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焊接过程声信号在线检测技术现状与展望

期刊:journal of netshape forming engineeringDOI:10.3969/j.issn.1674-6457.2022.01.021

本文属于类型b,即一篇关于焊接过程声信号在线检测技术的研究综述。以下是针对该文档的学术报告内容:


作者及发表信息
本文由房海基(广东工业大学)、吕波、张艳喜、卢新钊(广东精泰人防工程有限公司)、高向东(通讯作者,广东工业大学)共同撰写,发表于《精密成形工程》(Journal of Netshape Forming Engineering)2022年第1期,标题为《焊接过程声信号在线检测技术现状与展望》(Status and Prospect of On-Line Acoustic Signal Detection Technology in Welding)。

研究主题
论文围绕焊接质量在线检测技术展开,重点综述基于声发射(Acoustic Emission, AE)和可听声信号(Arc Sound)的声学检测方法,分析其机理、技术现状及应用前景。

主要观点及论据

1. 焊接无损检测技术的局限性

传统无损检测方法(如射线检测、超声检测、磁粉检测等)多为焊后检测,依赖人工经验且存在效率低、环境限制等问题。例如:
- 射线检测对人体有害,需专业人员操作;
- 超声检测空间要求高,扫描效率低;
- 涡流检测对近表面缺陷敏感,但信号处理复杂。
论据支撑:文献[2-8]指出,这些方法难以满足智能化焊接生产对实时性和自动化的需求。

2. 声学检测技术的优势与分类

声学检测通过采集焊接过程中的声信号(超声波频段的声发射信号和可听声频段的电弧声),实现动态、非接触式监测。
- 声发射信号(25–750 kHz):反映工件内部裂纹、应力释放等缺陷的弹性波,需耦合剂贴附传感器采集;
- 电弧声信号(20–20 kHz):由熔池冲击和电弧震荡产生,通过麦克风非接触采集,可识别熔透状态和熔滴过渡形式。
论据支撑:文献[11]和[16]表明,声学检测对内部缺陷敏感且适应复杂环境,文献[13]通过图1展示了焊接中的多源信号(声、光、电)协同作用。

3. 信号处理方法与技术进展

论文详细对比了时域、频域及时频域分析方法:
- 参数分析法:提取振幅、能量等特征参数(图4),但存在源识别模糊性(文献[20-22]);
- 波形分析法:采用短时傅里叶变换(STFT)、小波变换等,Hilbert-Huang变换(HHT)时频分辨率更优(文献[25-26]);
- 机器学习模型:BP神经网络(图6)和支持向量机(SVM)用于缺陷分类,如裂纹识别准确率达98%(文献[30-34])。
论据支撑:文献[27-28]通过同步压缩小波和S变换验证了信号动态特性分析的可行性。

4. 声源定位与焊接状态预测

  • 声发射源定位:传统时差定位易受缺陷形状干扰,改进方法(如BP神经网络定位)提升精度(文献[36-39]);
  • 熔透状态识别:融合MFCC(梅尔频率倒谱系数)特征与SVM模型,识别率可达80%–90%(文献[43][47]);
  • 熔滴过渡监测:GRNN模型结合电弧声频谱分析,实现强噪声下的状态分类(文献[44-45])。
    论据支撑:文献[40-42]强调多传感器(如视觉与声信号融合)对提升预测可靠性的重要性。

5. 挑战与未来方向

当前声学检测的瓶颈包括样本数据不足、多源噪声干扰等。未来需结合:
- 智能传感:开发高精度声传感器;
- 多传感融合:集成声、光、电信号;
- 人工智能:深度学习模型优化小样本问题。
论据支撑:作者引用文献[9][33]指出,多模态数据融合是焊接智能化发展的核心。

论文的价值与意义

  1. 学术价值:系统梳理了声发射与电弧声的检测机理及处理方法,为焊接质量在线监测提供理论框架;
  2. 应用价值:推动焊接产业向自动化、智能化升级,尤其适用于航空航天、石油管道等高安全需求领域;
  3. 技术前瞻性:提出多传感融合与人工智能的结合路径,为后续研究指明方向。

亮点与创新

  • 全面性:覆盖声信号采集、处理到应用的全链条技术;
  • 方法对比:详细评述不同分析方法的优劣及适用场景;
  • 跨学科融合:引入机器学习解决传统声学检测的瓶颈问题。

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