工业生产中,电弧焊接结构作为各类机械结构的重要连接部位,焊缝质量对生产安全具有非常重要的意义。当前对焊缝质量检测的方法众多,但大多是在焊后进行的,存在效率低、成本高等不足,研究焊接过程的在线检测与评估方法对提高焊接质量检测效率和焊接在线指导有重要意义。电弧焊接过程中信号源众多,其中电弧光谱信号伴随了电弧焊接全过程,包含了整个焊接动态过程的众多重要信息,与焊缝质量紧密相关。因此,本文以电弧焊接过程中的实时光谱信号为研究对象,研究了等离子体光谱诊断和光谱数据处理方法,分析并挖掘电弧光谱信息、焊接工艺参数与焊缝质量三者之间的关系,有效实现焊接过程中的缺陷检测。具体研究内容如下:(1)基于试验探究了不同工艺参数下的电弧焊接过程及其对气孔缺陷形成的影响规律。基于由电弧焊接机器人和信号采集系统配置的焊接试验平台,改变焊接电流、保护气体流量、焊接速度等可控的工艺参数,设置对照试验,分析了不同焊接工艺参数对光谱强度、焊缝形貌的影响,以及对气孔缺陷的形成的影响。试验统计结果表明随着焊接电流的增加,气孔率下降;随着焊接速度的减小,气孔率下降。(2)提出了k-medoids聚类算法与综合相似度量相结合的方法准确获取光谱特征谱线的光谱强度。为解决因波线展宽和仪器零点漂移等导致光谱特征谱线的峰值强度不唯一,提出了基于最小生成树来描述k-medoids聚类算法对光谱数据类别划分过程,以准确获得特征谱线的光谱强度,为特征谱线的电子温度的准确计算奠定基础。为优化聚类算法对光谱数据的划分过程,构建了综合相似度量函数计算光谱数据点的距离来进一步研究光谱数据变化特点。结果表明,新的相似度量函数在661.57 nm~762.24 nm波段的聚类综合评估值为0.8787,在762.64 nm~941.57 nm波段的聚类综合评估值为0.868,比光谱角匹配、光谱信息散度和谱相关性三种相似度量函数聚类综合评估值高,聚类结果更好。(3)提出了基于小波包变换的特征谱线电子温度曲线的特征提取方法,实现了焊缝表面缺陷的有效表征。依据等离子体谱线的选取标准,通过聚类算法获得Ar原子的特征谱线及其光谱强度,基于波尔兹曼作图法计算获得电子温度曲线。为消除峰值电流和基值电流对电子温度曲线变化的影响,提出采用小波包变换的方法对电子温度曲线特征提取,重构后的信号各频段的幅值阈值矩阵能较好地描述焊缝的表面缺陷。(4)提出了局部线性嵌入算法,实现了非线性光谱数据降维和特征提取。研究PCA、MDS和LDA三种线性数据降维方法,数据降维处理可视化结果表明降维效果并不理想。针对线性降维方法的不足和海量冗余的非线性数据特征,提出采用局部线性嵌入算法对光谱信息特征提取,光谱特征谱线Ar I 794.81 nm、Ar I 840.83 nm的光谱强度及其强度比结合焊接电压信号可以表征气孔缺陷,为了进一步提高焊接缺陷预测率,采用基于决策树算法使得缺陷预测的正确率提高至95%。