[发明专利]等离子弧焊熔池穿孔状态的声音信号传感方法及其系统

说明书

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U_o，U_o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A_s；

3)  将A_s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)。