铝合金脉冲VPPA焊接电信号的小波分析

春 兰，韩永全，郭 静，陈芙蓉

（1.内蒙古工业大学工程训练中心，内蒙古 呼和浩特 010051；2.内蒙古工业大学材料科学与工程学院，内蒙古 呼和浩特 010051）

铝合金脉冲VPPA焊接电信号的小波分析

春 兰1，韩永全2，郭 静2，陈芙蓉2

（1.内蒙古工业大学工程训练中心，内蒙古 呼和浩特 010051；2.内蒙古工业大学材料科学与工程学院，内蒙古 呼和浩特 010051）

焊接过程中采集到的焊接电信号中存在许多噪声，为了抑制噪声，提高信噪比，以LabVIEW作为开发平台，采用LabVIEW小波滤波方法对所建立的脉冲VPPA焊接系统焊接电信号进行了滤波；并与经典巴特沃兹滤波器滤波结果进行比较。结果显示，小波分析在信号高频、突变处有明显的优点，保留了原信号的信息，降低了信号失真。分析电弧功率谱发现，小波分析在有效抑制了谐波的同时保留了焊接电流中加入的高频脉冲部分，实现了焊接电信号的还原。

LabVIEW；小波分析；脉冲VPPA

0 前言

变极性等离子弧（Variable Polarity Plasma Arc Welding，VPPAW）穿孔焊工艺是铝合金中厚板最为理想的焊接工艺，在火箭筒体、铝合金贮箱、宇宙飞船铝合金壳体的焊接中得到了广泛的应用。在厚板铝合金VPPA焊接电源中叠加低频脉冲和高频脉冲会使该焊接工艺优势得到进一步的发挥。而在焊接电源中加入高、低频脉冲后，焊接电信号即电弧电压、焊接电流的变化速度增加，随之干扰信号带来的影响也增加。电弧电压、焊接电流信号通常通过传感器来获取，在传感器检测过程中存在许多随机干扰信号，检测到的信号能否真实反映焊接信号，是控制和焊接过程稳定以及保证焊接质量的前提。

焊接信号和噪声混杂在一起，常用的滤波方法所得到的信号失真严重，失去了原信号所携带的信息，从而影响了信号的分析与处理。小波滤波能较好地解决了该问题，小波分析作为一种新的数学工具，目前在信号处理、语音图像分析、数据压缩等众多方面有显著发展，在焊接领域也得到了广泛的应用，如采用小波分析来完成滤波去噪、焊缝边缘检测、缺陷检测和焊接信号提取等[1]。

因此，有效抑制焊接过程中干扰信号、滤除混杂的噪声、还原焊接电信号的工作显得尤为重要。

本研究用labVIEW的小波滤波，对脉冲VPPA焊接电信号进行了滤波，并比较小波滤波与巴特沃兹（Butterworth）滤波器的滤波结果，同时进行了电弧功率功率谱的分析。

1 小波分析原理

小波变换（Wavelet Transform）是一种窗口大小不变、形状可变，即时间窗和频率窗都可改变的时频局部化分析方法。小波变换在高频部分具有较高的时间分辨率和较低的频率分辨率，使它具有对信号的自适应性，因而越来越广泛地被应用于工程实际中[2]。

设信号f（t）是平方可积函数，即f（t）∈L2（砸），Wf（a，b）≤f（t）

小波变换在时域及频域中的分辨率可随频率变化而变化，其特性如图1所示[3]。随a增大，时宽变大，频宽变小，这对应着局部特性弱，整体性强；随a减小，时宽减小，频宽增大，这对应着局部特性加强，整体特性减弱。这就可能实现窗口大小的自适应变化。因此，小波自动适应信号的不同部分，用小窗口观察信号高频部分，用大窗口观察低频部分，有利于提高时域和频域分辨率。

小波滤波首先对其带噪声的原始信号进行尺度变换，然后在各尺度下尽可能提取出信号的小波系数同时去除噪声信号的小波系数[4]，最后通过小波变换重构信号以达到滤波的目的。小波滤波方法中应用最为广泛的方法为阈值法[5]，该方法具有计算速度快、对原始信号进行近似最优估计、适应性强等特点。

本研究应用了LabVIEW提供的信号处理包，选择所使用的小波函数、阈值估计算法、阈值处理方式和分解层数等，最后将滤波后的数据保存在二进制文件中，以便后续的分析使用。

2 脉冲VPPA焊接电信号分析系统

建立了脉冲VPPA焊接系统，原理框图如图2所示。系统主要由硬件部分和软件部分组成。

2.1 硬件部分的设计与实现

脉冲VPPA焊接系统由焊接电源、数据采集卡、电压电流霍尔传感器、计算机组成。脉冲VPPA焊接电源控制核心为80C196KC单片机，该单片机控制的变极性单元可独立调节正、反极性电流幅值和时间，电源正、反极性最大输出电流可达400 A，正极性时间调节为1～999 ms，反极性时间调节为1～99ms，在焊接过程可精确控制离子气流量和焊接速度。该控制系统能在典型VPPA脉冲基础上输出高频脉冲，高频脉冲频率1～2kHz；也能输出低频脉冲，低频脉冲频率1～2 Hz；也能输出高低频混合脉冲。

系统采用的数据采集卡为NI USB-6361，该模块支持16路模拟输入通道输入，2 MS/s（单通道），1 MS/s（多通道），信号输入范围-10～+10 V；2路模拟输出，2.86 MS/s，输入输出分辨率均为16位。具有24条数字I/O线（其中8条为10MHz硬件定时线），4路32位计时器/定时器，针对PWM、编码器、频率、事件计数等。系统采样频率300 kHz。

2.2 数据采集及软件模块的实现

软件部分采用虚拟软件LabVIEW11.0的编程实现，其中数据采集部分对试验参数进行记录，并存储采集的数据；数据分析部分将对其进行滤波、频域分析及功率谱分析。主要对硬件部分所输出的电信号进行实时采集、信号的转换和存储，并对信号进行分析处理。系统数据采集程序如图3所示。

3 焊接电信号的小波分析

本研究对于同一个焊接电流信号采用不同的滤波方法进行了滤波，并比较结果。

首先在LabVIEW软件环境下建立了具有巴特沃兹滤波器的滤波模块。该滤波器需要设置采样频率fs、高截止频率fh和低截止频率fl等参数，随着设定参数的不同，滤波后得到的波形也不同。其中采样频率的设置较为关键，若采样频率过高，信号失真严重；采样频率过低，采集不到信号，图4为设置采样频率分别为50Hz和500Hz时滤波后电弧电压和电流的波形。焊接电流参数为在典型VPPA基础上加入1 kHz的高频脉冲，正极性平均电流150 A，反极性平均电流190 A。

由图4可知，随着巴特兹沃滤波器采样频率的增加，滤波输出的焊接电流严重失真。当fs=50 Hz时滤波效果较好，保留了原信号的基本形状，但出现了信号滞后现象，且采样频率越高滞后现象越严重。滤波后波形在信号突变处，如原始电流在t=0.01985s处，电流值为145.173A，而滤波后的值为168.079A，使信号变得“模糊”，突变信号经过滤波后变得光滑，失去了一些原信号所携带的信息。

由于小波滤波具有自适应时—频域局部化的功能，能够有效区分信号的低频有用信息和高频无用噪声，可以达到消除噪声的作用。实际工程中信号大部分是离散形式的时域信号，所以本研究选用了离散小波变换，采用软阈值方法，小波函数为db04，分解层数为4，程序框图如图5所示。采用所设定好的小波，对焊接电流进行滤波后所得到的波形如图6所示。焊接电流的参数同上。

由图6可知，小波滤波后信号没有出现滞后现象。与图4相比较，在电流信号突变处，即t=0.019 85 s处，滤波后电流值为139.701 A，小波滤波仍然保留了原信号的信息，而并没有直接光滑的过渡。

通过滤波后的信号可以发现两种滤波器滤波结果有所区别，但不能好地揭露信号特征上的一些信息，因此需要在频域范围内做进一步的研究。焊接过程是个热过程，具有较大的惯性，影响焊接质量的焊接条件或状态变化往往要持续一段时间，因而会较多反应在信号统计特征的变化上[4]。功率谱是一种常用的信号统计分析方法。比较功率谱的过程中发现，两种滤波器滤波后信号功率谱区别较明显的是电弧功率功率谱，因此对所滤波信号进行了电弧功率的功率谱分析，分析结果如图7所示。

从图7a可以得出巴特沃兹滤波器滤波后电弧功率功率谱谐波组成如表1所示。同理，小波滤波后电弧功率功率谱谐波组成如表2所示。

比较表1、表2可知，巴特沃兹滤波后基波功率比小波分析降低了1 468.24 W，而功率谱3、4、5、6次谐波都比小波滤波谐波高。在加入的高频脉冲1 kHz频率处，巴特沃兹功率谱为3 102.72 W，而小波功率谱为6 264.08 W。因此，可以看出小波滤波后有效抑制了原始信号所携带的谐波，而且保留了原始信号中包含的高频脉冲。

4 结论

（1）建立了脉冲VPPA焊接系统，包括硬件部分与软件部分的设计。硬件部分将对信号进行采集，并通过数据采集卡对信号进行A/D转换，将信号传送给计算机；软件部分通过lab VIEW虚拟软件平台，对采集到的信号进行了存储和分析。

（2）对焊接电信号的滤波分析发现，小波滤波与巴特沃兹滤波器相比较在信号突变处有明显的优点，保留了原信号的突变信息。

（3）对其焊接信号进行了小波分析，从电弧功率谱分析发现，小波分析有效抑制了谐波的同时保留了原信号所包含的高频脉冲信号，降低了信号的失真。

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[5]李 巍.lab VIEW实现的小波变换及其在滤波中的应用[J].国外电子测量技术，2010，29（3）：11-14.

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Wavelet analysis for electrical signals of aluminum alloy pulse VPPAW

CHUN Lan1，HAN Yong-quan2，GUO Jing2，CHEN Fu-rong2
（1.The Engineering Training Center of Inner Mongolia University of Technology，Hohhot 010051，China；2.School of Materials Science and Engineering of Inner Mongolia University of Technology，Hohhot 010051，China）

It was a complex process and contained many noise signals in welding process.For restraining noise and improving signalto-noise ratio，welding electrical signals of the pulse VPPAW system were filtered using wavelet filtering method of lab VIEW as the development platform and the filtering effect were compared with classical Butterworth filter.The results shows the wavelet analysis has obvious advantages in high frequency and mutation and retains the original signal’s information so can reduce the signal distortion.It was discovered from the arc power spectrum that wavelet analysis restrains the harmonic effectively，meanwhile retains the high frequency pulse of welding current，and restoring welding signal was achieved.

LabVIEW；wavelet analysis；pulse VPPA

TG403

：A

：1001-2303（2014）02-0056-04

10.7512/j.issn.1001-2303.2014.02.12

2014-01-06

内蒙古工业大学科学研究项目（X201343）

春 兰（1980—），女，蒙古族，内蒙古人，讲师，在读博士，主要从事变极性等离子焊接及焊接质量控制的研究。