激光焊熔透特征混沌信號(hào)解析與多維復(fù)合識(shí)別研究

孫 謙，黃瑞生，李小宇，王旭友，李俐群，梁曉梅

1. 哈爾濱焊接研究院有限公司，黑龍江 哈爾濱 150028 2. 哈爾濱工業(yè)大學(xué)，黑龍江 哈爾濱 150001

引 言

在文獻(xiàn)[1]中通過(guò)光譜透視、紅外顯微成像、光電傳感、空間定位提取等復(fù)合處理方法，實(shí)現(xiàn)了對(duì)匙孔內(nèi)熔透特征熒光信號(hào)的有效增強(qiáng)和精準(zhǔn)提取。 但是，激光焊接是一個(gè)復(fù)雜、劇烈的動(dòng)態(tài)熱反應(yīng)過(guò)程，熔透特征會(huì)時(shí)刻伴隨焊接狀態(tài)產(chǎn)生急劇變化，因此檢測(cè)數(shù)據(jù)中也耦合了眾多混合干擾信號(hào)，并存在著復(fù)雜的時(shí)域及頻域變化，數(shù)據(jù)波動(dòng)極為劇烈[2-4]，常規(guī)信號(hào)分析方法依然難以對(duì)激光焊接熔透特征信息進(jìn)行有效把握。

雖然大功率固體激光焊接時(shí)光感信號(hào)具有明顯的混沌信號(hào)特征，但是在一定焊接條件不變的情況下，焊接的熱反應(yīng)本質(zhì)是沒(méi)有改變的，因此對(duì)該條件下的一定數(shù)量檢測(cè)信號(hào)在其整體分布趨勢(shì)上會(huì)趨于一致，而且所收集的信號(hào)數(shù)量越多分布特征越明顯，決定這一特征的主要因素不在于檢測(cè)信號(hào)隨時(shí)域及頻域的變化過(guò)程，而取決于實(shí)際焊接條件[5-6]。 基于此原理，文章首先從數(shù)據(jù)處理研究方面，創(chuàng)新性地提出一種混沌信號(hào)解析方法。 基于統(tǒng)計(jì)方法，將復(fù)雜的混沌檢測(cè)信號(hào)簡(jiǎn)化成具有趨勢(shì)性特征的圖形識(shí)別模式，挖掘圖形的形貌特征與熔透行為關(guān)聯(lián)，獲得對(duì)焊接復(fù)合影響機(jī)制的宏觀認(rèn)知，實(shí)現(xiàn)對(duì)模型抽象化特征的簡(jiǎn)化分離。 再將混沌信號(hào)解析方法與激光焊接熔透特征信號(hào)同軸增效提取技術(shù)有機(jī)相結(jié)合，創(chuàng)新出了大功率固體激光焊熔透狀態(tài)多維復(fù)合識(shí)別新方法。 促生了光譜透視、紅外顯微成像、光電傳感、混沌信號(hào)圖形化解析、形貌特征復(fù)合識(shí)別的多方法復(fù)合應(yīng)用，通過(guò)多角度光譜及光學(xué)處理和數(shù)據(jù)模型多特征復(fù)合識(shí)別的多維復(fù)合應(yīng)用，使檢測(cè)效果相互增強(qiáng)、相互補(bǔ)充，尋求一種有效增強(qiáng)激光焊接熔透狀態(tài)識(shí)別能力的可靠途徑。

1 實(shí)驗(yàn)裝置

試驗(yàn)主要裝置包括6kW德國(guó)IPG YLS-6000型大功率固體激光焊器、德國(guó)HIGHYAG BIMO DF型雙焦點(diǎn)激光焊接頭、行走式焊接工作臺(tái)、自制激光焊接熔透檢測(cè)裝置、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)。 激光焊接頭及熔透檢測(cè)裝置實(shí)物圖如圖1所示。

圖1 激光焊接頭及熔透檢測(cè)裝置

2 混沌信號(hào)解析

2.1 等效圖形轉(zhuǎn)化

通過(guò)熔透特征信號(hào)同軸增效提取技術(shù)獲得的光感檢測(cè)信號(hào)如圖2(a)所示，其在空間分布上是一個(gè)有規(guī)律的點(diǎn)陣，不同檢測(cè)信號(hào)強(qiáng)度區(qū)域內(nèi)所獲得的檢測(cè)信號(hào)點(diǎn)的數(shù)量存在明顯差異。 為了獲取信號(hào)分布的更直觀特征，根據(jù)這些信號(hào)在空間分布的相對(duì)密度，通過(guò)數(shù)學(xué)統(tǒng)計(jì)方法，利用C++軟件對(duì)所有單位強(qiáng)度區(qū)間內(nèi)信號(hào)進(jìn)行密度統(tǒng)計(jì)，提取出信號(hào)整體分布情況數(shù)據(jù)，并擬合出概率密度分布函數(shù)及其特征曲線模型，轉(zhuǎn)化后的概率密度特征模型如圖2(b)所示，由此可將十分復(fù)雜的光學(xué)檢測(cè)信號(hào)通過(guò)統(tǒng)計(jì)學(xué)等效圖形方式轉(zhuǎn)化成具有明顯趨勢(shì)性特征信息的簡(jiǎn)單模型。

圖2 特征模型轉(zhuǎn)化原理圖

2.2 形貌特征與熔透行為關(guān)聯(lián)

為了找到與激光焊接熔透狀態(tài)直接相關(guān)的模型特征變化，采用2 500 W激光功率，2 m·min-1焊接速度，0 mm離焦量等參數(shù)的相同焊接條件下，分別對(duì)2和4 mm厚鈦合金試板進(jìn)行了激光熔透實(shí)驗(yàn)，在2 mm厚鈦合金試板上獲得了適度熔透焊縫，在4 mm厚鈦合金試板上獲得了非熔透焊縫，實(shí)驗(yàn)同時(shí)通過(guò)熔透特征信號(hào)同軸增效提取技術(shù)獲得了二者的熔透輻射特征信號(hào)，如圖3所示。

圖3 熔透輻射特征信號(hào)及特征模型

然后通過(guò)數(shù)學(xué)概率密度分析手段，分別獲得了二者特征模型，適度熔透焊縫的特征模型如圖3(a)所示，非熔透焊縫的特征模型如圖3b所示。 通過(guò)對(duì)比觀察圖3中適度熔透焊縫與非熔透焊縫的輻射特征信號(hào)可以發(fā)現(xiàn)，不同焊接熔透狀態(tài)時(shí)光感檢測(cè)信號(hào)的分布情況是存在一定差異的，而且這些差異可以通過(guò)適度熔透與非熔透焊縫特征模型的一些形貌特征上找到明顯區(qū)別，即特征參數(shù)[7]。

特征參數(shù)1：

特征模型的重心線位置，即信號(hào)空間分布的最密集區(qū)域，在這里可以找到光感檢測(cè)信號(hào)中最集中出現(xiàn)的信號(hào)強(qiáng)度數(shù)值。 由于此數(shù)值附近出現(xiàn)的信號(hào)頻率最多，概率最大，作用最集中，而從文獻(xiàn)[1]中可知激光焊接熔透狀態(tài)與熔透特征區(qū)域輻射行為存在規(guī)律性變化特征，因此可視為與焊接熔透關(guān)聯(lián)的一項(xiàng)準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)平衡參數(shù)，定義其為基值。 在光感檢測(cè)信號(hào)特征模型中，可以從曲線的頂點(diǎn)位置對(duì)應(yīng)找到基值的強(qiáng)度數(shù)值，如圖4中所示，基值的表達(dá)式為

α=φ-1(χmax)

(1)

式中：α為基值；φ為光感檢測(cè)信號(hào)概率密度分布函數(shù)；χmax為光感檢測(cè)信號(hào)概率密度分布中的最大值(%)。

特征參數(shù)2：

特征模型的離散度，即對(duì)所有統(tǒng)計(jì)分析信號(hào)加權(quán)后的統(tǒng)計(jì)值，可以反映出信號(hào)的整體分布集中情況。 因?yàn)槌嘶狄酝?，其他區(qū)域內(nèi)的點(diǎn)也同樣會(huì)對(duì)信號(hào)分布趨勢(shì)產(chǎn)生作用，只是它們的影響效果會(huì)受到這些點(diǎn)出現(xiàn)的位置及分布概率的直接影響。 出現(xiàn)位置與基值距離越遠(yuǎn)，且分布概率越大，對(duì)基值效果下產(chǎn)生的波動(dòng)也就越大。 在非熔透光感檢測(cè)信號(hào)中由于匙孔底部未形成缺口，熔透特征區(qū)域信相對(duì)穩(wěn)定，其光感檢測(cè)信號(hào)的大概率變化幅值(設(shè)定為98%信號(hào)的集中分布區(qū)間)相對(duì)較小。 而適度熔透時(shí)由于激光非連續(xù)性穿透工件，在匙孔底部形成缺口，熔透特征區(qū)域低輻射信號(hào)呈周期性的閃動(dòng)出現(xiàn)[1]，因此光感檢測(cè)信號(hào)大概率變化幅值相對(duì)變大。 離散度可根據(jù)實(shí)際信號(hào)的概率密度分布模型的積分值求得。 如圖4中所示，離散度的表達(dá)式為

(2)

式中：β為離散度；C為比例調(diào)節(jié)常數(shù)；κ為檢測(cè)信號(hào)范圍內(nèi)的任一點(diǎn)信號(hào)強(qiáng)度值；φ(κ)為κ點(diǎn)對(duì)應(yīng)的概率密度值；D(κ)為κ點(diǎn)與基值的距離； min和max為κ的取值范圍。

圖4 參數(shù)說(shuō)明圖

特征參數(shù)3：

畸變率特征參數(shù)，即描述特征模型沿重心線左右兩側(cè)曲線對(duì)稱情況，對(duì)于離散度產(chǎn)生的單向畸變偏移有較好的識(shí)別效果。 在非熔透焊接情況下匙孔底部信號(hào)會(huì)隨匙孔自身波動(dòng)在一定幅值范圍內(nèi)變化，但如果焊縫熔透以后，熔透特征區(qū)域的信號(hào)會(huì)隨著匙孔底部缺口的形成而陡然降低，再隨著缺口的閉合重新上漲，匙孔底部開(kāi)口的停留時(shí)間以及產(chǎn)生頻率決定了光感檢測(cè)信號(hào)特征模型的畸變方向及幅值，比如在焊縫剛?cè)弁笗r(shí)匙孔底部產(chǎn)生的缺口停留時(shí)間較短，頻率也較低，對(duì)于特征模型重心的左向偏離效果也較小，而隨著熔透幅度的加大缺口停留時(shí)間增加左向偏離效果也更加明顯，擔(dān)當(dāng)匙孔底部缺口停留時(shí)間與閉合時(shí)間逐漸接近時(shí)偏移產(chǎn)生雙向波動(dòng)，直至缺口停留時(shí)間超過(guò)閉合時(shí)間偏離方向轉(zhuǎn)為右向，當(dāng)缺口形成“常開(kāi)”模式后，偏移幅值降至最低，由此可實(shí)現(xiàn)對(duì)焊縫熔透程度的有效識(shí)別。 為了減小運(yùn)算量，畸變率可近似選取特征模型半波位置的左右對(duì)比值，具體從曲線的頂點(diǎn)1/2位置對(duì)應(yīng)找到半波寬起點(diǎn)和終點(diǎn)的數(shù)值，如圖4中所示，畸變率的表達(dá)式為

(3)

κ1,κ2=φ-1(1/2χmax)

(4)

κ2>κ1>0

(5)

式中：δ為畸變率。

2.3 混沌信號(hào)動(dòng)態(tài)分析

在上述瞬態(tài)分析的基礎(chǔ)上，從動(dòng)態(tài)角度可將復(fù)雜的熔透輻射特征信號(hào)按采樣時(shí)間順序分解成一系列描述微小時(shí)間段內(nèi)信號(hào)密度特征的圖形化模型，然后再通過(guò)數(shù)學(xué)解析方法獲得每個(gè)模型的熔透特征參數(shù)，最后順次連接可獲得激光焊接熔透行為檢測(cè)曲線，從而在不遺漏任何檢測(cè)點(diǎn)信息的情況下大幅簡(jiǎn)化分析難度實(shí)現(xiàn)對(duì)焊接熔透信息的有效識(shí)別[8-9]，動(dòng)態(tài)分析原理示意圖見(jiàn)圖5。

圖5 混沌信號(hào)動(dòng)態(tài)解析方法原理圖

3 熔透狀態(tài)復(fù)合識(shí)別

為了研究基值α、離散度β及畸變率δ對(duì)未熔透、熔透、過(guò)熔透幾種激光焊接熔透狀態(tài)的識(shí)別效果，采用1 300—1 900—2 500 W階梯式激光輸出形式，以2 m·min-1焊接速度，0 mm離焦量焊接條件下，在1.5 mm厚鈦合金試板上獲得了一條從未熔透、熔透、到過(guò)熔透變化的焊縫。 試驗(yàn)檢測(cè)信號(hào)由熔透特征信號(hào)同軸增效提取技術(shù)獲得，采樣頻率5 000 Hz，通過(guò)C++軟件完成了等效圖形轉(zhuǎn)化、特征參數(shù)提取、混沌信號(hào)動(dòng)態(tài)分析等數(shù)據(jù)處理后，獲得的基值α、離散度β及畸變率δ的特征曲線如圖6所示。

圖6 激光焊接熔透檢測(cè)數(shù)據(jù)分析

對(duì)比觀察激光功率輸出與基值α特征曲線的變化趨勢(shì)可知，當(dāng)AB段激光功率輸出1 300 W時(shí)，焊縫為未熔透狀態(tài)，此時(shí)基值α處于較大數(shù)值區(qū)域且波動(dòng)幅度較小，當(dāng)BC段激光功率提高至1 900 W時(shí)，焊縫由未熔透狀態(tài)變化到了熔透狀態(tài)，此時(shí)基值α先是有一小段爬升過(guò)程，然后轉(zhuǎn)而向下，同時(shí)波動(dòng)幅度大幅增加，當(dāng)CD段激光功率升至2 500 W時(shí)，產(chǎn)生了過(guò)熔透焊縫，此時(shí)基值α數(shù)值繼續(xù)大幅減小，但波動(dòng)幅度明顯收窄。 由此可見(jiàn)在焊縫未熔透時(shí)，基值α特征曲線會(huì)隨激光功率的增加而變大，但當(dāng)焊縫熔透以后，基值α?xí)S熔透程度的加大而反向減小。 該項(xiàng)特征參數(shù)在焊縫熔透程度較大時(shí)具有明顯的識(shí)別效果，但是在焊縫熔透程度較小時(shí)，由于在該區(qū)域下波動(dòng)幅值較大，因此會(huì)產(chǎn)生部分“誤判”，如圖6中虛線標(biāo)注部分。

與基值α相比離散度β特征曲線的變化規(guī)律具有較大差異，在AB段未熔透時(shí)離散度β的數(shù)值和波動(dòng)幅值都較小，當(dāng)BC段焊縫熔透時(shí)，數(shù)值和波動(dòng)幅值同步明顯加大，而在CD段焊縫過(guò)熔透以后，數(shù)值和波動(dòng)幅值又同時(shí)大幅下降。 這是由于焊縫熔透程度較小時(shí)在熔透特征區(qū)域中產(chǎn)生了低頻低輻射信號(hào)，低輻射信號(hào)與高輻射信號(hào)的“共存”導(dǎo)致了檢測(cè)信號(hào)大概率變化幅值的相對(duì)變大，引起了離散度β的上升，但當(dāng)熔透程度過(guò)大時(shí)，激光匙孔底部呈“常開(kāi)”狀態(tài)，低輻射信號(hào)幾乎完全取代了高輻射信號(hào)，檢測(cè)信號(hào)大概率變化幅值反而下降，導(dǎo)致了離散度β的下降。 因此，離散度β特征曲線只對(duì)焊縫熔透程度較小時(shí)具有明顯的識(shí)別效果，可以作為對(duì)基值α的有效補(bǔ)充。

畸變率δ是一個(gè)較特殊的特征參數(shù)，由于在焊縫熔透程度較小時(shí)畸變率δ可以較好的反映出由于低頻低輻射信號(hào)對(duì)特征模型產(chǎn)生的左向畸變偏移(畸變率δ>1)，而在焊縫熔透程度較大時(shí)可以識(shí)別對(duì)高輻射信號(hào)對(duì)特征模型產(chǎn)生右向畸變偏移(畸變率δ<1)，同時(shí)其規(guī)律性特征還能夠?qū)附尤弁概c焊接波動(dòng)對(duì)檢測(cè)結(jié)果的影響進(jìn)行一定的輔助區(qū)分。 所以其對(duì)于基值α和離散度β的“檢測(cè)盲區(qū)”都是一個(gè)較好補(bǔ)充，但是在適度熔透狀態(tài)附近時(shí)由于低輻射信號(hào)與高輻射信號(hào)的劇烈切換，使得畸變率δ數(shù)值產(chǎn)生劇烈波動(dòng)。 因此，基值α、離散度β及畸變率δ特征參數(shù)間具有相互補(bǔ)充、相互驗(yàn)證關(guān)系，通過(guò)它們的特征曲線進(jìn)行復(fù)合識(shí)別可以對(duì)激光焊接熔透狀態(tài)實(shí)現(xiàn)較好的定性及定量檢測(cè)[10]。

4 試驗(yàn)驗(yàn)證及結(jié)果分析

4.1 熔透驗(yàn)證試驗(yàn)設(shè)計(jì)

為了驗(yàn)證在相同焊接條件下能否對(duì)熔透與非熔透特征交替存在的焊縫進(jìn)行有效識(shí)別，試驗(yàn)選取300 mm×150 mm×4 mm鈦合金試板，焊前先將鈦板背面機(jī)加出2個(gè)矩形凹槽，凹槽最深位置距試板上表面厚度為1.5 mm，試板實(shí)物及熔透鑒定點(diǎn)位置如圖7所示。 焊接工藝類型為鈦合金不等厚試板激光表面堆焊，焊接速度2 m·min-1，保護(hù)氣成分工業(yè)高純Ar，信號(hào)采樣頻率5 000 Hz，分別在激光功率2 400，2 300和2 200 W焊接3條、2條、3條焊縫，共計(jì)8條焊縫，每條焊縫上10個(gè)鑒定點(diǎn)，共計(jì)80個(gè)鑒定點(diǎn)。 焊接結(jié)束后可依據(jù)鑒定點(diǎn)位置的實(shí)際熔透情況，判定熔透檢測(cè)的準(zhǔn)確率。

4.2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

通過(guò)已設(shè)定的80個(gè)鑒定點(diǎn)，對(duì)熔透檢測(cè)可靠性進(jìn)行了對(duì)比驗(yàn)證，如表1所示。 檢測(cè)結(jié)果與實(shí)際焊縫熔透狀態(tài)全部相一致，證明該熔透檢測(cè)方法對(duì)鈦合金激光焊接熔透行為具有較好的識(shí)別能力。 而從對(duì)每條焊縫熔透檢測(cè)特征曲線的驗(yàn)證效果上分析(如圖8中對(duì)試驗(yàn)F15的檢測(cè)結(jié)果)，基值α特征曲線對(duì)于焊縫的熔透狀態(tài)具有較好的趨勢(shì)性識(shí)別能力，而離散度β可實(shí)現(xiàn)對(duì)基值α的有效復(fù)合驗(yàn)證，畸變率δ可對(duì)基值α與離散度β的測(cè)試結(jié)果進(jìn)行佐證分析，同時(shí)提供焊縫在較小程度熔透時(shí)和過(guò)熔透時(shí)的識(shí)別信息。 由此有效提高了對(duì)于大功率固體激光焊的熔透檢測(cè)能力。

圖7 試板實(shí)物及熔透鑒定點(diǎn)位置

表1 鑒定點(diǎn)數(shù)據(jù)

圖8 試驗(yàn)F15軟件分析結(jié)果及試板驗(yàn)證

5 結(jié) 論

(1)將復(fù)雜的混沌信號(hào)簡(jiǎn)化成具有趨勢(shì)性特征的圖形識(shí)別模式，并挖掘圖形的形貌特征與熔透行為關(guān)聯(lián)，可獲得對(duì)焊接復(fù)合影響機(jī)制的一種宏觀認(rèn)知，并有利于實(shí)現(xiàn)對(duì)抽象化特征的簡(jiǎn)化分離。

(2)將混沌信號(hào)解析方法與熔透特征信號(hào)同軸增效提取技術(shù)相結(jié)合，促生了光學(xué)譜段管控、匙孔影像特征萃取、混沌信號(hào)圖形化解析、形貌特征復(fù)合識(shí)別的多方法復(fù)合應(yīng)用，通過(guò)多維復(fù)合識(shí)別的相互增強(qiáng)、相互補(bǔ)充，可有效增強(qiáng)對(duì)大功率固體激光焊接熔透狀態(tài)的識(shí)別能力。