基于小波频带能的脉冲VPPA焊接熔透特征信息提取

春兰，包晓艳，洪海涛，韩文颖

(1.内蒙古工业大学工程训练教学部，内蒙古呼和浩特 010051;2.内蒙古工业大学材料成型重点实验室，内蒙古呼和浩特 010051)

0 前言

脉冲变极性等离子弧(Variable Polarity Plasma Arc，VPPA)焊接是一种焊接时形成小孔熔池而实现铝合金单面焊双面自由成型的高效焊接方法。脉冲电流对VPPA焊接熔池具有冲击和搅拌作用，从而细化晶粒，改善焊接接头软化现象，进而提高焊接质量。但由于加入脉冲电流,使得脉冲VPPA焊接工艺对参数变化较敏感,因此导致焊缝成形稳定变差。

焊缝熔透状态是焊接过程中最重要的焊缝几何参数及质量参数，其关键是如何实时检测，即寻找焊缝熔透相关量及其实时检测方法。因此，对于脉冲VPPA焊接，可以实时监控焊缝熔透状态，为实现焊缝成形闭环控制提供有效的检测方法。脉冲VPPA焊接方法所涉及到的参数和干扰因素多等原因，相关信号的提取和处理较为困难，获取精确反映焊缝熔透状态的信号就更难了。

小波分析方法是一种窗口形状可变但其面积不变的时频局部化的信号分析方法。小波分析由于自适应的时频窗口，非常适合信号特征的提取。ZHANG和CHEN采用声、电、光谱等多传感融合方法对保护气体焊接熔透状态进行实时识别研究，对电弧声信号进行小波分解，并对不同频带能量进行分析，发现声信号的频带能量与熔透状态有较好的对应关系。CHEN等对6061铝合金搅拌摩擦焊接声发射信号进行小波变换分析，通过频带能的计算获取了暂态焊接状态，并快速识别到焊缝的缺陷。

对于脉冲VPPA焊接，由于加入脉冲电流而影响了焊缝熔池振荡信息，从而提高了获取焊缝熔透信息的难度。为了克服脉冲电流对熔透的影响，本文作者以脉冲VPPA焊接试验系统为研究平台，对焊接过程电弧电压进行采集，并采用小波分解方法对其进行不同频带的分解，对不同频带能量进行归一化处理，构造特征向量，欲从中获取与熔透状态对应的特征信号。

1 试验装置

脉冲VPPA焊接系统如图1所示。对8 mm厚3003铝合金板进行脉冲VPPA穿孔堆焊试验，通过数据采集卡采集焊接过程电信号，并采用信号处理方法，对其进行数据处理和分析，欲从中提取能够反映焊缝熔透状态的特征信号。

图1 VPPA焊接系统

2 小波分解与频带能特征提取方法

2.1 小波分解

小波分析在低频部分具有较高的频率分辨率和较低的时间分辨率，在高频部分具有较高的时间分辨率和较低的频率分辨率。正是这种特性，适合低频信号变化缓慢而高频信号变化迅速的特点，使小波分析具有信号的自适应性。

对于任意函数()∈，可以将它分解为细节部分和大尺度逼近部分，然后将大尺度逼近部分进一步分解。如此重复到任意尺度(或分辨率)上的逼近部分和细节部分。

若将()∈()按以下空间组合展开：

(1)

其中:为任意设定的尺度。则

(2)

当→∞时，上式变为

(3)

小波分解对信号进行低通滤波和高通滤波，信号分解到不同频段序列，在不同尺度上分解为近似部分和细节部分。文中采用小波分解方法，重点对信号细节部分进行分解，将其分解到不同的频带，并计算其频带能，探究频带能与焊缝熔透之间的关联。

2.2 频带能的特征提取方法

对信号进行尺度分解，将其分解到感兴趣的频率范围，从而提取相应频带内的信息。另一方面，还可以对各频带内的信号进行统计分析，形成反映信号特征的特征向量，若分析各频带内的信号能量，则称之为频带的能量分析。

(4)

式中:为个频带信号长度。

电弧电压频带能量随焊缝熔透状态而改变，以能量为元素构造特征向量

()=[,0，,1，,2,]

(5)

考虑到焊接工艺参数的变化对焊缝熔透状态分析的影响，构造无量纲归一化特征向量

()=[,0，,1，,2,]

(6)

式中:

(7)

式中：为分解尺度；为频带序号。

3 脉冲VPPA焊接熔透特征的提取

熔透状态跟焊接参数、焊接材料及尺寸等相关，并呈现出高度的复杂性和非线性。关于熔透控制的研究方法中，电弧电压方法由于无附加外部传感器而具有明显的优势。文中对脉冲VPPA焊接电弧电压进行小波分解，并研究频带能量与焊缝熔透之间的对应关系。

3.1 电弧电压的采集与分析

对图1所示的脉冲VPPA焊接系统进行铝合金脉冲VPPA焊接试验，分别获得未熔透、完全熔透和过熔透3种焊缝，如图2所示。

图2 不同熔透状态下的焊缝

当焊接参数为正极性平均电流165 A、反极性平均电流205 A时，完全熔透焊接通过NI数据采集卡采集到的电弧电压时域波形如图3(a)所示，图(b)为对时域电压信号进行频谱分析所获得的频谱图，采样频率为300 kHz。

图3 完全熔透电弧电压波形

从图3可知：焊接电流频谱整体分布范围为0～200 Hz。由于高频1 kHz脉冲电流对熔池产生冲击作用，且冲刷频率远超过了熔池固有振荡频率，从而影响了熔池固有振荡频率，很难从低频部分获取与此对应的熔透特征信息。因此，文中欲对电弧电压高频部分信号进行分析，从中提出能够反映熔透状态的特征信息，为脉冲VPPA焊接在线控制熔透提供新方法。

3.2 脉冲VPPA熔透特征提取

首先采用MATLAB软件编程对脉冲VPPA焊接电弧电压进行小波分解，将其分解到各个不同的频带区，然后计算频带能量，最后构造特征向量进行阐述。

在小波分析中，由于构造方法不同，形成了不同的小波基。其中Daubechies系列在同等条件下具有比较好的重构精度和局部分析能力，因此文中选用Daubechies小波基，分解层数选为6层。

如果信号被小波分解为6层，则：

=++++++

(8)

式中:为低频系数;、、、、、为小波分析获得高频系数。其中,被认为对原始信号进行低通滤波后获得的，频带范围为[0，4.687 5] kHz；、、、、、频带分别为[4.687 5，9.375] kHz、[9.375，18.75] kHz、[18.75，37.5] kHz、[37.5，75] kHz、[75，150] kHz和[150，300] kHz。

对图2所获得的未熔透焊接、完全熔透焊接和过熔透焊接3种焊接电弧电压进行小波频带能分析。首先对所采集电弧电压进行MATLAB小波分解，然后计算各个频段的频带能，最后计算得出特征向量，即根据式(6)计算出的()向量。

为了研究每个频带能量和不同焊缝熔透状态之间的关系，对所采集的3种不同熔透焊接电弧电压的10 000个采样点进行了6层Daubechies小波分解，可获得高频信号～，其中、、波形如图4所示。

从图4可以看出：对于同一个频带的信号，不管那种熔透焊接，信号整体分布趋势类同，很难从中得出与熔透相关的信息。因此，针对不同熔透焊接，为了研究每个小波频带能和不同熔透状态之间的关系，对所获得～的10 000个采样点进行了频带能量均方根的计算；为了评估每个频带能量区分熔透状态的性能，计算了不同熔透状态的各个频带能对应的标准偏差。3种熔透状态每个频带能量的均方根和标准偏差计算结果如表1所示。标准偏差最大说明偏离值最大，在3种熔透状态电弧电压中的波动最大。从表1可以看出：在3种不同熔透状态下，不同频带能量～之间，高频的标准差为最大，达到了0.110 188，其次为，达到了0.092 134，再次为、、和。这表明频带能量和、具有更好的表征不同熔透状态的性能，而其他几种频带能量对区分熔透状态的贡献不明显。因此，可以将、和三个频带能量作为熔透状态的特征向量，其中对表征焊缝熔透状态的贡献最为显著，比、更具有代表性，而可以忽略、、等频带能量。

图4 不同熔透状态下电弧电压小波分解信号

表1 3种不同熔透焊接的E1～E6统计参数

为了更直观研究频带能与脉冲VPPA焊接熔透状态之间的关系，以、和作为特征向量，采用频带能量均方根柱状分布图表示3种熔透焊接的不同频带能量，如图5所示。一方面，不考虑低频信号[(0～4.687 5) kHz]的能量，高频信号[(150～300) kHz]具有最大的频带能，表明电弧电压的高频部分能量主要分布在150～300 kHz频带，这可能是由于高频脉冲的作用对电弧电压高频部分的影响更为显著。另一方面，在3种不同熔透焊接条件下，完全熔透焊接时能量最高，达到了整个频带能量的70.52%，其他两种熔透状态下均低于完全熔透，分别为51.46%和51.41%，与完全熔透相比较，分别降低了19.06%和19.11%，有明显的突变。而完全熔透焊接的和均比其他两种熔透焊接低，但变化不明显。当脉冲VPPA焊接焊缝从完全熔透转变为其他两种熔透状态时，具有明显的提高，、反而会降低，这可能是能量守恒引起的。

显而易见，随着焊缝熔透状态的变化，脉冲VPPA焊接电弧电压频带能量分布发生显著变化，其中最为显著的是，频带能量发生明显的突变，从而证明了电弧电压高频信号与熔透状态之间的相关性，可作为脉冲VPPA焊接熔透控制的一种新方法，为焊接质量控制提供一种新途径。

图5 频带能量均方根柱状分布图

4 结论

(1)采用db小波分解方法，对脉冲VPPA焊接未熔透、完全熔透和过熔透3种不同熔透状态下的电弧电压进行了多尺度分解，将其分解到了和～等不同的频带；

(2)对高频尺度～的10 000个采样点进行了频带能均方根和标准差的计算，结果表示:、和具有更好的表征焊缝熔透状态的性能，其中最具有代表性；

(3)为了进一步验证，比较频带能量均方根发现完全熔透焊接与未熔透和过熔透焊接相比较，分别降低了1906和1911，变化幅度最为显著。因此，很好地反映了脉冲VPPA焊接熔透状态，可作为脉冲VPPA焊接焊缝熔透信息的特征信号，可作为在线检测信号，从而实现熔透实时控制。