CN104655564B - 一种双轴肩搅拌摩擦焊缝孔洞缺陷检测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种双轴肩搅拌摩擦焊缝孔洞缺陷检测方法，首先根据原始焊接扭矩信号T，从中提取扭矩低频信号TL和周期振荡信号To，最后根据低频信号TL的幅值AL、周期振荡信号To的幅值Ao极小值变化情况，判断孔洞缺陷的可能存在时刻。本发明的一种双轴肩搅拌摩擦焊缝孔洞缺陷检测方法，基于双轴肩搅拌摩擦焊接扭矩的频谱，根据低频信号和周期振荡信号的幅值变化情况来判断焊缝孔洞缺陷，方法简易；成本低廉，无需x射线检测等方法设备的大量投入；不对焊缝进行破坏，适合于低连接强度要求、无需破坏焊缝检测的场合。
Description
技术领域
本发明涉及搅拌摩擦焊缝缺陷检测领域，具体涉及一种双轴肩搅拌摩擦焊缝孔洞缺陷检测方法。
背景技术
搅拌摩擦焊(FSW)由英国焊接研究所(TWI)于1991年提出的一种固态连接方法。与传统的熔化焊接方法相比较，搅拌摩擦焊具有晶粒细小，疲劳性能、拉伸性能和弯曲性能良好、无尘烟、无气孔、无飞溅、节能、无需焊丝、焊接时不需使用保护气体、焊接后残余应力和变形小等优点。搅拌摩擦焊最初用于铝合金，随着研究的深入，搅拌摩擦焊不仅可以用于铝合金的焊接。还可用于铜、钛等其他金属以及不同金属之间的焊接。
但搅拌摩擦焊缝并非十全十美，也会产生各种缺陷，如常见的孔洞缺陷、隧道缺陷、表面飞边等。对存在于表面的孔洞缺陷，可用目测检验；对存在于焊缝内部的孔洞或隧道缺陷，目前可采用x射线检测、超声探伤等无损检测手段，或者将焊缝直接截断检查。采用无损检测手段虽能实现检测目的，但操作较为繁琐，如采用截断检查，如截断检查，则更为繁琐，且将焊缝彻底破坏了。
因此，如何改进或提出新的无损检测方法，是焊接工作者一直的追求。
发明内容
发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种双轴肩搅拌摩擦焊缝孔洞缺陷检测方法，根据低频信号和周期振荡信号的幅值变化情况来判断焊缝孔洞缺陷，方法简易。
技术方案：为解决上述技术问题，本发明的一种双轴肩搅拌摩擦焊缝孔洞缺陷检测方法，针对搅拌摩擦焊接过程中搅拌头所承受的扭矩，分别提取扭矩信号中的低频信号和周期振荡信号，然后检测低频信号幅值和周期振荡信号的幅值变化情况，当低频信号的幅值出现拐点和极小值、且周期振荡信号幅值超过阈值时，可判断此时焊接出现了弱连接，由此判断焊缝内部存在孔洞缺陷。
所述的双轴肩搅拌摩擦焊缝孔洞缺陷检测方法，具体包括以下步骤：
第一步：根据搅拌头的旋转速度ω(单位为rpm)确定修正系数k，k＝0.00274ω-0.0689；
第二步：确定周期振荡信号的频率f的范围，
第三步：通过滤波器提取原始焊接扭矩信号T中的低频信号TL和周期振荡信号To，对TL、To的序列的总长进行修正，使总长为L的整10倍，L是对60*fs/ω的取整，fs是原始焊接扭矩信号T的的采样频率，从TL、To的列首开始，分别取一段长度为10L的信号组成sL、so,作为初始搜索数据源；
第四步：搜索sL的拐点AG，对低频信号sL的离散信号求取一阶导数和二阶导数，当两者均为零且对应一阶导数由负变正的时刻所对应的点为拐点AG，如有，则转下一步，如没有，转入第七步；
第五步：搜索极小值AMIN，拐点AG出现后，继续检测与AG相邻的极小值点，当一阶导数为零、二阶导数大于零的点为极小值点AMIN，判断AMIN是否小于或等于低频信号的阈值AF1，如果AMIN小于或等于AF1，则进行第六步；如果大于AF1，则至第七步；
第六步：对周期振荡信号so进行求解一阶导数和二阶导数，当一阶导数为零、二阶导数大于零的点为极小值点，搜索so中出现的极小值，取算术平均的绝对值AM，判断AM是否大于或等于周期振荡信号so的阈值AF2，如是，则判定此处为缺陷可能发生点，并记录，用于后续复查；如AM小于AF2，则视为正常点；
第七步：判断TL是否已经读取完毕，如果已经读取完毕，转入第九步；如果未读取完毕，转入下一步；
第八步：保持搜索源sL、so段长10L不变，向列尾方向按序移动，移动长度为L，组成新的搜索数据源，转入第四步；
第九步：检测结束。
作为优选，所述第三步中滤波器包含低通滤波器和带通滤波器，低通滤波器的截止频率为3Hz，原始焊接扭矩信号T通过所述低通滤波器提取出低频信号TL，带通滤波器的上截止频率为下截止频率为k为修正系数，原始焊接扭矩信号T通过所述带通滤波器提取出周期振荡信号To。
在本发明中，对sL的离散信号求取一阶导数和二阶导数，当两者均为零且对应一阶导数由负变正的时刻所对应的点为拐点AG；拐点AG出现后，继续检测与AG相邻的极小值点，当一阶导数为零、二阶导数大于零的点为极小值点AMIN，本发明中，低频信号sL大于零。
在本发明中，对so的离散信号求取一阶导数和二阶导数，当一阶导数为零、二阶导数大于零的点就为极小值点；由于so为周期振荡信号、且关于时间轴对称，极大或极小值的绝对值就是信号的幅值，因此可检测so出现的极小值，取这些极小值的算术平均的绝对值，即为幅值平均值，记为AM。
本发明的方法，适用于正常匀速焊接阶段，在于双轴肩搅拌摩擦焊接开始阶段，搅拌头会将部分金属挤出焊缝，导致扭矩信号不稳定，所述检测方法无效；双轴肩搅拌摩擦焊接收尾阶段，即焊缝形成U形开口时，扭矩信号同样不稳定，所述检测方法无效。
有益效果：本发明的双轴肩搅拌摩擦焊缝孔洞缺陷检测方法，具有以下优点：
(1)基于双轴肩搅拌摩擦焊接扭矩的频谱，根据低频信号和周期振荡信号的幅值变化情况来判断焊缝孔洞缺陷，方法简易；
(2)该方法成本低廉，无需x射线检测等方法设备的大量投入；
(3)该方法不对焊缝进行破坏，适合于低连接强度要求、无需破坏焊缝检测的场合。
附图说明
图1为本发明的流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作更进一步的说明。
本发明涉及的焊接扭矩原始信号的采集，已有相关技术公开，可直接采用。
以搅拌头的旋转速度为600rpm、厚度为6mm型号为6061的铝合金、原始扭矩信号的采样频率fs为50Hz为例，检测流程请参见图1：
Step1：根据旋转速度ω＝600rpm，k＝0.00274ω-0.0689，确定修正系数k＝1.5751；
Step2：根据算式确定周期振荡信号的频率f范围为[18.54Hz，20Hz]；
Step3：设计低通滤波器，截止频率为3Hz；
Step4：设计带通滤波器，上截止频率为20Hz，下截止频率为18.54Hz；
Step5：以原始焊接扭矩信号T为低通滤波器、带通滤波器的输入，则分别记录相应的输出低频信号TL、周期振荡信号To；
Step6：对TL、To的序列的总长进行修正，使总长为L(L＝5)的整10倍；分别从TL、To的列首开始，取一段长度的sL、so的信号作为初始搜索数据源，信号长度为10L；
Step7：搜索搜索源sL的拐点AG，如有，则转下一步，如没有，转入Step10；
Step8：搜索极小值AMIN，判断AMIN是否小于或等于低频信号的阈值AF1(此时设定AF1＝15)，如果AMIN小于或等于AF1，则进行Step9；如果大于AF1，则至Step10；
Step9：搜索搜索源so中所出现的极小值的算术平均，并取绝对值AM，判断AM是否大于或等于周期振荡信号的阈值AF2(此时设定AF2＝5)，如是，则判定此处为缺陷可能发生点，并记录；如AM小于AF2，则视为正常点。
Step10：判断TL是否已经读取完毕，如果已经读取完毕，转入Step12；如果未读取完毕，转入下一步。
Step11：保持搜索源sL、so段长10L不变，向列尾方向按序移动，移动长度为L，组成新的搜索数据源，转入Step7。
Step12：检测结束。
在第十一步中，原有的搜索源向原有的信号的列尾移动，移动长度为L，作为新的搜索源sL、so，新的搜索源sL被用在第七步、第九步中；转入第七步时，搜索sL的新拐点AG；第九步中，计算新的周期振荡信号so所有的极小值，并计算所有极小值算术平均值，并取平均值的绝对值。
在上述步骤完成后，即可完成双轴肩搅拌摩擦焊接过程中孔洞缺陷的检测；这种检测方法，特别提取了扭矩信号中低频和高频成分的信息，更真实全面地反映了缺陷特征，同时检测方式简单易行。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (5)
1.一种双轴肩搅拌摩擦焊缝孔洞缺陷检测方法，其特征在于：针对搅拌摩擦焊接过程中搅拌头所承受的扭矩，分别提取扭矩信号中的低频信号和周期振荡信号，然后检测低频信号幅值和周期振荡信号的幅值变化情况，当具备以下三个条件，判断此时焊接出现了弱连接，由此判断焊缝内部存在孔洞缺陷：第一，低频信号的幅值出现拐点；第二，低频信号中存在极小值，且该极小值小于或等于低频信号的阈值；第三，周期振荡信号中存在极小值，且其算术平均的绝对值大于或等于周期振荡信号的阈值。
2.根据权利要求1所述的双轴肩搅拌摩擦焊缝孔洞缺陷检测方法，其特征在于包括以下步骤：
第一步：根据搅拌头的旋转速度ω确定修正系数k，k＝0.00274ω-0.0689；
第二步：确定周期振荡信号的频率f的范围，
第三步：通过滤波器提取原始焊接扭矩信号T中的低频信号TL和周期振荡信号To，对TL、To的序列的总长进行修正，使TL、To的序列的总长为L的整10倍，L是对60*fs/ω的取整，fs是原始焊接扭矩信号T的的采样频率，分别从TL、To的列首开始，分别取一段长度的信号组成sL、so,作为初始搜索数据源，信号长度为10L；
第四步：搜索sL的拐点AG，对低频信号sL的离散信号求取一阶导数和二阶导数，当两者均为零且对应一阶导数由负变正的时刻所对应的点为拐点AG，如有，则转下一步，如没有，转入第七步；
第五步：搜索极小值AMIN，拐点AG出现后，继续检测与AG相邻的极小值点，当一阶导数为零、二阶导数大于零的点为极小值点AMIN，判断AMIN是否小于或等于低频信号的阈值AF1，如果AMIN小于或等于AF1，则进行第六步；如果大于AF1，则至第七步；
第六步：对周期振荡信号so进行求解一阶导数和二阶导数，当一阶导数为零、二阶导数大于零的点为极小值点，搜索so中出现的极小值，取算术平均的绝对值AM，判断AM是否大于或等于周期振荡信号so的阈值AF2，如是，则判定此处为缺陷可能发生点，并记录，用于后续复查；如AM小于AF2，则视为正常点；
第七步：判断TL是否已经读取完毕，如果已经读取完毕，转入第九步；如果未读取完毕，转入下一步；
第八步：保持搜索源sL、so段长10L不变，向列尾方向按序移动，移动长度为L，组成新的搜索数据源，转入第四步；
第九步：检测结束。
3.根据权利要求2所述的双轴肩搅拌摩擦焊缝孔洞缺陷检测方法，其特征在于：所述第三步中滤波器包含低通滤波器，低通滤波器的截止频率为3Hz，原始焊接扭矩信 号T通过所述低通滤波器提取出低频信号TL。
4.根据权利要求2所述的双轴肩搅拌摩擦焊缝孔洞缺陷检测方法，其特征在于：所述第三步中滤波器包含带通滤波器，带通滤波器的上截止频率为下截止频率为k为修正系数，原始焊接扭矩信号T通过所述带通滤波器提取出周期振荡信号To。
5.根据权利要求2所述的双轴肩搅拌摩擦焊缝孔洞缺陷检测方法，其特征在于：所述第一步中，根据搅拌头的旋转速度ω确定修正系数k时，应该处于正常匀速焊接阶段；在于双轴肩搅拌摩擦焊接开始阶段，搅拌头会将部分金属挤出焊缝，检测方法无效；双轴肩搅拌摩擦焊接收尾阶段，焊缝形成U形开口时，检测方法无效。
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