等离子弧小孔效应的声音信号处理.pdf

第九次全国焊接会议论文集 __ _ 等离子弧小孔效应的声音信号处理 消华大学 王耀文 陈强 王海燕 中国航空1:业总公司第六二五研究所 张 慧 朱轶峰 摘要 为控制等离子弧焊接质量研究了等离子弧所产生小孔效应存在与否时的声音信号频谱特性。 结果表明，声音信号的频谱特性在电弧穿透工件与否时1幅值及频率分布上产生了明显变化，而柏频特性无 明显特征.实验数据经过计算处理后，找出了等离子焊接小孔效应存在与否的判别依据，可对等离子焊接 的闭环控制提供良好的条件 关健词:傅离子弧娜接、小孔效应、声音频谱 0 前言 等离子弧是一种压缩电弧，与自由弧相比，其电流密度，能量密度显著提高，采用穿 孔型焊接可实现工件的单面悍双面成型。因此，在工业生产中，尤其是在航空航天制造业 中，得到较为广泛应用。然而，由于等离子弧本身及其设备的某些特点，使得等离子焊接 的过程稳定性及重复性不够理想，因此对其实施自动控制是必然的发展方向。尤其是通过 实时检查与控制等离子弧的小孔效应稳定存在是重要内容。从目前国内外研究现状来看， 对等离子弧小孔效应检测的研究基本上在光电法、等离子焰流导电法、声音法三方面进行。 前两种方法的特点在于所检测信号与焊接系统存在着密切的电的联系。而声音信号是一种 机械波信号，与焊接系统无电的联系，而与等离子流作用于熔池的一些机械特性直接有关。 文献[-】在等离子弧穿孔型r;0接W-管道时，对管道内部 (即，等离子焊缝背面)的等离子焰 流声音进行了分析，发现声音信号中有一个300Hz频率的信号，滤掉噪声，将300Hz的特 征信号输出作为有无小孔的标志。文献[3]只对非转移型等离子弧的声音特性进行了频谱分 析，与焊接使用的转移弧关系不大。对等离子弧穿孔情况的正面检测一直是众多学者努力 的方向。本文通过高精度麦克风及信息采集系统对等离子弧焊接过程中，小孔效应存在情 况的正面声音进行了时频域分析，通过相应的处理算法析建立了等离子焊接小孔效应存在 与否的相对A19值。为进一步的等离子弧焊接熔透自动控制打下了基础。 声音传感基本原理 由于水冷铜喷嘴机械压缩作用，等离子弧声音特性与自由弧相比强度大，频带宽。在 不研究得到国防科技重点实验室基金资助 322 __ __ 第九次全国焊接会议沦文集 工件未穿孔时，由于空气与钢的特性阻抗Pc相差数万倍，因此声音在熔池表面后几乎产生 全反射:同时，由于电弧的高速等离子流以极快的速度冲击熔池，熔池产生强烈的搅拌作 用，从而产生强烈的声响。在工件穿孔以后，电弧声音会有部分穿过小孔:熔池受等离子 流冲击产生的搅拌作用减弱，熔池的形态也产生变化，声音的强度及频带宽度随之也会产 生很大变化，这时正面传声器接收的声音强度将会减小。小孔的大小对声音的发生反射的 程度及熔池金属的流动也会产生程度不同的影响。所以，使用足够灵敏精确传声器及放大 滤波电路，实时采集等离子焊接工程中的声音信号，通过适当的运算数量，就有可能反映 等离子弧的小孔形成与否甚至孔径大小。 信号处理实验系统 焊接设备:LH一300型等离子焊机。工 件为厚6mm的低碳钢板。在等离子焊矩一 等离子弧 侧安置高灵敏度的麦克风，采集到声音信号 通过放大器后经A勺转换送入计算机进行 处理，实验装置如图1所示。实验选用焊接 图1 声音信号获取装置示意图 规范参数如下:焊接电流41OA，焊接电压 63V左右，等离子气流量203~205L/h，保护气流量2100L瓜焊接速度18砚scnll的lin。 时频域实验与结果 3 1时域声压 在工件不穿孔到穿孔过程中，测得的声压随时间变化的关系如图2。由图可以看出，前 半段工件不透声压幅值较大、穿孔后幅值明显减小。此现象说明当小孔出现后，电弧声音 的反射能力减小了且熔池对电弧的搅拌作用也减弱了。然而，实际焊接时环境噪声难以避 免并且会叠加到电弧声音之中，在环境噪声起伏较人时将会掩盖小孔信号的变化。干扰判 断的正确性。 一一一寸 。1}1{L !1一下「丫l