焊接過(guò)程聲信號(hào)在線檢測(cè)技術(shù)現(xiàn)狀與展望

房海基，呂波，張艷喜，盧新釗，高向東

焊接過(guò)程聲信號(hào)在線檢測(cè)技術(shù)現(xiàn)狀與展望

房?；?，呂波1，張艷喜1，盧新釗2，高向東1

（1. 廣東工業(yè)大學(xué) 廣東省焊接工程技術(shù)研究中心，廣州 510006； 2. 廣東精泰人防工程有限公司，廣東 肇慶 526238）

基于焊接過(guò)程聲信號(hào)的聲學(xué)檢測(cè)技術(shù)是一種實(shí)時(shí)采集和檢測(cè)缺陷的有效方法，對(duì)材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)變化反映明顯。概述了常規(guī)焊接缺陷無(wú)損檢測(cè)方法的優(yōu)缺點(diǎn)，對(duì)焊接過(guò)程聲信號(hào)的分類和聲信號(hào)采集系統(tǒng)進(jìn)行了論述，分析總結(jié)了聲發(fā)射信號(hào)和可聽(tīng)聲信號(hào)的發(fā)聲機(jī)理、檢測(cè)原理和信號(hào)處理方法，并闡述其在焊接質(zhì)量在線檢測(cè)領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀及應(yīng)用，特別是焊接缺陷、熔滴過(guò)渡形式和熔透狀態(tài)的識(shí)別與預(yù)測(cè)。為了滿足在線檢測(cè)要求，包含聲學(xué)檢測(cè)在內(nèi)的多傳感信息融合焊接系統(tǒng)研究是關(guān)鍵，智能傳感、信號(hào)處理、自動(dòng)控制與人工智能技術(shù)的進(jìn)一步研究能促進(jìn)焊接產(chǎn)業(yè)的長(zhǎng)足發(fā)展。

焊接質(zhì)量；聲學(xué)檢測(cè)；聲發(fā)射；電弧聲；模式識(shí)別

焊接作為重要的材料成形和加工技術(shù)，已在石油化工、機(jī)械制造、交通運(yùn)輸、航空航天、建筑工程、微電子等領(lǐng)域得到了快速應(yīng)用和發(fā)展[1]。焊接過(guò)程中，由于焊接參數(shù)設(shè)置不當(dāng)和環(huán)境因素的影響會(huì)產(chǎn)生缺陷，嚴(yán)重影響焊接件的產(chǎn)品質(zhì)量，危害生產(chǎn)安全。隨著焊接技術(shù)不斷向智能化方向發(fā)展，對(duì)焊接過(guò)程質(zhì)量檢測(cè)也提出了更高的要求。

目前國(guó)內(nèi)外常規(guī)焊接缺陷無(wú)損檢測(cè)方法主要有射線檢測(cè)、超聲檢測(cè)、滲透檢測(cè)、磁粉檢測(cè)、渦流檢測(cè)以及漏磁檢測(cè)等[2]。射線檢測(cè)基于工件各部位對(duì)射線的吸收能力不同，將強(qiáng)度差異反映在感光膠片或顯示設(shè)備上來(lái)判斷工件是否存在缺陷，需要檢測(cè)人員具備豐富的經(jīng)驗(yàn)，且其檢測(cè)方法對(duì)人體有害[3]。常見(jiàn)的缺陷是氣孔、夾渣、未焊透、未熔合和裂紋。超聲檢測(cè)利用超聲波與工件作用后的反射、透射和散射波，對(duì)被檢測(cè)物體的宏觀缺陷、幾何特性及力學(xué)變化等方面進(jìn)行檢測(cè)，通常需要較大的掃描空間且檢測(cè)效率不高[4]。磁粉檢測(cè)利用工件上缺陷位置的不連續(xù)性產(chǎn)生漏磁場(chǎng)，吸附施加在表面的磁粉，在合適的光照下形成可見(jiàn)的磁痕，從而顯示缺陷分布，能夠檢測(cè)表面裂紋、氣孔、夾渣等缺陷，但其對(duì)工件表面粗糙度的要求非常高，且自動(dòng)化程度較低[5]。渦流檢測(cè)利用電磁感應(yīng)原理來(lái)檢測(cè)工件缺陷，能在高溫特殊環(huán)境下工作，不需接觸工件，對(duì)表面和近表面缺陷具有較高的靈敏度，但信號(hào)處理較復(fù)雜，對(duì)缺陷的形狀尺寸識(shí)別困難[6]。漏磁檢測(cè)通過(guò)霍爾傳感器等獲取漏磁場(chǎng)變化信號(hào)來(lái)識(shí)別缺陷，對(duì)表面或近表面的體積型缺陷非常敏感，適用于大面積、長(zhǎng)距離管道的快速檢測(cè)，具有一定的尺寸定量能力[7]。

上述無(wú)損檢測(cè)都是焊后檢測(cè)方法，且存在一定的局限性，特別是檢測(cè)精度在很大程度上度取決于檢測(cè)人員的知識(shí)水平和經(jīng)驗(yàn)[8]。隨著現(xiàn)代焊接產(chǎn)業(yè)的不斷發(fā)展，難以滿足智能化的生產(chǎn)要求。在焊接質(zhì)量在線檢測(cè)研究中，研究者們主要通過(guò)視覺(jué)、聲音、光學(xué)等技術(shù)手段或利用多傳感信息融合對(duì)焊接過(guò)程進(jìn)行考察[9-10]，結(jié)合機(jī)器學(xué)習(xí)和人工智能技術(shù)，構(gòu)建焊接質(zhì)量預(yù)測(cè)模型。在廣泛運(yùn)用的無(wú)損檢測(cè)技術(shù)中，基于聲學(xué)的無(wú)損檢測(cè)技術(shù)具有檢測(cè)范圍廣、檢測(cè)深度大、傳輸速度快、對(duì)人體無(wú)害且方便使用等優(yōu)勢(shì)，更適合于焊接結(jié)構(gòu)內(nèi)部缺陷檢測(cè)[11]，因此許多研究者利用焊接過(guò)程聲信號(hào)作為獨(dú)立信息或輔助信息進(jìn)行在線檢測(cè)，確定焊接質(zhì)量狀態(tài)。

1 焊接過(guò)程聲信號(hào)檢測(cè)

1.1 焊接過(guò)程聲信號(hào)分類

焊接過(guò)程伴隨著豐富的聲、光、熱、電等物理化學(xué)現(xiàn)象，可反映焊接質(zhì)量的狀態(tài)[12]。圖1為焊接過(guò)程中產(chǎn)生的檢測(cè)信號(hào)[13]。焊接自動(dòng)化的過(guò)程控制就是對(duì)熔池的監(jiān)測(cè)，光信號(hào)、聲信號(hào)、電信號(hào)都是快速檢測(cè)焊接質(zhì)量的關(guān)鍵。對(duì)于聲信號(hào)，沿焊接件表面?zhèn)鞑サ穆暟l(fā)射信號(hào)為超聲波段，而向空氣中傳播的聲信號(hào)為人耳可聽(tīng)聲波段。

圖1 焊接過(guò)程檢測(cè)信號(hào)[13]

對(duì)可聽(tīng)聲信號(hào)的研究，王偉[14]和蔣凡等[15]指出，可聽(tīng)聲信號(hào)是在激光焊接小孔模式下由等離子體從小孔中噴射的壓力波動(dòng)造成的。在電弧焊接過(guò)程中，它是由于熔池的持續(xù)沖擊和電弧內(nèi)部自身的高頻震蕩而產(chǎn)生的，其中焊接電弧聲信號(hào)有3個(gè)聲源：焊接電弧、保護(hù)氣體和焊接設(shè)備（如焊機(jī)、送絲機(jī)等外圍設(shè)備），后兩者由于信號(hào)較微弱，對(duì)電弧聲信號(hào)的特征分析影響很小[16]。對(duì)聲發(fā)射信號(hào)的研究發(fā)現(xiàn)，聲發(fā)射現(xiàn)象的產(chǎn)生是焊接結(jié)構(gòu)裂紋、沖擊和摩擦等多種因素作用的結(jié)果，使焊件內(nèi)部殘余應(yīng)力迅速釋放，產(chǎn)生彈性能量波[17]。

1.2 焊接過(guò)程聲信號(hào)采集

根據(jù)焊接過(guò)程聲信號(hào)頻率范圍的不同，分為2類聲傳感器，圖2為傳感器實(shí)物。一類是聲發(fā)射傳感器，通過(guò)耦合劑緊貼于工件表面，廣泛應(yīng)用于過(guò)程監(jiān)控和故障診斷中。對(duì)于焊接缺陷檢測(cè)，通常選用信號(hào)頻率在25～750 kHz的諧振式傳感器；另一類是麥克風(fēng)傳聲器，通常選用自由場(chǎng)型預(yù)極化測(cè)量傳聲器，性能穩(wěn)定，動(dòng)態(tài)響應(yīng)好，且方便多路和長(zhǎng)距離測(cè)量，頻率范圍一般在20～20 kHz，最高可達(dá)100 kHz。針對(duì)不同的研究對(duì)象，合適型號(hào)的傳感器能更好地采集真實(shí)數(shù)據(jù)。圖3為基于Labview開(kāi)發(fā)平臺(tái)的焊接過(guò)程聲信號(hào)采集系統(tǒng)流程，為了確保采集的可靠性，需對(duì)傳感器選型和軟硬件設(shè)計(jì)進(jìn)行深入研究。整個(gè)信號(hào)采集過(guò)程中聲傳感器將振動(dòng)信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，再濾波去噪、放大處理，經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)采集卡采集數(shù)據(jù)，并通過(guò)分析軟件進(jìn)行保存、顯示與分析[18]。

圖2 聲傳感器實(shí)物

圖3 焊接過(guò)程聲音采集系統(tǒng)流程[13]

基于焊接過(guò)程聲信號(hào)的聲學(xué)檢測(cè)是實(shí)時(shí)采集的動(dòng)態(tài)檢測(cè)方法，其聲源能量來(lái)自被測(cè)物體缺陷的本身，而不是由無(wú)損檢測(cè)儀器提供。對(duì)于復(fù)雜的工作環(huán)境能實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控，通過(guò)實(shí)時(shí)反饋動(dòng)態(tài)信息，結(jié)合動(dòng)態(tài)分析方法，能夠?qū)ξ矬w內(nèi)部結(jié)構(gòu)的損傷程度做出合理化的評(píng)析[19]。

2 聲發(fā)射檢測(cè)

2.1 聲發(fā)射信號(hào)分析

不同的結(jié)構(gòu)形式有不同的聲發(fā)射源，通常利用參數(shù)分析法總結(jié)其信號(hào)特性。對(duì)于單個(gè)信號(hào)的表征，參數(shù)包括振幅、持續(xù)時(shí)間、能量、均方根電壓值、撞擊數(shù)等。為了提高多個(gè)聲發(fā)射信號(hào)處理的準(zhǔn)確性，許多學(xué)者綜合應(yīng)用了包括振鈴計(jì)數(shù)、事件計(jì)數(shù)和有效電壓值等聲發(fā)射特征參數(shù)來(lái)評(píng)估材料或結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，從聲發(fā)射參數(shù)的關(guān)聯(lián)圖中可以找出聲發(fā)射信號(hào)的變化規(guī)律，以區(qū)分不同特性的信號(hào)，具有一定的實(shí)用性[20]。聲發(fā)射信號(hào)簡(jiǎn)化參數(shù)分析如圖4所示。

圖4 聲發(fā)射信號(hào)簡(jiǎn)化參數(shù)分析

朱洋等[21]對(duì)304不銹鋼進(jìn)行脈沖激光焊接試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)利用聲發(fā)射事件的平均峰值-振鈴計(jì)數(shù)特征分布圖能評(píng)估焊接穩(wěn)定性。同樣是對(duì)不銹鋼的試驗(yàn)，CHAI Meng-yu等[22]利用上升時(shí)間、持續(xù)時(shí)間、計(jì)數(shù)和幅度等信號(hào)特征，區(qū)分韌性裂紋擴(kuò)展，循環(huán)塑性區(qū)內(nèi)塑性變形和剪切裂紋擴(kuò)展的源特征。盡管每個(gè)聲發(fā)射參數(shù)都能提供與聲發(fā)射源特征的相關(guān)信息，但由于對(duì)參數(shù)選取的不確定性，往往會(huì)對(duì)同一聲發(fā)射事件給出不同的評(píng)價(jià)。另外，參數(shù)分析不能區(qū)分不同的聲發(fā)射源，有一定的局限性。

隨著信號(hào)處理和計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，在時(shí)域、頻域、時(shí)頻域上對(duì)焊接過(guò)程聲發(fā)射信號(hào)的波形分析不斷進(jìn)步。在時(shí)域波形分析方面，利用峰值、均值、方差、歪度、峭度和均方根值等指標(biāo)作為特征值，對(duì)信號(hào)做相關(guān)分析，了解信號(hào)自身或不同信號(hào)間的相似程度或關(guān)聯(lián)性。朱洋等[23]通過(guò)時(shí)域分析研究了脈沖YAG激光焊、微束等離子弧焊和激光-微束等離子復(fù)合焊3種不同熱源焊接效果的聲發(fā)射信號(hào)表征。韋朋余等[24]以高強(qiáng)鋼MAG焊為研究對(duì)象，通過(guò)改變正常焊接工藝、減少保護(hù)氣體量和預(yù)埋缺陷3種焊接條件，獲得了對(duì)應(yīng)的無(wú)焊接缺陷、氣孔和裂紋3種情況下的聲發(fā)射信號(hào)，通過(guò)波形分析，表明能在船舶建造過(guò)程中進(jìn)行聲發(fā)射實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

時(shí)頻分析將非平穩(wěn)信號(hào)的頻譜和時(shí)間關(guān)聯(lián)，研究其變化規(guī)律。學(xué)者們提出短時(shí)傅里葉變換、Gabor變換、小波變換、EMD分解等方法，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了很多改進(jìn)和發(fā)展[25]。熊亞飛等[26]以未焊透、未熔合、氣孔、夾渣等焊接缺陷試樣為研究對(duì)象，對(duì)比短時(shí)傅里葉變換、Wigner-Ville分布、小波變換、Hilbert-Huang變換4種時(shí)頻分析法的表征效果，發(fā)現(xiàn)Hilbert-Huang變換的時(shí)頻分辨率和局部時(shí)頻特性表現(xiàn)能力更出色。周志鵬等[27]和王超等[28]分別利用同步壓縮小波變換和一種基于STFT（Short-term fourier transform）、小波變換的新的S變換理論，通過(guò)拉伸實(shí)驗(yàn)，計(jì)算并分析裂紋形成、擴(kuò)展各個(gè)階段聲發(fā)射信號(hào)波形頻譜特征以及信號(hào)能量分布特征。觀察對(duì)比焊接過(guò)程熱裂紋、冷裂紋的聲發(fā)射信號(hào)，分析動(dòng)態(tài)特性與演變規(guī)律，其聲發(fā)射信號(hào)采集裝置如圖5所示。

圖5 聲發(fā)射信號(hào)采集裝置[27]

相比參數(shù)分析，波形分析法能更直觀展現(xiàn)聲發(fā)射源的特征，為了更好地評(píng)價(jià)焊接質(zhì)量，做好焊接缺陷的檢測(cè)與識(shí)別，研究者們會(huì)綜合兩者的優(yōu)勢(shì)對(duì)焊接聲學(xué)信號(hào)進(jìn)行分析。

2.2 聲發(fā)射源識(shí)別與預(yù)測(cè)

在缺陷聲發(fā)射檢測(cè)研究中，根據(jù)聲發(fā)射參數(shù)特征，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和支持向量機(jī)等機(jī)器學(xué)習(xí)方法被廣泛應(yīng)用[29]。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（Artificial neural network，ANN）具有強(qiáng)大的非線性映射能力、并行分布式處理能力、高速尋找優(yōu)化解能力、自學(xué)習(xí)和自適應(yīng)能力，它可以很好地解決聲發(fā)射檢測(cè)技術(shù)的噪聲干擾問(wèn)題，準(zhǔn)確判斷聲發(fā)射源的活動(dòng)情況。

聲發(fā)射源與聲發(fā)射信號(hào)之間的映射關(guān)系往往難以建立準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型，人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的引入可對(duì)焊接缺陷進(jìn)行識(shí)別與預(yù)測(cè)。通過(guò)焊接過(guò)程冶金行為的聲發(fā)射信號(hào)，提取重要的特征參數(shù)作為輸入單元，建立BP（Back propagation）神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)模型，對(duì)裂紋有較好的識(shí)別效果[30-31]，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型如圖6所示。LEE S等[32]選擇聲發(fā)射信號(hào)作為反饋信號(hào)，對(duì)激光點(diǎn)焊過(guò)程中不同激光功率、脈沖持續(xù)時(shí)間等工藝條件下的聲發(fā)射數(shù)據(jù)進(jìn)行功率譜分析，獲取特征應(yīng)用于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中，預(yù)測(cè)了不銹鋼板的可焊性。

圖6 焊接裂紋BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)模型

支持向量機(jī)（Support vector machine，SVM）是有限樣本學(xué)習(xí)的有效工具，基本思想是尋找樣本距離最大的最優(yōu)分類平面，該平面能將兩類訓(xùn)練樣本完全分開(kāi)[33]。王齊勝等[34]以聲發(fā)射信號(hào)的平均短時(shí)能量作為支持向量機(jī)的輸入特征，選取徑向基核函數(shù)，對(duì)焊接熔透狀態(tài)進(jìn)行識(shí)別，整體識(shí)別率達(dá)到98%。李奇[35]提出的HMM-SVM模型將隱馬爾可夫模型（Hidden markov model，HMM）和支持向量機(jī)結(jié)合起來(lái)，綜合了HMM的狀態(tài)轉(zhuǎn)移和依賴能力以及SVM的小樣本擴(kuò)展能力，具有較高的焊接過(guò)程裂紋識(shí)別準(zhǔn)確率。

2.3 聲發(fā)射源定位

在聲發(fā)射檢測(cè)中，聲發(fā)射源主要為裂紋萌生和擴(kuò)展、屈服和塑性變形、夾渣物的斷裂和脫開(kāi)。這些聲發(fā)射源多表現(xiàn)為點(diǎn)源，并以球形波的形式向四周發(fā)射能量。聲發(fā)射源定位的方法主要有時(shí)差定位和區(qū)域定位，時(shí)差定位主要是通過(guò)傳感器進(jìn)行線定位和面定位，容易丟失低幅度的信號(hào)，且準(zhǔn)確性受焊接缺陷的形狀影響較大；區(qū)域定位簡(jiǎn)便，速度較快，但定位粗略。

對(duì)此，研究者們提出了一些新的定位方法。陳鋼等[36]主要是針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)壓力容器可能遇到的焊接缺陷的開(kāi)裂和增長(zhǎng)、殘余應(yīng)力釋放、氧化皮的剝落、泄露等多種聲發(fā)射源，采用聲發(fā)射源定位、分布和關(guān)聯(lián)分析等方法進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)這些聲發(fā)射源的特征，并提出快捷的識(shí)別方法。STEPANOVA L N等[37]提出焊接輪廓的復(fù)雜形狀導(dǎo)致聲波信號(hào)的失真，干擾了三角定位精度。開(kāi)發(fā)一種改進(jìn)的表格定位方法，該方法將提供更高的精度，在測(cè)試焊接輪廓時(shí)實(shí)時(shí)確定缺陷的坐標(biāo)。

相比于傳統(tǒng)的聲源定位方法，把現(xiàn)代信號(hào)處理技術(shù)和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)融入到聲發(fā)射源定位中能提高缺陷定位正確率。張鵬林等[38]研究的基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的風(fēng)電塔筒裂紋聲發(fā)射源智能定位方法，提供了更優(yōu)的傳感器布置方法，能正確地定位出缺陷的位置。彭國(guó)平等[39]根據(jù)聲發(fā)射檢測(cè)方法和時(shí)間反轉(zhuǎn)成像算法，推導(dǎo)了損傷聲源信號(hào)時(shí)間反轉(zhuǎn)過(guò)程，有效提高了信號(hào)的信噪比。通過(guò)數(shù)值仿真實(shí)驗(yàn)，對(duì)比分析求和與相乘2種成像方法，結(jié)果表明經(jīng)過(guò)閾值化處理都能準(zhǔn)確地確定聲源位置。

3 可聽(tīng)聲信號(hào)檢測(cè)

電弧焊接過(guò)程是一個(gè)復(fù)雜的物理變化過(guò)程，焊接電弧狀態(tài)攜帶著大量與焊接穩(wěn)定性、焊接質(zhì)量相關(guān)的信息[40]。有經(jīng)驗(yàn)的工作者能很快從焊接電弧聲中發(fā)現(xiàn)潛在問(wèn)題，并通過(guò)調(diào)整焊接參數(shù)優(yōu)化焊接過(guò)程[41]。不同于聲發(fā)射檢測(cè)的接觸式耦合方法，電弧聲采集使用麥克風(fēng)傳聲器，使檢測(cè)過(guò)程更簡(jiǎn)便，并且包含更多的焊接質(zhì)量信息。大部分研究者單獨(dú)利用可聽(tīng)聲信號(hào)或結(jié)合多傳感器數(shù)據(jù)特征進(jìn)行熔透狀態(tài)、熔滴過(guò)渡形式的識(shí)別[42]。

3.1 麥克風(fēng)聲信號(hào)采集系統(tǒng)

LYU Na等[43]使用的一套脈沖GTAW采集與控制系統(tǒng)見(jiàn)圖7，該系統(tǒng)采用多傳感信息融合，通過(guò)高速攝像機(jī)捕獲熔池的圖像，利用麥克風(fēng)傳聲器在一定范圍內(nèi)采集焊接過(guò)程的聲音信號(hào)。通常情況下，同軸探測(cè)用來(lái)檢測(cè)光電信號(hào)，從而聲信號(hào)的探測(cè)一般放置在旁軸。

3.2 可聽(tīng)聲信號(hào)特征提取

實(shí)際采集的焊接過(guò)程聲信號(hào)具有多源共存的特點(diǎn)，若直接進(jìn)行焊接狀態(tài)表征將占用大量的計(jì)算資源，并且表征效果不精確。對(duì)焊接過(guò)程聲信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理顯得非常重要，進(jìn)一步提取有效的聲音信號(hào)特征用于建立焊接狀態(tài)識(shí)別與分類模型。聲發(fā)射信號(hào)和可聽(tīng)聲信號(hào)除了在采集方式和應(yīng)用范圍上的差別外，在后續(xù)的信號(hào)處理、特征分析、識(shí)別分類上都具有通用性。

圖7 脈沖GTAW采集與控制系統(tǒng)示意[43]

在可聽(tīng)聲信號(hào)特征提取研究中，以統(tǒng)計(jì)學(xué)為基礎(chǔ)的時(shí)域分析特征提取方法和以語(yǔ)音識(shí)別技術(shù)為基礎(chǔ)的特征提取方法應(yīng)用最廣泛。時(shí)域統(tǒng)計(jì)法的特征統(tǒng)計(jì)量包括均值、標(biāo)準(zhǔn)差、協(xié)方差、均方根、能量、對(duì)數(shù)能量，以及信號(hào)的脈沖因子、峰值因子、峭度因子和偏態(tài)因子等。利用這些統(tǒng)計(jì)量，蔣凡等[15]通過(guò)作圖比較，分析了鋁合金GTAW焊接未熔透、熔透和過(guò)熔透3種狀態(tài)的規(guī)律。

由于可聽(tīng)聲信號(hào)的特殊性，可用語(yǔ)音識(shí)別方面的人工智能技術(shù)建立焊接熔透狀態(tài)預(yù)測(cè)模型，如線性預(yù)測(cè)分析（Linear prediction coefficients，LPC）、線性預(yù)測(cè)倒譜系數(shù)（Linear predictive cepstral coefficient，LPCC）、梅爾頻率倒譜系數(shù)（Mel frequency cepstrum coefficient，MFCC）等。其中MFCC應(yīng)用最廣泛，其特征提取流程如圖8所示，該過(guò)程考慮了人耳的聽(tīng)覺(jué)特性，將聲信號(hào)快速傅里葉變換后的能量經(jīng)過(guò)Mel濾波器組轉(zhuǎn)換到Mel域，然后做離散余弦變換提取每一幀的動(dòng)態(tài)特征，最后得到特征向量用于訓(xùn)練和識(shí)別。

3.3 焊接狀態(tài)識(shí)別與分類

熔滴過(guò)渡描述熔滴通過(guò)電弧空間向熔池轉(zhuǎn)移的過(guò)程，它與焊接過(guò)程的穩(wěn)定性、焊縫成形、飛濺大小等息息相關(guān)。熔透是評(píng)估焊接質(zhì)量的重要指標(biāo)，焊接接頭處未熔透和過(guò)熔透現(xiàn)象往往會(huì)造成應(yīng)力集中，影響結(jié)構(gòu)性能。在對(duì)可聽(tīng)聲信號(hào)處理中，結(jié)合人工智能技術(shù)對(duì)焊接熔滴過(guò)渡、熔透狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)非常必要。相對(duì)于聲發(fā)射信號(hào)，可聽(tīng)聲信號(hào)在焊接狀態(tài)識(shí)別與分類建模上更多元。在熔滴過(guò)渡的研究中，高延峰等[44]根據(jù)人耳聽(tīng)覺(jué)模型，針對(duì)強(qiáng)噪聲干擾下MIG焊的電弧聲信號(hào)，利用支持向量機(jī)算法實(shí)現(xiàn)對(duì)熔滴過(guò)渡狀態(tài)的識(shí)別，該過(guò)程對(duì)電弧聲進(jìn)行外耳與中耳濾波、頻率分解，通過(guò)聲響度計(jì)算完成特征矢量構(gòu)建，具有較強(qiáng)的抗干擾能力。盧宜等[45]則針對(duì)MIG焊薄板平鋪焊縫，分析3種不同熔滴過(guò)渡模式下電弧聲信號(hào)和電信號(hào)的自相關(guān)函數(shù)和互相關(guān)函數(shù)，發(fā)現(xiàn)電弧能量與電弧聲聯(lián)系緊密，然后通過(guò)對(duì)電弧聲信號(hào)的功率譜分析頻率分布差異，最后設(shè)計(jì)GRNN（General regression neural network）和PNN（Probabilistic neural network）熔滴過(guò)渡類型識(shí)別模型，識(shí)別精度較高。

圖8 MFCC特征提取流程

在熔透狀態(tài)識(shí)別中，研究者們利用音頻信息作為輔助單元，與視覺(jué)信息結(jié)合，能夠更好地分析焊接狀態(tài)變化[46]。郭鵬等[47]利用熔化極氣體保護(hù)焊過(guò)程產(chǎn)生的電弧聲信號(hào)，通過(guò)短時(shí)傅里葉變換分析不同熔透狀態(tài)下的電弧聲信號(hào)頻譜，提取基于共稀疏表示模型的修正電弧聲信號(hào)梅爾頻率倒譜特征，構(gòu)建基于SVM的不同熔透狀態(tài)的識(shí)別模型。LYU Na等[43]研究鋁合金的脈沖GTAW焊接過(guò)程的質(zhì)量控制，提出了一套基于聽(tīng)覺(jué)注意AC-ROI預(yù)處理方法、極大模閾值去噪方法的時(shí)-頻-時(shí)頻域熔透特征提取算法，主要用到39個(gè)融合特征作為輸入值，BPANN預(yù)測(cè)模型進(jìn)行熔透狀態(tài)識(shí)別的精度為80%～90%。

大多數(shù)研究者是通過(guò)在時(shí)域、頻域、時(shí)頻域綜合分析信號(hào)波形特征，結(jié)合人工智能建立焊接質(zhì)量預(yù)測(cè)系統(tǒng)。通常先從采集到的可聽(tīng)聲信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理并提取重要的特征量，對(duì)測(cè)量空間和特征空間進(jìn)行降維處理，然后根據(jù)訓(xùn)練集數(shù)據(jù)確定一個(gè)判定決策規(guī)則，建立數(shù)據(jù)與焊接質(zhì)量狀況之間的映射關(guān)系，使錯(cuò)誤識(shí)別率達(dá)到最小。在實(shí)際研究中，研究學(xué)者也發(fā)現(xiàn)建立焊接質(zhì)量模式識(shí)別系統(tǒng)需要大量的焊接缺陷樣本進(jìn)行訓(xùn)練，樣本數(shù)據(jù)量問(wèn)題也是進(jìn)行智能化發(fā)展的一個(gè)重要的關(guān)注點(diǎn)。

4 總結(jié)與展望

通過(guò)對(duì)焊接過(guò)程聲學(xué)信號(hào)的處理分析可實(shí)時(shí)反饋焊接質(zhì)量，焊接過(guò)程聲發(fā)射信號(hào)屬于超聲波頻段，能表征不同的聲發(fā)射源，特別是對(duì)裂紋的識(shí)別與預(yù)測(cè)?？陕?tīng)聲信號(hào)則更多的是對(duì)焊接過(guò)程熔透狀態(tài)或熔滴過(guò)渡狀態(tài)的識(shí)別。相較于聲發(fā)射信號(hào)，焊接可聽(tīng)聲信號(hào)包含更多的焊接質(zhì)量信息。焊接過(guò)程聲信號(hào)的處理一般對(duì)信號(hào)進(jìn)行時(shí)域、頻域或時(shí)頻域分析，然后提取焊接缺陷特征，建立與研究對(duì)象的相關(guān)性。機(jī)器學(xué)習(xí)、模式識(shí)別等技術(shù)能很好地將焊接過(guò)程聲信號(hào)與焊接質(zhì)量進(jìn)行關(guān)聯(lián)，但要解決樣本數(shù)據(jù)量問(wèn)題，才能得到更好的識(shí)別模型。

基于焊接過(guò)程聲信號(hào)進(jìn)行在線檢測(cè)的研究目前有很多重要成果，但也存在不足。單一傳感系統(tǒng)往往不能滿足需求，需要進(jìn)一步將聲學(xué)檢測(cè)技術(shù)與智能傳感、信號(hào)處理、自動(dòng)控制、人工智能等技術(shù)結(jié)合，促進(jìn)焊接質(zhì)量無(wú)損檢測(cè)向自動(dòng)化和智能化發(fā)展。

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Status and Prospect of On-Line Acoustic Signal Detection Technology in Welding

FANG Hai-ji1, LYU Bo1, ZHANG Yan-xi1, LU Xin-zhao2, GAO Xiang-dong1

(1. Guangdong Provincial Welding Engineering Technology Research Center, Guangdong University of Technology, Guangzhou 510006, China; 2. Guangdong Jingtai Civil Air Defense Engineering Company, Zhaoqing 526238, China)

The detection technology based on acoustic signal during welding is effective for real-time collection and detection of welding defects, and reflects the changes in internal structure of weldments. The advantages and disadvantages of conventional non-destructive testing methods for welding defects were summarized. The classification of acoustic signals and the acoustic signal acquisition system during welding were discussed. The sounding mechanisms, detection principles and signal processing methods of acoustic emission signal and audible acoustic signal were analyzed and summarized. Also, the research status and application of online detection on welding quality were described, especially the identification and prediction of welding defects, droplet transition forms and penetration status. Research on the welding system of multi-sensor information fusion including acoustic inspection is the key to meet the requirements of online detection. The further research of intelligent sensing, signal processing, automatic control and artificial intelligence technology can promote the rapid development of the welding industry.

welding quality; acoustic detection; acoustic emission; arc sound; pattern recognition

10.3969/j.issn.1674-6457.2022.01.021

TG441.7

A

1674-6457(2022)01-0165-08

2021-06-02

廣州市科技計(jì)劃（202002020068）

房海基（1995—），男，碩士生，主要研究方向?yàn)楹附幼詣?dòng)化。

高向東（1963—），男，教授，博士生導(dǎo)師，主要研究方向?yàn)楹附幼詣?dòng)化。