[激光原理与应用-125]：南京科耐激光-激光焊接 - 焊中无损检测技术 - 智能制程监测系统IPM介绍

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前言：

一、时域波形分析法

1.1 时域波形分析法的基本概念

1.2 时域波形分析法的具体步骤

1.3 时域波形分析法的特点

二、时域包络线分析法

2.1 单信号的包络线

1. 定义

2. 分析步骤

3. 应用领域

4. 优点与局限性

2.2 多个时域信号组成的包络线：极值包络信号

三、激光焊接焊中缺陷检测：时域包络线分析法

3.1 激光焊接中的常见缺陷

3.2 激光焊接缺陷传统的检测方法

3.3 时域分析原理的潜在应用

四、应用实例

启发：

前言：

激光焊接焊中检测中传统的时域波形分析法是一种重要的无损检测技术，它通过对焊接过程中产生的信号在时域上进行波形分析，来检测和评估焊接质量。

以下是对该方法的详细阐述：

一、时域波形分析法

1.1 时域波形分析法的基本概念

时域波形分析法是指将信号在时间轴上进行展开，以时间作为自变量，对信号的幅度、频率、相位等进行分析的方法。在激光焊接检测中，该方法通过采集焊接过程中产生的光、声等信号，并观察这些信号在时间轴上的波形变化，来推断焊接质量的好坏。

1.2 时域波形分析法的具体步骤

信号采集：利用传感器（如光电传感器、声音传感器等）采集焊接过程中产生的光、声等信号。这些信号包含了焊接过程中的大量信息：如焊缝的能量转换、熔深、熔宽、焊接速度以及可能出现的缺陷等。
信号处理：对采集到的信号进行预处理，包括滤波、放大、去噪等，以提高信号的信噪比和分辨率。
波形分析：在时域上观察信号的波形变化，分析信号的周期、频率、振幅等特征参数。通过对比正常焊接和缺陷焊接时的信号波形，可以识别出焊接过程中可能出现的缺陷，如气孔、裂纹、未焊透等。
结果判断：根据波形分析的结果，判断焊接质量的好坏。如果信号波形稳定、特征参数正常，则表明焊接质量良好；如果信号波形出现异常波动或特征参数偏离正常范围，则表明焊接过程中可能存在缺陷。

1.3 时域波形分析法的特点

直观性：时域波形分析法能够直观地展示信号在时间轴上的变化情况，便于观察和分析。
实时性：该方法可以实时采集和处理焊接过程中的信号，实现对焊接质量的实时监测和评估。
准确性：通过对信号波形的精细分析，可以准确地识别出焊接过程中可能出现的缺陷，提高焊接质量的检测精度。
适用性广：时域波形分析法不仅适用于激光焊接的检测，还可以应用于其他类型的焊接和加工过程的监测中。

二、时域包络线分析法

2.1 单信号的包络线

时域包络线分析法是一种信号处理技术，它主要用于分析信号在时间域内的变化情况，特别是信号幅度的包络特性。这种方法在多个领域都有广泛应用，包括通信、生物医学、机械振动分析等。

以下是对时域包络线分析法的详细解释：

包络：纪录每次信号电平反转点。

单一信号时域随机信号有两个包络：上包络和下包络。

1. 定义

时域包络线分析法是通过对信号进行一系列处理，提取出单一信号或大量信号的幅度的包络线，进而分析信号随时间变化的特性。包络线是指信号在任意时刻的振幅上限（N个工件的重复），它描述了信号幅度的总体变化趋势。

2. 分析步骤

信号预处理：
- 首先，对原始信号进行必要的预处理，如滤波、去噪等，以提高后续分析的准确性。
全流整波（Full Wave Rectified, FWR）：
- 将信号进行全波整流，即将信号的所有负值部分取绝对值，使信号在整个时间域内均为非负值。这一步是为了方便后续提取包络线。
低通滤波：
- 对全波整流后的信号进行低通滤波处理，以去除高频成分，保留低频成分。低通滤波器的截止频率应根据信号的具体特性和分析需求来选择。滤波后的信号即为信号的包络线。
包络线分析：
- 分析提取出的包络线，观察其随时间的变化趋势。包络线的形状、斜率、极值点等信息可以反映原始信号的某些特性，如振幅变化、频率变化等。

3. 应用领域

生物医学：
- 在生物医学领域，时域包络线分析法常用于心电图（ECG）、肌电图（EMG）等生物电信号的分析。通过分析信号的包络线，可以提取出心跳、肌肉活动等信息。
机械振动分析：
- 在机械工程中，机械设备的振动信号往往包含丰富的信息。通过时域包络线分析法，可以分析振动信号的包络线，进而判断机械设备的运行状态和故障情况。
信号处理与通信：
- 在通信领域，时域包络线分析法可以用于分析调制信号的包络特性，从而提取出有用的信息。此外，在语音识别、手势识别等领域，时域包络线分析法也发挥着重要作用。

4. 优点与局限性

优点：

时域包络线分析法能够直观地反映信号幅度的总体变化趋势，便于分析和理解。
该方法运算简单，处理速度快，适用于实时分析和在线监测。

局限性：

提取包络线时可能会损失部分高频信息，导致分析结果不够精细。
包络线的提取依赖于低通滤波器的设计，滤波器的选择对分析结果有较大影响。

综上所述，时域包络线分析法是一种有效的信号处理技术，它在多个领域都有广泛的应用前景。然而，在实际应用中需要注意其局限性和适用范围，以便得到准确可靠的分析结果。

2.2 多个时域信号组成的包络线：极值包络信号（先聚合得到多个信号的极值，在求包络）

对于多个时域信号，在每个时间点（或采样点）上取最大值和最小值，并将这些最大值和最小值分别作为新信号的值，这样得到的两个新信号通常被称为极值包络信号。具体来说：

上极值包络信号（或称为上包络信号）：在每个时间点上，从所有时域信号中选取的最大值构成的信号。这个信号描述了所有信号在该时间点上能够达到的最大振幅。
下极值包络信号（或称为下包络信号）：在每个时间点上，从所有时域信号中选取的最小值构成的信号。这个信号描述了所有信号在该时间点上能够达到的最小振幅。

极值包络信号在信号处理中有多种应用，例如：

在信号分析中，它们可以帮助识别信号中的峰值和谷值，从而了解信号的动态范围和变化趋势。
在多通道信号处理中，极值包络信号可以用于检测不同通道之间的同步性或相关性。
在音频处理中，极值包络信号可以用于音量控制或动态范围压缩，以改善音频的听感。

需要注意的是，极值包络信号并不等同于单个信号的包络线，后者通常是通过连接单个信号的局部极大值或极小值点来得到的。而极值包络信号则是在多个信号之间进行比较，选取每个时间点上的最大值或最小值来构成的。

极值包络信号在激光焊接焊缺陷检测中的应用主要体现在以下几个方面：

1、背景概述

激光焊接技术作为一种高效、高精度的焊接方法，被广泛应用于航空航天、汽车、电子、医疗等领域。然而，在激光焊接过程中，由于焊接工艺、材料特性及环境因素的影响，焊缝表面可能会产生各种缺陷，如凹陷、余高过大、未焊透、焊穿、错边、气孔、裂纹等。这些缺陷不仅会影响焊接接头的力学性能，还可能对产品的整体质量和安全性造成严重影响。因此，对激光焊接焊缝进行缺陷检测具有重要意义。

2、极值包络信号的定义与特点

极值包络信号是通过在多个时域信号中，每个时间点上选取最大值和最小值来构成的信号。这种信号能够直观地反映出所有信号在该时间点上能够达到的最大和最小振幅，从而有助于识别信号中的异常波动和潜在缺陷。

3、极值包络信号在激光焊接焊缺陷检测中的应用

缺陷识别：
- 在激光焊接过程中，焊缝表面的形貌和几何特征会直接影响焊接质量。通过采集焊缝表面的多个时域信号（如光强信号、温度信号等），并计算其极值包络信号，可以识别出焊缝表面是否存在异常波动或突变点。这些异常波动或突变点往往与焊缝缺陷（如裂纹、气孔等）相对应，从而实现对缺陷的初步识别。
缺陷定位：
- 极值包络信号不仅能够识别出缺陷的存在，还能够通过比较不同时间点上的极值变化来定位缺陷的具体位置。这对于后续的缺陷修复和质量控制具有重要意义。
缺陷评估：
- 通过分析极值包络信号的幅值和变化趋势，可以对焊缝缺陷的严重程度进行评估。例如，较大的极值波动可能意味着更严重的缺陷，需要采取更加严格的修复措施。
在线检测与实时监控：
- 在激光焊接生产线上，可以配备基于极值包络信号的在线检测系统。该系统能够实时采集焊缝表面的多个时域信号，并计算其极值包络信号，从而实现对焊缝质量的实时监控和在线检测。这有助于提高生产效率和产品质量稳定性。

4、技术挑战与未来展望

尽管极值包络信号在激光焊接焊缺陷检测中具有重要应用价值，但其在实际应用中仍面临一些技术挑战。例如，如何准确提取和处理多个时域信号中的极值信息？如何建立有效的缺陷识别算法和评估模型？此外，随着激光焊接技术的不断发展和应用领域的不断拓展，对焊缝质量的要求也越来越高。因此，未来需要进一步加强极值包络信号在激光焊接焊缺陷检测中的研究与应用，以提高检测精度和效率，满足更高质量的产品需求。

综上所述，极值包络信号在激光焊接焊缺陷检测中具有重要应用价值和发展前景。通过不断的研究与应用实践，可以推动激光焊接技术的进一步发展和应用推广。

三、激光焊接焊中缺陷检测：时域包络线分析法

在激光焊接中，缺陷检测是一个至关重要的环节，它直接关系到焊接质量和产品的可靠性。然而，关于“时域包络线分析法”在激光焊接缺陷检测中的具体应用。

需要注意的是，这种方法并不直接作为激光焊接缺陷检测的标准方法。时域包络线分析法更多地应用于信号处理领域，用于分析信号的时间域特性，特别是信号的幅度包络特性。

尽管如此，我们可以探讨一些与激光焊接缺陷检测相关的技术和方法，并间接说明时域分析原理在其中的潜在应用或类似原理的应用。

3.1 激光焊接中的常见缺陷

激光焊接中可能出现的缺陷包括但不限于：

气孔：焊缝内部存在的小型空洞，主要由气体在焊接过程中被困在焊缝内部形成。
夹渣：被固化在焊缝中的外来物质，如金属渣、尘埃、油污等。
裂纹：由于热应力或冷却速度不均匀导致的焊缝或母材裂纹。
未熔合与未焊透：焊缝金属未完全熔化或未进入接头根部，导致焊接不完整或虚焊。

3.2 激光焊接缺陷传统的检测方法

对于激光焊接的缺陷检测，常用的方法包括以下几种，这些方法与时域包络线分析法在原理上有所不同，但体现了类似的信号处理和特征提取思想：

目视检查：通过人眼观察焊缝的外观，检查是否存在明显的不良现象，如焊缝不完整、裂纹、夹杂物等。
无损检测方法：
- 超声波探伤：利用超声波在介质中的传播和反射原理，检测焊接区域内部的缺陷。超声波探伤设备轻便灵活，探测范围广，可以实时非破坏性地评估焊缝质量。
- 射线探伤：采用X射线或γ射线的穿透性，对焊接区域进行扫描，探测内部缺陷和夹杂物。射线探伤也能实现非破坏性检测，准确显示缺陷的形状、位置和大小。
- 磁粉检测：适用于检测表面或近表面的缺陷，如裂纹。通过涂覆磁性粉末并施加磁场，缺陷处的漏磁场会吸引磁粉形成可见的磁粉痕迹，从而便于检测和评估焊接质量。
破坏性检测方法：金相显微镜检查：将焊接件切割成样品后，使用光学显微镜观察焊缝的组织结构和变化。这种方法可以提供更详细的焊缝内部信息，但属于破坏性检测。

3.3 时域分析原理的潜在应用

虽然时域包络线分析法不直接应用于激光焊接缺陷检测，但其原理（即分析信号在时间域内的变化特性）在信号处理领域具有广泛应用。在激光焊接过程中，传感器可以采集焊接过程中的各种信号（如温度、应力、振动等），这些信号可能包含与焊接缺陷相关的信息。通过对这些信号进行时域分析，可以提取出与缺陷相关的特征参数（如振幅、频率、相位等），进而结合其他检测手段进行综合判断。

当然，需要注意的是，激光焊接缺陷检测是一个复杂的过程，需要综合考虑多种因素和方法。因此，在实际应用中，应根据具体情况选择合适的检测方法和手段。