0 前言

變極性等離子弧焊接（Variable Polarity Plasma Arc Welding，VPPAW）技術(shù)，在焊接過(guò)程中形成小孔熔池，具有能量集中、電弧挺度大、焊后變形小、焊接效率高等優(yōu)點(diǎn)，是實(shí)現(xiàn)鋁合金單面焊雙面自由成形的高效焊接方法。在VPPA焊接過(guò)程加入不同頻率的調(diào)制脈沖，由于高低頻脈沖電流的周期性變化，對(duì)熔池造成沖擊與攪拌作用，便于氣體逸出，同時(shí)細(xì)化焊縫組織，還能改善鋁合金焊接接頭的軟化，從而提高焊接接頭的力學(xué)性能[1]。

小波分析是一種全新的時(shí)頻分析方法，利用二進(jìn)小波分解的多分辨分析思想，可將信號(hào)分解到不同頻帶內(nèi)進(jìn)行處理。小波變換對(duì)低頻信號(hào)具有很好的頻域分辨率，對(duì)高頻信號(hào)具有很好的時(shí)域分辨率，其優(yōu)于傅立葉分析的突出優(yōu)點(diǎn)是能將信號(hào)進(jìn)行時(shí)域和頻域局部化[2-4]。小波分析具有自適應(yīng)的時(shí)域頻域窗口，時(shí)頻分析能量很好，非常適合信號(hào)特征的提取。

本文采用小波分解方法對(duì)典型VPPA焊接、高頻脈沖VPPA焊接和高低頻混合脈沖VPPA焊接電流進(jìn)行分解，并比較不同頻帶的平均能量，獲取不同焊接方法對(duì)應(yīng)的頻帶能量分布特征。同時(shí)比較不同焊接方法同一頻帶的平均能量，分析高低頻脈沖對(duì)焊接電流頻帶分布的影響，為后續(xù)小波頻帶能的研究提供相應(yīng)的理論基礎(chǔ)。

受旅游開(kāi)發(fā)意識(shí)薄弱因素的制約，東昌府區(qū)的葫蘆文化旅游僅在姜堤樂(lè)園這一點(diǎn)上進(jìn)行了初步開(kāi)發(fā)，而在文化底蘊(yùn)更為深厚、種植面積更為廣闊的堂邑、閆寺、梁水等鄉(xiāng)鎮(zhèn)，尚處于開(kāi)發(fā)的空白階段。

1 試驗(yàn)系統(tǒng)

脈沖變極性等離子弧焊接系統(tǒng)如圖1所示。采用NI USB-3631數(shù)據(jù)采集卡采集焊接過(guò)程的電信號(hào)，并將其送入工控計(jì)算機(jī)，采用現(xiàn)代數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)，將采集信號(hào)分解到不同頻帶，并計(jì)算各頻帶的能量。

在尺寸240 mm×110 mm×8 mm的3003鋁合金板進(jìn)行脈沖VPPA穿孔立焊對(duì)接焊接。VPPA焊接電源以80C196KC為控制核心，焊接參數(shù)為預(yù)熱電流80 A、預(yù)熱時(shí)間5 s、上升時(shí)間5 s、鎢極內(nèi)縮量3 mm、噴嘴直徑3 mm、離子氣流量3 L/min、保護(hù)氣流量10 L/min、焊接速度為140 mm/min、正反極性比例19:4，高脈沖頻率1 kHz，低頻脈沖頻率1 Hz。試驗(yàn)過(guò)程中，電弧電壓及焊接電流經(jīng)霍爾傳感器、信號(hào)調(diào)理電路、數(shù)據(jù)采集卡等，數(shù)據(jù)被采入工控計(jì)算機(jī)中，后續(xù)小波分析通過(guò)Matlab軟件編程實(shí)現(xiàn)。

2 小波分析與頻帶能計(jì)算

2.1 小波分解

對(duì)于任意函數(shù)f（t）∈V0，可將其分解為細(xì)節(jié)部分W1和大尺度逼近部分V1，然后將大尺度逼近部分V1進(jìn)一步分解。如此重復(fù)到任意尺度（或分辨率）上的逼近部分和細(xì)節(jié)部分。

設(shè)

（t）為函數(shù)f（t）向尺度空間Vj投影后所得到的j尺度下的概貌信號(hào)[5]，則

式中 cj，k稱為尺度展開(kāi)系數(shù)，為

若函數(shù)f（t）向不同尺度的小波空間Wj投影，則可得到不同尺度下的細(xì)節(jié)信號(hào)

：

式中 dj，k稱為小波展開(kāi)系數(shù)，為

若將f（t）∈L2（R）按以下空間組合展開(kāi)：

式中 J為任意設(shè)定的尺度，則

將環(huán)氧樹(shù)脂(E44,杭州五會(huì)港膠粘劑有限公司)、咪唑類環(huán)氧樹(shù)脂固化促進(jìn)劑(江西金凱化工有限公司)及固化劑甲基六氫苯酐(濮陽(yáng)惠成電子材料股份有限公司)按照1∶1∶0.01的質(zhì)量比進(jìn)行混合,并將混合液與丙酮以1∶1的質(zhì)量比進(jìn)行稀釋.將稀釋后的樹(shù)脂溶液點(diǎn)在碳納米管纖維上,然后在烘箱中以90°C固化1 h,隨后120°C固化2 h.

當(dāng)J→∞時(shí)，上式變?yōu)?/p>

本研究數(shù)據(jù)均采用SPSS18.0軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)分析,數(shù)據(jù)描述采用(±s)% 表示,計(jì)數(shù)資料對(duì)比采用x2檢驗(yàn),計(jì)量資料采用t檢驗(yàn),(P<0.05),差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

邊坡修整：邊坡修整優(yōu)先采用人工“之”字道路及放射狀條溝作業(yè)，輔助修坡；因勢(shì)造形，坡面修整只要能滿足人工種植操作需要即可，盡量減少機(jī)械施工對(duì)坡體的負(fù)荷壓力。

EIGA法是將預(yù)制合金棒作為電極，通過(guò)感應(yīng)熔煉線圈和控制垂直送料速度的參數(shù)將旋轉(zhuǎn)的棒料電極熔化并霧化的過(guò)程。[9-10]技術(shù)最早于1990年德國(guó)的Leybold AG公司發(fā)明。[11-12]從其工作原理模式可以得出EIGA法優(yōu)點(diǎn)在于不使用陶瓷坩堝，減少母合金中的雜質(zhì)，大大提高了霧化粉體的純凈度。同樣EIGA法缺點(diǎn)也很明顯，合金預(yù)制棒材相較于合金錠料成本較高，并且棒材合金均勻性對(duì)霧化后粉體化學(xué)成分有較大影響；控制金屬棒材熔化速率的方式難以把握，容易造成液流斷流和“斷棒”使得導(dǎo)流管阻塞。

從信號(hào)分析角度看，正交小波變換是將信號(hào)通過(guò)一個(gè)低通濾波器和一個(gè)高通濾波器分別進(jìn)行濾波，在尺度j上分解為一組低頻序列（近似部分）和高頻系列（細(xì)節(jié)部分）。

所有數(shù)據(jù)均有2名工作人員錄入，應(yīng)用SPSS 17.00軟件，患者一般資料中計(jì)量資料以百分率表示，計(jì)數(shù)資料用“±s”表示，細(xì)菌所占比例以及耐藥率的比較行χ2檢驗(yàn)，以P＜0.05表示差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

綜上所述，在互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代，實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)媒體和新媒體的融合，是長(zhǎng)期且具有挑戰(zhàn)性的一項(xiàng)任務(wù)。傳統(tǒng)媒體與新媒體有著不同的傳播方式，但是也具備不同的優(yōu)勢(shì)和文化價(jià)值，所以，廣播電視行業(yè)要對(duì)自己的弊端進(jìn)行及時(shí)改正，同時(shí)融合新媒體的優(yōu)點(diǎn)，提升自身的新穎性和質(zhì)量。因此，行業(yè)首先要做到的就是明確廣播電視媒體的發(fā)展目標(biāo)，再根據(jù)國(guó)家行業(yè)相關(guān)的要求，在不違反規(guī)定的前提下創(chuàng)新技術(shù)，構(gòu)建與客戶之間全新的用戶關(guān)系，遵循市場(chǎng)規(guī)律，從用戶的習(xí)慣和實(shí)際需求出發(fā)，打造成熟的專業(yè)團(tuán)隊(duì)，進(jìn)一步為廣播電視媒體與互聯(lián)網(wǎng)思維的融合提供后備力量，進(jìn)一步促進(jìn)國(guó)內(nèi)媒體行業(yè)的發(fā)展。

2.2 頻帶能的特征提取方法

通常可以根據(jù)感興趣的信號(hào)頻率范圍，將信號(hào)在一定尺度上進(jìn)行分解，從而提取相應(yīng)頻帶內(nèi)的信息。另一方面，還可以對(duì)各頻帶內(nèi)的信號(hào)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，形成反映信號(hào)特征的特征向量，若分析各頻帶內(nèi)的信號(hào)能量，則稱之為頻帶的能量分析。

若某一小波變換序列為{

}，n=1，2，…，m。為第j層的第n個(gè)小波系數(shù)，則第j層n個(gè)頻帶的平均能量為

式中 N為n個(gè)頻帶信號(hào)長(zhǎng)度。

3 不同VPPA焊接電流頻帶能分析

對(duì)圖1所建立的系統(tǒng)進(jìn)行焊接試驗(yàn)，分別采集典型VPPA焊接、高頻脈沖VPPA焊接和高低頻混合脈沖VPPA焊接的焊接電流，并對(duì)其進(jìn)行小波分解。

在小波分析中，由于構(gòu)造方法不同，形成了不同的小波基。由于Daubechies系列在同等條件下，比其他小波基具有更好的局部分析能力和重構(gòu)精度，在此選用Daubechies小波基，分解層數(shù)選為6層。如果信號(hào)S被分解為6層，則

式中 Dl、D2、D3、D4、D5、D6 為小波分析獲得高頻系數(shù)，A6為低頻系數(shù)。A6被認(rèn)為對(duì)原始信號(hào)進(jìn)行低通濾波后獲得的，頻帶范圍為 0～4.6875kHz；Dl、D2、D3、D4、D5、D6 頻帶分別為 4.6875～9.375kHz、9.375～18.75 kHz、18.75～37.5 kHz、37.5～75 kHz、75～150 kHz和150～300 kHz。

本文只對(duì)高頻部分D1～D6信號(hào)進(jìn)行分析，不考慮低頻A6部分。為了方便計(jì)算和比較，每個(gè)頻帶只選擇1 000個(gè)采樣點(diǎn)和D1、D3和D5三個(gè)頻帶，波形如圖2所示。在某些頻段，特別是在高頻處（如D3、D5處），出現(xiàn)了一些突變的點(diǎn)，這些可能是焊接過(guò)程中的干擾引起的。

由圖2還可知，與典型VPPA焊接相比較，在加入高低頻脈沖后，D1、D5頻帶處出現(xiàn)較明顯的變化，而D3的分布基本一致。

為了更直觀地比較各種焊接方法的頻帶分布情況，對(duì)每個(gè)頻帶信號(hào)進(jìn)行了低通濾波，從而濾除一些突變點(diǎn)，并根據(jù)式（8）計(jì)算每個(gè)頻帶的平均能，如表1所示。

由表1可知，比較三種不同焊接方法對(duì)應(yīng)的不同頻帶平均能量發(fā)現(xiàn)，典型VPPA焊接方法對(duì)應(yīng)的頻帶能量與其他兩個(gè)焊接方法相比較，D5最高，D1和D3最低；同理，混合脈沖VPPA焊接D1、D3最高，D5最低；高頻脈沖VPPA焊接D1、D3、D5均為中等。從該現(xiàn)象可以看出，無(wú)論哪種焊接方法，雖然各個(gè)頻帶能量大小不同，但平均分布幾乎均勻，即平均能量基本相同。

為了更直觀地顯示不同頻帶能量的分布情況，將不同焊接方法的同一個(gè)頻帶能量畫(huà)在同一個(gè)坐標(biāo)系，如圖3所示?？梢钥闯?，對(duì)于D1和D3，3種焊接方法的變化基本是線性關(guān)系，略有上升，但D5的變化較明顯，且為下降關(guān)系?？梢园l(fā)現(xiàn)，加入的高頻脈沖電流對(duì)頻帶能量的影響并不顯著，而加入的低頻脈沖電流對(duì)高頻處（如D5處）的影響較為明顯。此研究為后續(xù)關(guān)于頻帶能量的研究提供了理論依據(jù)。

4 結(jié)論

（1）比較三種焊接方法頻帶分布情況，發(fā)現(xiàn)三種方法在D3處分布基本一致，而D1、D5的分布存在較明顯的區(qū)別。

（2）研究三種方法相同頻帶的平均能量發(fā)現(xiàn)，在加入高低頻脈沖會(huì)對(duì)頻帶平均能量產(chǎn)生影響，在高頻處，低頻脈沖電流對(duì)頻帶能量的影響比高頻脈沖更顯著。

參考文獻(xiàn)：

[1]春蘭，韓永全，陳芙蓉，等.鋁合金脈沖變極性等離子弧焊接藝[J].焊接學(xué)報(bào)，2016，37（1）：29-32.

[2]郭萍，王海濱，鄭曉波.基于小波分析的頻帶局部能量的特征取[J].西華大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2007，26（5）：38-41.

[3]王奉濤，馬孝江，巖鄒崑，等.基于小波包分解的頻帶局部能量特征提取方法[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2004，35（5）：177-180.

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[5]彭玉華.小波變換與工程應(yīng)用取[M].北京：科學(xué)出版社，1999：36-43.

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Analysis of pulse variable polarity plasma arc welding characteristic signals based on wavelet band energy

CHUN Lan1，BAO Xiaoyan2，HAN Wenying1，SUN Wanli1
（1.Education Center of Engineering Training，Inner Mongolia University of Technology，Hohhot 010051，China；2.College of Material Science and Engineering，Inner Mongolia University of Technology，Hohhot 010051，China）

Abstract：Wavelet decomposition method was used to decompose the welding current of VPPA，high frequency pulse VPPA and highlow-frequency pulse VPPA into 6 different bands.The average energy of each frequency bands in the different welding methods was calculated and compared，the average energy of same frequency bands for different welding methods was contrasted simultaneously.It is found that the addition of high and low frequency pulses will affect the distribution of frequency band energy，but the whole frequency distribution is well-distributed.It is more remarkable for high frequency the influence of low frequency pulses on the average frequency band energy than high frequency pulses.

Key words：pulse VPPA welding；wavelet decomposition；frequency band energy

中圖分類號(hào)：TG439.5

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1001－2303（2019）08－0036-04

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2019.08.06

本文參考文獻(xiàn)引用格式：春蘭，包曉艷，韓文穎，等.基于小波頻帶能的脈沖VPPA焊接特征信號(hào)分析[J].電焊機(jī)，2019，49（08）：36-39.

收稿日期：2019-04-29

基金項(xiàng)目：內(nèi)蒙古教育廳項(xiàng)目（NJZY17099）；內(nèi)蒙古自然基金項(xiàng)目（2018LH05031）

作者簡(jiǎn)介：春 蘭（1980—），女，博士，高級(jí)實(shí)驗(yàn)師，主要從事變極性等離子焊接及焊接質(zhì)量控制的研究。E-mail：83974547@qq.com。

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