧声信号监测焊枪位置

焊接过程中，焊枪与侧壁之间的距离控制是保证侧壁融合良好的关键，因此可靠且能实时反映焊枪与侧壁距离的信号源尤为重要。电弧声信号作为伴随焊接过程产生的信号源引起了广大专家学者的关注。

兰虎[4]以窄间隙熔化极活性气体保护焊接为基础，采用分段焊接试验，改变焊枪摆动幅度从而改变焊枪与侧壁的距离并采集对应的电弧声信号。通过功率密度谱分析对电弧声信号的频域进行分析发现，电弧声信号频谱分布与焊枪到侧壁的距离有较高的相关性。焊枪与侧壁的距离较小时，电弧声能量主要集中在低频段；当焊枪与侧壁的距离较大时，电弧声能量在低频和高频段均有分布。在功率密度分析的基础上进行了联合时频分析，随着焊枪与侧壁之间的距离增加，电弧声能量在低频段始终有分布，当距离增加到2.6mm以上时，电弧声能量在高频出呈现“断续-连续”的分布特征，从理论上说明利用电弧声在时频域上的分布特征可以实现监测预警作用。

由于焊接路径的偏差将会影响焊接质量，焊接路径的在线监测是非常重要的。吕娜[5]等人提出了一种基于双麦克风阵列的焊接路径监测技术。通过电弧声特征分析，得到电弧声信号与焊接路径偏差两者之间的关系，从而建立了焊接路径预测模型。通过试验证明双麦克风阵列在焊接路径监测中有更好的预测精度预测误差最大为1.1901毫米。基于双麦克风阵列的监测系统能够满足脉冲MIG焊接质量控制的位置精度要求

三、电弧声信号监测焊接质量领域的其他应用

除上述焊缝熔透、焊枪位置会影响焊接质量之外，焊接过程中的熔滴过渡形式、焊接飞溅、保护气流量等也会影响到焊接质量。

在实际焊接过程中，熔滴过渡形式会直接影响焊缝成形的效果，从而决定焊接质量。熔滴过渡的形式可分为：短路过渡、大滴过渡、射滴过渡与射流过渡，其中射滴过渡为较理想的过渡方式。但在自动化焊接过程中，射滴过渡的参数匹配范围窄，因此对焊接过程中熔滴过渡方式的监控具有重要意义。石玗[6]等人通过控制焊接参数，得到不同熔滴过渡形式下的电弧声信号，对其进行功率密度分析发现：射滴过渡与射流过渡在频率分布上较为相似，但幅值差别较大，短路过渡与大滴过渡在功率密度分析中区别不明显。进而对四类情况下的电弧声进行了ARMA双谱分析，四类熔滴过渡形式有明显的特征区别。

焊接飞溅、保护气流量对焊接质量也有一定的影响。温建力[7]基于MIG焊分别进行焊接飞溅试验和保护气流量试验并提取了对应过程的电弧声信号。分析发现，当发生焊接飞溅时，电弧声幅值显著增加，说明电弧声信号可以检测焊接飞溅。合适保护气流量能够保证焊接电弧的稳定性，从而获得较好的焊缝成形。经试验验证，当保护气流量达到15L/min时，电弧声信号比较平滑，电弧燃弧稳定。

四、结论

本文综述了近些年电弧声信号在焊接质量监测领域的研究成果，大多学者集中在MIG焊电弧声信号监测焊接质量的研究，MIG焊接过程无短路，电弧声信号受到干扰较少，而且大多研究成果是通过神经网络将电弧声特征与焊接质量进行关联，在实际工业控制中不能直接应用。在电弧声信号特征应用于焊枪位置监测方面，目前的研究还不足以通过电弧声信号特征精确判别焊枪位置，基于电弧声信号的焊缝跟踪技术还需要进一步深入研究。