焊接缺陷磁光成像三維輪廓重構(gòu)識別

季玉坤，王聰毅，劉倩雯，張艷喜，高向東

焊接缺陷磁光成像三維輪廓重構(gòu)識別

季玉坤，王聰毅，劉倩雯，張艷喜，高向東*

（廣東工業(yè)大學(xué) 廣東省焊接工程技術(shù)研究中心，廣東 廣州 510006）

對焊件表面及亞表面缺陷進(jìn)行無損檢測是保證焊接產(chǎn)品質(zhì)量的關(guān)鍵。提出了一種基于法拉第磁致旋光效應(yīng)的磁光成像焊接缺陷三維重構(gòu)方法，實(shí)現(xiàn)焊接缺陷形狀和大小的識別。基于磁光成像原理分析漏磁場磁感應(yīng)強(qiáng)度與磁光成像的對應(yīng)關(guān)系，以脈沖激光焊接凹坑（3 mm×0.3 mm×0.25 mm）為研究對象，建立焊接凹坑缺陷三維有限元磁場仿真模型，探索漏磁場磁感應(yīng)強(qiáng)度分布規(guī)律。通過圖像數(shù)字化技術(shù)及磁光成像像素值的分布規(guī)律，提取缺陷的二維輪廓信息，并設(shè)計(jì)梯度-偏差算法構(gòu)建深度信息，最終獲得焊接缺陷的三維輪廓。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：缺陷處距離中心點(diǎn)越遠(yuǎn)磁場應(yīng)強(qiáng)度越大，場強(qiáng)變化梯度越大處越接近軸方向中心點(diǎn)。與共聚焦顯微鏡獲取的缺陷輪廓信息對比，凹坑最大深度均在150～200 μm之間，平均深度及深度中位數(shù)相差較小，分別為0.1，2 μm。磁光成像檢測技術(shù)具有較高的識別精度，可實(shí)現(xiàn)對焊接缺陷的三維輪廓重構(gòu)。

磁光成像；焊接缺陷；法拉第磁致旋光效應(yīng)；輪廓重構(gòu)

1 引　言

焊接作為一種高效、低成本的加工工藝，在制造業(yè)中有著舉足輕重的地位［1-3］。由于焊接過程中存在不可控因素，焊件表面及亞表面極易產(chǎn)生缺陷，從而影響焊接產(chǎn)品質(zhì)量，其中焊接凹坑缺陷是最為常見的焊接缺陷種類之一［4-5］。為防止焊接缺陷導(dǎo)致的安全事故，需對焊縫進(jìn)行無損檢測。常用的無損檢測技術(shù)有射線檢測、超聲檢測、磁粉檢測、渦流檢測和滲透檢測［6-11］。然而，這些技術(shù)難以對亞表面不可見缺陷進(jìn)行檢測。

人們基于法拉第磁致旋光效應(yīng)，提出了一種新型焊接缺陷磁光成像無損檢測技術(shù)。相比于傳統(tǒng)無損檢測技術(shù)，磁光成像檢測技術(shù)不僅可對焊件表面缺陷進(jìn)行識別，而且能夠?qū)啽砻娌豢梢娙毕葸M(jìn)行檢測，并將缺陷信息直接轉(zhuǎn)化為圖像信息，具有較高的靈敏度和精確度。磁光成像檢測技術(shù)已用于焊接缺陷識別分類，文獻(xiàn)［12］建立十字形焊縫裂紋的有限元分析模型，研究不同瞬態(tài)時間下旋轉(zhuǎn)磁場的分布，并提出一種利用旋轉(zhuǎn)磁場激勵的多向MO成像無損檢測系統(tǒng)，用于焊縫自然缺陷的檢測，有效實(shí)現(xiàn)了多向不可見焊縫缺陷的檢測。文獻(xiàn)［13］利用磁光成像檢測技術(shù)對高強(qiáng)鋼裂紋進(jìn)行識別，采取主成分分析和支持向量機(jī)共同構(gòu)建裂紋識別模型，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該方法可提高焊接裂紋檢測精度。文獻(xiàn)［14］采用磁光成像檢測電弧增材制造試樣中的缺陷，提取表面缺陷紋理特征，并構(gòu)造改進(jìn)的反饋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型對成形件表面質(zhì)量進(jìn)行分類預(yù)測，為電弧增材制造中試樣缺陷檢測提供了新的解決方案。文獻(xiàn)［15］提出利用旋轉(zhuǎn)磁場對焊接缺陷磁光成像進(jìn)行檢測，通過提取磁光成像紋理特征并采用支持向量機(jī)建立分類模型，實(shí)現(xiàn)了較高的檢測準(zhǔn)確度。然而，焊接缺陷的磁光成像三維輪廓重構(gòu)目前還處于理論和實(shí)驗(yàn)研究階段［16］，需進(jìn)一步研究分析焊接缺陷輪廓及其磁光成像之間的規(guī)律與聯(lián)系。

本文根據(jù)磁光成像檢測原理及漏磁場仿真規(guī)律，提出一種焊接缺陷磁光成像三維輪廓重構(gòu)方法。通過分析缺陷漏磁場與相應(yīng)磁光成像像素值對應(yīng)關(guān)系，構(gòu)建焊接缺陷三維有限元磁場仿真模型，研究缺陷形狀與對應(yīng)漏磁場的分布規(guī)律，利用圖像數(shù)字化技術(shù)及梯度-偏差法獲取焊接缺陷三維輪廓。該方法對焊縫表面及亞表面不可見缺陷均可實(shí)現(xiàn)檢測及重構(gòu)，并且具有較高的檢測精度。

2 磁光成像原理

磁光成像檢測技術(shù)屬于漏磁檢測范疇。被磁化后的焊件相當(dāng)于條形磁鐵，磁感線會從焊件內(nèi)部通過，不會形成漏磁場。若焊件內(nèi)部不連續(xù)，存在缺陷時，則焊件內(nèi)部的磁導(dǎo)率與母材不一致，磁路會在不連續(xù)處發(fā)生局部畸形并產(chǎn)生磁極，由于空氣磁阻與工件磁阻不同，從而產(chǎn)生漏磁現(xiàn)象。

焊接缺陷磁光成像檢測技術(shù)是根據(jù)法拉第效應(yīng)設(shè)計(jì)而成［17-18］，工作原理如圖1所示。光源發(fā)射出的光線經(jīng)過偏振片變成線偏振光，勵磁裝置磁化含有缺陷焊件后產(chǎn)生的漏磁場改變磁光薄膜處磁場狀態(tài)，線偏振光的偏振面經(jīng)過磁光薄膜會發(fā)生一定角度的偏轉(zhuǎn)，經(jīng)過檢偏器被CMOS相機(jī)采集，最后被磁光成像采集系統(tǒng)轉(zhuǎn)化為光強(qiáng)圖后保存［19］。

圖1　焊接缺陷磁光成像檢測原理圖

設(shè)沿線偏振光傳播方向的漏磁場磁感應(yīng)強(qiáng)度為，線偏振光通過磁場路徑長度為，入射光的光強(qiáng)為0，經(jīng)過磁場后CMOS相機(jī)采集到的光強(qiáng)為，則偏振面旋轉(zhuǎn)角度及光強(qiáng)分別為：

其中為菲德爾常數(shù)。由于光強(qiáng)與磁光成像像素值相對應(yīng)，因此焊接缺陷漏磁場處的磁感應(yīng)強(qiáng)度與磁光成像像素值成正相關(guān)。

3 有限元仿真

3.1　焊接缺陷三維有限元磁場仿真模型

利用磁光成像檢測技術(shù)構(gòu)建焊接缺陷三維模型，前提是分析出焊接缺陷的形貌特征、漏磁場的分布規(guī)律及其磁光成像三者的相互關(guān)系。焊接缺陷處漏磁場的磁感應(yīng)強(qiáng)度與磁光成像像素值呈正相關(guān)，若要根據(jù)磁光成像像素值推導(dǎo)焊接缺陷的輪廓信息，先要分析出與的關(guān)系，因此這里利用有限元磁場仿真，探索焊接缺陷輪廓信息與其漏磁場磁感應(yīng)強(qiáng)度的關(guān)系。

有限元磁場仿真的理論基礎(chǔ)為麥克斯韋方程組［20］，采用Maxwell電磁仿真軟件建立焊接缺陷磁場仿真模型。實(shí)驗(yàn)設(shè)置焊接試樣的尺寸為200 mm（長）×100 mm（寬）×1 mm（高），表面凹坑尺寸設(shè)置為3 mm×0.3 mm×0.25 mm（長×寬×深），與勵磁裝置位于待測試樣異側(cè)。焊接試樣選用65 Mn，磁軛選擇錳鋅鐵氧體，采用恒定電流勵磁，電流值為1 A，焊接缺陷磁場仿真中磁感應(yīng)線的分布規(guī)律如圖2所示。

圖2　焊接缺陷三維有限元模型的磁感應(yīng)線分布

相比于空氣相對磁導(dǎo)率，焊接試樣相對磁導(dǎo)率較大，因此恒定勵磁源產(chǎn)生的磁感線大部分從焊接試樣內(nèi)部通過，只有少部分溢出進(jìn)入空氣域。當(dāng)磁感線經(jīng)過焊接試樣缺陷處時，會在缺陷左右兩側(cè)壁分別產(chǎn)生S極和N極，并形成漏磁場。

3.2　焊接缺陷漏磁場磁感應(yīng)強(qiáng)度分布

以焊接凹坑缺陷的幾何中心為原點(diǎn)，沿軸對缺陷處漏磁場進(jìn)行分析，提離度為0.5 mm，取樣長度為8 mm。在實(shí)際缺陷檢測中，平行于焊件表面的磁場不易被檢測裝置采集，因此以圖2中焊接缺陷仿真模型坐標(biāo)系為基礎(chǔ)，對漏磁場中方向的磁場分量進(jìn)行分析。圖3（a）為方向焊接缺陷漏磁場磁的感應(yīng)強(qiáng)度信息，磁感應(yīng)線沿坐標(biāo)軸從+4～4 mm經(jīng)過時，漏磁場的磁感應(yīng)強(qiáng)度先增大到極值點(diǎn)，后急劇減小至零點(diǎn)，接著反向增大到極值點(diǎn)，最后減少至零附近。為獲取不同寬度凹坑的漏磁場分布規(guī)律，設(shè)計(jì)仿真實(shí)驗(yàn)方案，如圖3（b）所示，隨著凹坑寬度的增加，磁感應(yīng)強(qiáng)度極大值點(diǎn)與極小值點(diǎn)的采樣距離變大，即磁感應(yīng)強(qiáng)度左右極值點(diǎn)處反映焊接凹坑兩側(cè)壁的信息。

圖4為方向三維焊接缺陷漏磁場的磁感應(yīng)強(qiáng)度信息。在焊接試樣無缺陷處，漏磁場強(qiáng)度幾乎為零，而在焊接缺陷處漏磁場的變化情況比較明顯，波峰與波谷之間磁場強(qiáng)度的梯度變化較大，越接近軸方向中心點(diǎn)處場強(qiáng)變化梯度越大。漏磁場磁感應(yīng)強(qiáng)度的波峰和波谷反映焊接表面凹坑兩側(cè)壁的信息，磁感應(yīng)強(qiáng)度梯度變化最大處反映凹坑中心線處的信息。即焊接表面凹坑邊緣信息與相應(yīng)磁光成像像素極值相關(guān)，凹坑中心線處像素值的梯度變化較大。

圖4　表面凹坑Z方向的三維漏磁場強(qiáng)度信息

4 實(shí)驗(yàn)與分析

4.1　焊接表面凹坑平面輪廓重構(gòu)

以脈沖激光焊接工藝加工焊接表面凹坑缺陷，為更加符合焊接缺陷磁光成像輪廓重構(gòu)在生產(chǎn)制造中的實(shí)際情況，特意選用表面不平整的焊接樣本，如圖5（a）所示。凹坑長度約為2 mm，寬度在0.25～0.55 mm之間，越接近凹坑中心處，深度值越大。對該焊件進(jìn)行恒定磁場勵磁，圖5（b）為焊接凹坑在最佳恒定磁場勵磁下獲取到的磁光圖像。圖像按列進(jìn)行分析，圖像左邊較亮，而右邊較暗。

圖5　凹坑缺陷及其磁光成像

凹坑處漏磁場的左右邊緣相對于中心線近似對稱分布，因此先提取凹坑左側(cè)邊緣所在區(qū)域，再提取凹坑右側(cè)邊緣所在區(qū)域。圖6為凹坑磁光成像左邊緣的提取結(jié)果，依次進(jìn)行圖像灰度處理、高斯濾波去噪、閾值分割、邊緣檢測、獲取區(qū)域輪廓以及提取感興趣區(qū)域（Region of Interest， ROI）等操作，最后得到ROI。ROI中的像素值為有效值，其余部分為0。

圖6　凹坑磁光成像左邊緣信息提取

統(tǒng)計(jì)圖6（f）中ROI區(qū)域的有效值分布為：橫坐標(biāo)像素118～143，縱坐標(biāo)像素82～305。根據(jù)凹坑處的漏磁場分布規(guī)律和磁光成像原理，劃分凹坑右側(cè)邊緣在橫坐標(biāo)像素143～200，縱坐標(biāo)像素82～305處。為使焊接缺陷磁光成像三維重構(gòu)有更好的容錯性，取凹坑二維邊緣所在區(qū)域，即橫坐標(biāo)像素83～285，縱坐標(biāo)像素82～305。

提取磁光成像中像素的極大值和極小值坐標(biāo)確定缺陷邊緣的相對位置信息，每連續(xù)5個極值作為一個個體，個體之間通過直線相連，如圖7（a）所示。對它進(jìn)行二值化處理，獲取更容易處理的邊緣信息，然后通過高斯濾波削弱連接點(diǎn)處直角，以上操作循環(huán)3次，使凹坑邊緣變得更加平滑，結(jié)果如圖7（b）所示。通過前期處理后的凹坑缺陷磁光成像邊緣信息更符合實(shí)際效果，將它與凹坑缺陷磁光成像進(jìn)行“與”操作，得到圖7（c）凹坑磁光成像。

圖7　凹坑二維平面輪廓

統(tǒng)計(jì)圖7（c）中每行有效值個數(shù)，如圖8所示。除上下邊緣外，每行有效值個數(shù)均在35～55之間，根據(jù)磁光成像像素標(biāo)定值為102 pixel/mm，可以確定每行凹坑缺陷寬度在0.3～0.5 mm之間，與凹坑缺陷的實(shí)際寬度相符。

圖8　ROI內(nèi)有效值分布

4.2　焊接缺陷磁光成像三維輪廓重構(gòu)

根據(jù)缺陷處漏磁場仿真結(jié)果，將凹坑缺陷磁光成像中的像素梯度值作為計(jì)算凹坑深度的輸入對象之一，分別計(jì)算待求點(diǎn)右側(cè)和下側(cè)的兩個像素點(diǎn)與其差值，作為兩個方向上的梯度變化，計(jì)算公式為：

其中：（，）為凹坑缺陷的磁光成像灰度值，R（，）表示待求點(diǎn)的梯度值，（，）為兩個方向梯度之和，1，2，3，4表示梯度權(quán)值。通過計(jì)算得到凹坑缺陷磁光成像ROI處的梯度分布，如圖9（a）所示。凹坑磁光成像中的梯度值在ROI邊緣處較小，中間梯度值較大，并存在許多噪點(diǎn)，需要添加更多與深度相關(guān)的磁光成像信息去重構(gòu)凹坑的三維輪廓。

以磁光成像橫向分析，中心線處像素值分布在整行像素值的期望處。首先計(jì)算磁光成像ROI處每行像素值的期望E，然后計(jì)算坐標(biāo)像素值與所在行期望值之差的絕對值，并乘以相應(yīng)權(quán)值后得到（，）作為凹坑深度信息衡量指標(biāo)之一。最終得到凹坑磁光成像像素值與期望值之差的絕對值分布，如圖9（b）所示。中心位置像素值較小，兩側(cè)像素值較大，圖像兩側(cè)像素值在100～200之間，呈現(xiàn)V形結(jié)構(gòu)，與凹坑的實(shí)際深度呈負(fù)相關(guān)。將（，）參與計(jì)算凹坑深度信息，與凹坑磁光成像梯度（，）做差得到（，），其中（，）、（，）分別表示為：

其中：（，）為實(shí)際凹坑深度的初步預(yù)測結(jié)果，如圖9（c）所示。在初步預(yù)測凹坑磁光成像深度信息中，凹坑中心線處較深并向兩側(cè)逐步變淺，符合實(shí)際凹坑深度分布規(guī)律，最大深度在200～300 μm之間，比實(shí)際深度略大。從整體深度預(yù)測結(jié)果分析，圖像存在較多的噪聲，點(diǎn)與點(diǎn)之間變化較快，不符合實(shí)際凹坑分布，因此對圖9（c）進(jìn)行兩步高斯濾波去噪。第一步采用的卷積核尺寸為5×5，第二步采用的卷積核尺寸為3×3，可有效去除圖像噪點(diǎn)，解決待求點(diǎn)不平滑問題，最后結(jié)果如圖9（d）所示。

圖9　凹坑缺陷磁光成像深度信息的重構(gòu)結(jié)果

4.3　結(jié)果分析

在獲取焊接缺陷磁光成像平面輪廓的基礎(chǔ)上，對焊接缺陷深度信息進(jìn)行對比分析。利用激光掃描共聚焦顯微鏡獲取焊接凹坑缺陷，采集原理是在熒光顯微鏡的基礎(chǔ)上添加激光掃描裝置，利用軟件進(jìn)行圖像生成和處理，從而獲得待測試樣詳細(xì)的三維結(jié)構(gòu)信息。當(dāng)試樣表面存在污漬時，生成的圖像會存在較多噪點(diǎn)，難以完全反應(yīng)表面缺陷信息，并且無法獲取內(nèi)部缺陷信息。磁光成像檢測技術(shù)是利用漏磁場原理及法拉第效應(yīng)，不受光線影響并能夠?qū)讣砻婕皝啽砻娌豢梢娙毕葸M(jìn)行識別及重構(gòu)。

圖10（a）是激光掃描共聚焦顯微鏡獲取的焊接凹坑缺陷三維特征，圖10（b）是磁光成像重構(gòu)出的缺陷三維輪廓信息。凹坑最大深度均在150～200 μm之間，形狀上類似一個個圓錐體，符合脈沖激光焊接加工工藝的成形結(jié)果。表1是兩種凹坑缺陷的三維模型結(jié)構(gòu)參數(shù)對比，兩者在整體尺寸上較為符合，其中平均深度及深度中位數(shù)相差較小，分別為0.1，2 μm，取前5個最大深度平均值A(chǔ)ve_5及方差Var_5，Var_5差別較大，即在反應(yīng)缺陷底部信息中兩者仍有差別。在總體方差中磁光成像重構(gòu)值較小，這是由于共聚焦顯微鏡在細(xì)微處存在噪點(diǎn)，圖像不連續(xù)處更多，即方差較大。因此，磁光成像檢測技術(shù)不僅可以構(gòu)建焊接缺陷的整體三維輪廓，而且在局部細(xì)微處的重構(gòu)效果更符合實(shí)際情況。

表1兩種凹坑缺陷的三維模型結(jié)構(gòu)參數(shù)

Tab.1　Structural parameters of three-dimensional models of two kinds of pit defect　（μm）

5 結(jié)　論

本文建立了焊接缺陷漏磁場的三維仿真模型，分析對比缺陷處漏磁場的分布規(guī)律。漏磁場在方向的磁感應(yīng)強(qiáng)度極值點(diǎn)對應(yīng)缺陷兩側(cè)壁，磁感應(yīng)強(qiáng)度為零的點(diǎn)可視為缺陷中心，場強(qiáng)變化梯度最大處位于軸方向中心點(diǎn)。缺陷邊緣信息對應(yīng)于磁光成像像素極值點(diǎn)處，缺陷沿軸方向中心點(diǎn)位于磁光成像像素值梯度變化最大處。利用數(shù)字圖像處理技術(shù)及磁光成像像素值的分布規(guī)律，提取缺陷的二維輪廓信息，缺陷寬度在0.3～0.5 mm之間。構(gòu)建梯度-偏差算法獲取焊接缺陷的三維輪廓。與共聚焦顯微鏡獲取信息對比，平均值、方差、Ave_5、Var_5、中位數(shù)分別相差0.1，8.1，15.2，4.1，2 μm，磁光成像輪廓重構(gòu)符合焊接缺陷的實(shí)際形貌，并在局部細(xì)微處的檢測更有優(yōu)勢。

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Three-dimensional reconstruction and recognition of weld defects based on magneto-optical imaging

JI Yukun，WANG Congyi，LIU Qianwen，ZHANG Yanxi，GAO Xiangdong*

（，，510006，），：

Nondestructive testing of the surface and subsurface of welding defects is key for ensuring the quality of welding products. A three-dimensional （3D） reconstruction method of welding defects based on Faraday magneto-optical imaging （MOI） is investigated to realize the shape and size recognition of welding defects. First， based on the principle of MOI， the corresponding relationship between the magnetic induction intensities of the magnetic leakage field and MOI is analyzed. Subsequently， using a pulsed laser welding pit （3 mm × 0.3 mm × 0.25 mm） as the research object， a 3D finite element magnetic field simulation model of the pit is established to investigate the distribution of magnetic induction intensity of the leakage field. Moreover， a two-dimensional plane contour of welding pit defects is extracted via image digitization and the pixel value distribution of MOI. A gradient-deviation algorithm is designed to construct the depth information. Finally， the 3D profile of the welding defect is obtained. Results show that the magnetic field intensity should be greater the farther it is from the center point of the welding pit defects. Meanwhile， the closer it is to the center point of the-axis direction， the larger is the gradient of the field intensity change. The maximum depth of the pits is between 150 and 200 μm， and the differences in the average and median depths are 0.1 and 2 μm， respectively， which are different from those of a confocal microscope. MOI technology affords high identification accuracy and can realize the 3D contour reconstruction of welding defects.

magneto-optical imaging（MOI）； weld defects； fraday magneto-optic rotation effect； contour reconstruction

TH865

A

10.37188/OPE.2021.0353

1004-924X（2022）01-0108-09

2021-05-28；

2021-07-05.

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（No.51675104）；廣州市科技計(jì)劃資助項(xiàng)目（No.202002020068，No.202002030147）

季玉坤（1994-），男，河南安陽人，碩士研究生，主要從事無損檢測研究。 E-mail：951612541@qq.com

高向東（1963-），男，廣東廣州人，教授，博士生導(dǎo)師，1985年于鄭州大學(xué)獲得學(xué)士學(xué)位，1988年于中南大學(xué)獲得碩士學(xué)位，1998年于華南理工大學(xué)獲得博士學(xué)位，主要從事焊接自動化研究。E-mail：gaoxd@gdut.edu.cn