基于小孔特征圖像處理的變極性等離子弧焊接工藝研究

(上海市特種設(shè)備監(jiān)督檢驗(yàn)技術(shù)研究院，上海 200062)

基于小孔特征圖像處理的變極性等離子弧焊接工藝研究

俞逸希王繼鋒

(上海市特種設(shè)備監(jiān)督檢驗(yàn)技術(shù)研究院，上海200062)

鋁合金變極性等離子弧焊是一種新型高效的焊接方法。針對等離子弧對焊接工藝參數(shù)的變化比較敏感的問題，建立了視覺傳感系統(tǒng)用于實(shí)時(shí)采集和處理小孔圖像，通過大量的焊接工藝試驗(yàn)探討了等離子弧焊工藝參數(shù)對小孔特征及焊縫成型的影響。結(jié)果表明，采用合理的焊接參數(shù)并結(jié)合背面小孔視覺特征，可以實(shí)現(xiàn)鋁合金的穿孔型變極性等離子焊接，并能夠穩(wěn)定地控制焊接過程。

變極性等離子弧焊小孔特征焊接工藝參數(shù)

0 序 言

隨著焊接技術(shù)的高速發(fā)展，“高能束焊接”技術(shù)研究目前已引起越來越多機(jī)械科學(xué)領(lǐng)域?qū)W者的關(guān)注。變極性等離子弧焊(Variable Polarity Plasma Arc Welding, 簡稱VPPAW)具有能量密度高、自適應(yīng)性強(qiáng)、對接頭裝配精度要求低、成本較低等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)也是航空航天領(lǐng)域普遍采用適合鋁合金的焊接技術(shù)[1-2]。但由于等離子弧隨著焊接工藝和規(guī)范參數(shù)的改變而變化較大，獲得良好焊接接頭的合理焊接參數(shù)范圍較窄、焊縫成型以及穩(wěn)定性較差[3]。為此，要實(shí)現(xiàn)對穿孔等離子弧焊焊接動態(tài)過程有效控制，最為重要的是提取能夠反映穿孔熔池狀態(tài)的視覺特征信號[4-6]。因此，文中決定從工件背面實(shí)時(shí)獲取小孔圖像，研究不同焊接參數(shù)下背面小孔特征與實(shí)際焊縫成型的關(guān)系，總結(jié)出VPPAW應(yīng)用在鋁合金焊接的高效高質(zhì)量新工藝。

1 焊接試驗(yàn)系統(tǒng)

變極性等離子弧穿孔立焊系統(tǒng)主要由XM焊接控制器、VP-450焊接電源、行走機(jī)構(gòu)以及送絲機(jī)構(gòu)組成。其中，XM焊接控制器主要負(fù)責(zé)調(diào)控焊接電流、焊接速度以及離子氣流量等工藝參數(shù)。對原有焊接平臺進(jìn)行改裝，在焊槍行走機(jī)構(gòu)上加裝了視覺傳感器，該視覺傳感器由CCD高速攝像機(jī)、減光片以及濾光片構(gòu)成，添加了視覺傳感系統(tǒng)的試驗(yàn)平臺如圖1所示。該試驗(yàn)系統(tǒng)為工藝試驗(yàn)、焊接參數(shù)選取、穿孔熔池等信息提取提供了條件和基礎(chǔ)。

圖1 VPPAW焊接試驗(yàn)平臺

2 小孔圖像采集及處理

該視覺傳感器選用了工業(yè)GigE系列相機(jī)(焦距50 mm)，同時(shí)考慮到弧光對圖像采集的影響，增添了減光以及濾光系統(tǒng)，根據(jù)弧光的光譜特點(diǎn)，選用了中心波長660 nm，帶寬35 nm，透過率90%的濾光片，透射率為2%的減光片。VPPAW背面小孔圖像可以通過該視覺傳感系統(tǒng)清晰地獲得。

觀察圖2a的背面小孔，在小孔附近定義五個(gè)間隔相等的Y坐標(biāo)，在每個(gè)Y坐標(biāo)上沿著X坐標(biāo)從上到下掃描小孔圖像，獲得的小孔灰度變化曲線如圖2b所示。從圖中可知，隨著Y軸距小孔中間區(qū)域的靠近，灰度曲線中灰度突變點(diǎn)更加顯著。考慮到灰度曲線中小孔中間部分區(qū)域均呈現(xiàn)灰度下降的趨勢，進(jìn)行邊緣提取時(shí)為了避免過濾掉最外層邊緣，文中選用了傳統(tǒng)的canny算法而非均勻二值化算法進(jìn)行提取邊緣。

首先需要均值濾波處理背面小孔，才能采用canny算法進(jìn)行邊緣提取操作，初次邊緣提取的結(jié)果如圖3b所示。然后再將小孔內(nèi)部偽邊緣通過區(qū)域面積濾波去除，最終獲得的小孔邊緣圖像如圖3c所示。觀察發(fā)現(xiàn)，小孔上下邊緣近似為兩個(gè)不同曲率半徑的橢圓，無法通過傳統(tǒng)的橢圓擬合法獲得背面小孔的特征信息。因此通過使用Matlab平臺封裝的find函數(shù)，找到了小孔邊緣間距最大的兩個(gè)點(diǎn)，測其距離L定義為小孔寬度L，由小孔邊緣內(nèi)區(qū)域像素點(diǎn)統(tǒng)計(jì)值定義為小孔面積A，通過自定義定量化的小孔特征參數(shù)來描述焊接的熔透狀態(tài)。

圖2 背面小孔沿焊接方向灰度分布

圖3 小孔有效參數(shù)提取

3 焊接工藝參數(shù)與小孔特征的關(guān)系

VPPAW中焊接參數(shù)間相互的匹配對小孔熔池穩(wěn)定成型至關(guān)重要。因此文中開展一系列焊接工藝試驗(yàn)，通過不斷改變焊接電流、焊接速度以及離子氣流量的大小，觀察分析影響小孔熔池穩(wěn)定性的重要影響因素，最終尋找出焊縫成型質(zhì)量最佳的焊接工藝參數(shù)。

3.1 工藝試驗(yàn)參數(shù)

文中試驗(yàn)全部在2219系列鋁合金工件上開展，以平板堆焊為主，一共進(jìn)行了二十組焊接試驗(yàn)，所使用的主要工藝參數(shù)見表1。所用工件尺寸為400 mm × 120 mm × 6 mm，部分焊接試驗(yàn)的焊接電流、焊接速度和離子氣流量見表2。

表1 焊接過程工藝條件

表2 焊接電流、焊接速度和離子氣流量

3.2 不同工藝參數(shù)焊接的穿孔過程

3.2.1 不同焊接電流的影響

隨著焊接電流的增加，電弧熔透能力也隨之增加，文中用VPPAW背面小孔特征參數(shù)的變化來衡量電弧熔透程度，如圖4a所示。并結(jié)合圖4b的正反面焊縫成型圖，進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)當(dāng)焊接電流較低時(shí)，背面小孔十分不穩(wěn)定且小孔區(qū)域亮度十分微弱；隨著焊接電流的增加，電弧熱-力作用能夠使小孔熔池穩(wěn)定成型，且小孔特征參數(shù)以及亮度均明顯增加；當(dāng)電流繼續(xù)增加時(shí)，過大的電流導(dǎo)致了熔池塌陷，焊縫成型十分不好。

3.2.2 不同等離子氣流量的影響

從圖5可知，當(dāng)離子氣流量較低為0.8 L/min時(shí)，電弧熔透力以及離子氣吹力較小，導(dǎo)致焊接過程中背面沒有完全穿透，僅使母材融化產(chǎn)生凸起，并無小孔出現(xiàn)；隨著離子氣流量增加到1 L/min，工件得以穿透，背面形成了穩(wěn)定的小孔；當(dāng)離子氣流量過大達(dá)到1.6 L/min時(shí)，焊接成型無法保證，熔池因過大的離子氣吹力十分不穩(wěn)定。

3.2.3 不同焊接速度的影響

從圖6可知，當(dāng)焊接速度較低為18 cm/min時(shí)，由于單位長度內(nèi)金屬熔敷量過多以及熱輸入過大，會出現(xiàn)正面熔池過寬從而有金屬瘤滴落以及反面突出太多的現(xiàn)象；隨著焊接速度增加到20 cm/min時(shí)，焊縫熱輸入量隨之減小，小孔成型趨于穩(wěn)定；當(dāng)焊接速度過快達(dá)到24 cm/min時(shí)，會導(dǎo)致成型金屬構(gòu)件表面寬窄不均勻甚至出現(xiàn)斷斷續(xù)續(xù)的現(xiàn)象，焊縫過低的單位熱輸入無法穿透工件，僅能夠使母材熔化背面產(chǎn)生凸起，但無法形成小孔。

圖4 焊接電流對接頭成型的影響

圖5 焊接氣流量對接頭成型的影響

圖6 焊接速度對接頭成型的影響

4 結(jié) 語

文中研究了焊接電流、焊接速度、離子氣流量對焊接成型以及穩(wěn)定性的影響，通過設(shè)計(jì)的視覺傳感系統(tǒng)以及Matlab軟件獲得了能夠衡量電弧穿透能力的小孔特征參數(shù)，進(jìn)行大量工藝試驗(yàn)研究小孔特征變化與焊接質(zhì)量的對應(yīng)關(guān)系。結(jié)果表明：焊接電流及離子氣流量對成型及穩(wěn)定性影響的敏感性要高于焊接速度，所以要保證焊接成型及穩(wěn)定性，就要在焊接速度不變時(shí)小范圍調(diào)節(jié)焊接電流以及離子氣流量。最終通過優(yōu)化試驗(yàn)，最佳焊接工藝參數(shù)確定為：焊接電流正極性180 A，反極性210 A，焊接速度為20～22 cm/min，等離子氣流量控制在1.0～1.2 L/min內(nèi)，可以實(shí)現(xiàn)良好的焊縫成型和穩(wěn)定的焊接過程。

[1] 李小宇，杜 兵，徐 良. 2219-T87鋁合金變極性等離子弧焊工藝工程適應(yīng)性研究[J]. 焊接，2013(10): 34-36.

[2] 田志杰，白景彬. 杜巖峰. 5A06鋁合金薄板VPPA焊接工藝研究[J]. 焊接，2012(1): 44-47.

[3] 秦建肖，昌 輝，黑鵬輝，等. S30408等離子焊接接頭組織與性能分析[J]. 焊接，2016(11): 52-55.

[4] 胡明華，楊學(xué)勤，吳 頔，等. 基于小孔特征的變極性等離子弧焊熔透預(yù)測方法[J]. 上海交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2016，50: 79-83.

[5] Wu D，Chen H，Huang Y，et al. Monitoring of weld joint penetration during variable polarity plasma arc welding based on the keyhole characteristics and PSO-ANFIS[J]. Journal of Materials Processing Technology，2017，239: 113-124.

[6] 韓永全，杜茂華，陳樹君，等. 鋁合金變極性等離子弧穿孔焊過程控制[J]. 焊接學(xué)報(bào)，2010，31(11): 93-96.

TG456.2

2017-06-21

上海市浦江人才計(jì)劃(15PJD035);上海市質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局(2016-11)。

俞逸希，1991年出生，大學(xué)本科，助理工程師。主要從事特種設(shè)備檢驗(yàn)檢測及加工工藝技術(shù)研究，已發(fā)表論文1篇。