焊接参数对HHT时频谱的影响分析

采集相应焊接参数的电信号数据。具体焊接参数及试验现象见表5-3。图5-18所示是对应每组焊接参数采集到的焊接电流信号及其HHT变换结果。

表5-3 焊接参数及焊接结果

图5-18 各组试验采集的焊接电流波形及HHT时频谱

图5-18 各组试验采集的焊接电流波形及HHT时频谱（续）

图5-18 各组试验采集的焊接

电流波形及HHT时频谱（续）

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图5-18 各组试验采集的焊接电流波形及HHT时频谱（续）

从图5-18中可以看出每组试验采集到的焊接电流信号和经HHT变换后的幅值在时间和频率的联合分布情况。从图中可以看出，每组信号主频率成分基本围绕50Hz、80Hz或100Hz不变，还存在围绕主频随时间波动的其他频率成分，这种不规则频率成分是由于焊接电源工作在强干扰、高压、大电流的复杂、恶劣环境中，存在功率开关管的高频切换、整流二极管的冲击、外界辐射等众多干扰因素，使得焊接电源本身实际输出的电流、电压波形发生畸变，引起电流波形畸变的频率成分伴随主频电流波形呈随机分布。电流、电压波形发生畸变的频率成分多少和范围的大小直接影响电弧能量分布情况，进而影响焊缝成形。

从图5-18中还可以看出，不同占空比和频率及焊接速度下，电流信号的时频分布图呈现出来的电弧能量分布物理信息是不同的。试验1～4为焊接电流信号在相同频率、不同占空比条件下计算的HHT时频谱，三组信号的HHT时频谱主频率成分基本围绕50Hz不变，三组信号时频分布的不同主要表现在幅值随时间上的变化及其他频率成分分布情况，从三组HHT时频分布可以看出，电弧能量随时间变化是不同的，相对电流波形占空比为0.5、0.3、0.4、0.6的整个序列明暗变化在时间尺度上不是等长度的分布规律，而且其他频率成分相对较多，表明不同电流波形占空比下的电弧能量分布及大小在时间尺度上是变化的，同时反映出不同占空比电流波形的畸变引起电弧能量分布不均。

试验5～7为焊接电流信号在相同占空比、不同频率条件下计算的HHT时频谱，三组信号的HHT时频谱的主频率成分基本围绕50Hz、80Hz和100Hz不变，电流信号幅值随时间的分布基本没有区别，但是三组信号的时频分布的不同主要表现在幅值随频率上的变化，从三组HHT时频分布可以看出，电弧能量随频率变化是不同的。随着频率的增加，其他频率成分相对较少，反映出能量比较集中。

试验3和试验5为焊接电流信号在相同占空比和频率、不同焊接速度条件下计算的HHT时频谱，从两组信号的计算结果来看，它们的HHT时频谱主频率成分基本围绕50Hz不变，两组信号的时频分布的不同主要表现在幅值随频率和时间上的变化。从两组HHT时频分布可以看出，电弧能量随焊接变化是不同的，随焊接速度的增加，焊接电流信号时频分布表现出幅值在频率和时间上的变化相对复杂，而且其他频率成分明显增多。

为定量刻画交流方波埋弧焊不同焊接参数下焊接电源输出的电弧电流、电压信号在时域和频域上均会发生变化。根据式（5-18），计算每组试验HHT变换后的能量熵，计算结果见表5-4。

表5-4 每组试验HHT变换后的能量熵

由表5-4可知，比较不同占空比的能量熵值，占空比为0.5时计算的能量熵最小值，这是因为焊接过程焊接电源输出的电流波形正负半波相等，在输出频率一样的情况下，相对于电流波形占空比0.3、0.4、0.6，电流幅值在时间上的变化相对均匀，电流波形反映在时频平面上的电弧能量分布较均匀，计算的熵值较小。比较不同频率的能量熵值，频率为100Hz时计算的能量熵最小值，这是因为焊接过程焊接电源输出的电流波形正负半波相等，在输出频率不同的情况下，相对于电流波形频率50Hz和80Hz，电流幅值在相同时间尺度上的变化相对较小，电流波形反映在时频平面上的电弧能量分布较均匀，计算的熵值较小。

在相同电流波形参数焊接时，由表5-4可知，随着焊接速度的增加，能量熵是逐渐减少的，当交流方波频率由50Hz调为80Hz、100Hz时，其他焊接参数不变，焊接速度仍在0.8m/min时，计算的能量熵值都较大，表明焊接过程电弧稳定、焊缝成形有所改观。这说明在提高焊接速度的同时，适当地提高电流波形频率，可以保证焊接过程电弧稳定，这时计算的时频熵值仍较小。

从上述试验及计算结果来看，改变交流方波埋弧焊焊接电流波形参数占空比、频率和焊接速度，都会导致电弧能量在时域和频域上分布的不同，进而影响焊接过程电弧的稳定性和焊缝成形效果。因此通过合理的交流方波埋弧焊焊接电流波形参数占空比、频率，能有效获得电弧能量在时域和频域上均匀地分布，保证焊接过程稳定并获得良好的焊接效果。