专利名称：等离子弧焊熔池穿孔状态的声音信号传感方法及其系统的制作方法
技术领域：
本发明属于等离子弧焊接质量控制技术领域。
在被誉为“二十一世纪加工技术”的高能束流加工技术中，等离子弧具有设备简单使用成本低廉的特点，在工业生产中，尤其在航空航天制造业中，广泛应用于焊接易氧化的铝、铜等有色金属及其合金、不锈钢、高温合金、钛及钛合金，以及难熔的活泼金属等。由于等离子弧的能量密度高穿透力强，电弧弧心直径细，焊接时等离子弧的弧心和弧焰同时对工件10加热，电弧能深入熔池挖掘液态金属，从而在熔池头部造成一个穿透性的小孔11，电弧穿过小孔在焊缝背面形成尾焰12，此后随着焊炬14向前移动，熔池中的液态金属依靠表面张力的承托，沿熔池的固态壁面向熔池尾部流动，冷却结晶形成焊缝13，如
图1所示。由此可见，等离子弧焊接过程中小孔状态的稳定是保证焊缝完全熔透和成型质量的关键。然而实际生产中各种规范条件的波动在所难免，势必会影响“小孔效应”的稳定性，例如小孔在焊接过程中闭合，导致出现未熔透等缺陷而严重影响焊接产品质量。为此提出自动实时检测“小孔”状态的传感技术研究，以便为等离子弧焊缝熔透质量的控制奠定基础。
从目前国内外等离子焊接生产和研究的现状来看，检测熔池小孔状态的方法有以下几种，如图2所示。在工件背面检测的方法有背面光信号测法、背面电弧尾焰导电法和背面声音信号检测法。背面光信号检测法如图2a所示，该方法是利用安置在工件200背面的各种光电器件201检测焊缝背面辐射光的强度，从而获知熔池是否穿孔。背面等离子焰流导电法如图2b所示，该方法是将一块铜板203放置在工件204背面，并与工件保持一定距离，熔池产生穿孔时，穿过小孔的等离子焰流205达到铜板203上，由于等离子的导电特性，外加电源后在电阻R上可以获取到电压，将它整流输出Uo，Uo的大小与小孔的大小有一定的关系。背面声音信号检测法，如图2c所示，主要用于焊管，将传声器206架置于管道一侧，检测管道内部的声音信号，根据声音信号的变化判断小孔是否存在。以上各种检测法的共同特点是传感器安置在工件背面，因此对一些复杂结构的焊接，其应用受到限制。从工件正面检测的方法有光谱分析法和CCD摄像法。光谱分析法如图2d所示，该方法是通过光纤209将面阵CCD获取的光信号传输到光谱分析仪，通过光谱分析仪检测工件210正面弧光信号211中氢相对于氩的谱线强度，来判断熔池小孔是否存在。CCD摄像法如图2e所示，通过CCD直接观测小孔图象，但是由于空间的限制，使用CCD在工件正面拍摄到的熔池小孔图像是变形的，这会给后续处理带来麻烦。这两种方法由于结构复杂、设备价格昂贵或处理方法复杂等缘故还处于研究阶段，在生产上应用有一定的困难。
本发明旨在克服已有技术的不足，通过使用焊接过程中的声音信号，提出一种等离子弧焊熔池穿孔状态的声音传感方法及装置，为实现中厚板的等离子弧焊接自动熔透控制提供必要的反馈信息。由于利用声音信号作为传感信号源，因此具有系统结构简单、成本低廉等优点，容易在生产实践中推广。
本发明提出的一种等离子弧焊接熔池穿孔状态的声音信号检测方法，其特征在于，包括以下步骤1) 利用声音传声器，获取等离子弧焊接过程中的声音信号s(t)，通过信号采集系统将声音信号s(t)实时地采集并存储入计算机；2) 对采集的声音信号序列s(n)作A算法的加工处理，得到可供机器识别的定量的熔池穿孔与否传感信号As；3) 将As与预先给定熔池穿孔与否的阈值进行比较，以判断当时熔池穿孔状态。
所述对声音信号进行加工处理的A算法，包括以下步骤1) 设计分析矩形窗函数g(n-m)，对计算机获取到的声音信号序列s(n)作离散加窗傅里叶变换(DWFT)。
2) 对离散加窗傅里叶变换结果DWFTs(m，k)，作如下处理
(式中f1，f2——声音信号的频率，f1＝0Hz，f2＝100Hz)，得出A(m)，对其作平滑处理后即得声音传感信号As。
上述的声音信号检测方法中，所说的熔池穿孔与否阈值判断准则为设定熔池穿孔与否的阈值和熔池过渡状态的临界值，当As信号幅值高于设定的熔池过渡状态临界值时，认为熔池处于不穿孔到穿孔或穿孔到不穿孔过渡阶段；当As信号幅值下降并低于熔池穿孔与否的阈值时，可确认熔池已穿孔，实现了正常的穿孔型等离子弧焊接；而当As信号幅值低于熔池过渡状态的临界值并高于熔池穿孔与否的阈值时，则判定熔池为未穿孔状态。
本发明的原理如下声波是一种机械波，由固体的振动或流体的脉动而产生。焊接过程中焊接电源供给电弧能量，该能量通过电弧作用于熔池，其中部分能量会以熔池振动、等离子气流脉动的形式表现出来，当焊接过程中熔池状态发生变化时，熔池振动的条件随之变化，导致熔池的振动、等离子气流的脉动特征变化，这种变化在声音信号中还会有所反映，从而有可能通过对声音信号的分析处理，寻找出反映熔池状态的信息来。
本发明方法的实现原理如图3所示。首先利用高精度传声器，获取等离子弧焊接过程中的声音信号s(t)，通过信号采集系统将声音信号s(t)实时地采集并存储入计算机。声音信号本身并不能作为传感信号而直接用以判断熔池小孔是否存在，但该信号携带着能够反映熔池穿孔和未穿孔状态的特征信息，该特征信息通过开发的传感信号提取算法(A算法)的加工处理，便得到了可供机器识别的定量的熔池穿孔状态传感信号As。进一步结合设计的熔池穿孔与否阈值判断准则，As信号便可用以检测熔池小孔是否存在。其中传感信号提取算法与阈值判断方法是通过储存在计算机中的预先编制的程序软件来实现。
本发明的等离子弧焊接过程中的声音信号采集系统由声音传感器、数据采集卡、计算机和相关接口，以及存储在计算机中相应的声音信号采集处理软件组成，如图4所示，图中，声音信号通过声音传感器输入到数据采集卡的输入端子，数据采集卡直接插入计算机的相应插槽。其中，声音信号直接由置于焊炬附近的传声器43获取，数据采集卡结合本发明开发的数据采集应用程序完成信号采集、模数转换，并利用采集卡与计算机的接口将信号存储在计算机中。
本发明的从声音信号携带的特征信息中提取熔池穿孔状态传感信号的算法和相应的信号提取方法如下1) 设计合理的分析矩形窗函数g(n-m)
式中i——分析矩形窗函数移动步长，可根据实际情况取整数N——傅里叶变换的点数n，m——自然数，n＝0，1，2，....，m＝0，1，...
2) 对计算机获取到的声音信号序列s(n)作离散加窗傅里叶变换(DWFT)DWFTs(m,k)=Σn=0∞s(n)g(n-m)e-j2πNnk......(2)]]>式中k—k取0，1，..，N-13)对离散加窗傅里叶变换结果DWFTs(m，k)，作如下处理A(m)=Σk=f1TsNf2TsN|DWFTs(m,k)|......(3)]]>式中f1，f2——声音信号的频率，f1＝0Hz，f2＝100Hz，得出A(m)，对其作平滑处理后即得声音传感信号As。
本发明设计的熔池穿孔状态阈值判断准则如图5所示，图中横坐标为时间，纵坐标为As信号幅值，As信号随时间的变化规律示意如曲线C。由图可见，As信号能反映熔池的状态当熔池处于穿孔阶段时，信号幅值最低，如时间轴上BD段所示；熔池为未穿孔状态时，信号幅值较高，如时间轴上A点以前或E点以后所示；而熔池为穿孔过渡阶段时，信号幅值最高，如时间轴上AB段或DE段所示。阈值法判断熔池穿孔与否的过程为当As信号幅值高于设定的熔池过渡状态临界值T1时，认为熔池处于不穿孔到穿孔或穿孔到不穿孔过渡阶段过渡阶段；当As信号幅值低于熔池穿孔与否的阈值T2时，确认为熔池已穿孔，实现了正常的穿孔型等离子弧焊接；而当As信号幅值低子熔池过渡状态的临界值T1并高于熔池穿孔与否的阈值T2时，则判定熔池为未穿孔状态。
本发明的检测方法能有效传感熔池是否穿孔的状态，可为实现中厚板的等离子弧焊接自动熔透控制提供必要的反馈信息。由于利用焊接过程中的声音作为传感信号源，因此相对于其它检测方法具有系统结构简单、成本低廉等优点，易于在生产实践中推广附图简要说明图1为穿孔型等离子弧焊接过程示意图。
图2为已有技术中的几种熔池穿孔状态检测方法示意图；其中，图2a为背面光信号测法，图2b为背面等离子焰流导电法，图2c为背面声音信号检测法，图2d为光谱分析法，图2e为CCD摄像法。
图3为本发明的方法实现原理框图。
图4为本发明的声音信号采集系统组成示意图。
图5为本发明设计的熔池穿孔与否阈值判断准则示意图。
图6为本实施例的A算法实现的软件流程框图。
图7为本实施例的声音信号采集系统组成示意图。
图8a为本实施例的背面开槽工件结构示意图，图8b为本实施例的熔池穿孔状态的检测结果标示8c，为本实施例获得的传感信号As曲线图，本发明设计的一种等离子弧焊熔池穿孔状态的声音信号传感方法及其系统实施例结合附图详细说明如下考虑到实际生产中散热条件、工件厚度及焊接规范等条件的变化，本实施例采用背面开槽工件，所设置的焊接规范参数保证焊接电弧在工件厚6mm处熔池不穿孔，而4mm处熔池穿孔，使用逆变焊机在不锈钢工件上进行了焊接。
本实施例的声音信号采集系统由声音传感器、数据采集卡、计算机及相关接口组成，如图7所示。声音信号由置于焊炬附近的传声器71获取，然后输入到数据采集卡的输入端子，数据采集卡直接插入计算机的相应插槽。传声器采用高精度声压传感器JL-1，响应频带宽度达20kHz，传声器输出的电压与声音信号的声压具有较为严格的线性关系，这样保证了输送到数据采集卡的电压能较为准确地反映焊接过程中的声压。数据采集卡型号为“PCI-9118HG”，精度12位，最高采集速度330kHz，每次连续采集数据容量可达64M，该卡结合本发明开发的数据采集应用程序完成信号采集，模数转换，并利用采集卡与计算机的接口将信号存储在计算机中，计算机采用PII266，内存128M，基于Window98操作平台。
本实施例的等离子弧焊接熔池穿孔状态的声音信号传感方法为首先用上述信号采集系统以50kHz的采样频率，实时采集焊接过程中的声音信号，并输入计算机。随后采用本发明设计的声音信号A算法对存入计算机中的数据进行处理，图6为用软件实现算法的流程图。
算法流程如下读入采集到的声音信号序列s(n)；取分析矩形窗函数移动步长i＝1024，将s(n)分段M＝s(n)/i-1；给m，N赋值(m＝1，N＝4096)。进入循环，计算分析窗函数
；对s(n)作加窗傅里叶变换
；对DWFTs(m，k)作处理
判断m≥M，若为假则m＝m+1，重复上述运算；若为真，则退出循环处理。对A(m)进行平滑处理，即得As(m)信号，如图8c所示，图8c中横坐标为时间，单位为s，纵坐标为As信号的幅值。
表1列出了不同种类焊接电源条件下焊接不锈钢时，As信号的熔池穿孔与否的阈值、熔池过渡状态的临界值。
表1
用A算法对声音信号进行处理得到传感信号As后，从表1中找到对应于逆变焊机不锈钢工件的As信号的熔池穿孔与否的阈值T2(为25～38)和熔池过渡状态的临界值T1(为80)，根据熔池穿孔状态的阈值判断准则，当As信号幅值高于设定的熔池过渡状态临界值T1＝80时，认为熔池处于不穿孔到穿孔或穿孔到不穿孔过渡阶段过渡阶段；当As信号幅值低于熔池穿孔与否的阈值T2＝25～38时，确认为熔池已穿孔，实现了正常的等离子弧焊接；而当As信号幅值低于熔池过渡状态的临界值T1＝80并高于熔池穿孔与否的阈值T2＝25～38时，则判定熔池为未穿孔状态。使用As信号检测熔池穿孔状态的结果标于图8b中，其中AB段为未穿孔阶段，BC和DE段为过渡阶段，CD段为穿孔阶段。可以看到检测结果与背面开槽工件的结构对熔池穿孔状态的显示是相符的。另外，为了给声音信号的处理提供同步参考信号，焊缝背面架置光敏三极管70(型号为3DU33)如图7所示。焊接过程中光敏三极管与焊炬同步移动，其输出电压信号与声音信号一起以50kHz速率采样，送入计算机，在熔池穿孔状态产生变化时，光电三极管的输出信号会有一阶跃变化。A算法处理结果与光敏三极管输出电压信号对比，吻合效果好。由此说明该检测技术能够准确地传感熔池穿孔和未穿孔状态。
表1表明焊机类型和焊接规范参数均会导致小孔传感信号阈值的差异，为此，在实际使用中需要根据具体焊接实施条件选用合适的声音信号判断阈值。
权利要求
1.一种等离子焊接熔池穿孔状态的声音信号检测方法，其特征在于，包括以下步骤1) 利用声音传声器，获取等离子弧焊接过程中的声音信号s(t)，通过信号采集系统将声音信号s(t)实时地采集并存储入计算机；2) 对采集的声音信号序列s(n)作A算法的加工处理，得到可供机器识别的定量的熔池穿孔与否传感信号As；3) 将As与预先给定熔池穿孔与否的阈值进行比较，以判断当时熔池穿孔状态。
2.如权利要求1所述的声音信号检测方法，其特征在于，所说的对声音信号进行加工处理的A算法，包括以下步骤1) 设计分析矩形窗函数g(n-m)，对计算机获取到的声音信号序列s(n)作离散加窗傅里叶变换(DWFT)；2) 对离散加窗傅里叶变换结果DWFTs(m，k)，作如下处理
式中f1，f2——声音信号的频率，f1＝0Hz，f2＝100Hz，得出A(m)，对其作平滑处理后即得声音传感信号As。
3.如权利要求1所述的声音信号检测方法，其特征在于，所说的熔池穿孔与否阈值判断准则为设定熔池穿孔与否的阈值和熔池过渡状态的临界值，当As信号幅值高于设定的熔池过渡状态临界值时，认为熔池处于不穿孔到穿孔或穿孔到不穿孔过渡阶段；当As信号幅值下降并低于熔池穿孔与否的阈值时，可确认熔池已穿孔，即为正常的穿孔型等离子弧焊接；而当As信号幅值低于熔池过渡状态的临界值并高于熔池穿孔与否的阈值时，则判定熔池为未穿孔状态。
4.一种如权利要求1所述方法中的等离子弧焊声音信号采集系统，其特征在于，由声音传感器、数据采集卡、计算机和相关接口，以及存储在计算机中相应的声音信号采集处理软件组成，其中，声音信号首先引入声音传感器的输入端，声音传感器的输出端接数据采集卡的输入端子，数据采集卡直接插入计算机的相应插槽。
全文摘要
本发明属于等离子弧焊接质量控制领域。本发明通过在等离子焊枪附近架置传声器,利用数据采集系统将等离子弧焊接过程中的声音信号s(t)实时地采集并存储入计算机;再对采集的信号进行加工处理,得到可供机器识别的定量的熔池穿孔与否传感信号A
文档编号B23K10/02GK1267579SQ0010593
公开日2000年9月27日 申请日期2000年4月21日 优先权日2000年4月21日
发明者王耀文, 陈强, 孙久文 申请人:清华大学