铝合金VPPA－MIG复合焊接电信号分析

0 前言

变极性等离子弧－熔化极惰性气体保护（Variable polarity plas ma arc－metal inert gas，VPPA－MIG）复合焊接发挥了MIG焊接效率高、工艺区间宽和VPPA焊接能量集中、电弧挺度大、穿透深度大的优点，同时可弥补单独MIG焊接熔深浅、单独VPPA穿孔焊接一般宜采用立向上焊且工艺稳定性区间窄等不足，降低总热输入，减小焊接变形，实现铝合金高效高质量焊接［1－4］。

宫颈癌是妇科三大恶性肿瘤之一，包括宫颈鳞癌(squamous cell carcinoma of cervix，CC)和宫颈腺癌(cervical adenocarcinoma，AC)，占女性癌症患者死亡原因的第4位。在世界范围内每年宫颈癌的死亡病例与新增病例约为27.5/50万[1]。近些年来由于对宫颈癌进行筛查、HPV疫苗的应用，宫颈癌发病率及死亡率均明显下降，但AC的发病率仍有上升趋势，尤其是年轻女性[2]。目前对于年轻AC患者术中保留附件及术后补充激素替代治疗(hormone replacement therapy，HRT)是否安全尚具有争议。

在复合焊接过程中，VPPA电弧与MIG电弧可看作两平行的导体。当等离子弧的极性发生改变时，复合电弧中通过电流方向发生改变，根据电磁学安培定则以及通电导体在外磁场中受力方向定则，两电弧之间将产生相互吸引或排斥的现象［5－6］。在不同的焊接参数下，VPPA电弧与MIG电弧之间的相互作用程度不同，使VPPA与MIG焊接电流、电压信号在复合焊接过程中复杂多变。而VPPA与MIG焊接电信号能够间接的反映复合焊接电弧特性以及焊缝成形质量，且VPPA－MIG复合焊接电信号分析未见有相关研究报道。因此，文中对铝合金VPPA－MIG复合焊接过程中的电信号进行分析，在复合焊接焊工艺参数优化、焊缝成形调控等方面具有重要意义。

1 VPPA－MIG复合焊接电信号检测系统

VPPA－MIG复合焊接系统由VPPA焊机、MIG焊机、SUPER－MIG复合焊枪以及Kuka机器人组成。其中，VPPA焊机电源的正反极性电流幅值和持续时间独立可调，具有变极性电流波形调制功能，能够满足铝合金焊接对于能量匹配以及氧化膜清理的要求。MIG焊机能够输出直流以及脉冲电流波形，具有脉冲调制功能，脉冲周期性变化对熔池起到有效的振荡作用，有利于促进气孔的逸出，并能够在焊缝表面形成美观的鱼鳞纹。

NSA始终坚持采用科学的系统来收集和审批地名，先是采用地名常设委员会（PCGN）的系统，随后又采用贝鲁特系统，该系统于2007年成为阿拉伯标准的地名转换系统。

VPPA－MIG复合焊接电信号检测系统由HANNOVER、NI PXIe－1062 Q 高速采集卡、CHB－1000S霍尔电流电压传感器组成，如图1所示。在VPPA－MIG复合焊接过程中，MIG电弧与VPPA电弧的电信号分别通过电流、电压传感器送入NI高速采集系统和HANNOVER焊接质量分析仪中实现采集以及统计分析。

图1 VPPA－MIG复合焊接电信号检测系统

2 VPPA－MIG复合焊接电信号小波降噪处理

在采用VPPA－MIG复合电信号检测系统采集电信号的过程中，不可避免的受到外界环境的随机干扰，如焊接电源主电路逆变单元开关管等电子元器件产生的高频电磁噪声等会混入，导致电压电流信号失真，难以保证后期数据处理分析的准确性。因此，在分析电压电流信号之前，需要对其进行小波降噪处理［7－8］。

小波降噪首先需要对采集到的任一电信号f（t）进行小波变换，如公式（1～2）。

式中：a为分解尺度且a＞0；b为位移；ψab（t）为小波基函数；（t）为ψab（t）的共轭复数。

在小波变换过程中，选择合适的小波基，对电信号进行逐次分层分解以得到不同层的近似信号和细节信号。根据分层效果，选定某一层的近似信号和细节信号来实现信号的重构，如公式（3）和（4）所示。重构信号能够去除高频噪声的干扰，实现小波降噪的目的。

在VPPA－MIG复合焊接过程中，由电信号检测系统采集到MIG电弧和VPPA电弧的原始电流波形如图2所示，在波形上存在大量毛刺，这是由于信号在采集过程中不可避免的受到外界环境的随机干扰。经小波降噪处理后的波形如图3所示，MIG电弧和VPPA电弧的电流信号波形较为光滑，信噪比得到较大程度的提高，降低了外界干扰信号对有效电流信号准确分析的影响。

图2 电流信号小波降噪前原始波形

图3 电流信号小波降噪后波形

3 VPPA－MIG复合焊接电信号分析试验

选取VPPA－MIG不同工艺参数在平面位置对6 mm厚7 A52铝合金母材进行堆焊试验。MIG焊丝为1.6 mmER5183，等离子电极为3.2 mm 钍钨极。等离子气和MIG保护气均为纯氩气且包围在整体保护气中，等离子气流量为3.5 L／min，MIG保护气流量为23 L／min，VPPA正反极性持续时间比为85 ms：15 ms，总体保护气流量为40 L／min。焊枪端部至工件距离为10 mm。稳定复合焊接过程的工艺参数见表1。

表1 复合焊接过程的工艺参数表

试验组别VPPA正极电流I／A VPPA反极电流I／A MIG电流I／A焊接速度v／（m·min－1）1 130 180 200 0.5 2 130 180 170 0.5 3 130 180 140 0.5 4 130 180 200 0.7 5 130 180 170 0.7 6 130 180 140 0.7 7 130 180 200 0.9 8 130 180 170 0.9 9 130 180 140 0.9 10 130 180 200 1.2 11 130 180 170 1.2 12 130 180 140 1.2 13 155 205 170 0.7 14 105 155 170 0.7 15 80 130 170 0.7

在上述15组复合焊接试验过程中，为分析VPPA，MIG电弧电信号，需对由VPPA－MIG复合焊接电信号检测系统检测到的VPPA，MIG电弧电信号先进行小波降噪处理，然后做功率谱分析以获得频率特征。下面通过功率谱分析来探讨MIG电流、VPPA电流以及焊接速度对电信号的频率成分影响。

3.1 MIG电弧电信号分析

为分析复合焊接工艺参数对MIG电弧电信号特征频率的影响，需要对试验中MIG电弧电流、电压信号做功率谱分析，如图4和图5所示。通过对15组试验中采集到的MIG电弧电流、电压信号进行功率谱分析，发现总有一个0 Hz的直流分量存在，而且功率占比很大，这与MIG焊机所设置的直流脉冲输出波形相吻合。此外，MIG电弧的电流、电压信号的功率谱中均存在两个主要高频成分及其二次谐波的分量见表2。

图4 MIG电弧电流信号功率谱

图5 MIG电弧电压信号功率谱

表2 MIG电弧电信号主要高频成分

试验组别高频成分ⅠfⅠ／Hz高频成分ⅡfⅡ／Hz二次谐波分量ⅠfⅠ／Hz二次谐波分量ⅡfⅡ／Hz 1 125～130 180～185 250～260 360～370 2 105～110 155～160 210～220 310～320 3 90～95 135～140 180～190 270～280 4 125～130 180～185 250～260 360～370 5 105～110 155～160 210～220 310～320 6 90～95 135～140 180～190 270～280 7 125～130 180～185 250～260 360～370 8 105～110 155～160 210～220 310～320 9 90～95 135～140 180～190 270～280 10 125～130 180～185 250～260 360～370 11 105～110 155～160 210～220 310～320 12 90～95 135～140 180～190 270～280 13 105～110 155～160 210～220 310～320 14 105～110 155～160 210～220 310～320 15 105～110 155～160 210～220 310～320

由表2的试验结果可知，在15组试验中MIG电弧电信号主要高频成分的大小随MIG电流的变化而变化，且MIG电流越大，其主要高频成分及其谐波分量越大。此外，将MIG电弧电流与电压功率谱图中的高频部分放大后，经过对比发现MIG电弧电压高频成分除如表2中所示的两个主要高频成分及其二次谐波分量外还会增加一些其它频率成分。这是由于MIG电弧在复合焊接过程中不间断的摆动，使其电压与电流之间呈现非线性关系，导致MIG电弧电压信号与电流信号的频率成分不会完全一致，而是在电流信号的频率成分的基础上增加更多的频率成分。由此可知，MIG电流是影响MIG电弧电信号主要高频成分的主要因素。在VPPA－MIG复合焊接过程中，若检测到MIG电弧电信号的主要高频成分越大，则可判知MIG电流也越大，再通过选取合适的焊接速度来实现对焊缝成形的控制。

各组试验中存在的两个主要高频成分，其中一个为MIG电流自身高频脉冲成分，另外一个应为由VPPA电弧在正反极性转变过程中与MIG电弧相互作用而使MIG电弧产生的摆动频率成分。由VPPA正反极性持续时间比为85 ms：15 ms，可推知VPPA正反极性变化频率为100 Hz。MIG焊机输出的脉冲电流波形受设定的MIG焊接电流大小的控制，当MIG电流为200 A时，其脉冲频率为200 Hz左右。

以试验1，4，7，10为分析对象，MIG电流均为200 A，焊接速度依次为0.5 m／min，0.7 m／min，0.9 m／min，1.2 m／min，主要高频成分（180～185）Hz接近200 Hz，可认定为MIG电弧的自身高频脉冲成分，实现一脉一滴的熔滴过渡；（125～130）Hz则认可定为摆动频率成分，更加接近VPPA正反极性变化频率（100 Hz）。再分析该4组试验中的MIG电弧电信号的两个主要高频成分及其二次谐波分量的功率占比如图6和图7所示，发现焊接速度变化不会影响MIG电弧电流、电压的主要高频成分及其谐波分量，而会影响其功率占比大小，且焊接速度越小，主要高频成分（125～130）Hz的功率占比越大。

西淀白排闸，孔深15m。闸基主要为第②层壤土，地层厚度较大，岩性稳定；具中等压缩性，微透水性，较高强度。

分析其它组别试验中MIG电弧电信号的频率特征，发现接近100 Hz的高频成分为摆动频率成分，另外一个高频成分则为MIG电弧的自身高频脉冲成分；当MIG电流一定时，焊接速度变化也会影响MIG电弧电信号的两个主要高频成分及其二次谐波分量的功率占比，但无具体规律。由此可知，当MIG焊接电流为大电流（200 A）时，焊接速度越小，MIG电弧摆动频率成分的功率占比越大，导致MIG电弧越不稳定。因此，在较大电流的复合焊接过程中，选取相对较大的焊接速度，有利于维持MIG电弧的稳定性。

图6 不同焊速下MIG电流信号主要高频成分功率占比

图7 不同焊速下MIG电压信号主要高频成分功率占比

文献［6］指出在复合焊接过程中VPPA正反极性变化频率会影响MIG电弧的稳定性，进而影响到MIG电弧电信号的频率特征。由表2中试验5，13，14，15的结果可知，当VPPA正反极性变化频率为100 Hz而电流变化时，MIG电弧电信号的两个主要高频成分不变，分别为（105～110）Hz和（155～160）Hz，相应的二次谐波分量分别为（210～220）Hz和（310～320）Hz。对试验5，13，14，15中MIG电弧电信号做进一步功率谱分析，发现MIG电弧电流的主要高频成分及其谐波分量不变（如表2中所示的频率成分），而MIG电弧电压的主要高频成分及其谐波分量在保留电弧电流的主要高频成分及其谐波分量的基础上会增加一些不同的频率成分。由此可知，当VPPA正反极性变化频率不变时，VPPA电流大小变化不会影响MIG电弧电信号的主要高频成分。

3.2 VPPA电弧电信号分析

在复合焊接过程中，由于MIG电弧与VPPA电弧之间存在相互吸引或排斥作用，使得MIG电弧电流影响了VPPA电弧电流、电压信号时域下的平均值［6］。为分析MIG电弧电流、焊接速度对VPPA电弧电信号频率成分的影响，对采集到的VPPA电弧电流、电压信号（以试验13为例）做功率谱分析如图8和图9所示。

综上所述，在部编版小学低年级语文教材中，识字写字板块强调要让学生坚持多认少写的原则来进行识字写字的学习。为了提高学生的识字写字学习效率，教师要积极寻找灵活有效的识字写字方法，提高学生的识字写字效率。

图8 试验13 VPPA电流信号功率谱图

图9 试验13 VPPA电压信号功率谱

通过对15组试验中采集到的VPPA电弧信号逐一做功率谱分析，发现VPPA电弧电流、电压信号均存在一个功率占比很大的0 Hz直流分量，这与VPPA焊机恒流控制相吻合，主要高频成分均为100 Hz（VPPA电弧正反极性变化频率）及其各次谐波分量。由此可知，当VPPA正反极正反极性变化频率恒定时，VPPA电弧电流、电压信号主要频率成分均相同且为正反极性变化频率及其各次谐波分量，而不受自身电弧以及MIG电弧电流大小、焊接速度大小的影响。

忽然，一只漂亮的鸟儿在殿外跳跃，然后展翅飞远。御座上的孩童对暗潮汹涌的洪流毫无所觉，而是向着飞走的鸟儿，露出了天真的笑容。

4 结论

（1）通过对MIG电弧电信号做功率谱分析可知，MIG电弧电流、电压信号中总有0 Hz的直流分量存在，而且功率占比大。MIG电弧电信号主要高频成分受MIG电弧电流、焊接速度以及VPPA电弧正反极性变化频率的影响。

她擦着一根洋火，点亮桌上的罩子灯，屋里映得跟个白昼样儿。吃完饭，赛十娘把碗一推，又叼起根烟。她长长地嘘出一口烟雾，拿腔拿调地说：“饭后一支烟，快活似神仙。”

（2）当VPPA正反极性变化频率恒定时，MIG电流是影响MIG电弧电信号主要高频成分的主要因素，MIG电流越大，MIG电弧电信号的主要高频成分及其谐波分量也越大。焊接速度也会影响MIG电弧电信号的主要高频成分及其谐波分量的功率占比大小。当MIG焊接电流为大电流（200 A）时，相对较大的焊接速度有利于维持MIG电弧的稳定性；VPPA电流大小变化不会影响MIG电弧电信号的主要高频成分。

（3）通过对正反极性变化频率恒定的VPPA电弧电信号做功率谱分析，发现VPPA电弧电流、电压信号主要频率成分均包含0 Hz直流分量和正反极性变化频率（100 Hz）及其各次谐波分量，而不受自身电弧以及MIG电弧电流大小、焊接速度大小的影响。

参考文献

［1］ Hong H T，Han Y Q，Du M H，et al.Characteristics of arc in variable polarity plas ma arc welding of alu minu m alloy［J］.China Welding，2014，23（3）：73－77.

［2］ 童嘉晖.高强铝合金 MIG－VPPA复合焊接工艺［D］.呼和浩特：内蒙古工业大学硕士学位论文，2017.

［3］ 韩永全，杜茂华，陈树君，等.铝合金变极性等离子弧穿孔焊过程控制［J］.焊接学报，2010，31（11）：93－96.

［4］ Hong H T，Han Y Q，Du M H，et al.Investigation on droplet mo mentu m in VPPA－GMA W hybrid welding of alu minu m alloys ［J］.The Inter national Jour nal of Advanced Manufacturing Technology，2016，86（5－8）：2301－2308.

［5］ 洪海涛，韩永全，童嘉晖，等.铝合金VPPA－MIG复合焊接电弧形态及伏安特性［J］.焊接学报，2016，37（9）：65－69.

［6］ 洪海涛.铝合金VPPA－MIG复合焊接热源特性及工艺［D］.呼和浩特：内蒙古工业大学硕士学位论文，2016.

［7］ 高志，余啸海.MATLAB小波分析工具箱原理与应用［M］.北京：国防工业出版社，2004：62－64.

［8］ 杜浩藩，丛爽.基于MATLAB小波去噪方法的研究［J］.计算机仿真，2003，20（7）：119－122.