（材料加工工程专业论文）铝合金mig焊过程电弧声分析.pdf

硕士学位论文 摘要 焊接是一个集声、光、电于一体的复杂的物理、化学过程，各种信号为焊接 过程控制、质量控制提供重要信息。电弧声信号作为焊接过程中的伴生物之一， 其蕴涵着丰富的电弧信息，它与电9 & 行为、熔滴过渡方式、电弧稳定性、焊缝质 量等有着密切的相关性，是研究焊接过程稳定性及焊接质量监控的重要信息源之 。本课题以铝合金m i g 焊电弧声为研究对象，分析了电弧声与熔滴过渡的相关 性；通过a r m a 双谱对不同熔滴过渡的电弧声分析确立不同熔滴过渡的电弧声模 式，并通过s v m 避行了模式识剐；研究了电弧声信号与铝合金m i g 焊缝塌陷的 相关性。 首先，建立了一套声、光、电同步采集实验系统，采用m a t l a b 软彳串平台对 数据进行处理。 通过同步信号采集和对所采集的数据进行分析得到电弧声信号的周期变化就 是熔滴过渡的频率，确立了电弧声与熔滴过渡的相关性。运用不同的功率谱估计 对电孤声进厅了对比分据，褥濑a r 参数化功率谱估计对电弧声频率豹提取分板优 势，快速获取了熔滴过渡频率，同时分析运用a r 参数化功率谱估计对不同熔滴过 渡的魄弧声进行了分析。 运用a r m a 双谱估计的方法获取了不同熔滴过渡的电弧声双谱信息，通过分 板从双谱信患中提取了特征值。用所获褥豹特征藿逡学s v m 模式识剐，缪到不同 熔滴过渡的电弧声能很好地进行分类和辨识，实现了基于电弧声对熔滴过渡类型 进行快速汉别。 通过对焊接过程中电弧声和焊缝塌陷的相关性分析，发现在锅台金m i g 焊过 程中，电弧声信号能量和焊缝情况存在羞馥显的相关牲，逛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艇改变十分明鼹。通过电弧声 信号的小波包分解，瓤以看出电弧声信号在不同的频率范豳的能量百分比分布规 律，而频率范围为f 2 7 5 62 5k h z ，2 7 5 6 25m z 信号的能量变化能非常准确地检测 出焊接过程中焊缝塌陷。 关键谰：铝合金m l g 焊；电弧声；功率谱债计；a r m a 双谱；特征提取；s v m 模式 识别；小波分析；焊缝塌陷 a b s t r a c t w e l d i n gp r o c e s si sac o m p l e xp h y s i c a la n dc h e m i c a lp r o c e s sc o n t a i n i n ga r cs o u n d ， a r cl i g h t ，a n de l e c t r i c a ls i g n a l ，e t c e a c hk i n do fs i g n a l sp r o v i d e si m p o r t a n ti n f o r m a t i o n f o rw e l d i n gp r o c e s sc o n t r o la n dq u a l i t yc o n t r 0 1 a sac o n c o m i t a n to fw e l d i n gp r o c e s s ， a r cs o u n ds i g n a lc o n t a i n sr i c hi n f o r m a t i o na b o u ta r ca n dh a sac l o s er e l e v a n c ew i t ha r c b e h a v i o r , m e t a lt r a n s f e r ，s t a b i l i t yo fa r c ，w e l d e dj o i n tq u a l i t ya n ds oo n i ti s a n i m p o r t a n ti n f o r m a t i o nr e s o u r c e f o rs t u d y i n gt h es t a b i l i t yo fw e l d i n gp r o c e s sa n d m o n i t o r i n ga n dc o n t r o l l i n gw e l d i n gq u a l i t y a r cs o u n di na l u m i n u ma l l o ym i gw e l d i n g p r o c e s sw a s s t u d i e do nt h er e l a t i v i t yb e t w e e na r cs o u n ds i g n a la n dm e t a lt r a n s f e ri nt h i s t h e s i s a r cs o u n dp a t t e r n so fd i f f e r e n tm e t a lt r a n s f e rw e r ee s t a b l i s h e db ya n a l y z i n ga r c s o u n di nd i f f e r e n tm e t a lt r a n s f e rw i t ha r m at w o s p e c t r a ，a n dt h e nw e r eu s e dt od o p a t t e r nr e c o g n i t i o nt h o u g h s v m t h er e l a t i v i t yb e t w e e na r cs o u n ds i g n a la n dt h e s u b s i d e n c eo fa l u m i n u ma l l o ym i gw e l d i n gb e a dw a sa l s os t u d i e di nt h et h e s i s t h e m a i nw o r k sw e r ed o n ea sf o l l o w s ： t h es i g n a lg a t h e r i n ge x p e r i m e n ts y s t e mw a sd e v e l o p e dt og a t h e ra r cs o u n d ，a r c l i g h ta n de l e c t r i c a ls i g n a ls y n c h r o n o u s l ya n dm a t l a bs o f t w a r ew a su s e dt op r o c e s s d a t ai nt h et h e s i s t h r o u g ha n a l y z i n gt h es i g n a ld a t ag a t h e r e db yt h es i g n a ls y n c h r o n o u sg a t h e r i n g s y s t e m ，t h er e l a t i v i t yo fa r cs o u n da n dm e t a lt r a n s f e rt h a ta r cs i g n a lf r e q u e n c yi st h e s a l d ea sm e t a lt r a n s f e rf r e q u e n c yi sf o u n d a f t e ra n a l y z i n ga r cs o u n db yd i f f e r e n tp o w e r s p e c t r u m e s t i m a t i o nm e t h o d s ，a rp a r a m e t e r i z a t i o ne s t i m a t i o n p o w e rs p e c t r u m e s t i m a t i o nm e t h o di sb e t t e rt h a no t h e r sa n dc a ng a i nm e t a lt r a n s f e rf r e q u e n c yf a s t 。t h e n a r cs o u n di nd i f f e r e n tm e t a lt r a n s f e rm o d e sw e r ea n a l y z e db ya rp a r a m e t e r i z a t i o n e s t i m a t i o np o w e rs p e c t r u me s t i m a t i o nm e t h o d t h ed o u b l e s p e c t r u mi n f o r m a t i o no fa r cs o u n di nd i f f e r e n tm e t a lt r a n s f e rm o d e w a so b t a i n e db ya r m ad o u h l e s p e c t r u me s t i m a t i o nm e t h o da n dt h ef e a t u r ev a l u e s c o u l db ed e t e c t e df r o mt h e s ed o u b l e s p e c t r u mi n f o r m a t i o n s v mp a t t e r nr e c o g n i t i o n w i t ht h ef e a t u r ev a l u ec a nc l a s s i f ya r cs o u n di nd i f f e r e n tm e t a lt r a n s f e rm o d ea n dr e a l i z e f a s tr e c o g n i z i n gm e t a lt r a n s f e rm o d eb ya r cs o u n d 弧es t u d i e so nt h er e l a t i v i t yb e t w e e na r cs o u n da n dt h es u b s i d e n c eo fw e l d i n gb e a d s h o wt h a tt h ea r cs o u n ds i g n a le n e r g yh a ss o m er e l a t i o nw i t hw e l d i n gb e a d t h et o t a l e n e r g yo fa r cs o u n ds i g n a li n c r e a s e sa l o n gw i t ht h es u b s i d e n c eo fw e l d i n gb e a da n d c h a n g el a r g e l yb e f o r et h es u b s i d e n c ea n da f t e rt h es u b s i d e n c e a r cs o u n ds i g n a lw a s p r o c e s s e db yw a v e l e tp a c k e ta n dt h ee n e r g yd i s t r i b u t i o n r u l eo fa r cs o u n ds i g n a l i n l i 硕士学位论文 d i f f e r e n tf r e q u e n c yr a n g ew a so b t a i n e d t h ee n e r g yd i s t r i b u t i o no fa r cs o u n ds i g n a l s h o w st h a tt h es u b s i d e n c eo fw e l d i n gb e a dc a nb ed e t e c t e da c c u r a t e l yf r o mt h ec h a n g e o fa r cs o u n de n e r g yw i t h i nf r e q u e n c yr a n g ef r o m2 7 5 k h zt o2 7 5 k h z k e yw o r d s ：a l u m i n u ma l l o y ；m i gw e l d i n g ；a r cs o u n d ；p s d ；a r m at w o s p e c t r a f e a t u r ee x t r a c t i o n ；s v m ；w a v e l e ta n a l y s i s ；w e l d i n gb e a ds u b s i d e n c e h i 兰州理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取 得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其 他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个 人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果 由本人承担。 作者签名：日期：毋臼厂日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查 阅和借阅。本人授权兰州理工大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入 有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本 学位论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密团。 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名： 导师签名 孝。位拓 日期：。，) 年厂月ge t 日期d 7 年月7 日 1 1 引言 第1 章绪论 近年来，随着科学技术和经济建设的飞速发展，人们对运输设备的要求向高 速、重载、节能、安全、环保、美观舒适的方向发展，由于铝合金具有质量轻、 比强度高、耐腐蚀性能好、无磁性、成形性好以及低温性能好等特点，所以铝合 金在汽车制造、造船业、国防和航天航空、容器制造、娱乐和体育器材业等制造 领域越来越广泛地运用。 工业发达国家就汽车的发展方向，提出了节约能源、防止环境恶化和改进汽车 安全性等主要目标。这些目标的提出，反映了当今的汽车存在以下问题：消耗燃油 过多，使地球的剩余石油储量和供应告急，汽车业的发展受到了能源短缺制约：汽 车排放废气过多和废气的有害成分危及大气环境，对城市特别不利，甚至也是地球 气候变暖的重要因素之一：此外，汽车保有量大，每年报废车辆的物资回收尚不完 全，致使汽车废弃物严重污染了环境，汽车的发展已遇到环保上的制约因素：汽车 使用中事故频发，危及行人及乘客的生命、健康，汽车的发展也遇到安全上的制约 因素。由于汽车制造中大量采用铝合金使汽车总质量减轻，从而降低了燃油的消耗 由于油耗低、质量轻、汽车的废气排放就少，污染程度就下降：废旧汽车的回收率 高，铝质汽车零件基本上都可回收：回收再生所需要能源少，并且铝可以多次循环 再生，对其性能来讲没有多大变化。有专家预测，到2 0 1 0 年每辆轿车用铝量可达1 5 0 kg 。轿车车身质量约占整车的5 0 ，所以车身是轻量化设计的关键部件，车身轻量 化可使发动机负荷相应减轻，底盘部件的受力也会减轻，整车性能将表现更好。目 前，美国、德国、日本是世界上铝合金应用最多的国家嗍。我国2 0 0 0 年轿车保有量 约6 5 0 万辆，预计2 0 1 0 年将达到2 4 0 0 万辆，可见汽车减重对节能、改善环境的意 义十分巨大。由于铝合金具有高比强度、耐锈蚀、热稳定性好、易成形、再生性 好和简化结构等一系列优点，能满足汽车工业的上述要求，大量的对比研究和反复 实践证明，选用铝合金材料是实现汽车轻量化的有效途径。 现在，世界上许多汽车制造商对铝合金都很青睐。奥迪公司将全铝车身框架结 构( asf ) 技术应用在量产车上始于1 9 9 3 年。当时首先应用在奥迪a 8 轿车上， 之后相继扩展到奥迪a 2 和新奥迪a 8 。迄今为止，采用全铝车身框架结构( asf ) 制造的奥迪a 8 数量达到1 1 7 ，0 0 0 辆，奥迪a 2 更是达到1 3 3 ，0 0 0 辆。宝马新8 系 就采用了铝合金引擎盖，铝合金保险杠，发动机中的某些部件也由铝合金加工而 成。法拉利、菲亚特、标志一雪铁龙公司都竞相开发铝合金零部件。随着大断面铝 型材的生产和焊接技术的不断进步，铝合金在汽车中的应用也不断增加，预计到 2 0 1 0 年，每辆汽车的铝使用量将上升到1 5 8 k g ，比1 9 9 5 年增长7 2 。工业发达国家 铝合金m i g 焊过程电弧声研究 在汽车轻量化研究方面发展较快，预计2 1 世纪的轿车平均自重约为8 0 年代初的一 半。目前m i g 焊是铝合金车辆焊接中最主要的方法之一。 ( e )法拉利3 6 0( f ) 法拉利3 6 0 围1 1 全铝合金结构的汽车 对于造船业来讲，一般军用快艇，艇体重量约占总重量的4 0 左右，要想减轻 艇体重量，选择铝合金材料是一个重要途径。在与钢等刚度时，铝合金结构的重 量约为钢的5 0 。对于滑行艇、水翼艇、气垫船和冲翼艇等高速船艇，其重量对航 速很敏感，如果能减轻船体重量，则可有效地提高船速。对于中型舰艇的船体、 大型舰艇的上层结构采用铝合金同样十分有利，可使舰艇体轻速度快。另外，现 代舰艇航海仪器设备和武器装备的增加，使舰艇上部重量增加，稳定性变坏。为 了保证稳定性，就必须采用铝合金材料来减轻上部重量。对于客船，从改善旅客 的居住条件出发，扩大居住面积和增加上层建筑，也会使稳定性变坏。当然可以 2 通过增加船宽来改善稳定性，但这会影响航速，所以最好的办法是在上层结构上 采用铝合金。同样，货船上层结构以及船体改用铝合金，可以提高载货量，降低 运输成本。 1 8 9 1 年，瑞士的e o c h e rw y s s 公司首次建造了一艘8 人乘坐的湖上全铝汽艇， 该艇重4 5 0 公斤2 0 世纪3 0 4 0 年代，随着冶金工业的发展，1 9 3 1 年英国建造 了“地爱那i i ”号全铝游艇。5 0 6 0 年代，铝合金t 1 6 焊接技术的发展，1 9 5 1 年 英国建造的“红玫瑰”( r e dr o s e ) 号渔船，用铝2 7 吨。1 9 5 8 年我国首次建造了 全铝铆接结构的水翼船“长江水翼客艇”1 号。7 0 8 0 年代，随着铝价下降和t i g 、 m i g 惰性气体保护焊接法的采用，1 9 7 0 年日本建造了大型铝合金旅客船“希霍库” 2 号，船长4 5 米，宽7 8 米，型深3 9 米，总吨位5 1 9 9 4 吨，时速3 0 1 8 海里删。 对于铁路运输车辆采用不锈钢、铝合金材料是减轻车体自重的有效措施。不 锈钢因其密封性较差，一般适于制造1 6 0 2 0 0km h 的准高速列车，而铝合金材 料则可用于制造2 0 0km h 以上的高速列车。为适应高速列车的发展，世界各国均 在大力开发、制造铝合金车体，在铝合金焊接车体的设计和制造方面，瑞士、日本 和德国的公司取得了最大的成功嘲，目前在制造这种车体上已有巨大的进步。在 1 9 6 0 年1 9 7 0 年期间，铝合金车辆只占1 2 ，到了1 9 9 5 年就占到5 0 ，而到1 9 9 9 年已达到车辆制造总数的8 0 。德国、意大利、加拿大、日本等发达国家，投天运 营的铝合金车体已达3 万多辆。以日本为例，其使用铝合金进行制造的铁道车辆 逐渐增多，而且有占主导地位的趋势，自1 9 6 2 年山阳电机铁道铝合金车辆诞生以 来，到1 9 8 3 年止的2 1 年里，日本的铝合金车辆就有2 6 7 8 辆。在后来的几年里迅速 增加，至1 9 8 7 年已上升到4 0 0 0 辆，1 9 9 2 年已超过6 0 0 0 辆。特别是近几年，其产量 每年以4 0 0 5 0 0 辆左右的速度递增。1 9 9 1 年以来，日本新干线全部使用了铝合金 车辆。而一些发展中国家，如韩国也正在集中力量，积极引进技术，开发研制铝合金 车体，并已经实现批量生产和出口。俄罗斯最初生产铝合金客车车体是在1 9 6 1 年 1 9 7 0 年间，制造的3p 一2 0 0 电气化试验列车曾在莫斯科一圣彼得堡干线上运行多 年。目前已完成了“索克尔”列车上使用的铝合金试验车的制造。我国近几年来 也同样大力发展城市铁路交通和高速铁路运输系统，因此，生产制造铝合金车体是 铁路运输事业和城市轨道车辆发展的必然趋势“”习。 3 铝合金m i g 焊过程电弧声研究 ( a ) 奥迪a 8 车门的m i g 焊缝( b ) 奥迪a 8 纵梁的舡g 焊缝 ( c ) 奥迪a 8 车体的m i g 焊缝( d ) 铝合金排气管的m i g 焊缝 ( e ) 株洲电力机车厂的铝合金列车部件 ( f ) 高速列车铝合金部件 图1 2 铝合金构件1 1 1 6 焊接实例 由于铝合金不但具有高的比强度、比模量、断裂韧度、疲劳强度和耐腐蚀稳 定性，具有一系列无可比拟的优越特性( 如下表1 1 所示) ，同时还具有良好的成 形工艺性和良好的焊接性。 铝合金材料的连接方法为铆钉和焊接。虽然铆接工艺过程容易控制，质量稳 定，连接可靠，但由于铆接之前需要钻孔，将会削弱结构组件的工作截面，孔成 为应力集中区并降低了抗腐蚀的稳定性。另外，铆接还会增加结构重量，增加制 造时间、人力和物料的使用量。再加上汽车、机车等运输工具的生产批量很大， 尤其是汽车，一个大型汽车生产厂年产一般可达3 0 万辆以上，铆接方法已经不能 适应现代交通运输工具的制造。相比而言，焊接不仅可以减轻劳动强度，还可以 简化结构、节省工时、提高工效。因此，焊接已经成为铝合金加工的主要方法之 4 表1 1 不同材料的特性比较 项目 蹴黜雌棚蝴 塑! 堕竺堕鱼墅堕型! 笪旦g 塑q 堡i 箜 t 小f l a 2 7 02 2 01 2 7 05 1 0 2 5 5 b 胁7 5 0 4 5 0 u o d1 9 0 0 2 1 0 0 瞰煳 2 7 01 7 04 = 5 07蜘7瑚 比强度高高很高中等低 导揪高较高低中等中等 表瞰睡良好可以可以可以较差 黜好般很好较好差 焊接眭好较好中等薄阪易变形很好 制造方法适于各科加工方法主要为铸氇法中等主要为轧制法主要为轧制法 觚啪良好中等中等 好 好 目前实现铝合金车辆焊接的方法主要有：m i g 焊、激光焊、搅拌摩擦焊( f s w ) 等“”。 铝合金激光焊接技术( l a s e rw e l d i n g ) 与传统焊接工艺相比，具有功能强、可 靠性高、无需真空条件及效率高等特点。其功率密度大、热输入总量低、同等热 输入量下熔深大、热影响区小、焊接变形小、速度高、易于工业自动化等优点，特 别对热处理铝合金有较大的应用优势。可提高加工速度并极大地降低热输入，从 而可提高生产效率，改善焊接质量。在焊接高强度大厚度铝合金时，传统的焊接 方法根本不可能单道焊透，而激光熔焊时形成大而深的匙孔，发生匙孔效应，则可 以得到实现。但由于铝合金对激光束具有极高的表面初始反射率( 对c 0 2 激光超过 9 0 9 6 ，对y a g 激光接近8 0 ) ，对激光能的吸收很低，如果要有效地对铝合金进行激 光焊接，就必须增大激光功率密度或者采用其他措施来提高铝合金对激光能的吸 收率，这使得设备成本有时变得难以承受，同时在铝合金厚板的激光焊接时容易 出现气孔和热裂纹等缺陷，因此目前激光焊接多用于铝合金薄板的连接中。 搅拌摩擦焊是一种在机械力和摩擦热作用下的固相连接方法，焊接时不存在 熔焊的各种缺陷，可以焊接用熔焊方法难以焊接的有色金属材料，如铝、高强铝 合金，铜合金，钛合金以及异种材料、复合材料焊接等，也可以实现铝合金厚板 的高质量、高效率焊接。但搅拌摩擦焊对焊件夹持要求高，焊接过程中对焊件要 求加一定的压力，反面要有垫板；并且，在铝合金搅拌摩擦焊接时速度低于熔化 焊；焊后端头形成一个搅拌头残留的孔洞，一般需要补焊或机械切除；目前工艺还 不成熟，仅限于结构简单的构件的焊接，如平直的结构、圆形结构等。 目前m i g 焊是铝合金车辆焊接中最主要的方法之一“蚓。m i g 焊具有设备简单、 熔深大、焊接效率较高、焊接质量好、焊接可达性好、适应性好、对长、短、曲 线焊缝都能很好焊接且易于实现自动化等优点，当前铝合金车辆的焊接生产尤其 5 铝合金m i g 焊过程电弧声研究 是中厚板构件的焊接绝大多数都采用了m i g 焊，为了减少焊接的热量输入并有效 地利用热量，主要采用了脉冲m i g 焊o ”。而脉冲m i g 焊具有焊接电流调节范围较 宽，包括短路过渡到喷射过渡的所有电流区域，既能焊接厚板，也能焊接薄板， 焊接薄板时与短路过渡比较具有熔透性好、变形小、效率高等特点。采用脉冲电 流后，可采用较小的平均电流进行焊接，平均电流比连续电流喷射过渡的临界电 流低，因此母材的热输入量低，焊接变形小，适用于全位置焊接。”。铝合金m i g 焊的主要缺点是对外界干扰如散热条件的变化比较敏感，容易产生熔透不均等焊 接缺陷。 目前，采用机器人焊接已成为焊接自动化技术现代化的主要标志。焊接机器 人由于具有通用性强、工作可靠的优点，受到人们越来越多的重视。在焊接生产 中采用机器人技术，可以提高生产率、改善劳动条件、稳定和保证焊接质量、实 现小批量产品的焊接自动化洲。由于m i g 焊为铝合金焊接的主要方法之一，同时 其在机器人上的自动化应用已经比较成熟，因此对铝合金m i g 机器人焊接过程检 测与控制系统的研究具有重要的现实意义。但是目前机器人焊接系统仍然采用示 教再现编程，焊接过程采用恒规范即焊接过程开环方式，在对铝合金尤其是中厚 板进行焊接时，由于铝合金热积累作用强而表面张力小，焊缝很容易出现下塌、 焊穿等严重缺陷。 ，为了解决现实需求和目前焊接水平有限之间的矛盾o ”，就要提高对焊接过程 的自动化和智能化水平，提高机器人焊接实时检测技术和反馈控制技术。 1 2 焊接过程中质量监控的物理量 焊接过程中可通过各种手段实现焊接质量信息的采集。通常获取质量信息的 方法有，利用物理现象的传感如：电磁传感器、电容传感器、超声传感器、红外 辐射传感器、涡流传感器；利用电弧现象的传感如：电弧传感器( 电弧电流、电弧 电压) 、电弧光传感器、电弧声传感器；利用光学视觉的传感：激光视觉传感器、 图像传感器、工业电视传感器；接触式传感器：主要形式有接触探头式和电极接 触式。由于非接触式传感器检测信号种类广泛，灵活性大，使用方便，已成为焊 接传感器发展的主导方向。电弧的燃烧情况是决定焊接质量的关键因素，焊接质 量的有关信息就蕴含在电弧燃烧状态的变化之中。同时由于电弧自身传感具有测 量简便、物理意义明确等突出优点而被广泛应用。 1 2 1 焊接过程的电信号 在c o ：气体保护焊熔滴过渡过程中，电弧电压及焊接电流作为电信号可以被直 接采集，且物理意义明确。同时各种研究表明，电弧电压和焊接电流是各种电弧 物理现象的丰富载体。短路过渡焊接过程的不稳定现象，主要发生在熔滴短路阶 段和短路结束电弧的重新引燃时期。熔滴短路能否较快形成液桥并顺利爆断，以 6 硕士学位论文 及当熔滴对熔池冲击较大的情况下迅速重新引燃电弧是过程稳定的关键所在。短 路焊接过程中短路电流上升速度d i d t ，短路电流峰值i m ，电弧再引燃电压等参 数对焊接过程的稳定性有较大影响。短路液桥爆断电流的大小直接影响着短路末 期“电爆炸”飞溅的大小和电弧重新引燃过程冲击熔池产生飞溅的大小，短路峰 值电流可在一定程度上反映飞溅水平。燃弧过程中的最大电压，同样反映了最大 弧长，统计得出燃弧电压平均值可表征平均电弧长度，它与最大燃弧电压值的差 异可体现焊接过程中瞬时弧长的变化量。利用电流值和电压值可以计算电弧的等 效电阻，熔滴过渡中等效电阻的变化可直接反映液桥状态的变化。因此，c 0 2 焊接 电弧电压和电流蕴涵着飞溅以及其它与焊接质量有关的信息，可通过实时采集焊 接过程的电流、电压信号，提取表征焊接质量的参数来识别焊接缺陷。焊接电流 及电压信号己成为国内外工程技术人员进行c 如弧焊质量检测、焊接过程的波形控 制等方面研究的最为常用的信息源。 上海交通大学蔡艳等人利用p c 机实时采集焊接过程电流、电压信号并从中 提取统计参数( 超值电流、电压，低值电流、电压等参数) 研究了它们对燃弧稳定 性的影响嗍天津大学张小囡等将电弧电压、焊接电流的概率分布用作评价电弧 电源的动特性的主要依据，并指出在各种参数统计分布中，电弧电压的概率密度 分布、焊接电流的概率密度分布对电源动特性的变化比较敏感，能够提取出电源 动特性的评定特征信息。华中理工大学利用瞬时i - u 波形来反映c o , 气体保护 焊熔滴过渡特征，同时还分析了电弧电压的功率谱特征，指出功率密度谱的峰值 频率可反映焊接中占主导地位的熔滴过渡频率，而频率分布状况可反映熔滴过渡 的规则性，峰值频率越高，频率分布范围越集中，则弧焊过程越稳定。 国外学者也利用焊接电流及电压信号对g m a w 焊接过程进行各种研究。巴西 研究人员曾利用短路过渡g m a w 焊接电流及电弧电压计算电弧的平均电阻，并利 用焊接平均电流、送丝速度及均值电阻进行多元回归，以识别焊接过程中焊炬顶 端到工件的距离嘲。j o h n s o n 等人曾利用焊接电流、电弧电压监控g m a w 熔滴过 渡方式啪1 。也有学者利用焊接电流、电压信号实时检测导电嘴的磨损情况口钉。 1 2 2 视觉传感 视觉传感是基于焊工在焊接时，就是根据焊接面罩观察熔池图像，获得熔透 与熔深信息的，通过手工操作，控制电弧位置、角度、运行速度等，达到控制熔 透与熔深的目的。目前采用光学传感器来代替人眼来观察熔池图像。但是，由于 焊接过程伴随着强烈的弧光产生，严重影响了清晰的原始图像的提取，给图像处 理造成很大的困难，同时又由于摄像装置捕捉到的是平面图像，很难建立2 d 图像 与熔透和熔深( 3 d 图像) 的可靠关系，视觉检测法一直都处于实验研究阶段。 但是视觉检测法具有其他许多优点。首先，采用的光学传感器不与焊接回路 接触，信号的检测不影响正常焊接过程，并且具有提供信息丰富，灵敏度和测量 7 铝合金m i g 焊过程电弧声研究 精度高，动态响应特性好，抗强电场和强磁场的干扰能力强等优点，且能适用于 各种坡口形状，可以同时实现焊缝跟踪和对焊接条件的实时控制呻1 ；其次，光学 传感器主要是利用光谱中的可见光波段对焊接区成像，图像中的景物与焊接区各 部分一一对应，无需像红外成像那样只有经过温度场标定以后才能确定焊接区各 部分，非常直观；另外，采用视觉传感技术可以得到焊接过程动态熔池的二维或 三维信息，与其它焊接过程信息检测方法相比，这种方法检测到的熔池信息直接 反映焊接过程熔化金属的动态行为，因此该方法更适合焊接过程的质量控制。尽 管目前光学传感器在实际生产中应用较少，但它能提供丰富的信息，如接头形式、 熔池边界、电弧形态、焊丝位置及已凝固的焊道形状等，因此是将来最有发展前 景的传感技术之一傅“1 。 文献 4 2 使用3 0 0 w 石英投影灯提供背景光，增强等离子弧和熔化金属周围区 域的亮度，利用两个普通c c d 摄像机从不同角度观测焊接熔池，对c 0 2 激光焊熔透 实时信息进行了研究。但是对于弧光强烈的电弧焊过程，采用普通光源进行照明 不足以克服电弧光的干扰，传感效果不好。由于焊接过程中，熔池连续处在强烈 电弧光的笼罩下，很难排除弧光的干扰得到清晰的熔池原始图像。因此，主动式 视觉检测系统采用高能量密度窄脉冲激光作为主动光源照射熔池，配合与脉冲激 光同步的频闪高速摄像机，捕捉熔池图像，其试验装置如图1 3 所示嘲。高密度 脉冲激光只是为了能在脉冲瞬间使脉冲激光的强度压过同时照射在熔池上的弧光 强度，使同步频闪高速摄影机能捕捉到这一瞬间的清晰熔池图像。因脉冲时间很 短，仅有3 n s 左右，可以采用7 w 的激光器就可达到压制弧光干扰的效果。但是用 这种方法采用高能量密度的脉冲光源和特殊电子快门的摄像机，其设备昂贵，安 装体积大，往往需要配备水冷系统，影响机器人的灵活性和可达性，同时，由于 铝合金表面强的镜面反射以及熔池与母材对比度低，加剧了图像处理的复杂度， 限制了这种方法在铝合金焊接中的应用。 目前研究较多的是不另加辅助光源，利用弧光本身照明焊接区的被动式视觉 检测方法。被动式视觉法通常采用滤光系统和焊接电流控制相结合的方法来去除 弧光的干扰，使摄像机在一个弧光对熔池辐射比例适当的较窄的光谱范围内获取 熔池图像。同时，控制焊机周期性的减少焊接电流，使得在摄像机对熔池成像期 间弧光的影响最小，以得到清晰的熔池图像。 8 圈1 3 激光频闪熔池视觉传感嚣 文献 4 4 利用脉冲t i g 焊基值期间焊接电流较小，弧光较弱的特点，在电流 下降后经过一定时间的延迟以消除弧光余辉的影响，用普通摄像机在基值期间成 功的获取了熔池图像，并用于2 m 厚低碳钢板脉冲t 1 6 焊熔宽的实时检测和控制。 文献 4 5 通过对电弧及熔池表面的谱线分析和对比，通过实验得出结论，以 低碳钢为母材的t 1 6 焊最佳观察窗口波长4 0 6 + 2 n m ，以低碳钢为母材的c 0 ：焊最佳 观察窗口波长为6 0 1 _ + 2 n m 。并由此开发了焊接机器人视觉系统，在汽车后桥焊接上 得到了应用。 文献 4 6 利用窄带滤光系统在脉冲焊接基值电流时刻获得了碳纲t 1 6 焊熔池 图像，并用于背面熔透控制，获得了较好的效果。 文献 4 7 利用如图1 3 所示的系统在碳钢脉冲m i g 焊的基值电流期间对焊接 区信息进行检测，该系统采用了两套c c d 系统，其中一套c c d 用于熔池信息检测， 另一套c c d 用于熔池前方坡口间隙的传感，该研究在考虑熔池几何参数影响的同 时，将坡口间隙变化对熔透的影响也建立在控制模型中，使控制过程更为精确。 在文献 4 s ，4 9 ，5 0 中，石开樊丁等、设计了铝合金熔池图像检测视觉系统， 见图1 4 。通过窄带滤光结构，有效地克服了弧光干扰，并获得了比较清晰的铝合 金m i g 焊熔池图像；通过分析了铝合金m i g 焊熔池图像特征，提出了相应的熔池 图像处理算法；针对传统图像处理算法的不足，提出利用形态学方法去除图像信 号中的噪声、阴极雾化区等影响熔池特征提取的部分，获得了满意的熔池边缘图 像，可以对熔池形状信息进行动态检测。 9 铝合金m i g 焊过程电弧声研究 图1 4 脉冲_ i g 焊过程视觉检测与控制过程 与其他焊接过程信息检测方法相比，被动式视觉检测方法由于用到的硬件设 备较少，更适合在生产实际中使用。利用电弧和熔池的自身光谱辐射，通过选择 一个特定的辐射频域，使焊接区各辐射源的光强达到一个合适的比例，能够实现 从单一信号源中得到焊接区图像的综合信息，有效地提高了在可见光波长内电弧、 熔池和焊缝三者同时成像的清晰度。由于其视觉传感系统只使用窄带滤光片和摄 像机，不需要其他特殊的光学系统，使其在实际应用中成为可能。 1 2 3 电弧弧光信号 随着电弧物理的深入研究，人们认识到，焊接电弧光谱可以反映出焊接过程 中电弧的各种物理、化学状态的变化；同时，由于电弧光具有时空可分辨性、灵 敏度高、动态响应快、监测信息量大等特点，因而具有很大的研究与开发潜质。 图为通用焊接电弧光谱测量装置n 1 ”。 激光f2 ，电甄3 光4 反射镜组 透镜组获缝 7 光谱仪高压电潭，光电倍增t1 - 诅数接口 1 昱罘 曩- 2 计算机主机 豳1 5 通用焊接电弧光谱测量装置 早在2 0 多年前，人们就已经知道弧光强度和电弧长度之间存在着一定的关 系，直到1 0 多年前，研究工作者测量了弧光总强度与弧长之间的定量关系并提 出可利用这种关系控制弧长“”。对弧光进行光谱分析则可实现弧光与弧长的精确 识别。与此同时，当电极的垂直位置固定时，熔池振荡将引起电极与熔池表面间 距( 实质为弧长) 的变化，此时熔池的振荡变化就反映在弧长上。因此利用电弧光 强度及光谱特征可以监测熔池的振荡情况。另外也有学者利用电弧光强度与弧长 比例关系实现氩弧焊及c o ：气体保护焊的v 型坡口的焊缝跟踪”3 。 不同波段不同谱线的电弧光谱中所包含的信息各不相同。熔滴过渡直接导致 电弧空间粒子浓度和分布的变化，监测相应的电弧光谱就能检测熔滴过渡形式。 国内天津大学在利用电弧光谱监测焊接过程方面开展了大量工作。他们运用光谱 技术对焊接电弧熔滴过渡进行监测，依据光谱强度与电弧等离子体内部温度、粒 子浓度和成分等因素之间的相关规律，分析电弧内部的金属过渡状态及过程删。 3 2 i 3 0 加 1 0 薹3 0 0 崔2 0 0 l i o o 曩 u o4 , 08 d1 2 01 6 0 2 0 02 4 02 8 03 2 0 3 6 04 0 0 ( 曩) t i m e 嘴 d8 口l l 印2 0 02 4 02 8 03 2 03 6 04 0 0 o l t i m eg m e ) o4 08 01 2 0l 砷2 0 02 4 02 8 03 2 03 6 04 0 0 ( c ) l i r a 1 ，n 难 田1 6 典型的脉冲焊电流、电压和电弧光谱信号波形 同时也利用光谱窗口代替庞大笨重的光谱分析仪，提出了一套熔滴过渡光谱窗口 选择的原则，并实际选取了光谱窗口，成功地进行了熔滴过渡的在线检测与控制 咖。另外他们也把电弧光谱从可见光区扩展到非可见光区域，研制了焊接电弧紫 外光谱计算机采集处理系统，对t i g 焊电弧紫外光谱频域分布特征和时间分布特 征进行了研究。指出随着焊接电流的增加，将产生波长更短的紫外线谱，同时紫 外辐射亮度也迅速增加。他们的研究成果为利用电弧紫外线辐射信息实施焊接过 程控制及深入研究电弧物理过程奠定了基础嘲1 。国内也有研究者曾设计电弧光传 1 1 南巨呈口譬|ss擎专 铝合金m i g 焊过程电弧声研究 感系统，分析弧光强度与焊机电流、电压与弧长的关系，建立电弧光辐射数学模 型，并以电弧光信号的变换来映射g m a w 熔滴过渡过程嘲。 1 2 4 电弧声 焊接电弧声是在焊接过程中产生的非平稳随机信号。在实际生产中，熟练焊 工往往能根据电弧声辨别熔滴过渡方式、焊接过程稳定性和飞溅大小。这说明电 弧声与焊接过程具有相关性。研究表明电弧声来源于焊接电弧过程中能量水平的 变化，它反映了燃弧和短路过程中空气振动的强弱程度。电弧声压及其频率变化， 与引起空气振动的各种原因有关，包括电弧斑点跳动、熔滴熔池振荡、短路和再 引弧，以及焊接飞溅等，同时它与电弧稳定性、焊接飞溅量和各种焊接缺陷存在 不同程度的相关性”1 。因此，焊接电弧声波也成为用于焊接质量检测的信息源 之一。但由于电弧声波本身易受干扰，且其产生机理及传播特性等许多问题还尚 待研究，因此国内外对焊接电弧声的研究成果不多，以电弧声波为信息源的质量 检测报道也相对较少。 在电弧声研究方面，学者们已经对其进行了初步的研究，这些研究主要集中 在g j a w 方面，以及在高能焊接出现小孔效应的焊接方面。通过众多的研究表明， 焊接过程中的电弧声信号与焊接参数，熔滴过渡，熔池形态以及焊接过程稳定性 有着密切的关系”“1 。 在国外，对g m a w 焊接的电弧声进行的研究有：日本学者a r a t ay o s h i a k i 在 7 0 年代末对不同的焊接方法的电弧声特征及其与焊接规范的关系等方面开展了研 究眦“1 ；8 0 年代后期，k a s k i n e n 和m u e l l e r 等提出焊接电弧的等离子体积变化突 变产生电弧声，如果等离子体积与电弧能量成正比，则声压“”： s - k d ( v ，。o 或s - q i i d v + y 5 ( 1 1 ) 口la l“l 式中：v i 为电弧能量，v 为电弧电压，i 为电弧电流，k 与k 为常数；澳大利亚的 s a i n i 和f l o y d 的研究认为电弧声信号在g m a w 在线质量监控方面具有应用前景删； l a d i s l a vg r a d 和 a n e zg r u m 研究了以g m a w 焊接过程中的电弧声作为焊接质量在 线监测的可行性，认为保护气体种类及焊丝干伸长都将会对焊接电弧声产生影响， 指出焊接电弧声的不规则的变化将反应焊接过程的不稳定性；mc u d i n a 与 p r e z e l j 研究了在时域范围内g m a w 电弧声、焊接电流和短路过渡过程之间的对应 关系，建立了焊接电流与电弧声声压之间的传递函数，将电流作为系统的能量输 入，焊接电弧声作为系统的能量输出，认为电弧声波的产生与焊接电弧输入能量 有关，其关系表达式： d e ( o q ( u o ( 1 2 ) 式中，p ( f ) 为电弧声压，c l a ( k 一1 ) c 2 ，口一y 为几何因子，k 为麦克风 相对于电弧的距离；k 为绝热膨胀系数，c 为声速，最终得出电弧声压与焊接电 流，之间的关系为n 町： p ( o - c 1 【珊j + 工( ，2 + i i ) + c ( i + jj 脓) 】 ( 1 3 ) ， 在国内，兰州理工大学的樊丁教授与马跃洲教授近年来对电弧声进行了一系 列的研究，文献 7 1 对c o , 焊接电弧声与飞溅的关系及影响飞溅的因素作了深入研 究，发现了焊接飞溅与短路结束时电弧声能量及短路平均声能成线性关系；文献 7 2 对c 仉焊接过程中焊接电流、电弧电压和电弧声进行了信号降噪处理和奇异点 分析，提取不同频率范围的声波能量作为表征焊接过程状态变化的特征向量，研 究了特征集合与焊接飞溅的相关性；文献 7 3 对g m a w 焊接过程中电弧声产生机理 进行了研究，认为电弧能量的变化是产生电弧声的激励源，保护气体、弧柱等构 成时变的声道系统，声音激励和声道系统共同作用产生电弧声；文献 7 4 针对短 路过渡气体保护焊( g m a w ) 电弧声信号进行了时域和频域特征分析，提出电弧声道 的概念，建立其参数化等效电气模型。利用线性预测( l p c ) 模型参数构造径向基函 数( r b f ) 神经网络输入