李 奇，何寬芳，劉湘楠

(湖南科技大學 機械設備健康維護省重點實驗室, 湘潭 411201)

基于諧波提取的焊接過程聲發(fā)射信號特性分析

李 奇，何寬芳，劉湘楠

(湖南科技大學 機械設備健康維護省重點實驗室, 湘潭 411201)

通過試驗掌握焊接過程中聲發(fā)射信號特性是實現(xiàn)焊接裂紋聲發(fā)射在線檢測的前提。提出了一種基于諧波提取的聲發(fā)射信號特性分析方法，結合焊接過程中聲發(fā)射信號測試試驗，對焊接過程中的聲發(fā)射信號進行有效提取與頻譜分析，獲取了焊接過程中摩擦激勵源、焊接電弧沖擊激勵源和焊接結構裂紋激勵源聲發(fā)射信號的頻域特性。為實現(xiàn)焊接過程中的結構裂紋聲發(fā)射在線檢測提供了基礎數(shù)據(jù)及參考依據(jù)。

焊接過程；聲發(fā)射信號；諧波提??；頻譜分析

聲發(fā)射檢測技術是焊接過程中結構裂紋檢測的有效手段。聲發(fā)射信號作為材料內部能量釋放的一種彈性波，能夠實時表征焊接熱裂紋產生及擴展的物理現(xiàn)象本質[1]。焊接過程中采集到的結構裂紋產生及狀態(tài)變化所產生的聲發(fā)射源信號具有多模態(tài)、非線性的特點，加上聲發(fā)射測試中受到試件與夾具連接的摩擦、電弧沖擊的干擾等影響，采集到的聲發(fā)射信號呈現(xiàn)出多聲發(fā)射源共存、特征微弱的特點[2]。要利用聲發(fā)射信號實現(xiàn)對焊接過程中結構熱裂紋的檢測，需要掌握焊接過程中各聲發(fā)射源信號的特性，其中通過試驗掌握焊接過程中的聲發(fā)射信號特性是最直觀有效的手段。

現(xiàn)有的信號提取方法包括小波提取、經(jīng)驗模態(tài)分解法(EMD)、局部均值分解(LMD)等[3-6]。吳旭景等[7]應用EMD和小波分解對含大量噪聲的管道泄漏聲發(fā)射信號進行提?。恍焖眉蔚萚8]提出了一種小波能量譜分析和共振解調法相結合的聲發(fā)射信號特征提取方法；蔣鵬等[9]采用小波分解法對儲罐底板的聲發(fā)射信號進行了分析；SUN等[10]提出了一種基于LMD的管道小泄漏聲發(fā)射信號提取方法。這些方法能夠對信號分量實現(xiàn)從高頻率到低頻率的提取，但提取出來的分量仍然可以分解成為多組諧波，而且不同分量之間不可避免地會出現(xiàn)諧波頻段重疊的現(xiàn)象，不能保證提取到的特征信號源的單一性，分解獲得的分量并不一定是由單一的諧波組成；加上焊接過程采集到的各個源聲發(fā)射信號的頻帶未知，焊接裂紋聲發(fā)射信號具有多模態(tài)混合狀態(tài)，焊接過程中不同聲發(fā)射源產生的信號諧波具有不同的頻段，因此很難將不同的聲發(fā)射源信號從原始信號中有效地分離提取出來，也就難以準確掌握焊接過程中不同聲發(fā)射源信號的基本特性。

因此，筆者提出一種基于諧波提取的聲發(fā)射信號特性分析方法，開展焊接過程裂紋聲發(fā)射信號的特性試驗，獲取焊接過程中多源聲發(fā)射信號的特性，為實現(xiàn)焊接過程中的結構熱裂紋聲發(fā)射在線檢測提供基礎數(shù)據(jù)及參考依據(jù)。

1 基于諧波提取的聲發(fā)射信號特性分析方法

1.1 奇異值分解(SVD)分析

SVD分析法[11]被廣泛應用于信號檢測中，該方法具有較高的分辨力和較好的動態(tài)特性,適用于短數(shù)據(jù)處理，可有效地判定具有較高信噪比的數(shù)據(jù)中含有的諧波數(shù)。其通過對信號重構矩陣進行奇異值分解，將包含信號信息的矩陣分解到一系列奇異值和奇異值矢量對應的時頻子空間[12]。

選擇信號分析片段，用x數(shù)組{x1,x2,…,xl}表示。對數(shù)據(jù)組x擬合高階AR(m)(自回歸)模型，最終獲得信號重構矩陣如下。

(1)

式中：A為m×n的矩陣，其中m+n-1=l。

對A進行奇異值分解A=USVT，其中左奇異值矩陣U為m×m方陣，右奇異值矩陣V為n×n方陣，奇異值數(shù)組Sr=diag{S}={s1,s2,…,sr}，s1>s2>…>sr，同時r=min(m,n)，對一個m×n的秩為k的矩陣C進行奇異值分解得到的奇異值矩陣秩為k(k≤r)。

對不含噪聲的信號diag(S)=[s1，…,sk,0，…，0]，奇異值si{i=1,2,…,k}的衰減隨著k的增大而快速衰減，其中k=rank[C]=2n，n為諧波層數(shù)。但是實際采集到的聲發(fā)射信號分析往往包含著各種干擾成分，通過研究發(fā)現(xiàn)n層諧波主要貢獻在前2n個奇異值上，而隨機干擾信號對各個奇異值的貢獻幾乎是一樣的。因此只要能夠在奇異值描繪出來的波形圖中找到奇異值由迅速衰減向趨于平緩的轉折點所對應的序數(shù)就是有效秩2n。為了能夠更加準確地判斷出信號諧波的層數(shù)，通過計算如下奇異值不等式

(2)

式中：p=2n，能夠滿足不等式的最小p稱為信號的有效秩也是信號矩陣的有效維數(shù)。不等式中推薦ξ1=0.05。

1.2 有效諧波提取

信號可以通過諧波疊加的形式表示，通過對原始信號進行SVD法，可以判斷出信號有效諧波的層數(shù)，通過FFT變換將信號由時域投影到頻域并且可以描繪出其幅值譜，對信號幅值譜進行分析就能夠掌握信號能量隨頻率的變化情況，按照信號諧波幅值從大到小進行提取，然后使用FFT逆變換將頻域信號轉換到時域，得到有效諧波。采集到的原始信號是離散的數(shù)據(jù)，離散時間內的連續(xù)傅里葉變換為：

(3)

式中：x(m)為一組非周期序列；x(m)的傅里葉變換X(ejω)是ω的連續(xù)函數(shù)，且是ω的周期函數(shù)，周期為2π。

由于選擇分析對象為原始數(shù)據(jù)中的有數(shù)個數(shù)據(jù)，通過改良數(shù)據(jù)，信號片段離散型傅里葉變換可以定義為：

(4)

通過FFT變換，將信號從時域轉換到了頻率，其中WM=e(-j2π/M)。信號序列為m=1,2,3，…,(M-1)。為了進一步描繪出信號幅值與頻率間的相互關系，將信號幅值與頻率聯(lián)立繪制出信號幅值譜，在信號幅值譜中按照幅值從大到小的次序提取頻域信號點進行FFT逆變換，就能得到幅值從大到小的諧波。離散型傅里葉逆變換為

(5)

式中：x(m)為信號序列，采樣點對應的時間為t=m/f。

通過奇異值分析法判斷出了信號中的諧波數(shù)n，以幅值從大到小n次重復FFT逆變換將n重諧波提取出來；由于高頻部分出現(xiàn)“偽頻率”的概率低，也保證了諧波提取過程中譜線增高變窄至最佳狀態(tài)。

1.3 聲發(fā)射信號特性分析方法

由于信號可通過諧波疊加的形式表示，結合SVD諧波分析法、FFT諧波分離法對信號進行有效信號提取，形成基于諧波分析的多源聲發(fā)射信號特性分析方法。該方法通過將信號片段擬合為AR矩陣，并使用SVD分析方法對重構矩陣進行分析確定信號有效諧波的層數(shù)，然后通過FFT諧波分離法將有效諧波分離出來后進行重構得到有效信號，同時可以獲取信號有效諧波的頻率、幅值、相位等相關特性參數(shù)。具體流程如圖1所示。

圖1 有效信號提取流程圖

2 試驗方案設計

為了實現(xiàn)焊接過程中不同激勵源聲發(fā)射信號的試驗采集，筆者設計了一套焊接過程裂紋聲發(fā)射信號測試平臺，它不僅能夠在焊接過程中給焊件施加可調約束應力來引導焊接結構裂紋產生，而且能夠實現(xiàn)焊接過程中聲發(fā)射信號的實時采集。筆者還設計了焊接過程不同源聲發(fā)射信號的試驗采集方案。

2.1 焊接試驗平臺

搭建的焊接過程裂紋聲發(fā)射信號測試平臺由焊機模塊、可調約束壓力施加模塊和聲發(fā)射信號采集模塊三大模塊構成。焊機模塊由焊接電源、焊機、輔助機構組成，試驗過程中可以依據(jù)不同工藝要求對焊機模塊進行選擇。焊接可調約束應力試驗裝置由壓力施加夾具、試驗臺身主體、焊件安裝夾具3個單元組成，其能夠在不同的工作條件下給焊件施加壓力，使得焊件產生塑性形變而引導裂紋產生。聲發(fā)射信號采集模塊由外置PC機、聲發(fā)射主機箱、聲發(fā)射信號跟隨電路組成，能夠在焊接試驗過程中實時采集聲發(fā)射信號，并且進行顯示與儲存。結合不同焊接工藝試驗，如手工焊接、鋁合金MIG焊等，該平臺可以模擬不同焊接工藝時的焊接結構變形、裂紋產生等物理過程，并同步進行多通道聲發(fā)射信號采集與測試。圖2為該焊接試驗平臺實物照片。

圖2 焊接試驗平臺實物

2.2 試驗方案及信號采集 以鑄鐵手工焊作為試驗對象，選用鑄鐵型號為HT200，基本尺寸(長×寬×厚)為200 mm×70 mm×8 mm，手工焊機焊接電流為100～130 A，焊接電壓380 V，焊絲牌號為J422，焊絲直徑為2.5 mm，分別采集摩擦源、焊接電弧沖擊源、焊接結構裂紋源聲發(fā)射信號。選擇AEU2S聲發(fā)射系統(tǒng)，傳感器型號為SR150M。為了實現(xiàn)試驗信號的有效采集，首先對聲發(fā)射信號采集儀的相關參數(shù)進行設置，以減少外界干擾因素對特征信號的影響，相關參數(shù)設置為：采樣頻率1 000 kHz；波形長度2 048；鎖閉時間1 000 μs;波形門限45 dB。

聲發(fā)射信號采集試驗方案如下：

(1) 摩擦源聲發(fā)射信號采集試驗。焊接試驗過程中，摩擦源聲發(fā)射信號主要是由焊接工件與試驗臺臺身、焊件安裝夾具、壓力施加螺桿等發(fā)生摩擦產生的。工焊機模塊是焊接結構裂紋研究的基礎模塊，由焊接電源、焊機、輔助機構等組成。試驗過程中可以依據(jù)不同要求對焊機模塊進行選擇，此處試驗方法為鑄鐵手工焊。試驗過程中，使用工件安裝夾具板塊與焊件產生摩擦，并通過聲發(fā)射采集儀采集聲發(fā)射時域信號。

(2) 焊接電弧沖擊源聲發(fā)射信號采集試驗。焊接電弧沖擊源聲發(fā)射信號是由焊接過程中電弧沖擊作用產生的。采集焊接電弧沖擊源聲發(fā)射信號的過程中，為保證焊接電弧沖擊源聲發(fā)射信號的信噪比，起弧過程中要求盡量減少焊絲與焊件之間的相對滑動時間，同時需要保證焊接過程的平穩(wěn)進行。

(3) 焊接裂紋源聲發(fā)射信號采集試驗。焊接結構裂紋源聲發(fā)射信號，是由焊件發(fā)生形變引起焊接結構裂紋而使得焊件內部殘余應力釋放產生的。由于焊接過程中裂紋源聲發(fā)射信號相對微弱，為有效采集焊接裂紋源聲發(fā)射信號，需要避免其他源聲發(fā)射信號的干擾。選擇在焊接工作完成之后，立刻施加應力約束使焊件變形并產生裂紋，且同步進行聲發(fā)射信號采集，這樣做的目的在于避免焊接過程中摩擦源、焊接電弧沖擊源產生的聲發(fā)射信號的干擾，盡量獲得較高信噪比的焊接結構裂紋源聲發(fā)射信號。

3 試驗結果分析

應用基于諧波分析的多源聲發(fā)射信號特性分析方法，分別對焊接試驗過程中摩擦源、焊接電弧沖擊源、焊接結構裂紋激勵源聲發(fā)射信號進行特性分析，基本流程如圖3所示。

圖3 焊接過程聲發(fā)射信號特性分析流程

圖4 原始摩擦源聲發(fā)射信號及頻譜

3.1 試件與夾具摩擦源聲發(fā)射信號分析 選取試驗采集到的摩擦源聲發(fā)射信號中的一段原始信號進行分析處理，信號波形及其幅值譜如圖4所示。應用基于諧波提取的聲發(fā)射信號特性分析方法，對選取的摩擦源聲發(fā)射信號進行計算與特性分析，提取的有效摩擦聲發(fā)射信號及其幅值譜見圖5。對比圖4(a)和圖5(a)可看出,原始聲發(fā)射信號經(jīng)特性分析后，提取的有效摩擦聲發(fā)射信號仍然保留了原始聲發(fā)射信號模態(tài)特征。從圖4(b)和圖5(b)可看出：原始聲發(fā)射信號頻譜能量主要集中在20 kHz～30 kHz，之后隨頻率的增大逐漸減小，但頻段分布相對較寬；而提取的有效摩擦聲發(fā)射信號頻譜能量相對集中。這說明原始聲發(fā)射信號經(jīng)特性分析后，剔除了高低頻段其他干擾成分，保留了摩擦聲發(fā)射信號主體模態(tài)成分，摩擦聲發(fā)射信號諧波主要集中在10 kHz～63 kHz頻段。

圖5 提取的有效摩擦源聲發(fā)射信號及頻譜

圖6 原始焊接電弧沖擊源聲發(fā)射信號

圖7 提取的有效焊接電弧沖擊源聲發(fā)射信號

3.2 焊接電弧沖擊源聲發(fā)射信號分析

選取試驗采集到的電弧沖擊激勵源聲發(fā)射信號中的一段原始信號進行分析處理，信號波形及其幅值譜如圖6所示。應用基于諧波提取的聲發(fā)射信號特性分析方法，對選取的電弧沖擊激勵源聲發(fā)射信號進行計算與特性分析，提取的有效電弧沖擊激勵源聲發(fā)射信號及其幅值譜見圖7。對比圖6(a)和圖7(a)可看出,原始聲發(fā)射信號經(jīng)特性分析后，提取的有效電弧沖擊激勵源聲發(fā)射信號仍然保留了原始聲發(fā)射信號的模態(tài)特征。從圖6(b)和圖7(b)可看出：原始聲發(fā)射信號頻譜能量集中在50 kHz～60 kHz，之后隨頻率增大逐漸減小，但頻段分布較寬;而提取的有效電弧沖擊激勵源聲發(fā)射信號頻譜能量相對集中。這說明原始聲發(fā)射信號經(jīng)特性分析后，剔除了高低頻段其他干擾成分，保留了電弧沖擊激勵源聲發(fā)射信號主體模態(tài)成分，電弧沖擊激勵源聲發(fā)射信號諧波主要集中在22.5 kHz～103.5 kHz頻段。

圖8 原始焊接結構裂紋源聲發(fā)射信號

圖9 提取的有效焊接結構裂紋源聲發(fā)射信號

3.3 焊接結構裂紋源聲發(fā)射信號分析 選取試驗采集到的裂紋源聲發(fā)射信號中的一段原始信號進行分析處理，信號波形及其幅值譜如圖8所示。由圖8(b)可看出，采集到的裂紋源聲發(fā)射信號頻譜能量分布在10 kHz～260 kHz，主要包括施加約束時引起的摩擦、裂紋產生的聲發(fā)射信號。應用基于諧波提取的聲發(fā)射信號特性分析方法，對選取的裂紋源聲發(fā)射信號進行計算與特性分析，提取的有效裂紋源聲發(fā)射信號及其幅值譜見圖9。對比圖8(a)和圖9(a)可看出,原始聲發(fā)射信號經(jīng)特性分析后，提取的有效裂紋源聲發(fā)射信號仍然保留了原始聲發(fā)射信號模態(tài)特征。從圖8(b)和圖9(b)可看出,原始聲發(fā)射信號頻譜能量分布較寬，而提取的有效裂紋源聲發(fā)射信號頻譜能量相對集中。這說明原始聲發(fā)射信號經(jīng)特性分析后，剔除了高低頻段其他干擾成分，保留了裂紋源聲發(fā)射信號主體模態(tài)成分，裂紋源聲發(fā)射信號諧波主要集中在100 kHz～265.5 kHz頻段，這與金屬裂紋源聲發(fā)射信號主要集中在諧波頻段的觀點相吻合。進一步觀察可以看出，圖9(b)裂紋聲發(fā)射信號能量有兩個波峰。產生這一現(xiàn)象的原因在于：試驗采集到的焊接結構裂紋源聲發(fā)射信號中混有焊渣裂紋源聲發(fā)射信號，焊渣裂紋與焊接結構裂紋在形成與擴展過程中產生的聲發(fā)射信號機理相似。

4 結論

(1) 搭建了焊接過程裂紋聲發(fā)射信號測試平臺。該平臺可以模擬不同焊接工藝下產生的焊接結構變形、裂紋產生等物理過程，并同步進行多通道聲發(fā)射時域信號采集。

(2) 提出了一種基于諧波提取的聲發(fā)射信號特性分析方法，并結合焊接過程中的裂紋聲發(fā)射信號測試試驗，以鑄鐵手工焊為研究對象，分別對焊接過程摩擦激勵源、焊接電弧沖擊激勵源、焊接結構裂紋激勵源的聲發(fā)射信號進行有效提取與頻譜分析，獲取了相應激勵源的聲發(fā)射信號頻域特性。

(3) 焊接過程中，摩擦源聲發(fā)射信號諧波頻段主要分布在10 kHz～63 kHz，焊接電弧沖擊源聲發(fā)射信號諧波頻段主要分布在22.5 kHz～103.5 kHz，焊接結構裂紋源聲發(fā)射信號諧波頻段主要分布在100 kHz～265.5 kHz頻段。

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Characteristic Analysis of AE Signal in Welding Process Based on Harmonic Extraction

LI Qi, HE Kuanfang, LIU Xiangnan

(Hunan Provincial Key Laboratory of Health Maintenance for Mechanical Equipment,Hunan University of Science and Technology, Xiangtan 411201, China)

Characteristic analysis of the acoustic emission (AE) signal accompanying welding process by way of experiment is a prerequisite for realizing online detection of the welding crack. An AE signal characteristic analysis method based on harmonic extraction is proposed. Combining with an experiment on AE signals during the welding process, the valid extraction and frequency spectrum analysis are performed for AE signals collected in welding process. The AE signals frequency domain characteristics of the corresponding excitation source of friction, the welding arc shock and the welding structure crack are obtained respectively, which provide basic data and reference for realizing AE online detection of the welding crack.

welding process; AE signal; harmonic extraction; frequency spectrum analysis

2017-03-10

國家自然科學基金資助項目(51475159)；湖南省自然科學基金資助項目(2017JJ1015,2017JJ2086)

李 奇(1991-)，男，碩士研究生，研究方向為焊接過程質量監(jiān)控

何寬芳(1979-)，男，教授，主要從事機械系統(tǒng)動態(tài)監(jiān)測、焊接結構裂紋聲發(fā)射檢測相關工作,hkf791113@163.com

10.11973/wsjc201708004

TG115.28

A

1000-6656(2017)08-0016-06