基于电弧能量信号时频特征的多电弧高速埋弧焊质量监控方法研究

针对多电弧埋弧焊工艺在高速焊下易出现咬边、驼峰等缺陷的问题，本项目提出基于电弧能量信号时频特征的多电弧高速埋弧焊质量监控方法，具体进行以下三个方面的研究：(1)采用理论分析、数值模拟和试验验证相结合，从电弧能量信号焊接电流、电压和焊接速度出发，深入分析各参数变化过程中多电弧热传导作用机制，对各参数变化条件下的多电弧高速埋弧焊过程电弧热传输特性、熔池成形动态行为和焊缝成形机理进行研究；(2)利用现代信号分析方法对电弧能量信号进行分析，提取能够表征高速焊下多电弧埋弧焊电弧稳定性和焊接质量的时频特征量，建立电弧能量的参数化模型，发展电弧信号分析技术；(3)应用先进模式识别方法建立电弧能量参数与焊缝成形质量的映射模型，并综合应用粒子群等多种优化智能算法，提出和发展多电弧高速埋弧焊工艺优化设计理论和方法，旨在探索焊接质量监控的新途径，为多电弧埋弧焊技术在高速焊场合的推广与应用提供理论和技术支持。

项目针对多电弧埋弧焊工艺在高速焊下易出现咬边、驼峰等缺陷的问题，以应用最为广泛的双电弧高速埋弧焊为对象，在双电弧高速埋弧焊焊缝成形机理、焊接过程质量检测与控制及工艺优化方面取得了重要进展。(1)建立了双电弧串列埋弧焊热传输三维瞬态数值分析模型，对双电弧高速埋弧焊熔池热场、熔池三维形态进行了数值计算，总结了双电弧埋弧焊电弧能量参数发生变化时焊接温度场、熔池成形规律，并结合焊接工艺实验，分析了双电弧焊接参数对焊缝成形的影响规律，为双电弧高速埋弧焊过程质量监控及工艺优化提供依据及基础数据。(2)应用小波软阈值消噪方法，对电弧能量信号(电流、电压)进行消噪处理，有效消除了噪声成分，保证信号不失真；研究了交流方波埋弧焊的稳定性和混沌动力学特征量-最大Lyapunov指数之间的关系，证明了最大Lyapunov指数可以用来定量表征交流方波埋弧焊系统的稳定性，同时也验证了焊接电流信号作为非线性时间序列蕴含了丰富的焊接物理信息；将小波、EMD和LMD三种时频分析方法应用于埋弧焊电弧能量信号特征提取，提出了反映焊接电弧稳定性和质量的电弧能量信号特征提取方法，同时结合信息熵理论，提出了基于电弧能量信号时频熵的焊接质量定量评估方法，对焊接过程电弧稳定性、焊接质量检测和焊接工艺参数合理选择进行了研究。(3)提出了一种基于PF分量能量熵和SVM的焊接质量检测方法，利用LMD 对电弧能量信号进行分解，并对每一个PF分量进行能量熵计算，构建电弧能量特征向量，并以此作为支持向量机分类器的输入来评价焊接规范是否合理和识别焊接电弧的稳定性和焊缝成形质量。(4)利用LMD、能谱熵、BP神经网络、粒子群优化算法，提出了基于电弧能量特征的双丝高速焊工艺混合智能优化模型，该模型综合运用LMD和能谱熵挖掘反映焊接工艺搭配合理性和焊接质量的电弧特征信息，利用BP神经网络技术，构建焊接主导工艺参数与电弧能量特征的非线性映射关系，并以能谱熵最小为目标，采用粒子群智能优化算法进行全局优化求解，自动获取焊接工艺优化参数，为利用优化数学手段进行工艺参数自动、精确的优化选择提供了技术。项目发表、录用高水平学术论文9篇次，获得授权专利3项，培养硕士研究生5名；获湘潭市自然科学优秀学术论文一等奖1项。

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