[发明专利]一种基于电弧声声谱样本熵的弧焊过程稳定性定量评价方法

说明书

技术领域

本发明属于弧焊技术领域，特别涉及一种利用弧焊过程电弧声信号实现焊接过程稳定性评价的定量评价方法。 

背景技术

焊接过程中产生的电弧声包含了丰富的焊接质量以及焊接稳定性信息，电弧声反映了焊接过程稳定性。脉冲MIG焊过程中，大部分熔滴可以顺利的过渡到熔池，但是由于电压电流变化、不合理的工艺规范或者各种偶然因素的影响，会出现各种熔滴过渡形式，导致飞溅产生。焊接过程中的飞溅不但降低焊接生产率，影响焊接过程稳定性，还严重影响焊接质量。飞溅产生时会发出“啪”的爆破声，有经验的焊工通过听觉可判断是否发生飞溅及焊接过程的稳定性。同理，通过分析电弧声信号也能明显观察到飞溅的发生及程度，这是因为当飞溅产生时，会使电弧声信号的电压增大，输出能量增加。 

石玗等研究人员研究了电弧声信号与铝合金MIG焊缝塌陷的相关性，发现电弧声信号的总能量随着焊缝塌陷而明显增强，塌陷前与塌陷后的信号能量改变十分明显。刘立君等研究人员考察了MIG焊电弧声信号与熔透状态相关性，电弧声信号能量与焊缝熔透状态存在明显的相关性。熔透状态下的电弧声信号能量明显高于未熔透状态，当焊缝发生过熔透时，信号能量降低。兰州理工大学马跃洲以短路过渡CO₂焊接过程电弧声信号为主要研究对象，分析了电弧声信号与焊接状态的相关性，认为可采用电弧声信号进行焊接状态的模式识别，不同的电弧声信号形态表明了焊接的不同阶段，并利用电弧声频带能量集合建立焊接飞溅量预测的BP网络模型，实现了焊接过程飞溅量的预测。上海交通大学研究了GTAW焊时气流、焊接速度、电弧长度和声音信号采集角度对采集到的声压信号的影响，得到了不同参数对电弧声影响情况的定性变化趋势。 

从上述焊接过程电弧声的研究来看，到目前为止，关于焊接过程电弧声的监测和研究并不多，且多处于定性分析阶段，主要集中在电弧声特性和焊接质量的相关性上，尚未有利用电弧声进行焊接过程稳定性定量评价的研究报道。在国内专利中检索，尚未发现关于电弧声定量评价的方法。 

声音信号的可视化方法主要分为时域可视化、频域可视化以及时频可视化三种。时域可视化常用时域波形图表示，频域可视化常用频谱图和功率谱图表示，但是这些图无法同时表示时间、频率、能量三者之间的关系，将声信号的时域及频域信息通过 某种方式同时表述在一个图形中就构成了时频可视化。声谱图是将声信号进行频谱分析而得到的一种彩色平面图，横坐标表示时间，纵坐标表示频率，每个像素的色值大小反映该时刻、频率下的信号能量密度。声谱图是时频图中的重要形式。从声谱图形状看出波形的能量、频率随波形变化的信息，获得关于波形稳定性的一些信息。目前国内关于焊接过程电弧声的研究也主要集中在时域可视化或频域可视化上，对时频可视化的研究未见报道。 

就国内目前公开发表的文献来看，利用样本熵对焊接过程稳定性进行定量评价的研究尚未见报道。 

综上所述，利用电弧声进行焊接过程稳定性的评价还处于国内空白阶段，时频可视化的分析方法是声音信号分析的新途径，研究利用电弧声声谱图进行焊接过程稳定性的评价方法具有重要意义，不仅能有效指导焊接工艺参数的选取，还为焊接过程的在线监测评价提供了新思路。 

发明内容

本发明的目的在于针对焊接过程稳定性评价的困难且主要依赖电信号评价的现状，提供一种基于电弧声声谱样本熵的弧焊过程稳定性定量评价方法，将样本熵这一指标引入电弧声的时频分析过程中，实现焊接过程稳定性的定量评价。 

本发明的目的通过以下技术方案实现： 

一种基于电弧声声谱样本熵的弧焊过程稳定性定量评价方法是指将去噪后的电弧声信号进行时频可视化，提取声谱图中的峰值能量线，结合时频指标设计了峰值能量均值这一个指标，并计算能量样本熵、能量标准差，最后通过自行设计的电弧声评价指标ASSP(Arc Sound Spectrum)实现焊接过程稳定性评价。具体包括如下步骤： 

(1)利用测试平台采集焊接过程的电弧声信号； 

(2)对所采集的电弧声数据进行预处理，通过小波包滤波算法实现信噪分离，得到特征值明显的电弧声信号； 

(3)生成电弧声信号的声谱图，同时表示时间、频率、能量三者之间的关系； 

(4)引入峰值能量的概念，计算电弧声声谱图上每个时间段内的峰值能量值，并求出该点位置及频率； 

(5)为了减少峰值能量线变化幅度不同，对量化结果的影响，引入峰值能 量均值这一新参数，对步骤(4)中的声谱图中的峰值能量序列计算峰值能量均值；