基于焊接電信號(hào)頻域特征的焊接過(guò)程穩(wěn)定性評(píng)估

于鵬，蔡正標(biāo)，趙明明，劉鵬，張文明

(1.南京工業(yè)職業(yè)技術(shù)大學(xué),工程技術(shù)實(shí)訓(xùn)中心,南京,210046；2.徐州徐工隨車起重機(jī)有限公司,徐州,221004)

0 序言

近年來(lái)，隨著半導(dǎo)體和芯片行業(yè)的快速發(fā)展，眾多焊接電源廠家先后推出多種新型高效脈沖焊接電源和配套焊接工藝.與傳統(tǒng)焊接電源相比，一方面，新型焊接電源的可調(diào)參數(shù)較多，焊接過(guò)程中焊接電流、焊接電壓波形變化較為復(fù)雜，對(duì)焊接電源的某一脈沖波形參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)后，電弧動(dòng)態(tài)特征、熔滴過(guò)渡尺寸、短路過(guò)渡過(guò)程和焊接過(guò)程穩(wěn)定性會(huì)受到不同程度的影響[1-2]；另一方面，當(dāng)同時(shí)調(diào)整多個(gè)脈沖波形參數(shù)時(shí)，因各參數(shù)間存在的交互作用和耦合效應(yīng)，往往會(huì)導(dǎo)致預(yù)想之外的焊接電信號(hào)波形變化和不穩(wěn)定焊接過(guò)程[3].對(duì)于一個(gè)穩(wěn)定的焊接過(guò)程而言，在整個(gè)焊接過(guò)程中所產(chǎn)生的焊接電信號(hào)波形基本保持一致，其幅值、相位、頻譜等波形特征參數(shù)在一個(gè)較小的范圍內(nèi)波動(dòng)[4].如果焊接電源的脈沖波形參數(shù)設(shè)置不恰當(dāng)，與焊接速度、送絲速度、焊槍角度等其它焊接參數(shù)不相匹配，往往會(huì)直接導(dǎo)致電弧形狀、熔滴過(guò)渡過(guò)程和焊接過(guò)程穩(wěn)定性受到不同程度的影響[5].

焊接電流信號(hào)和焊接電壓信號(hào)源自焊接電弧本身，蘊(yùn)含了大量與短路過(guò)渡過(guò)程、焊接過(guò)程穩(wěn)定性和焊接質(zhì)量密切相關(guān)的關(guān)鍵信息，能夠反映出電弧的實(shí)時(shí)狀態(tài)和動(dòng)態(tài)特征[6].國(guó)內(nèi)外科研人員開展了一系列研究工作，運(yùn)用多種時(shí)頻和統(tǒng)計(jì)分析方法對(duì)焊接過(guò)程信號(hào)進(jìn)行深入挖掘，希望獲得能夠表征焊接過(guò)程穩(wěn)定性和焊接質(zhì)量的特征指標(biāo).Mvola 等人[7]通過(guò)分析焊接電流信號(hào)和焊接電壓信號(hào)的瞬時(shí)功率、短路時(shí)間、短路過(guò)渡頻率等參數(shù)的異常變化，實(shí)現(xiàn)了焊接缺陷的在線識(shí)別與定位.Luksa[8]通過(guò)焊接參數(shù)的優(yōu)化實(shí)現(xiàn)對(duì)焊接電信號(hào)的波形和熔滴過(guò)渡形式進(jìn)行精準(zhǔn)調(diào)控.在提高焊接過(guò)程穩(wěn)定性的同時(shí)減少焊接熱輸入，最終獲得成形良好的焊縫.Wu 等人[9]以焊接電流信號(hào)和焊接電壓信號(hào)的概率密度分布為特征指標(biāo)對(duì)焊接過(guò)程穩(wěn)定性和焊接質(zhì)量進(jìn)行評(píng)估，實(shí)現(xiàn)了對(duì)如燒穿、氣孔等焊接缺陷的在線識(shí)別.

分別從時(shí)域和頻域兩個(gè)方面對(duì)焊接過(guò)程中實(shí)時(shí)采集的多組焊接電流信號(hào)進(jìn)行分析，結(jié)合焊縫表面形貌，挖掘并提取能夠正確表征焊接過(guò)程穩(wěn)定性的特征參數(shù)，為實(shí)現(xiàn)高強(qiáng)鋼熔化極惰性氣體保護(hù)焊(metal inert gas welding，MIG 焊)焊接過(guò)程穩(wěn)定性的在線評(píng)估提供可靠的評(píng)價(jià)依據(jù).

1 試驗(yàn)方法

采用深圳麥格米特電氣股份有限公司的Artsen Plus 焊接電源進(jìn)行平板MIG 堆焊試驗(yàn)，該電源可實(shí)現(xiàn)焊接電壓、焊接電流和送絲速度的一元化調(diào)節(jié).試驗(yàn)?zāi)覆臑镼960 高強(qiáng)鋼，焊絲使用直徑為1.2 mm 的ER120S-G 焊絲，保護(hù)氣體成分為80%Ar+20% CO2，氣體流量設(shè)置為20 L/min.所有試驗(yàn)的焊接電流和焊接速度均設(shè)置為160 A 和10 mm/s.脈沖電流峰值系數(shù)、脈沖電流峰值時(shí)間系數(shù)和脈沖電流基值系數(shù)，對(duì)焊接熱輸入、熔滴過(guò)渡過(guò)程和維持電弧燃燒影響較大，脈沖電流上升系數(shù)和脈沖電流下降系數(shù)對(duì)焊接穩(wěn)定性影響較大，通過(guò)調(diào)節(jié)上述脈沖波形參數(shù)(表1)，對(duì)一元化焊接參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化.試驗(yàn)過(guò)程中使用霍爾電流傳感器實(shí)時(shí)采集焊接電流信號(hào)，并通過(guò)NI USB 9201 數(shù)據(jù)采集模塊將信號(hào)傳輸至上位機(jī)，采樣頻率為10 kS/s.

2 基本原理

集合經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解是一種噪聲輔助數(shù)據(jù)分析(noise-assisted data analysis,NADA)方法.該方法能夠自適應(yīng)的將原始信號(hào)分解成若干個(gè)不同頻率的IMF 分量，與傅里葉變換、小波變換和Gabor 變換相比，EEMD 方法不需要預(yù)先設(shè)定基函數(shù)，其基函數(shù)來(lái)源于原始信號(hào)本身，是自適應(yīng)的.因此，該方法尤其適合于從非線性、非平穩(wěn)信號(hào)中提取特征信息.

EEMD 方法的具體步驟如下.

(1)設(shè)定加入噪聲次數(shù)N.

(2)將白噪聲ni(t)加入原信號(hào)x(t)，得到加噪信號(hào)xi(t).

式中：ni(t)為 第i次添加的白噪聲；xi(t)為加噪信號(hào)，i=1,2,···N.

(3)對(duì)加噪信號(hào)xi(t)進(jìn)行經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解(empirical mode decomposition,EMD)，該信號(hào)被分解為若干IMF 和一個(gè)殘差ri,j(t)的和.

式中：ci,j(t)為在第i次加噪后，含噪信號(hào)經(jīng)過(guò)EEMD 分解后得到的第j個(gè)IMF；J為IMF 的數(shù)量.

(4)重復(fù)步驟(2)和(3)N次且每次加入不同的白噪聲.

(5)對(duì)所有分解得到的IMF 做集合平均運(yùn)算，此時(shí)，加噪信號(hào)經(jīng)EEMD 分解后所得到的IMF 為

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

焊接過(guò)程中焊接電流波形變化情況對(duì)熔滴過(guò)渡過(guò)程、焊接穩(wěn)定性和焊接質(zhì)量影響較大.從焊接電流信號(hào)中挖掘并提取能夠反映焊接過(guò)程穩(wěn)定性和焊接質(zhì)量的特征信息，是進(jìn)行焊接過(guò)程監(jiān)測(cè)的基礎(chǔ)，也是實(shí)現(xiàn)焊接質(zhì)量在線評(píng)估的技術(shù)難點(diǎn).分別從時(shí)域和頻域兩方面對(duì)焊接電流信號(hào)進(jìn)行特征分析.

3.1 脈沖波形參數(shù)變化對(duì)焊接電流波形的影響

試驗(yàn)1 實(shí)時(shí)采集的部分焊接電流信號(hào)濾波前和濾波后的對(duì)比情況如圖1 所示.圖1a 為在試驗(yàn)1 焊接過(guò)程中實(shí)時(shí)采集的焊接電流信號(hào).從圖1a 可以看出，信號(hào)噪聲較大，為了便于進(jìn)一步分析，首先采用I 型切比雪夫?yàn)V波器對(duì)原始信號(hào)進(jìn)行濾波，由于MIG 焊工藝的焊接電流信號(hào)的脈沖頻率通常分布在20～ 200 Hz 這一范圍內(nèi)，因此，將帶通頻率設(shè)為10～ 300 Hz.從圖1b 可以看出，焊接峰值電流分布在175～ 190 A 這一范圍內(nèi)，在500 ms 時(shí)間內(nèi)出現(xiàn)了近10 個(gè)完整的脈沖波形，即在不改變?nèi)魏魏附硬ㄐ螀?shù)的條件下，焊接電流脈沖頻率約為20 Hz.

圖1 試驗(yàn)1 的焊接電流信號(hào)Fig.1 Welding current signal of experiment 1.(a)before filtering;(b) after filtering

將焊接電源脈沖電流峰值系數(shù)分別設(shè)為5(試驗(yàn)2)和-5(試驗(yàn)3)，實(shí)時(shí)采集的部分焊接電流信號(hào)濾波后如圖2 所示.將圖2 與圖1b 對(duì)比可以看出，焊接電流信號(hào)的幅值、相位、頻譜等參數(shù)均發(fā)生明顯變化.一方面，在脈沖電流基值基本不變的情況下，脈沖電流峰值變化明顯.當(dāng)脈沖電流峰值系數(shù)為5 時(shí)，脈沖電流峰值上升較為明顯，在220～ 260 A這一區(qū)間內(nèi)波動(dòng)；當(dāng)脈沖電流峰值系數(shù)調(diào)節(jié)為-5 時(shí)，脈沖電流峰值大幅下降到150～ 180 A 這一范圍內(nèi)，電流信號(hào)波動(dòng)幅度降低.另一方面，參數(shù)改變前后，焊接電流信號(hào)的脈沖頻率變化明顯.當(dāng)脈沖電流峰值系數(shù)為5 時(shí)，如圖2a 所示，在500 ms的時(shí)間段內(nèi)包含5 個(gè)完整的脈沖信號(hào)，即信號(hào)的脈沖頻率為10 Hz.而當(dāng)脈沖電流峰值系數(shù)為-5 時(shí)，相同的時(shí)間段內(nèi)產(chǎn)生了約16.5 個(gè)脈沖波形信號(hào)，即此時(shí)脈沖頻率增加至約33 Hz.

圖2 焊接電流信號(hào)Fig.2 Welding current signals.(a) experiment 2;(b)experiment 3

上述試驗(yàn)結(jié)果表明，在改變某一脈沖波形參數(shù)后，通常會(huì)導(dǎo)致實(shí)際輸出的焊接脈沖電流信號(hào)的波形發(fā)生多參數(shù)的改變，這種預(yù)想之外的變化及隨之引起的多參數(shù)耦合效應(yīng)，往往會(huì)造成短路過(guò)渡頻率、熔滴尺寸和焊接過(guò)程穩(wěn)定性發(fā)生變化，需要采用恰當(dāng)?shù)姆椒▽?duì)參數(shù)調(diào)整前后的焊接電流信號(hào)進(jìn)行分析和評(píng)估，以減少焊接參數(shù)優(yōu)化時(shí)的時(shí)間成本和經(jīng)濟(jì)成本.

3.2 脈沖波形參數(shù)變化對(duì)焊接過(guò)程穩(wěn)定性的影響

焊接過(guò)程所產(chǎn)生的焊接電流信號(hào)是典型的非平穩(wěn)信號(hào).為了進(jìn)一步獲得焊接電流信號(hào)頻域方面的信息.首先，將圖1b 所示的焊接電流信號(hào)進(jìn)行EEMD 分解.隨后，將分解所得到的一系列IMF 進(jìn)行快速傅里葉變換并按照信號(hào)頻率由高到低進(jìn)行排序，頻率較高的前8 個(gè)IMF 分量如圖3 所示，各IMF 的頻譜圖如圖4 所示.MIG 焊工藝的焊接電流脈沖頻率通常分布在20～ 200 Hz 這一范圍內(nèi)，從圖4a～ 圖4c 可以看出，IMF 1～ IMF 3 的主頻頻率均高于200 Hz.此外，從圖3a～ 圖3c 可以發(fā)現(xiàn)，IMF 1～ IMF 3 信號(hào)振幅較小，因此在進(jìn)行焊接電流信號(hào)頻域特征分析時(shí)，可將上述分量視作信號(hào)噪聲.IMF 4～ IMF 8 在時(shí)序上具有脈沖信號(hào)的典型特征，表現(xiàn)為周期性信號(hào)的重復(fù)出現(xiàn)，將圖3d～圖3h 與圖1b 的焊接電流信號(hào)進(jìn)行對(duì)比，可以發(fā)現(xiàn)IMF 7 和原信號(hào)的脈沖頻率相近.在此基礎(chǔ)上，該分量的每一個(gè)脈沖信號(hào)的相位和變化趨勢(shì)與原信號(hào)完全相同，兩者在時(shí)域上具有一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系，該分量能夠很好地表征原始信號(hào)的波動(dòng)情況，即焊接過(guò)程的短路過(guò)渡和熔滴過(guò)渡情況.因此，可認(rèn)為IMF 7 為與短路過(guò)渡過(guò)程密切相關(guān)的特征IMF分量.

圖4 試驗(yàn)1 所采集焊接電流信號(hào)的前8 個(gè)IMF 分量的頻譜Fig.4 Frequency spectra of the first 8 IMF components of the welding current signal collected in experiment 1.(a) IMF 1;(b) IMF 2;(c) IMF 3;(d) IMF 4;(e) IMF 5;(f) IMF 6;(g) IMF 7;(h) IMF 8

采用上述分析方法對(duì)試驗(yàn)2～ 試驗(yàn)7 焊接過(guò)程中實(shí)時(shí)采集的焊接電流信號(hào)進(jìn)行EEMD 分解，并對(duì)特征IMF 分量進(jìn)行快速傅里葉變換，特征IMF 所對(duì)應(yīng)的頻譜如圖5 所示.脈沖波形參數(shù)的改變對(duì)特征IMF 頻譜分布的影響較為顯著，即脈沖波形參數(shù)的改變對(duì)焊接過(guò)程短路過(guò)渡過(guò)程影響較大.試驗(yàn)2～ 試驗(yàn)7 的焊縫表面成形狀態(tài)如圖6 所示，試驗(yàn)2 和試驗(yàn)7 焊縫成形良好，焊縫表面無(wú)明顯缺陷(圖6a，圖6f).結(jié)合圖5a 和圖5f 可以看出，兩者的特征IMF 頻譜分布相似，主頻頻率分布在一個(gè)較窄的范圍內(nèi)，主要集中在9～ 15 Hz，即此時(shí)焊接電流波形與焊接速度，送絲速度等其它焊接參數(shù)相匹配，焊接過(guò)程較為穩(wěn)定[10].

圖5 試驗(yàn)2～ 7 特征IMF 的頻譜Fig.5 Frequency spectra of characteristic IMF components in experiment 2-7.(a) experiment 2;(b) experiment 3;(c)experiment 4;(d) experiment 5;(e) experiment 6;(f) experiment 7

圖6 試驗(yàn) 2～ 7 的焊縫形貌Fig.6 Weld appearance of experiment 2-7.(a) experiment 2;(b) experiment 3;(c) experiment 4;(d) experiment 5;(e)experiment 6;(f) experiment 7

試驗(yàn)3 和試驗(yàn)4 的特征IMF 頻譜分布如圖5b 和圖5c 所示，二者主頻分布范圍較寬，分別集中在29～ 37 Hz 和13～ 22 Hz 這兩個(gè)頻率范圍內(nèi)，高于穩(wěn)定的焊接過(guò)程所對(duì)應(yīng)9～ 15 Hz.一方面，過(guò)快的短路過(guò)渡頻率與焊接速度、送絲速度等其它焊接參數(shù)不匹配，不利于建立穩(wěn)定的電弧，焊接過(guò)程趨向于不穩(wěn)定；另一方面，主頻分布范圍較寬，說(shuō)明在整個(gè)焊接過(guò)程中脈沖周期變化較大，單位時(shí)間內(nèi)，基值電流和峰值電流交替次數(shù)不固定，短路過(guò)渡過(guò)程不是以某一固定頻率進(jìn)行，這也會(huì)導(dǎo)致焊絲燃燒不均勻，焊接過(guò)程不穩(wěn)定[11].從圖6b 和圖6c可以看出，焊縫表面周圍存在少許飛濺，焊縫表面成形稍差.

從圖6d 和圖6e 可以看出，二者焊縫表面成形較差，焊縫周圍的焊接飛濺明顯增加.如圖5d 和圖5e 所示，二者的特征IMF 頻率分布呈現(xiàn)同一特點(diǎn)，即主頻區(qū)域存在兩個(gè)較為明顯的主峰，主頻區(qū)域成M 型分布，這說(shuō)明焊接過(guò)程中短路過(guò)渡過(guò)程并沒(méi)有以某一固定頻率進(jìn)行，而是主要以兩個(gè)頻率進(jìn)行.此外，兩個(gè)主峰間的波谷表明，短路過(guò)渡頻率的變化較為劇烈，沒(méi)有中間頻率作為緩沖.這種劇烈的頻率切換是導(dǎo)致焊接過(guò)程不穩(wěn)定，焊接飛濺較大的主要原因.穩(wěn)定的焊接過(guò)程中焊接電流信號(hào)的特征IMF 頻譜無(wú)上述特點(diǎn)，可以根據(jù)這一區(qū)別對(duì)焊接穩(wěn)定性進(jìn)行評(píng)估.

4 結(jié)論

(1) 通過(guò)EEMD 方法能夠從焊接電流信號(hào)中提取與短路過(guò)渡過(guò)程密切相關(guān)的特征IMF，特征IMF 頻譜的頻率分布可作為評(píng)估焊接過(guò)程穩(wěn)定性的特征指標(biāo).

(2) 對(duì)一元化焊接參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化時(shí)，焊接電流信號(hào)的特征IMF 頻率分布范圍越窄，焊接過(guò)程越穩(wěn)定，焊接飛濺越小，焊縫表面成形越好.