CN105223275A - 一种基于稀疏矩阵的焊接缺陷诊断方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于稀疏矩阵的焊接缺陷诊断方法，其步骤：按照焊接工艺制作焊接标准试件，在部分试件的焊缝内部预置焊接缺陷；对预置焊接缺陷的试件和无焊接缺陷的焊接标准试件做弯曲变形实验取得声发射信号；对声发射信号进行时差滤波方法处理，获得声发射数据中的所有缺陷信号；获得无缺陷焊接试件、试件气孔焊接缺陷、夹渣焊接缺陷、焊接裂纹缺陷的时间、幅值历程图；通过时间、幅值历程图获得无缺陷稀疏矩阵、气孔缺陷稀疏矩阵、夹渣缺陷稀疏矩阵、裂纹缺陷稀疏矩阵；通过稀疏矩阵组成焊接缺陷类型库；根据焊接缺陷类型数据库对待诊断结构件进行焊接缺陷类型的诊断。本发明简便易行，能有效提高诊断的准确性，可以广泛在机械结构件在焊接加工领域中应用。

Description

一种基于稀疏矩阵的焊接缺陷诊断方法

技术领域

本发明涉及一种焊接缺陷诊断方法，特别是关于一种基于稀疏矩阵的焊接缺陷诊断方法。

背景技术

机械结构件在焊接加工过程中，焊缝部位可能存在气孔、夹渣、裂纹以及未焊透等焊接缺陷，现有技术对这些焊接缺陷的种类不能及时准确的确诊，导致无法采取有效的技术手段进行修复处理，以至于这些焊接缺陷影响到结构件的力学性能和机械性能，使结构件不能安全使用。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种基于稀疏矩阵的焊接缺陷诊断方法，该方法简便易行，能有效提高诊断的准确性。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种基于稀疏矩阵的焊接缺陷诊断方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：1)按照焊接工艺制作焊接标准试件，并在部分试件的焊缝内部预置焊接缺陷，包括气孔、夹渣及焊接裂纹；2)对所述步骤1)中的预置焊接缺陷的试件和无焊接缺陷的焊接标准试件做弯曲变形实验，并采用声发射仪取得不同试件的声发射信号；3)对所述步骤2)中获得的声发射信号进行时差滤波方法处理，获得声发射数据中的所有缺陷信号；所述时差滤波方法具体步骤如下：(3.1)设定声发射信号总撞击计数为N，设定时差滤波时间界限为Δt_m＝ΔL/V，其中ΔL为预设发生损伤的线性范围；其中，N＝1,2，…i；(3.2)设初始值i＝1，取相邻两个撞击信号i及i+1；判断此相邻两撞击信号是否属于两个不同通道，如是则进入步骤(3.3)，否则进入步骤(3.5)；(3.3)根据撞击信号i的到达时间Ti和撞击信号i+1的到达时间T_i+1得到时间差ΔT＝T_i+1-T_i；(3.4)比较Δt_m与时间差ΔT之间的关系，当ΔT>Δt_m时，则此两撞击信号不满足缺陷定位要求，该声发射信号不是损伤声发射源；当ΔT≤Δt_m，则此两撞击信号为损伤源所产生的缺陷信号；完成第i个撞击信号是否为缺陷信号，并进入下一步；(3.5)返回步骤(3.1)，继续判断第i+1个撞击信号是否为缺陷信号，直到i＝N-1为止，完成所有撞击信号的判断；4)根据所有缺陷信号获得试件气孔焊接缺陷、夹渣焊接缺陷、焊接裂纹缺陷的时间、幅值历程图，并根据无缺陷信号获得无缺陷焊接试件的时间、幅值历程图；5)通过时间、幅值历程图获得无缺陷稀疏矩阵、气孔缺陷稀疏矩阵、夹渣缺陷稀疏矩阵、裂纹缺陷稀疏矩阵；6)通过所述步骤5)获得的无缺陷稀疏矩阵、气孔缺陷稀疏矩阵、夹渣缺陷稀疏矩阵、裂纹缺陷稀疏矩阵组成焊接缺陷类型库；7)根据焊接缺陷类型数据库对待诊断结构件进行焊接缺陷类型的诊断：采集待诊断焊接件的声发射信号，对声发射信号进行上述步骤3)至步骤5)的操作，得到对应的稀疏矩阵，将该稀疏矩阵与焊接缺陷类型数据库中的稀疏矩阵逐一相减，判断稀疏矩阵相减后得到的新矩阵中零元素的个数，找到零元素最多的新矩阵，该新矩阵所对应的缺陷稀疏矩阵即为该待诊断焊接件的缺陷类型。

进一步，所述步骤2)中，采用三点弯曲试验模拟试件的受力状态，用声发射仪对焊接部位的损伤破坏过程进行监测，获取试件气孔焊接缺陷、夹渣焊接缺陷、焊接裂纹缺陷以及无缺陷的典型声发射信号。

进一步，所述步骤4)中，采集试件弯曲变形过程中的声发射数据，经时差滤波方法后获得所有缺陷信号，根据缺陷信号构建时间、幅值历程图，该图是以采样时间为横坐标，以幅值为纵坐标的散点图。

进一步，所述步骤5)中，所述稀疏矩阵的获得方法为：以Δk秒为间隔将采样时间等间隔划分为n个区间；以ΔmdB为间隔将声发射幅值等间隔划分为n个区间；若时间与幅值确定的区间内存在数据点，则此区间记为1，若不存在数据点，则此区间记为0，进而得到n×n的稀疏矩阵。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明采用稀疏矩阵代表焊接缺陷类型状态，将焊接缺陷类型的诊断问题转化为矩阵的加减运算以及比较的问题，该方法简便易行，避免了复杂的理论分析，有利于工程应用。2、本发明通过实验得到的无缺陷稀疏矩阵、气孔缺陷稀疏矩阵、夹渣缺陷稀疏矩阵、裂纹缺陷稀疏矩阵存入数据库，构成焊接缺陷类型数据库，能够代表结构件的真实状态，有利于提高诊断的准确性。本发明可以广泛在机械结构件在焊接加工领域中应用。

附图说明

图1是本发明的整体流程示意图；

图2是本发明的焊接试件结构示意图；

图3a是本发明的声发射源时差线定位原理图，声发射源在两个声发射传感器定位区域之间；

图3b是本发明的声发射源时差线定位原理图，声发射源在两个声发射传感器定位区域之外；

图4是本发明的无缺陷焊接试件时间、幅值历程图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。

如图1所示，本发明提供一种基于稀疏矩阵的焊接缺陷诊断方法，该方法是采用稀疏矩阵代表焊接缺陷类型状态，将焊接缺陷类型的诊断问题转化为矩阵的加减运算以及比较，以对结构件的焊接缺陷进行分析判断。其包括以下步骤：

(1)按照焊接工艺制作焊接标准试件，例如，焊接标准试件长度L＝260mm，厚度a＝6mm，宽度b＝30mm；在部分焊接标准试件的中间焊缝内预置焊接缺陷，包括气孔、夹渣及焊接裂纹，如图2所示。

(2)对预置焊接缺陷的试件和无焊接缺陷的焊接标准试件做弯曲变形实验，并采用声发射仪取得不同试件的声发射信号。具体方法如下：采用三点弯曲试验模拟试件的受力状态，用声发射仪对焊接部位的损伤破坏过程进行监测，获取试件气孔焊接缺陷、夹渣焊接缺陷、焊接裂纹缺陷以及无缺陷的典型声发射信号。

(3)对步骤(2)中取得的各种声发射信号进行时差滤波方法处理，获得声发射数据中的所有缺陷信号。

其中，时差滤波方法的原理为：在试件上分别设置1#声发射传感器和2#声发射传感器，两个声发射传感器定位区域之间存在声发射源或在两个声发射传感器定位区域之外存在声发射源(如图3a、图3b所示)；1#声发射传感器和2#声发射传感器探头之间的声发射源产生的声发射信号，例如声发射源产生一个声发射信号，假定该声发射信号到达1#声发射传感器探头的时间为T₁，到达2#声发射传感器探头的时间为T₂，则该声发射信号到达两个声发射传感器探头之间的时间差为Δt：

Δt＝T₂-T₁。(1)

根据时差Δt得到声发射源距1#声发射传感器探头的距离d为：

$d=\frac{1}{2}(D-\mathrm{\Δ}tv)---\left(2\right)$

式中，D表示两个声发射传感器探头之间的距离，v表示声波在试件中的传播速度。

根据定位原理，声发射源到达两个声发射传感器的时间差应满足：Δt<D/v；而机械摩擦等噪声源信号发生部位多在两个声发射传感器定位区域之外，则其到达两个声发射传感器的时间差始终为：Δt＝T₂-T₁。因此可以根据声发射信号到达两声发射传感器间的时间差Δt的数值分布范围来提取典型损伤的声发射源信号。

时差滤波方法的步骤具体如下：

(3.1)设定声发射信号总撞击计数为N，设定时差滤波时间界限为Δt_m＝ΔL/V，其中ΔL为预设发生损伤的线性范围；其中，N＝1,2，…i；

(3.2)设初始值i＝1，取相邻两个撞击信号i及i+1；判断此相邻两撞击信号是否属于两个不同通道，如是则进入步骤(3.3)，否则进入步骤(3.5)；

(3.3)根据撞击信号i的到达时间Ti和撞击信号i+1的到达时间T_i+1得到时间差ΔT＝T_i+1-T_i；

(3.4)比较Δt_m与时间差ΔT之间的关系，当ΔT>Δt_m时，则此两撞击信号不满足缺陷定位要求，该声发射信号不是损伤声发射源为无缺陷信号；当ΔT≤Δt_m，则此两撞击信号为损伤源所产生的缺陷信号；完成第i个撞击信号是否为缺陷信号，并进入下一步；

(3.5)返回步骤(3.1)，继续判断第i+1个撞击信号是否为缺陷信号，直到i＝N-1为止，完成所有撞击信号的判断。

(4)通过所有缺陷信号获得试件气孔焊接缺陷、夹渣焊接缺陷、焊接裂纹缺陷的时间、幅值历程图，并根据无缺陷信号获得无缺陷焊接试件的时间、幅值历程图。

采集试件弯曲变形过程中的声发射数据，经时差滤波方法后获得所有缺陷信号，根据缺陷信号构建时间、幅值历程图，该图是以采样时间为横坐标，以幅值为纵坐标的散点图，例如无缺陷焊接试件的时间、幅值历程图，如图4所示。

(5)通过时间、幅值历程图获得稀疏矩阵。具体获得方法如下：

以Δk秒为间隔将采样时间等间隔划分为n个区间；以ΔmdB为间隔将声发射信号幅值等间隔划分为n个区间；例如，以100s为间隔将时间(0-2000s)等间隔划分为20个区间；以5dB为间隔将幅值(0-100dB)等间隔划分为20个区间。若时间与幅值确定的区间内存在数据点，则此区间记为1，若不存在数据点，则此区间记为0，进而得到n×n的稀疏矩阵。如图4所示，由无缺陷焊接试件时间、幅值历程图可知，最终获取的矩阵为稀疏矩阵，记为无缺陷稀疏矩阵。同样获得气孔缺陷稀疏矩、夹渣缺陷稀疏矩、裂纹缺陷稀疏矩。

(6)将无缺陷稀疏矩阵、气孔缺陷稀疏矩阵、夹渣缺陷稀疏矩阵、裂纹缺陷稀疏矩阵存入数据库，构成焊接缺陷类型数据库。

(7)根据焊接缺陷类型数据库对待诊断结构件进行焊接缺陷类型的诊断。

采集待诊断焊接件的声发射信号，对声发射信号进行上述步骤(3)至步骤(5)的操作，得到对应的稀疏矩阵，将该稀疏矩阵与焊接缺陷类型数据库中的稀疏矩阵逐一相减，判断稀疏矩阵相减后得到的新矩阵中零元素的个数，找到零元素最多的新矩阵，该新矩阵所对应的缺陷稀疏矩阵即为该待诊断焊接件的缺陷类型。

上述各实施例仅用于说明本发明，各步骤及缺陷类别都是可以有所变化的，在本发明技术方案的基础上，凡根据本发明原理对个别部件进行的改进和等同变换，均不应排除在本发明的保护范围之外。

Claims (5)

1.一种基于稀疏矩阵的焊接缺陷诊断方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

1)按照焊接工艺制作焊接标准试件，并在部分试件的焊缝内部预置焊接缺陷，包括气孔、夹渣及焊接裂纹；

2)对所述步骤1)中的预置焊接缺陷的试件和无焊接缺陷的焊接标准试件做弯曲变形实验，并采用声发射仪取得不同试件的声发射信号；

3)对所述步骤2)中获得的声发射信号进行时差滤波方法处理，获得声发射数据中的所有缺陷信号；所述时差滤波方法具体步骤如下：

(3.1)设定声发射信号总撞击计数为N，设定时差滤波时间界限为Δt_m＝ΔL/V，其中ΔL为预设发生损伤的线性范围；其中，N＝1,2，…i；

(3.2)设初始值i＝1，取相邻两个撞击信号i及i+1；判断此相邻两撞击信号是否属于两个不同通道，如是则进入步骤(3.3)，否则进入步骤(3.5)；

(3.3)根据撞击信号i的到达时间Ti和撞击信号i+1的到达时间Ti+1得到时间差ΔT＝T_i+1-T_i；

(3.4)比较Δt_m与时间差ΔT之间的关系，当ΔT>Δt_m时，则此两撞击信号不满足缺陷定位要求，该声发射信号不是损伤声发射源；当ΔT≤Δt_m，则此两撞击信号为损伤源所产生的缺陷信号；完成第i个撞击信号是否为缺陷信号，并进入下一步；

(3.5)返回步骤(3.1)，继续判断第i+1个撞击信号是否为缺陷信号，直到i＝N-1为止，完成所有撞击信号的判断；

4)根据所有缺陷信号获得试件气孔焊接缺陷、夹渣焊接缺陷、焊接裂纹缺陷的时间、幅值历程图，并根据无缺陷信号获得无缺陷焊接试件的时间、幅值历程图；

5)通过时间、幅值历程图获得无缺陷稀疏矩阵、气孔缺陷稀疏矩阵、夹渣缺陷稀疏矩阵、裂纹缺陷稀疏矩阵；

6)通过所述步骤5)获得的无缺陷稀疏矩阵、气孔缺陷稀疏矩阵、夹渣缺陷稀疏矩阵、裂纹缺陷稀疏矩阵组成焊接缺陷类型库；

7)根据焊接缺陷类型数据库对待诊断结构件进行焊接缺陷类型的诊断：采集待诊断焊接件的声发射信号，对声发射信号进行上述步骤3)至步骤5)的操作，得到对应的稀疏矩阵，将该稀疏矩阵与焊接缺陷类型数据库中的稀疏矩阵逐一相减，判断稀疏矩阵相减后得到的新矩阵中零元素的个数，找到零元素最多的新矩阵，该新矩阵所对应的缺陷稀疏矩阵即为该待诊断焊接件的缺陷类型。

2.如权利要求1所述的一种基于稀疏矩阵的焊接缺陷诊断方法，其特征在于：所述步骤2)中，采用三点弯曲试验模拟试件的受力状态，用声发射仪对焊接部位的损伤破坏过程进行监测，获取试件气孔焊接缺陷、夹渣焊接缺陷、焊接裂纹缺陷以及无缺陷的典型声发射信号。

3.如权利要求1所述的一种基于稀疏矩阵的焊接缺陷诊断方法，其特征在于：所述步骤4)中，采集试件弯曲变形过程中的声发射数据，经时差滤波方法后获得所有缺陷信号，根据缺陷信号构建时间、幅值历程图，该图是以采样时间为横坐标，以幅值为纵坐标的散点图。

4.如权利要求2所述的一种基于稀疏矩阵的焊接缺陷诊断方法，其特征在于：所述步骤4)中，采集试件弯曲变形过程中的声发射数据，经时差滤波方法后获得所有缺陷信号，根据缺陷信号构建时间、幅值历程图，该图是以采样时间为横坐标，以幅值为纵坐标的散点图。

5.如权利要求1或2或3或4所述的一种基于稀疏矩阵的焊接缺陷诊断方法，其特征在于：所述步骤5)中，所述稀疏矩阵的获得方法为：以Δk秒为间隔将采样时间等间隔划分为n个区间；以ΔmdB为间隔将声发射幅值等间隔划分为n个区间；若时间与幅值确定的区间内存在数据点，则此区间记为1，若不存在数据点，则此区间记为0，进而得到n×n的稀疏矩阵。