大功率盤(pán)形激光焊匙孔特征提取

孫 燕，高向東

（廣東工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，廣東 廣州 510006）

0 前言

大功率盤(pán)形激光焊接具有激光功率大、光束質(zhì)量?jī)?yōu)良、大深寬比和極高的激光利用率等特性[1]。在大功率盤(pán)形激光焊接過(guò)程中，金屬焊件表面在激光束輻射下強(qiáng)烈汽化，在蒸汽退出表面產(chǎn)生反沖力的作用下，使熔化金屬液體向四周排擠，形成匙孔。隨著激光的繼續(xù)照射，匙孔內(nèi)部和上方的金屬蒸汽原子和電子發(fā)生電離作用，匙孔的寬度、深度以及其他形態(tài)會(huì)發(fā)生變化。當(dāng)激光停止照射這一區(qū)域時(shí)，匙孔周邊的熔液回流，冷卻凝固后形成焊縫。因此匙孔是熔池區(qū)域能量最集中的部分，焊縫質(zhì)量與匙孔的形態(tài)有著重要聯(lián)系。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)匙孔做了大量研究并取得了顯著成果。利用光電二極管可獲得匙孔內(nèi)部等離子體徑向和縱向的溫度分布，匙孔內(nèi)部等離子體溫度隨著激光功率的增加而增加，隨著焊接速度的增加或激光聚焦點(diǎn)與板材表面距離的增加會(huì)減小[2]。匙孔的形狀與熔透有密切聯(lián)系，可以在一定程度上反映熔透的程度[3]。熔池?zé)嵯裥螒B(tài)參數(shù)特別是熔池寬度、匙孔寬度和匙孔面積特征信息的測(cè)量可有效反映大功率光纖激光焊接過(guò)程的穩(wěn)定性[4]。

熱輻射伴隨著整個(gè)焊接過(guò)程，匙孔的紅外熱像含有豐富的焊接質(zhì)量信息。利用紅外高速影像系統(tǒng)攝取焊接熔池紅外動(dòng)態(tài)熱像，提取匙孔特征并對(duì)其進(jìn)行分析，根據(jù)匙孔形態(tài)可評(píng)價(jià)焊接過(guò)程的穩(wěn)定性。

匙孔形狀特征描述可分為基于區(qū)域和基于邊界兩類(lèi)。在基于邊界的形狀描述方法中，可采用鏈碼來(lái)描述目標(biāo)的形狀和位置信息。提取匙孔輪廓鏈碼，用鏈碼直方圖來(lái)描述匙孔鏈碼特征，同時(shí)定義和提取匙孔面積、匙孔周長(zhǎng)、匙孔質(zhì)心、匙孔最前端點(diǎn)坐標(biāo)、匙孔形狀因子特征，全面描述匙孔形態(tài)。

1 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)裝置包括大功率盤(pán)形激光焊接裝置TruDisk-10003、松下六關(guān)節(jié)機(jī)器人、激光焊接頭、保護(hù)氣體（氬氣）裝置及圖像采集系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。為了分析匙孔特性，在攝像機(jī)鏡頭前設(shè)置組合濾光器，獲得光譜為960~990的近紅外圖像，此光譜范圍可以抑制大部分金屬蒸汽和飛濺的干擾。高速攝像機(jī)的采集速度為2 000 f/s，安裝位置與水平成65°夾角，并與激光頭相對(duì)固定。試驗(yàn)中激光功率為10kW，焊接速度3m/min，激光光斑直徑480μm，激光波長(zhǎng)為1 030 nm，圖像分辨率為512×512像素，氬氣流量40L/min，試驗(yàn)采用尺寸(長(zhǎng)寬厚)為150mm×100 mm×20 mm的304不銹鋼板。

2 圖像預(yù)處理

試驗(yàn)采用被動(dòng)視覺(jué)傳感法，不加輔助光源，直接利用熔池自身輻射成像。熔池輻射能量主要分布在近紅外和中遠(yuǎn)紅外光譜區(qū)，因此可用紅外傳感高速攝像機(jī)拍攝焊接區(qū)域熔池紅外動(dòng)態(tài)熱像。由于焊接過(guò)程中，熔池周?chē)嬖诖罅繜焿m和飛濺干擾，攝取的熔池原始圖像中必然存在噪聲，加上現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境因素，會(huì)使圖像變得不夠清晰，因此先對(duì)圖像進(jìn)行預(yù)處理，去除干擾和噪聲，得到較清晰的圖像，獲取有用的匙孔邊緣輪廓信息[5-6]。

首先將熔池圖像裁剪以突出匙孔區(qū)域，并依次用5×5模板中值濾波、灰度拉伸、二值化等對(duì)圖像進(jìn)行處理，圖2為其中一幅熔池圖像的處理結(jié)果。

圖1 大功率盤(pán)型激光焊接試驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)示意

圖2 匙孔圖像處理示意

3 匙孔輪廓提取和鏈碼描述

對(duì)匙孔二值化圖像進(jìn)行簡(jiǎn)單處理，即可得到匙孔輪廓。圖3為6幅匙孔圖像輪廓的提取結(jié)果。匙孔輪廓圖中依次像素間互為鄰點(diǎn)，對(duì)一個(gè)連通的像素序列來(lái)說(shuō)，與某一個(gè)像素連通的后繼像素只可能是圖4a中的由0～7表示的八個(gè)方向中的一個(gè)。對(duì)匙孔輪廓圖像而言，除像素序列的起始像素外任一后繼像素均可用0～7八個(gè)像素中的一個(gè)來(lái)唯一確定，匙孔輪廓曲線圖像可用起始坐標(biāo)和鏈碼來(lái)表示。鏈碼是用中心像素指向它的8個(gè)相鄰點(diǎn)的方向來(lái)定義，鏈碼的方向如圖4b所示。鏈碼值加1，其所指方向就按逆時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)45°[7]。

圖3 六幅匙孔圖像的輪廓

提取匙孔輪廓鏈碼的方法是：對(duì)匙孔輪廓圖像進(jìn)行掃描，以像素點(diǎn)(xmin，ymin)為起始點(diǎn)，沿著逆時(shí)針?lè)较虿⑶野捶较蜴湸a的順序掃描當(dāng)前點(diǎn)的相鄰8鄰域，找出像素值為1的下一輪廓點(diǎn)的坐標(biāo)，由鏈碼方向和像素坐標(biāo)對(duì)應(yīng)關(guān)系（見(jiàn)表1），得出相應(yīng)匙孔輪廓的鏈碼值。

表1 鏈碼方向和像素坐標(biāo)對(duì)應(yīng)關(guān)系

對(duì)圖3中6幅匙孔圖像的輪廓進(jìn)行掃描得到鏈碼串，對(duì)應(yīng)不同方向的鏈碼在鏈碼串中出現(xiàn)的統(tǒng)計(jì)概率如圖5所示。該6幅匙孔輪廓均為長(zhǎng)扁形，根據(jù)鏈碼的基本理論，n0和n4的值應(yīng)該偏大，這與鏈碼概率圖中h0和h4的值符合。隨著匙孔輪廓的變化，每幅圖像的鏈碼串發(fā)生相應(yīng)變化。第300幅和第1 200幅匙孔輪廓相似，這與圖5兩個(gè)鏈碼串的統(tǒng)計(jì)特性對(duì)應(yīng)。因此，匙孔輪廓的鏈碼串可以表征匙孔邊緣輪廓形態(tài)的變化。

圖4 八連通鏈碼的方向定義

圖5 匙孔輪廓鏈碼統(tǒng)計(jì)特性

4 匙孔區(qū)域形狀特征參數(shù)提取

為了更全面地描述匙孔的位置和形狀特征，定義并提取匙孔面積A、匙孔周長(zhǎng)L、匙孔質(zhì)心x和y、匙孔形狀因子e等特征，以及匙孔最前端點(diǎn)坐標(biāo)cx和cy。提取匙孔圖像面積A的方法是分割匙孔二值化圖像，并統(tǒng)計(jì)其全部像素點(diǎn)個(gè)數(shù)。匙孔周長(zhǎng)L即為匙孔輪廓像素點(diǎn)的個(gè)數(shù)，可由鏈碼串中的N來(lái)表示。匙孔質(zhì)心的計(jì)算公式見(jiàn)參考文獻(xiàn)[1]。提取匙孔最前端點(diǎn)坐標(biāo)cx和cy的方法是逐行掃描匙孔二值化圖像，找到像素值為1的y坐標(biāo)最大值即為cy，然后對(duì)該行進(jìn)行逐列掃描，像素值為1的x軸坐標(biāo)值即為cx。形狀因子通常用離散指數(shù)e表示[7]

離散指數(shù)e描述了單位面積匙孔的周長(zhǎng)大小。e值大，表明單位面積的周長(zhǎng)大，即圖形離散，則為復(fù)雜圖形，反之則為簡(jiǎn)單圖形。當(dāng)匙孔圖像為圓時(shí)，e=4π；圖像為其他形狀時(shí)，e≠4π,且形狀越復(fù)雜，e值越大。對(duì)圖3中6幅匙孔圖像進(jìn)行處理，并提取上述特征，結(jié)果見(jiàn)表2?？梢钥闯觯S著匙孔形狀復(fù)雜程度增加，e值相應(yīng)變大。

表2 匙孔形狀特征參數(shù)

5 結(jié)論

（1）在大功率盤(pán)形激光焊接過(guò)程中，應(yīng)用高速影像系統(tǒng)攝取熔池紅外熱像并提取匙孔，通過(guò)中值濾波、灰度拉伸、二值化等方法對(duì)匙孔區(qū)域進(jìn)行處理，可以獲得準(zhǔn)確的匙孔輪廓特征。

（2）用鏈碼來(lái)描述匙孔輪廓特征，并且提取匙孔面積、匙孔周長(zhǎng)、匙孔質(zhì)心、匙孔形狀因子、匙孔最前端點(diǎn)坐標(biāo)等特征，可有效描述和分析匙孔形態(tài)變化。

[1]高向東，龍觀富，汪潤(rùn)林，et al.大功率盤(pán)形激光焊飛濺特征分析[J].物理學(xué)報(bào)，2012（61）：98-103.

[2]Xiang zhongJin，LichengZeng.Directobservationofkeyhole plasma characteristics in deep penetration laser welding of aluminum alloy 6016[J].Journal of physics，2012（45）：245-205.

[3]楊家林，何建國(guó).基于視覺(jué)的激光深熔焊匙孔檢測(cè)及圖像處理[J].焊接，2011（2）：19-22.

[4]高向東，張 勇.大功率光纖激光焊熔池形態(tài)及焊接穩(wěn)定性分析[J].焊接學(xué)報(bào)，2009，32（9）：13-16.

[5]毛鵬軍，張 慧.計(jì)算機(jī)視覺(jué)及其在焊接中的應(yīng)用[J].電焊機(jī)，2002，32（7）：1-4.

[6]王 萍，孫紹功.圖像處理技術(shù)在焊縫跟蹤中的應(yīng)用[J].電焊機(jī)，2008，38（2）：1-4.

[7]孫永香，梁 勇，張承明，等.基于鏈碼的葉片圖像形狀特征提取方法研究[J].儀器儀表學(xué)報(bào)，2007，28（4）：610-613.