孫 謙，黃瑞生，李小宇，王旭友，李俐群，梁曉梅

1. 哈爾濱焊接研究院有限公司，黑龍江 哈爾濱 150028 2. 哈爾濱工業(yè)大學(xué)，黑龍江 哈爾濱 150001

引 言

在文獻(xiàn)[1]中通過光譜透視、紅外顯微成像、光電傳感、空間定位提取等復(fù)合處理方法，實(shí)現(xiàn)了對(duì)匙孔內(nèi)熔透特征熒光信號(hào)的有效增強(qiáng)和精準(zhǔn)提取。 但是，激光焊接是一個(gè)復(fù)雜、劇烈的動(dòng)態(tài)熱反應(yīng)過程，熔透特征會(huì)時(shí)刻伴隨焊接狀態(tài)產(chǎn)生急劇變化，因此檢測數(shù)據(jù)中也耦合了眾多混合干擾信號(hào)，并存在著復(fù)雜的時(shí)域及頻域變化，數(shù)據(jù)波動(dòng)極為劇烈[2-4]，常規(guī)信號(hào)分析方法依然難以對(duì)激光焊接熔透特征信息進(jìn)行有效把握。

雖然大功率固體激光焊接時(shí)光感信號(hào)具有明顯的混沌信號(hào)特征，但是在一定焊接條件不變的情況下，焊接的熱反應(yīng)本質(zhì)是沒有改變的，因此對(duì)該條件下的一定數(shù)量檢測信號(hào)在其整體分布趨勢(shì)上會(huì)趨于一致，而且所收集的信號(hào)數(shù)量越多分布特征越明顯，決定這一特征的主要因素不在于檢測信號(hào)隨時(shí)域及頻域的變化過程，而取決于實(shí)際焊接條件[5-6]。 基于此原理，文章首先從數(shù)據(jù)處理研究方面，創(chuàng)新性地提出一種混沌信號(hào)解析方法。 基于統(tǒng)計(jì)方法，將復(fù)雜的混沌檢測信號(hào)簡化成具有趨勢(shì)性特征的圖形識(shí)別模式，挖掘圖形的形貌特征與熔透行為關(guān)聯(lián)，獲得對(duì)焊接復(fù)合影響機(jī)制的宏觀認(rèn)知，實(shí)現(xiàn)對(duì)模型抽象化特征的簡化分離。 再將混沌信號(hào)解析方法與激光焊接熔透特征信號(hào)同軸增效提取技術(shù)有機(jī)相結(jié)合，創(chuàng)新出了大功率固體激光焊熔透狀態(tài)多維復(fù)合識(shí)別新方法。 促生了光譜透視、紅外顯微成像、光電傳感、混沌信號(hào)圖形化解析、形貌特征復(fù)合識(shí)別的多方法復(fù)合應(yīng)用，通過多角度光譜及光學(xué)處理和數(shù)據(jù)模型多特征復(fù)合識(shí)別的多維復(fù)合應(yīng)用，使檢測效果相互增強(qiáng)、相互補(bǔ)充，尋求一種有效增強(qiáng)激光焊接熔透狀態(tài)識(shí)別能力的可靠途徑。

1 實(shí)驗(yàn)裝置

試驗(yàn)主要裝置包括6kW德國IPG YLS-6000型大功率固體激光焊器、德國HIGHYAG BIMO DF型雙焦點(diǎn)激光焊接頭、行走式焊接工作臺(tái)、自制激光焊接熔透檢測裝置、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)。 激光焊接頭及熔透檢測裝置實(shí)物圖如圖1所示。

圖1 激光焊接頭及熔透檢測裝置

2 混沌信號(hào)解析

2.1 等效圖形轉(zhuǎn)化

通過熔透特征信號(hào)同軸增效提取技術(shù)獲得的光感檢測信號(hào)如圖2(a)所示，其在空間分布上是一個(gè)有規(guī)律的點(diǎn)陣，不同檢測信號(hào)強(qiáng)度區(qū)域內(nèi)所獲得的檢測信號(hào)點(diǎn)的數(shù)量存在明顯差異。 為了獲取信號(hào)分布的更直觀特征，根據(jù)這些信號(hào)在空間分布的相對(duì)密度，通過數(shù)學(xué)統(tǒng)計(jì)方法，利用C++軟件對(duì)所有單位強(qiáng)度區(qū)間內(nèi)信號(hào)進(jìn)行密度統(tǒng)計(jì)，提取出信號(hào)整體分布情況數(shù)據(jù)，并擬合出概率密度分布函數(shù)及其特征曲線模型，轉(zhuǎn)化后的概率密度特征模型如圖2(b)所示，由此可將十分復(fù)雜的光學(xué)檢測信號(hào)通過統(tǒng)計(jì)學(xué)等效圖形方式轉(zhuǎn)化成具有明顯趨勢(shì)性特征信息的簡單模型。

圖2 特征模型轉(zhuǎn)化原理圖

2.2 形貌特征與熔透行為關(guān)聯(lián)

為了找到與激光焊接熔透狀態(tài)直接相關(guān)的模型特征變化，采用2 500 W激光功率，2 m·min-1焊接速度，0 mm離焦量等參數(shù)的相同焊接條件下，分別對(duì)2和4 mm厚鈦合金試板進(jìn)行了激光熔透實(shí)驗(yàn)，在2 mm厚鈦合金試板上獲得了適度熔透焊縫，在4 mm厚鈦合金試板上獲得了非熔透焊縫，實(shí)驗(yàn)同時(shí)通過熔透特征信號(hào)同軸增效提取技術(shù)獲得了二者的熔透輻射特征信號(hào)，如圖3所示。

圖3 熔透輻射特征信號(hào)及特征模型

然后通過數(shù)學(xué)概率密度分析手段，分別獲得了二者特征模型，適度熔透焊縫的特征模型如圖3(a)所示，非熔透焊縫的特征模型如圖3b所示。 通過對(duì)比觀察圖3中適度熔透焊縫與非熔透焊縫的輻射特征信號(hào)可以發(fā)現(xiàn)，不同焊接熔透狀態(tài)時(shí)光感檢測信號(hào)的分布情況是存在一定差異的，而且這些差異可以通過適度熔透與非熔透焊縫特征模型的一些形貌特征上找到明顯區(qū)別，即特征參數(shù)[7]。

特征參數(shù)1：

特征模型的重心線位置，即信號(hào)空間分布的最密集區(qū)域，在這里可以找到光感檢測信號(hào)中最集中出現(xiàn)的信號(hào)強(qiáng)度數(shù)值。 由于此數(shù)值附近出現(xiàn)的信號(hào)頻率最多，概率最大，作用最集中，而從文獻(xiàn)[1]中可知激光焊接熔透狀態(tài)與熔透特征區(qū)域輻射行為存在規(guī)律性變化特征，因此可視為與焊接熔透關(guān)聯(lián)的一項(xiàng)準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)平衡參數(shù)，定義其為基值。 在光感檢測信號(hào)特征模型中，可以從曲線的頂點(diǎn)位置對(duì)應(yīng)找到基值的強(qiáng)度數(shù)值，如圖4中所示，基值的表達(dá)式為

α=φ-1(χmax)

(1)

式中：α為基值；φ為光感檢測信號(hào)概率密度分布函數(shù)；χmax為光感檢測信號(hào)概率密度分布中的最大值(%)。

特征參數(shù)2：

特征模型的離散度，即對(duì)所有統(tǒng)計(jì)分析信號(hào)加權(quán)后的統(tǒng)計(jì)值，可以反映出信號(hào)的整體分布集中情況。 因?yàn)槌嘶狄酝?，其他區(qū)域內(nèi)的點(diǎn)也同樣會(huì)對(duì)信號(hào)分布趨勢(shì)產(chǎn)生作用，只是它們的影響效果會(huì)受到這些點(diǎn)出現(xiàn)的位置及分布概率的直接影響。 出現(xiàn)位置與基值距離越遠(yuǎn)，且分布概率越大，對(duì)基值效果下產(chǎn)生的波動(dòng)也就越大。 在非熔透光感檢測信號(hào)中由于匙孔底部未形成缺口，熔透特征區(qū)域信相對(duì)穩(wěn)定，其光感檢測信號(hào)的大概率變化幅值(設(shè)定為98%信號(hào)的集中分布區(qū)間)相對(duì)較小。 而適度熔透時(shí)由于激光非連續(xù)性穿透工件，在匙孔底部形成缺口，熔透特征區(qū)域低輻射信號(hào)呈周期性的閃動(dòng)出現(xiàn)[1]，因此光感檢測信號(hào)大概率變化幅值相對(duì)變大。 離散度可根據(jù)實(shí)際信號(hào)的概率密度分布模型的積分值求得。 如圖4中所示，離散度的表達(dá)式為

(2)

式中：β為離散度；C為比例調(diào)節(jié)常數(shù)；κ為檢測信號(hào)范圍內(nèi)的任一點(diǎn)信號(hào)強(qiáng)度值；φ(κ)為κ點(diǎn)對(duì)應(yīng)的概率密度值；D(κ)為κ點(diǎn)與基值的距離； min和max為κ的取值范圍。

圖4 參數(shù)說明圖

特征參數(shù)3：

畸變率特征參數(shù)，即描述特征模型沿重心線左右兩側(cè)曲線對(duì)稱情況，對(duì)于離散度產(chǎn)生的單向畸變偏移有較好的識(shí)別效果。 在非熔透焊接情況下匙孔底部信號(hào)會(huì)隨匙孔自身波動(dòng)在一定幅值范圍內(nèi)變化，但如果焊縫熔透以后，熔透特征區(qū)域的信號(hào)會(huì)隨著匙孔底部缺口的形成而陡然降低，再隨著缺口的閉合重新上漲，匙孔底部開口的停留時(shí)間以及產(chǎn)生頻率決定了光感檢測信號(hào)特征模型的畸變方向及幅值，比如在焊縫剛?cè)弁笗r(shí)匙孔底部產(chǎn)生的缺口停留時(shí)間較短，頻率也較低，對(duì)于特征模型重心的左向偏離效果也較小，而隨著熔透幅度的加大缺口停留時(shí)間增加左向偏離效果也更加明顯，擔(dān)當(dāng)匙孔底部缺口停留時(shí)間與閉合時(shí)間逐漸接近時(shí)偏移產(chǎn)生雙向波動(dòng)，直至缺口停留時(shí)間超過閉合時(shí)間偏離方向轉(zhuǎn)為右向，當(dāng)缺口形成“常開”模式后，偏移幅值降至最低，由此可實(shí)現(xiàn)對(duì)焊縫熔透程度的有效識(shí)別。 為了減小運(yùn)算量，畸變率可近似選取特征模型半波位置的左右對(duì)比值，具體從曲線的頂點(diǎn)1/2位置對(duì)應(yīng)找到半波寬起點(diǎn)和終點(diǎn)的數(shù)值，如圖4中所示，畸變率的表達(dá)式為

(3)

κ1,κ2=φ-1(1/2χmax)

(4)

κ2>κ1>0

(5)

式中：δ為畸變率。

2.3 混沌信號(hào)動(dòng)態(tài)分析

在上述瞬態(tài)分析的基礎(chǔ)上，從動(dòng)態(tài)角度可將復(fù)雜的熔透輻射特征信號(hào)按采樣時(shí)間順序分解成一系列描述微小時(shí)間段內(nèi)信號(hào)密度特征的圖形化模型，然后再通過數(shù)學(xué)解析方法獲得每個(gè)模型的熔透特征參數(shù)，最后順次連接可獲得激光焊接熔透行為檢測曲線，從而在不遺漏任何檢測點(diǎn)信息的情況下大幅簡化分析難度實(shí)現(xiàn)對(duì)焊接熔透信息的有效識(shí)別[8-9]，動(dòng)態(tài)分析原理示意圖見圖5。

圖5 混沌信號(hào)動(dòng)態(tài)解析方法原理圖

3 熔透狀態(tài)復(fù)合識(shí)別

為了研究基值α、離散度β及畸變率δ對(duì)未熔透、熔透、過熔透幾種激光焊接熔透狀態(tài)的識(shí)別效果，采用1 300—1 900—2 500 W階梯式激光輸出形式，以2 m·min-1焊接速度，0 mm離焦量焊接條件下，在1.5 mm厚鈦合金試板上獲得了一條從未熔透、熔透、到過熔透變化的焊縫。 試驗(yàn)檢測信號(hào)由熔透特征信號(hào)同軸增效提取技術(shù)獲得，采樣頻率5 000 Hz，通過C++軟件完成了等效圖形轉(zhuǎn)化、特征參數(shù)提取、混沌信號(hào)動(dòng)態(tài)分析等數(shù)據(jù)處理后，獲得的基值α、離散度β及畸變率δ的特征曲線如圖6所示。

圖6 激光焊接熔透檢測數(shù)據(jù)分析

對(duì)比觀察激光功率輸出與基值α特征曲線的變化趨勢(shì)可知，當(dāng)AB段激光功率輸出1 300 W時(shí)，焊縫為未熔透狀態(tài)，此時(shí)基值α處于較大數(shù)值區(qū)域且波動(dòng)幅度較小，當(dāng)BC段激光功率提高至1 900 W時(shí)，焊縫由未熔透狀態(tài)變化到了熔透狀態(tài)，此時(shí)基值α先是有一小段爬升過程，然后轉(zhuǎn)而向下，同時(shí)波動(dòng)幅度大幅增加，當(dāng)CD段激光功率升至2 500 W時(shí)，產(chǎn)生了過熔透焊縫，此時(shí)基值α數(shù)值繼續(xù)大幅減小，但波動(dòng)幅度明顯收窄。 由此可見在焊縫未熔透時(shí)，基值α特征曲線會(huì)隨激光功率的增加而變大，但當(dāng)焊縫熔透以后，基值α?xí)S熔透程度的加大而反向減小。 該項(xiàng)特征參數(shù)在焊縫熔透程度較大時(shí)具有明顯的識(shí)別效果，但是在焊縫熔透程度較小時(shí)，由于在該區(qū)域下波動(dòng)幅值較大，因此會(huì)產(chǎn)生部分“誤判”，如圖6中虛線標(biāo)注部分。

與基值α相比離散度β特征曲線的變化規(guī)律具有較大差異，在AB段未熔透時(shí)離散度β的數(shù)值和波動(dòng)幅值都較小，當(dāng)BC段焊縫熔透時(shí)，數(shù)值和波動(dòng)幅值同步明顯加大，而在CD段焊縫過熔透以后，數(shù)值和波動(dòng)幅值又同時(shí)大幅下降。 這是由于焊縫熔透程度較小時(shí)在熔透特征區(qū)域中產(chǎn)生了低頻低輻射信號(hào)，低輻射信號(hào)與高輻射信號(hào)的“共存”導(dǎo)致了檢測信號(hào)大概率變化幅值的相對(duì)變大，引起了離散度β的上升，但當(dāng)熔透程度過大時(shí)，激光匙孔底部呈“常開”狀態(tài)，低輻射信號(hào)幾乎完全取代了高輻射信號(hào)，檢測信號(hào)大概率變化幅值反而下降，導(dǎo)致了離散度β的下降。 因此，離散度β特征曲線只對(duì)焊縫熔透程度較小時(shí)具有明顯的識(shí)別效果，可以作為對(duì)基值α的有效補(bǔ)充。

畸變率δ是一個(gè)較特殊的特征參數(shù)，由于在焊縫熔透程度較小時(shí)畸變率δ可以較好的反映出由于低頻低輻射信號(hào)對(duì)特征模型產(chǎn)生的左向畸變偏移(畸變率δ>1)，而在焊縫熔透程度較大時(shí)可以識(shí)別對(duì)高輻射信號(hào)對(duì)特征模型產(chǎn)生右向畸變偏移(畸變率δ<1)，同時(shí)其規(guī)律性特征還能夠?qū)附尤弁概c焊接波動(dòng)對(duì)檢測結(jié)果的影響進(jìn)行一定的輔助區(qū)分。 所以其對(duì)于基值α和離散度β的“檢測盲區(qū)”都是一個(gè)較好補(bǔ)充，但是在適度熔透狀態(tài)附近時(shí)由于低輻射信號(hào)與高輻射信號(hào)的劇烈切換，使得畸變率δ數(shù)值產(chǎn)生劇烈波動(dòng)。 因此，基值α、離散度β及畸變率δ特征參數(shù)間具有相互補(bǔ)充、相互驗(yàn)證關(guān)系，通過它們的特征曲線進(jìn)行復(fù)合識(shí)別可以對(duì)激光焊接熔透狀態(tài)實(shí)現(xiàn)較好的定性及定量檢測[10]。

4 試驗(yàn)驗(yàn)證及結(jié)果分析

4.1 熔透驗(yàn)證試驗(yàn)設(shè)計(jì)

為了驗(yàn)證在相同焊接條件下能否對(duì)熔透與非熔透特征交替存在的焊縫進(jìn)行有效識(shí)別，試驗(yàn)選取300 mm×150 mm×4 mm鈦合金試板，焊前先將鈦板背面機(jī)加出2個(gè)矩形凹槽，凹槽最深位置距試板上表面厚度為1.5 mm，試板實(shí)物及熔透鑒定點(diǎn)位置如圖7所示。 焊接工藝類型為鈦合金不等厚試板激光表面堆焊，焊接速度2 m·min-1，保護(hù)氣成分工業(yè)高純Ar，信號(hào)采樣頻率5 000 Hz，分別在激光功率2 400，2 300和2 200 W焊接3條、2條、3條焊縫，共計(jì)8條焊縫，每條焊縫上10個(gè)鑒定點(diǎn)，共計(jì)80個(gè)鑒定點(diǎn)。 焊接結(jié)束后可依據(jù)鑒定點(diǎn)位置的實(shí)際熔透情況，判定熔透檢測的準(zhǔn)確率。

4.2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

通過已設(shè)定的80個(gè)鑒定點(diǎn)，對(duì)熔透檢測可靠性進(jìn)行了對(duì)比驗(yàn)證，如表1所示。 檢測結(jié)果與實(shí)際焊縫熔透狀態(tài)全部相一致，證明該熔透檢測方法對(duì)鈦合金激光焊接熔透行為具有較好的識(shí)別能力。 而從對(duì)每條焊縫熔透檢測特征曲線的驗(yàn)證效果上分析(如圖8中對(duì)試驗(yàn)F15的檢測結(jié)果)，基值α特征曲線對(duì)于焊縫的熔透狀態(tài)具有較好的趨勢(shì)性識(shí)別能力，而離散度β可實(shí)現(xiàn)對(duì)基值α的有效復(fù)合驗(yàn)證，畸變率δ可對(duì)基值α與離散度β的測試結(jié)果進(jìn)行佐證分析，同時(shí)提供焊縫在較小程度熔透時(shí)和過熔透時(shí)的識(shí)別信息。 由此有效提高了對(duì)于大功率固體激光焊的熔透檢測能力。

圖7 試板實(shí)物及熔透鑒定點(diǎn)位置

表1 鑒定點(diǎn)數(shù)據(jù)

圖8 試驗(yàn)F15軟件分析結(jié)果及試板驗(yàn)證

5 結(jié) 論

(1)將復(fù)雜的混沌信號(hào)簡化成具有趨勢(shì)性特征的圖形識(shí)別模式，并挖掘圖形的形貌特征與熔透行為關(guān)聯(lián)，可獲得對(duì)焊接復(fù)合影響機(jī)制的一種宏觀認(rèn)知，并有利于實(shí)現(xiàn)對(duì)抽象化特征的簡化分離。

(2)將混沌信號(hào)解析方法與熔透特征信號(hào)同軸增效提取技術(shù)相結(jié)合，促生了光學(xué)譜段管控、匙孔影像特征萃取、混沌信號(hào)圖形化解析、形貌特征復(fù)合識(shí)別的多方法復(fù)合應(yīng)用，通過多維復(fù)合識(shí)別的相互增強(qiáng)、相互補(bǔ)充，可有效增強(qiáng)對(duì)大功率固體激光焊接熔透狀態(tài)的識(shí)別能力。