焊接質(zhì)量在線檢測(cè)方法分析

劉振玲

（湘潭電機(jī)股份有限公司，湖南 湘潭 411101）

近年來，焊接技術(shù)應(yīng)用越加廣泛，尤其是基于現(xiàn)代科技的不斷發(fā)展，焊接自動(dòng)化、智能化程度越來越高，在焊接質(zhì)量、效率方面的要求不斷提升。基于此背景下，傳統(tǒng)的由人工對(duì)焊縫進(jìn)行檢驗(yàn)的方法已經(jīng)不再適用，借助于計(jì)算機(jī)技術(shù)開發(fā)出來的焊接在線檢測(cè)系統(tǒng)，可對(duì)焊接工藝參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)記錄存儲(chǔ)，實(shí)現(xiàn)對(duì)焊接質(zhì)量的預(yù)測(cè)、判定，加強(qiáng)此方面的研究對(duì)我國(guó)現(xiàn)代焊接生產(chǎn)的發(fā)展具有重要意義，有利于保證焊縫質(zhì)量，提高產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力以及提高生產(chǎn)效率。

1 焊接質(zhì)量在線檢測(cè)方法的提出背景

焊接技術(shù)是一種基礎(chǔ)加工工藝，涉及材料、結(jié)構(gòu)、加工自動(dòng)化與機(jī)械化、質(zhì)量評(píng)估與控制等多方面內(nèi)容，焊接效果在一定程度上直接影響到產(chǎn)品最終的質(zhì)量。隨著對(duì)焊接產(chǎn)品需求量的增加，相應(yīng)的對(duì)生產(chǎn)效率、質(zhì)量的要求也越來越高，傳統(tǒng)焊接技術(shù)正逐漸被淘汰，各種自動(dòng)化焊接技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，為滿足現(xiàn)代制造加工技術(shù)發(fā)展要求，加強(qiáng)相關(guān)自動(dòng)化技術(shù)與質(zhì)量檢測(cè)技術(shù)的研發(fā)具有重要意義。

通過對(duì)傳統(tǒng)焊接質(zhì)量檢測(cè)技術(shù)分析可知，其主要采取的焊后檢驗(yàn)方式，如抽樣目測(cè)、剖切檢驗(yàn)等，由于整個(gè)焊接過程中存在大量的隨機(jī)因素，僅僅依靠焊后檢驗(yàn)缺乏實(shí)時(shí)性，無法及時(shí)給焊接過程提供有效的質(zhì)量的反饋信息，以致于很多焊接缺陷未能夠在第一時(shí)間被發(fā)現(xiàn)，最終導(dǎo)致焊接質(zhì)量較差。根據(jù)理論與實(shí)踐分析可知，焊接過程中會(huì)產(chǎn)生一系列的物理、化學(xué)變化，如電弧光譜、聲譜以及焊接電流、電壓的變化等均會(huì)影響到焊接質(zhì)量，對(duì)此類信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，可為焊接質(zhì)量預(yù)測(cè)、判斷提供可靠依據(jù)，此種焊接質(zhì)量在線檢測(cè)方法研究也逐漸成為熱點(diǎn)問題。

2 幾種焊接質(zhì)量在線檢測(cè)方法及其原理分析

為提高焊接自動(dòng)化水平，保證產(chǎn)品質(zhì)量，焊接質(zhì)量在線檢測(cè)方法的應(yīng)用越加廣泛，現(xiàn)主要就以下幾種焊接技術(shù)展開分析。

2.1 結(jié)構(gòu)光視覺傳感法

此檢測(cè)方法，主要是在焊縫表面投射一束輔助激光，通過視覺傳感器獲取反射的焊縫輪廓光條紋信號(hào)，并借助圖像處理技術(shù)提取結(jié)構(gòu)光條紋中心線、模式識(shí)別技術(shù)識(shí)別目標(biāo)焊縫輪廓，最終為焊縫質(zhì)量判斷提供可靠信息。此方法已經(jīng)在實(shí)際焊接工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)得到了應(yīng)用，其可獲取兩種圖像：一是焊縫結(jié)構(gòu)光光紋圖像，可用于檢測(cè)焊縫表面是否存在幾何形狀缺陷；二是焊縫灰度圖像，可用于檢測(cè)焊縫表面是否存在小孔等表面缺陷。

2.2 同軸視覺檢測(cè)法

此方法主要用于激光焊接質(zhì)量檢測(cè)，利用激光發(fā)射器自身的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，將監(jiān)視器與激光發(fā)射器同軸安裝，實(shí)現(xiàn)同軸視覺檢測(cè)。在焊接過程中，通過此檢測(cè)方法可直接拍攝激光束對(duì)準(zhǔn)位置正下方的熔池、匙孔圖像，并借助圖像開展變化規(guī)律的分析，實(shí)現(xiàn)對(duì)焊接位置信息的識(shí)別、判斷。

2.3 紅外傳感檢測(cè)法

此方法主要是利用紅外溫感系統(tǒng)直線方向?qū)缚p進(jìn)行熱量掃描，記錄下紅熱狀態(tài)的焊縫熱能。在實(shí)際焊接技術(shù)應(yīng)用中，可將傳感技術(shù)安裝在焊槍后，根據(jù)焊縫溫度分布情況，可對(duì)焊縫缺陷部位、特征等進(jìn)行識(shí)別。

3 實(shí)例分析焊接質(zhì)量紅外在線檢測(cè)方法的應(yīng)用

本文僅以紅外傳感檢測(cè)法為例展開試驗(yàn)分析，以此實(shí)現(xiàn)對(duì)焊接質(zhì)量的在線檢測(cè)，此技術(shù)覆蓋率大、圖像采集速度快，為焊接缺陷檢測(cè)提供了廣泛的可能性。

3.1 紅外在線檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本試驗(yàn)以紅外在線檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)管道激光/電弧復(fù)合焊接質(zhì)量進(jìn)行檢測(cè)。本系統(tǒng)利用紅外熱像儀，通過非接觸測(cè)量的方式獲取熔池溫度分布，繪制熔池?zé)嵯駡D像，備注焊接時(shí)間、點(diǎn)位等信息；利用圖像處理系統(tǒng)，對(duì)熔池?zé)嵯駡D像進(jìn)行分析，獲取焊接質(zhì)量信息；根據(jù)圖像分析，判斷焊接過程中是否發(fā)生氣孔、夾渣、未熔合等缺陷，若是存在立即報(bào)警，提醒相關(guān)焊接工程師進(jìn)行處理，調(diào)整焊接工藝參數(shù)。

（1）紅外在線檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)備：包括紅外熱像儀、圖像分析計(jì)算機(jī)①RAYPi20HTRC紅外熱像儀：采樣速率30幀/s，設(shè)備分辨率高、溫度探測(cè)精度高、抗震動(dòng)性好，具體參數(shù)如下表1所示，基本滿足大口徑管道激光/電弧復(fù)合焊接質(zhì)量檢測(cè)技術(shù)需求。②圖像分析計(jì)算機(jī)：利用計(jì)算機(jī)完成圖像分析處理，通過RJ45以太網(wǎng)口與紅外熱像儀連接，構(gòu)建視頻數(shù)據(jù)傳輸鏈路。

（2）焊接質(zhì)量在線監(jiān)測(cè)軟件系統(tǒng)：包括圖像識(shí)別、圖像分析、焊接缺陷判斷報(bào)警、時(shí)空控制與日志模塊等。

表1 RAYPi20HTRC紅外熱像儀參數(shù)

3.2 紅外在線檢測(cè)系統(tǒng)工作方法

圖1為紅外在線檢測(cè)系統(tǒng)工作流程示意圖。

3.3 焊接質(zhì)量在線檢測(cè)試驗(yàn)

（1）焊接試件。本次焊接試件采用的是X70鋼制管線，直徑1016mm、壁厚17.5mm，采用管道激光—電弧復(fù)合焊，利用紅外在線檢測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行質(zhì)量分析。

（2）焊接質(zhì)量在線檢測(cè)效果。本次焊接質(zhì)量在線檢測(cè)試驗(yàn)完成后，繪制了焊接熔池溫度梯度圖。①正常焊接情況下，焊接熔池溫度梯度為近圓形，若是溫度梯度圓度大于所設(shè)閾值，表明焊接質(zhì)量達(dá)標(biāo)，系統(tǒng)自動(dòng)記錄焊點(diǎn)信息與質(zhì)量評(píng)分；若是溫度梯度圓度小于所設(shè)閾值，表明焊接質(zhì)量不合格，系統(tǒng)也會(huì)自動(dòng)記錄相關(guān)信息，同時(shí)對(duì)焊接缺陷開展分類判定。②不合格判定結(jié)果下，系統(tǒng)對(duì)焊接熔池溫度梯度圖開展進(jìn)一步分析，溫度梯度畸變處于圖像邊緣、焊接熔池變小，則可判斷為未熔合缺陷；溫度梯度畸變處于圖像中心、存在溫度過高/低點(diǎn)，則可判斷為焊接夾渣、氣孔缺陷。本次焊接質(zhì)量在線檢測(cè)中，一旦出現(xiàn)焊接質(zhì)量缺陷，立即發(fā)出了聲光報(bào)警，提醒焊接工程師及時(shí)處理，完成焊接工作后系統(tǒng)自動(dòng)生成日志，記錄各點(diǎn)位焊接質(zhì)量信息，重點(diǎn)標(biāo)注疑似焊接缺陷點(diǎn)，為焊接質(zhì)量檢測(cè)提供參考。

圖1 紅外在線檢測(cè)系統(tǒng)工作流程圖

4 結(jié)語

綜上所述，隨著焊接自動(dòng)化、智能化的發(fā)展，利用焊接過程中的電弧光譜、電弧聲譜以及焊接時(shí)焊接電流和電弧電壓的變化等信號(hào)，對(duì)焊接質(zhì)量進(jìn)行評(píng)估已經(jīng)成為一大研究熱點(diǎn)，由此焊接質(zhì)量在線檢測(cè)方法得到快速發(fā)展。本文通過試驗(yàn)分析，驗(yàn)證了焊接質(zhì)量紅外在線檢測(cè)方法的應(yīng)用效果，其檢測(cè)效率高，檢測(cè)結(jié)果精確，實(shí)現(xiàn)了焊接缺陷的有效分類判定，具有推廣應(yīng)用價(jià)值。