圖像法在管道焊接裂縫檢測(cè)中的應(yīng)用

陳莉，趙海麗，張瑜，王書朋

（長春理工大學(xué) 電子信息工程學(xué)院，長春 130022）

圖像法在管道焊接裂縫檢測(cè)中的應(yīng)用

陳莉，趙海麗，張瑜，王書朋

（長春理工大學(xué) 電子信息工程學(xué)院，長春 130022）

在管道焊接過程中，利用圖像處理法可得到大量的焊接裂縫圖像信息與特征信息?？赏ㄟ^對(duì)焊接裂縫信息的檢測(cè)，從而實(shí)現(xiàn)在焊接過程中對(duì)焊接裂縫質(zhì)量的實(shí)時(shí)控制。針對(duì)在管道焊接過程中容易造成焊接微小裂縫這一問題，提出了一種基于圖像處理法的管道焊接裂縫檢測(cè)系統(tǒng)。系統(tǒng)主要包括激光器、CCD攝像機(jī)、圖像采集卡、計(jì)算機(jī)圖像處理軟件等。通過實(shí)驗(yàn)研究表明，該系統(tǒng)有協(xié)調(diào)能力好、抗干擾能力強(qiáng)、控制精度高，性價(jià)比高等優(yōu)點(diǎn)。

焊接裂縫；圖像處理法；CCD攝像機(jī)

管道作為液體和氣體的傳輸載體，像液化氣傳輸管道、石油傳輸管道和化學(xué)品傳輸管道等，已廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)生活中。管道的鋪設(shè)需要將多條短管道焊接在一起，焊接過程中可能存在人為失誤或自然環(huán)境以及材料的影響造成焊接處出現(xiàn)極小的縫隙，而這些縫隙是人眼不易識(shí)別的，如不能及時(shí)檢測(cè)到并加以修繕將會(huì)造成極大的安全隱患。人工檢測(cè)準(zhǔn)確度低，可靠性差，因此考慮運(yùn)用光譜成像技術(shù)的設(shè)備對(duì)管道焊接裂縫進(jìn)行檢測(cè)，由于機(jī)器視覺技術(shù)和光譜技術(shù)具有快速、可靠、無損的特點(diǎn)。因此該檢測(cè)技術(shù)具有廣闊的應(yīng)用前景。

1 管道焊接裂縫產(chǎn)生原因及焊接接頭特征

1.1 管道焊接縫隙產(chǎn)生的原因

眾所周知管道的焊接就是小型的局部冶金過程，就是在管道的切口面上使填充材料在高溫?zé)嵩吹淖饔孟氯刍Y(jié)晶而將兩根金屬管道連接在一起。但焊接的過程是局部、快速的加熱，因此這種連接方式也存在不均勻性和縫隙的可能性［1］。由焊接裂縫產(chǎn)生的原因不同，焊接裂縫有多種分類：按裂縫的產(chǎn)生的溫度區(qū)間，可以分為熱裂縫、溫裂縫和冷裂縫。按裂縫產(chǎn)生的機(jī)理，可以分為重結(jié)晶裂縫、析集裂縫及熱應(yīng)力裂縫［2］。綜上，造成管道焊接接頭形成裂縫的原因大致可以歸結(jié)為兩類，即金屬融化因素和力學(xué)因素。這兩個(gè)因素會(huì)對(duì)管道的焊接產(chǎn)生三種不均勻性：物理不均勻性、化學(xué)不均勻性和力學(xué)不均勻性。因而管道焊接裂縫的種類、形成條件、形態(tài)和分布特征都必然與這三個(gè)不均勻性相關(guān)。

1.2 管道焊接接頭的特征區(qū)域

焊接時(shí)，因?yàn)榧訜釙r(shí)金屬受熱是不穩(wěn)定的，不同的受熱時(shí)間和溫度影響下，使焊接的接口處出現(xiàn)不同的結(jié)構(gòu)形態(tài)和受力區(qū)間，這對(duì)焊接出現(xiàn)裂縫具有直接的影響。因而，了解焊接接口的特征區(qū)域是進(jìn)行焊縫檢測(cè)的基礎(chǔ)。一般兩個(gè)管道進(jìn)行焊接時(shí)，在對(duì)接處會(huì)有一定角度的焊接坡口，如圖1中標(biāo)注2所示。在焊接熱源作用下，焊接材料（填充金屬）熔化成熔滴、母材也熔化掉一部分、兩部分金屬組成熔池，凝固結(jié)晶后稱作焊縫金屬［3］。焊接材料的含碳量及合金的成分都小于母材，純凈度較高，因而焊接材料的混合比直接影響焊接裂縫。液態(tài)焊縫金屬與固態(tài)的母材金屬的交界面是空間曲面，從管道焊接接頭橫截面處觀察是一條曲線，稱為熔合線。熔合線上的液態(tài)焊縫金屬同熔合線下處于液固相間狀態(tài)和部分熔化的金屬通過凝固連接在一起，形成焊接接頭［4］。

由于焊接過程是多種混合金屬的熱熔和冷卻結(jié)晶的過程，因此冷卻后的接頭與母體材料存在差異：

（1）焊接接頭金屬與母材金屬具有不同的組織性能；

（2）焊接接頭區(qū)域的化學(xué)成分不均勻；

（3）局部的加熱造成焊縫材料隨溫度變化出現(xiàn)組織梯度。

根據(jù)焊接接頭的特征區(qū)域可知，焊縫的幾何尺寸主要包括焊接坡口深度、寬度等。焊縫的深度即母材的熔化深度，它影響著焊縫的承載能力［5］。焊縫寬度是焊縫表面兩焊趾直接距離，焊縫的成形系數(shù)是熔寬與熔深之比，它的大小會(huì)影響到熔池中的氣體逸出、熔池的結(jié)晶方向、焊縫中成分的偏析等，從而影響到焊縫產(chǎn)生缺陷或缺欠的敏感性。

圖1 管道焊接接頭的特征區(qū)1—焊縫2—焊接坡口面3—熔合線4—熱影響區(qū)5—母材

2 總體方案

以上對(duì)管道焊接過程中容易造成裂縫的因素和焊接接頭特征區(qū)進(jìn)行了分析，下面將討論對(duì)于出現(xiàn)的微小裂縫如何運(yùn)用光學(xué)系統(tǒng)結(jié)合成像技術(shù)加以檢測(cè)。

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

系統(tǒng)工作原理是由激光器發(fā)射光源照射管道焊接接頭處，然后由CCD攝像機(jī)攝取圖像，CCD攝像機(jī)能夠把攝取到的圖像轉(zhuǎn)化為可測(cè)的電信號(hào)，電信號(hào)被圖像采集卡所接收，然后將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)傳送給PC機(jī)，PC機(jī)通過圖像處理技術(shù)將接收信號(hào)進(jìn)行處理還原攝取到的圖像［6］。再經(jīng)過計(jì)算機(jī)圖像處理軟件進(jìn)行圖像預(yù)處理，得到管道焊接裂縫的位置和坡口幾何參數(shù)信息，并顯示最終圖像處理結(jié)果。

2.1 光源的選擇

系統(tǒng)一般可以采用自然光、電弧光、激光等作為光源，但是由于在焊接過程中有強(qiáng)烈的電弧輻射光干擾，在可見光范圍內(nèi)其強(qiáng)度都遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于熔池的輻射光強(qiáng)，因此系統(tǒng)選用紅外激光器作為光源。這是由于紅外激光器的波長能夠與電弧光波長區(qū)分開來，有助于在接收端獲得清晰的圖像。

2.2CCD攝像機(jī)

CCD即電容耦合器件，可直接將光信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)。其有體積小、重量輕、穩(wěn)定性好、抗沖擊、靈敏度高、速度快、像素密度高、成本低等一系列優(yōu)點(diǎn)。故系統(tǒng)采用CCD攝像機(jī)拍攝管道焊接接口圖像。

在焊接過程中，紅外激光器發(fā)射出紅外激光以一已知角度照射焊接接口處，CCD攝像機(jī)攝取這一角度接口圖像，經(jīng)處理可得到焊接方向坡口以及間隙數(shù)值等參數(shù)。但是由于在焊接過程中，焊接區(qū)域極易受到弧光干擾?；」飧蓴_是因?yàn)闉榱吮苊馊鄢乇砻娴慕饘佥椛?，在熔池表面上方?huì)加層保護(hù)氣體，從而造成了保護(hù)氣體輻射。為了能夠有效排除弧光干擾，所以在CCD攝像機(jī)前加了濾光鏡頭，能夠有效的防止圖像信息被弧光淹沒。

2.3 圖像采集卡

圖像采集卡的主要功能是將CCD攝像機(jī)攝取到的模擬信號(hào)圖像轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號(hào)圖像。CCD攝像機(jī)將采集到的圖像進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)后，將轉(zhuǎn)換結(jié)果傳送給計(jì)算機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)處理。原理框圖如圖3所示。

圖3 圖像采集卡原理框圖

該圖像采集卡的A/D采集是實(shí)時(shí)的，并且為了提高其實(shí)時(shí)采集能力，該圖像采集卡采用了圖像存儲(chǔ)器來拓展計(jì)算機(jī)內(nèi)存。所以該圖像采集卡能夠在焊接時(shí)，有較強(qiáng)的抗干擾能力。

2.4 計(jì)算機(jī)圖像處理程序

在實(shí)際焊接過程中，因?yàn)楦鞣N因素干擾，會(huì)獲得有缺陷的實(shí)際焊接圖像，但通過計(jì)算機(jī)圖像軟件處理，對(duì)得到的焊接圖像進(jìn)行濾波、增強(qiáng)、銳化、二值化，便可以得到有用的焊接圖像參數(shù)［7］。

2.4.1 坡口參數(shù)的提取

在焊接過程中，坡口參數(shù)對(duì)其質(zhì)量影響非常大，所以提取坡口參數(shù)是計(jì)算機(jī)圖像處理的重要內(nèi)容，坡口參數(shù)主要包括坡口寬度、坡口深度、坡口角度等。所以設(shè)計(jì)了處理軟件得到坡口參數(shù)。其程序框圖如圖4。

圖4 計(jì)算機(jī)圖像處理流程圖

（1）圖像濾波

由于在焊接過程中的各種干擾因素，得到的焊接圖像有噪聲污染，所以要通過圖像濾波把噪聲污染導(dǎo)致的干擾信號(hào)濾除掉［8］。

（2）圖像增強(qiáng)

采集圖像時(shí)，由于光照的影響，使得采集到的圖像信號(hào)很弱，對(duì)比度小，圖像特征不明顯，所以系統(tǒng)采用增加對(duì)比度的方法來改善圖像的視覺效果。

（3）圖像銳化

在圖像傳輸過程中，會(huì)使圖像受到干擾而變得圖像模糊，輪廓不明顯。用銳化的方法處理圖像后，使圖像的邊緣和輪廓變得清晰、清楚。

（4）二值化

把圖像灰度信號(hào)轉(zhuǎn)化為二值信號(hào)以便于軟件提取坡口各種參數(shù)。

（5）計(jì)算參數(shù)

利用設(shè)計(jì)的處理軟件計(jì)算坡口參數(shù)。（6）顯示參數(shù)

在計(jì)算機(jī)上顯示坡口參數(shù)，便于參考。

2.4.2 弧焊自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)

弧焊自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)主要是利用模擬積分把二維圖像壓縮，然后將壓縮得到的信號(hào)進(jìn)行處理，經(jīng)過壓縮得到的亮度信號(hào)在坡口處有強(qiáng)烈的變化，根據(jù)該變化找到坡口中心，從而進(jìn)行對(duì)焊接的實(shí)時(shí)自動(dòng)控制［9］。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與結(jié)論

在實(shí)驗(yàn)室中，該系統(tǒng)可以穩(wěn)定工作。利用圖像法對(duì)管道焊接裂縫進(jìn)行檢測(cè)和處理后，可以對(duì)管道焊縫進(jìn)行實(shí)時(shí)的對(duì)中控制。而且當(dāng)檢測(cè)精度可達(dá)± 0.1mm時(shí)，計(jì)算機(jī)圖像處理軟件仍可以顯示出管道焊接裂縫的準(zhǔn)確位置和參數(shù)，并且與實(shí)際參數(shù)值相符合。并且符合在實(shí)際焊接中精度為±（0.5～0.7）mm的要求。

通過實(shí)驗(yàn)研究表明，利用圖像法對(duì)管道焊接裂縫檢測(cè)的系統(tǒng)，有協(xié)調(diào)能力好、抗干擾能力強(qiáng)、控制精度高、性價(jià)比高、適用面廣等優(yōu)點(diǎn)。

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Application of Image Technique in The Detection of Pipeline Welding Cracks

CHEN Li，ZHAO Haili，ZHANG Yu，WANG Shupeng
（School of Electronics and Information Engineering，Changchun University of Science and Technology，Changchun 130022）

In the process of pipeline welding，a large number of image information and feature information can be obtained by im?age processing.Through the detection of welding crack information，so as to realize the real-time control for the quality of weld?ing cracks in the welding process.In this paper，a new method based on image processing is proposed to detect the cracks in the welding process.The system mainly includes laser，CCD camera，image acquisition card and computer image processing soft?ware.The experimental results show that the system has the advantages of good coordination ability，strong anti-interference ability，high control precision and high cost performance ratio.

welding cracks；image technique；CCD camera

TG409

A

1672-9870（2017）02-0115-03

2016-12-05

吉林省科技廳項(xiàng)目（20140204035G）

陳莉（1991-），女，碩士研究生，E-mail：447632379@qq.com

趙海麗（1977-），女，博士，副教授，E-mail：zhljlcc@126.com