专利名称：基于传声器阵列的激光焊接质量检测的方法和装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及焊接技术领域中焊接质量检测的方法和装置，具体的说，涉及激光焊 接过程中焊接质量的检测方法，尤其涉及基于传声器阵列的激光焊接质量检测的方法及装置。
背景技术：
钢铁行业作为人类社会文明的基�。匀死嘟胶途梅⒄蛊鹱挪豢扇〈淖� 用。冷轧薄带广泛应用于机械、汽车、建筑、家电、石油化工等各个行业。随着国民经济的发 展，特别是相关行业产业结构调整和产品升级换代，冷轧薄板市场消费量不断增长，显示出 其广阔的市场前景。按照发达国家统计，美国的板带比为61.9%，日本为56. 1%，多年基本 不变，而美国和日本板带生产中冷轧薄板和涂镀层薄板分别占91. 2%和81. 1%。而我国板 带比仅为41.4%，2005年生产的冷轧和涂镀层薄板(带)仅占21. 05%。众所周知，板带产 品代表高附加值、高技术产品，我国板带比低意味着我国钢铁产品还处于低档状态，生产能 力不足，需大量进口冷轧板带，由此可见我国冷扎板带生产远落后于发达国家。业内专家预 测今后5 8年内，我国钢铁行业发展重点主要是提高板、带、管的产量和质量，对设备的 要求是连续化、大型化和自动化。工业的发展，对冷轧板带生产提出了更高的要求，现在用户既要求整个板卷，又要 求板卷和板卷之间的厚度和性能均勻一致，我国许多生产企业很难满足要求，主要表现在 两个方面，一是内在质量(化学成分和机械性能)不稳定，这是因为冶炼技术不配套造成 的；二是表面质量不够好，具体表现在板形、尺寸精度及板面等存在不少问题。众所周知，冷 轧板带的性能并不是仅取决于冷轧和退火，其原料热轧钢带的性能与几何尺寸、制成无头 钢带的焊接质量、焊缝几何形状对最终成品的性能都有明显的影响。焊接质量影响冷扎带 钢产品主要表现在带钢包含严重焊接缺陷时，会在生产线上引起断带事故；在轧制过程 中会有边部减薄现象，它们也会引起焊缝内小缺陷扩展，出现轧制中的断带现象；同时生产 实践也证明热轧原料横断面和长度的厚度不均，经冷轧后这些问题只能减轻，不能消除。 冷轧原料头、尾及焊缝尺寸差大，不仅使轧制困难，也使连接处强度降低而产生断带。因此， 为了保证冷轧最终产品的质量，对冷轧原料带钢焊接提出了更高的要求。激光焊接具有输出功率大、焊接速度快，具有很强的可扩展性，被应用到冷轧薄板 的焊接生产中。但因为激光焊接过程包含着许多复杂而又相互影响的物理冶金过程，如材 料的熔化和蒸发、小孔的形成以及光致等离子体的出现等，这种激光-物质-等离子体之间 的相互作用，使得影响激光焊接质量的因素十分复杂；另一方面在被焊接工件的预加热和 装配过程中会不可避免地出现一些误差；在长时间的焊接过程中，激光器及其光学系统会 出现不稳定和污染等，这些因素都会使得激光焊接质量有偏差。因此需要建立一种对其焊 接质量进行检测的方法和装置。目前，对激光焊接质量的检测与分析重点主要集中在焊接过程中激光与材料相互 作用时的各种信号，主要有光、电、声等信号。这些信号能够反应焊接过程稳定与否及激光焊接质量优劣。其中光信号包括等离子体光辐射和熔池的红外辐射信号；电信号主要包括 等离子体振荡引起的焊接区域电场的变化；声信号包括等离子体的可听发声信号以及产生 于工件内部或光路镜片上的超声波。上述信号都不同程度的包含有焊接质量的信息。以不 同的信号为研究对象导致了各种不同的检测技术。早期的研究都是选取某一种信号作为检 测参量对焊接过程中的焊接质量进行监测。包括利用等离子体光学传感器来采集等离子体 的紫外光，利用等离子体电荷传感器检测由于等离子体带电粒子的不均勻，扩散在喷嘴和 工件之间所形成的电位差等手段来识别实际的焊接过程属于稳定深熔焊还是稳定热导焊， 诊断焊接区的激光功率是否正常，或是自动跟踪喷嘴保证喷嘴-工件高度不变。但是，上述 检测方式都存在一定的局限性。比如利用光信号来监测激光焊接过程，该方法对焊接材料 具有一定的选择性，要求所焊接的材料必须保证其焊接过程中所发出的光信号很明确，才 能够准确监测；同时，这些方法都为接触式监测方式，对传感器的安装要求比较高，不便于 现场的实际应用。目前，对激光焊接质量监测采样比较多的是激光焊接过程中的声信号。声信号的 生产与激光焊接过程中“小孔”产生有关。当激光辐射照度大于106W/cm2时，材料表面在激 光作用下熔化和蒸发，当蒸发速度足够大的时候，所产生的金属蒸汽的反冲压力足以克服 液态金属表面的张力和重力，从而排开部分液态金属，导致激光作用区处的熔化金属下凹， 形成小坑；此时，激光束直接作用在凹坑底部，从而使金属进一步熔化和汽化，高压蒸汽继 续迫使凹坑底部的液态金属排向熔池的周围，从而使小孔进一步加深。这个过程持续进行 下去，最终会在液态金属中形成一个“小孔”。当小孔中的金属蒸汽压力与液态金属的表面 张力和重力形成动态平衡后，“小孔”不再继续加深，而是形成一个具有一定深度的稳定“小 孔”，这个就是“小孔效应”。在“小孔效应”过程中，等离子体从小孔中喷射出来时的压力波 动会发出一种可听的声音。这种声信号除了与等离子体密切相关外，还与小孔和熔池的行 为密不可分，因此，声信号在一定程度上直接反映出了焊接质量的变化。对声信号的检测最 简单的方法就是利用麦克风进行探测进而转化为小孔中的等离子体压力的变化。上述方式 是目前应用最多的一种非接触式监测方式。有学者就曾采用单个传声器测量焊接过程中的 声信号，然后对声信号进行傅立叶变换，对频谱的分布特性进行研究。但是该方法的缺点是 声信号极易受到喷嘴气流和环境噪声影响，尤其是在现场焊接过程中，各种机器的噪声将 会严重声信号检测的质量和精度。而且在分析过程中，通常将保护气体喷嘴和环境噪声等 其他声源，在研究中并未区分开来，而是将他们叠加在一起作为声源考虑，影响了检测信号 的质量；同时，单个传声器的指向性不好控制，增益不高，灵敏度低，输出的信噪比不能得到 有效改善。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中利用传声器进行质量检测时的不足，提供一种 基于传声器阵列激光焊接质量检测的方法和装置，将声信号传感器阵列和盲信号分离方法 相结合，分离出“小孔”声信号，并以分离出的“小孔”声信号作为检测参量，对冷轧薄板带 的激光焊接质量进行识别，最终实现激光焊接质量的准确检测。本发明的目的通过下述技术方案予以实现一种基于传声器阵列的激光焊接质量检测的方法，按照下述步骤进行
1.通过传声器阵列，对焊接过程中的激光声信号进行采集和放大；2.对声信号先后进行零均值化、主成分分析和独立分量分析的数据处理首先将采集的混合声信号x(t) = [Xl(t)，X2(t)，-xn(t)]T,t = 1,2,…N，进行 零均值化
1 NXQi(t) =Xi(t)-—YjXi(t)，式中，i = 1,2, -,N, x0i (t)为混合声信号零均值
N t=\
后的数据其次对零均值化的混合声信号进行主成分分析和降维处理(1)求出零均值化后的数据 (0 = [x01 (t), X02 (t), -x0n(t)]T, t = 1,2, -η 的协方差矩阵Rxx(2)计算协方差矩阵Rxx的全部特征值及首先对Rxx进行特征值分解Rxx = Q Σ 2Qt, 其中Q为正交矩阵，Σ 2为对角矩阵，Rxx的全部特征值为λ” λ2，…，λ 和其对应的特征 向量Y1, Y2,…，Yn;并将特征值按照从大到小的顺序排列，即A1彡λ2彡…彡λη(3)选取 η 个特征信号 yi，y2，…yn，满足 y = [y1; y2，-yn]T = VTx式中，V=[Y1, Y2,…，Yn]，而 VtRxxV = Λ，Λ = CliagU1, λ 2，...，λη}。
m(4)定义第i个主分量71的“方差贡献率”为Λ/ΣΛ，前m个主分量y1; y2,…ym
i = \
πιη
的“累积方差贡献率”为Σ為iYA
i=l i i=l如果前m个主分量的累积方差率大于75%，即取前m个主分量作为特征信号，舍弃 余下的(n-m)个信号最后进行独立分量分析，步骤如下(1)将经过降维处理后的数据记为Y(t) = [yi(t)，y2(t)，(2)根据信号Y(t)选取随机权向量W的初始值；使得变换后输出的s(t)满足s(t) =WY(t)，其中s(t)为信号源的原始信号(3)进行随机权向量W的迭代计算，对随机权向量进行 调整，使对应的投影WtY(t)的非高斯性达到极大化，迭代公式为
W1(P) — E{x{t)C^(JV17(p)x(0)j-e{g"(WtT(p)x(t))}wi(ρ)，其中 ρ 为迭代次
数，G'和G"分别为非线性函数G的一阶导数和二阶导数，E是求取期望的运算(4)通过迭代计算，当相邻两次的Wi (ρ)差的绝对值小于或者等于10_5时，则停止 迭代，从而得到随机权向量W的最终值，再将这一随机权向量W带入S (t) =V Y(t)中，得 到独立信号源的近似信号s (t)。在经过零均值化、主成分分析和独立分量分析的数据处理之后，可对获得的独立 信号源的近似信号s (t)进行频谱分析，其中频域公式为
/ +CO.S(a) = Γ x(t)e-]mdt，其中，ω = 2Jif, ω为角频率，f为声信号的频率，单位为Hz，
J — co
x(t)为经过数据处理之后的独立信号源的近似信号s (t)，S(CO)为声信号的频谱。本发明的另一目的在于提供一套用于激光焊接质量检测的装置，包括声信号采集 系统和声信号分析系统，其中所述声信号采集系统包括传声器、采集卡和工控机，所述传声器呈阵列排布，对焊接过程中的激光声信号进行采集和放大；所述采集卡和工控机用于接 收和存储传声器传来的声信号；所述声信号分析系统，包括零均值化�？�、主成分分析�？� 和独立分量分析�？椋渲兴隽憔的？榻杉幕旌仙藕舩(t) = [X1 (t)，X2 (t),…、(^]1，t = 1， 2，…N，进行零均值化
权利要求
1.一种基于传声器阵列的激光焊接质量检测的方法，其特征在于，按照下述步骤进行(1)通过传声器阵列，对焊接过程中的激光声信号进行采集和放大；(2)对声信号先后进行零均值化、主成分分析和独立分量分析的数据处理首先将采集的混合声信号x(t) = [Xl(t)，&(t)，夂1(0]\{= 1，2，…N，进行零均 值化
2.根据权利要求1所述的一种基于传声器阵列的激光焊接质量检测的方法，其特征在 于，在经过零均值化、主成分分析和独立分量分析的数据处理之后，对获得的独立信号源的 近似信号s (t)进行频谱分析，其中频域公式为
3.一种用于激光焊接质量检测的装置，包括声信号采集系统和声信号分析系统，其中 所述声信号采集系统包括传声器、采集卡和工控机，其特征在于，所述传声器呈阵列排布， 对焊接过程中的激光声信号进行采集和放大；所述采集卡和工控机用于接收和存储传声器 传来的声信号；所述声信号分析系统，包括零均值化模块、主成分分析�？楹投懒⒎至糠治� �？椋渲兴隽憔的？榻杉幕旌仙藕舩(t) = [Xl(t)，&(t)，= 1，2，… N，进行零均值化
4.根据权利要求3所述的一种用于激光焊接质量检测的装置，其特征在于，所述传声器沿着焊缝方向等间距分布呈阵列。
5.根据权利要求3所述的一种用于激光焊接质量检测的装置，其特征在于，所述传声 器数量为8个。
6.根据权利要求3所述的一种用于激光焊接质量检测的装置，其特征在于，所述传声 器阵列中，相邻两个传声器中心点的间距为10mm，传声器阵列与焊缝的水平距离为90mm， 垂直高度为115mm。
7.根据权利要求3-6之一所述的一种用于激光焊接质量检测的装置，其特征在于，所 述声信号分析系统还包括频域�？椋涠曰竦玫亩懒⑿藕旁吹慕菩藕舠 (t)进行频谱分 析，以得到声信号的频谱，其中频域公式为
全文摘要
本发明公开了一种基于传声器阵列激光焊接质量检测的方法和装置，以激光焊接过程中的声信号作为检测参量，采用多路同步的传声器阵列，实现激光焊接质量的非接触、在线检测。实现该方法的检测系统由传声器阵列、调理电路和计算机分析与盲信号处理算法构成。该方法采用盲信号分离模型，根据选定的优化准则，找出合适的对比函数，通过优化准则搜索对比函数的极值点，从而达到对激光焊接过程中声信号的分离，减少检测装置各个回路之间的信号串扰，提高了装置的准确性和可靠性。
文档编号G01N29/04GK102141543SQ201010609558
公开日2011年8月3日 申请日期2010年12月28日 优先权日2010年12月28日
发明者宋宏伟, 敖三三, 玄文博, 王皓, 罗震 申请人:天津大学
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