基于焊縫缺陷的板帶激光焊機焊縫質(zhì)量在線檢測系統(tǒng)

供稿|郭利華，李張翼

內(nèi)容導讀 焊縫表面形貌檢測主要是指通過傳感器對焊縫的表面形貌進行分析，通過提取影響焊縫的余高、凹陷或錯邊等缺陷對焊縫質(zhì)量進行判斷。直接獲取焊縫表面形貌、表面幾何缺陷進行質(zhì)量分析和在線檢測具有直觀性，非接觸性等優(yōu)點，在激光焊接焊縫表面檢測上具有廣泛的應(yīng)用前景。本文分析了幾種成熟的激光焊機焊縫表面質(zhì)量檢測方法，并根據(jù)焊縫質(zhì)量缺陷類型，開發(fā)可應(yīng)用于各種連續(xù)生產(chǎn)線的焊縫質(zhì)量在線檢測系統(tǒng)，實用效果良好。

隨著科技的不斷發(fā)展和對節(jié)能減排的整體要求，連續(xù)化生產(chǎn)已經(jīng)成為板帶生產(chǎn)的主流。帶鋼的連續(xù)生產(chǎn)線上，激光焊機以焊縫強度高且平整、帶鋼成材率高和斷帶率低等獨特的優(yōu)勢，已成為首選焊接設(shè)備[1]。

激光焊機廣泛應(yīng)用于板帶連續(xù)生產(chǎn)線上，焊縫質(zhì)量是影響板帶連續(xù)生產(chǎn)線穩(wěn)定運行的最主要因素。在激光焊接過程中，激光和被焊接材料相互作用后會產(chǎn)生劇烈的物理化學變化，從而產(chǎn)生電、磁、光、熱等信號，如等離子體、超聲波、紫外輻射等，這些信號在不同程度上反應(yīng)了焊接過程是否穩(wěn)定，所以，通過監(jiān)控這些信號對焊接過程進行穩(wěn)定性分析，可以判斷焊縫焊接質(zhì)量的好壞。但由于這些過程檢測信號和焊接質(zhì)量之間是非線性關(guān)系，二者之間極難建立準確的數(shù)學模型，因而只能用來輔助分析焊接質(zhì)量的優(yōu)劣，不能作為判定焊縫質(zhì)量是否合格的最終判據(jù)。以前，激光焊機焊縫質(zhì)量普遍采用人工檢查，而為減少操作人員的作業(yè)強度及生產(chǎn)線的作業(yè)時間，越來越多激光焊機配置了焊縫質(zhì)量在線檢測系統(tǒng)。目前國內(nèi)大部分板帶激光焊機焊縫質(zhì)量在線檢測采用視覺檢測技術(shù)，如德國Miebach 公司推出的QCDS 系統(tǒng)[2]，其原理是利用類似人類視覺感官的傳感器來獲取檢測對象的圖像信息，然后由計算機按照設(shè)計的圖像處理算法對其進行實時處理和判斷。

常見焊縫缺陷

板帶激光焊機焊接質(zhì)量取決于來料帶鋼的板型、設(shè)備精度和焊接參數(shù)。常見的焊縫缺陷[3-4]見圖1。

圖1 常見的焊縫缺陷：(a)焊縫凹陷；(b)余高過大；(c)未焊透；(d)焊穿；(e)錯邊；(f)氣孔；(g)裂紋

焊縫凹陷

指焊縫“下凹”，焊接時激光功率太大、鋼板間拼縫間隙太大或焊接速度過慢都會導致焊縫下凹，如果焊縫下凹陷嚴重，焊縫會承受不住生產(chǎn)線張力而發(fā)生撕裂導致斷帶。

焊縫余高過高

指焊縫“上凸”，激光焊接時激光功率太小、拼縫間隙太小或者焊接速度過快都會導致焊縫余高過高。激光焊接時焊縫過高因鋼水未完全穩(wěn)定分布在拼縫間隙中，流到焊縫表面上，使焊縫內(nèi)部連接差、強度不夠，易發(fā)生撕裂甚至斷帶。

激光填絲焊接時送絲速度過快或焊接速度過慢、拼縫間隙內(nèi)填充量過大也會導致焊縫過高，如果余高超過10%焊縫高度，焊縫過軋機時會導致軋制力波動，損傷軋輥。

未焊透

未焊透是指激光沒有將帶鋼下表面完全熔化。焊接時激光焦距較小、激光功率較小或者焊接速度較快都會導致未焊透。

焊穿

焊穿是焊縫出現(xiàn)間歇性不平整，并出現(xiàn)燒孔，焊縫背面出現(xiàn)黑色突起。焊接時激光焦距較大、焊接功率較大或者焊接速度較慢都會導致焊穿。

錯邊

焊接后帶鋼不在同一水平面上，存在著厚度方向的偏移。產(chǎn)生錯邊的原因有很多，最常見的有來料板形差、支承輪表面質(zhì)量不佳或者雙切剪剪切質(zhì)量不良。

氣孔及裂紋

焊接時熔化的焊縫金屬中所吸收的氣體在冷卻前來不及從熔池中排出，殘留在焊縫中形成孔穴。氣孔的存在會減低焊縫強度，也產(chǎn)生應(yīng)力集中，增加了低溫脆性，熱裂傾向等。

焊縫金屬氣孔內(nèi)的氣體可能來自母材、焊絲、焊劑、焊條藥皮、保護氣體、焊縫表面銹污及大氣等，因此形成氣孔的因素有以下幾種：母材成分及其脫氧條件、焊接方法、氣體保護方式、焊接規(guī)范、焊絲焊條類型、焊接環(huán)境與位置。

焊接裂紋是焊接件中最常見的一種嚴重缺陷。在焊接應(yīng)力及其他致脆因素共同作用下，焊接接頭中局部地區(qū)的金屬原子結(jié)合力遭到破壞而形成的新界面所產(chǎn)生的縫隙。它具有尖銳的缺口和大的長寬比的特征。

焊縫表面質(zhì)量檢測技術(shù)

焊縫表面質(zhì)量檢測是指在焊接完成后，對焊縫的外形尺寸如錯邊，對焊縫的宏觀尺寸如焊縫凹陷、焊縫余高以及對焊縫的表面缺陷如氣孔、末熔透等進行外觀檢測。

結(jié)構(gòu)光視覺檢測技術(shù)

圖2 為結(jié)構(gòu)光視覺檢測示意圖。線激光器發(fā)出條形結(jié)構(gòu)光投射到焊縫上，條形結(jié)構(gòu)光因焊縫具有不同的接頭或形變而產(chǎn)生變形，并被攝像機攝取漫反射回來變形后的條形結(jié)構(gòu)光信號，最后將采集到的信號通過三角形測量原理、圖像處理技術(shù)以及模式識別技術(shù)完成焊縫表面特征的提取[5-6]。

圖2 結(jié)構(gòu)光視覺檢測示意圖

基于條紋圖像的結(jié)構(gòu)光視覺檢測方法圖像處理簡單、速度快、精度適中，適合三維輪廓的在線檢測。如焊縫凹陷、余高過高、焊穿和錯邊。然而該方法是通過對變形的激光條紋進行圖像處理來獲取待檢焊縫的特征，而激光條紋又是具有一定寬度的亮線，因此在檢測小的微觀缺陷時無法獲得滿意的效果。

基于灰度圖像的視覺檢測技術(shù)

如圖3 所示，灰度圖像視覺檢測是利用LED 等照明光源對焊縫表面進行照明，由攝像機采集焊縫的灰度圖像，利用灰度差異和灰度突變所反映的信息來獲取焊縫的表面缺陷特征。但是由于待檢焊縫圖像的不確定性及焊接環(huán)境的復雜性，基于灰度圖像的視覺檢測無法做到焊縫缺陷自動識別，但是灰度圖像的機器視覺檢測方法更適合對小的氣孔、裂紋等微觀缺陷的直觀檢查[7]。

圖3 焊縫灰度圖像

焊縫熔透檢測

焊縫熔透程度是通過帶鋼下面的攝像機檢測激光焊接時的熔池狀態(tài)，通過檢測信號強度來判斷焊縫是否焊透。圖4 為傳感器獲得的圖像信號，對圖像信號進行灰階分析，得到直方圖，并對其進行均衡化，可以獲得較精確的灰度統(tǒng)計信息。將計算結(jié)果與所設(shè)置的閾值作對比，可判斷焊縫熔透程度，檢測未熔透及焊穿等焊縫缺陷[8]。

圖4 焊縫熔透檢測

激光焊機焊縫質(zhì)量在線檢測系統(tǒng)

激光焊機焊接材料不同，焊縫缺陷各不相同。對于焊接性能好的材料，如低碳鋼、奧氏體不銹鋼等，常見的焊縫缺陷類型是焊縫凹陷、余高過高、錯邊、焊穿及未焊透。對于高碳鋼和高強鋼，碳含量增加加劇了焊縫內(nèi)CO2增多，CO2氣體從焊縫內(nèi)逸出導致氣孔缺陷的產(chǎn)生。對于硅鋼，特別是含硅質(zhì)量分數(shù)在2%～5%的中高牌號硅鋼，其中的Si 元素對α-Fe 具有強烈的固溶強化作用，使硅鋼焊縫硬度、強度增加，塑性、韌性下降，容易產(chǎn)生裂紋[9-10]。表1 列舉了不同焊接材料焊縫缺陷類型及焊縫質(zhì)量檢測方法。

表1 不同焊接材料焊縫缺陷類型及檢測方法

綜上，為適應(yīng)所有焊接材料焊縫質(zhì)量檢測，本文開發(fā)了基于焊縫缺陷的激光焊機焊縫質(zhì)量在線檢測系統(tǒng)，圖5 為該系統(tǒng)傳感器配置示意圖。該系統(tǒng)由焊縫傳感器、圖像傳感器和熔透傳感器組成。焊縫傳感器布置在焊接頭后、帶鋼上部，通過結(jié)構(gòu)光視覺檢測技術(shù)檢測帶鋼上表面焊縫凹陷、余高過高、錯邊、焊穿等焊縫表面缺陷；圖像傳感器布置在焊接頭后、帶鋼下部，主要采集帶鋼下表面焊縫灰度圖像，檢查焊縫氣孔等缺陷；熔透傳感器布置在焊接頭下方，在線檢測焊接過程中熔池狀態(tài)。該系統(tǒng)可在線檢測冷軋板帶激光焊機焊縫質(zhì)量是否合格。

圖5 激光焊機焊縫質(zhì)量在線檢測系統(tǒng)配置

基于焊縫缺陷的激光焊機焊縫質(zhì)量在線檢測系統(tǒng)，具有較高的精確性、可靠性和實時性。本系統(tǒng)采用較低的成本，可以判定幾乎所有板帶表面焊縫質(zhì)量缺陷，目前已應(yīng)用于中冶南方新型板帶激光焊機上，大大提高了激光焊機自動化裝備水平。該系統(tǒng)與激光焊機自動焊接無縫對接，實現(xiàn)了激光焊機的無人化及智能化。

圖6 為某廠測試階段激光焊機焊縫質(zhì)量在線檢測系統(tǒng)檢測一條未合格焊縫畫面，從畫面上明顯看出焊縫中部出現(xiàn)嚴重錯邊缺陷，并且系統(tǒng)報告該焊縫不合格。操作工未對焊縫進行重焊操作，導致焊縫在機組出口活套處開裂，且開裂部位與焊縫質(zhì)量在線檢測系統(tǒng)報告缺陷部位一致。

圖6 基于焊縫缺陷的激光焊機焊縫質(zhì)量在線檢測系統(tǒng)應(yīng)用：(a)系統(tǒng)截圖；(b)實物

結(jié)束語

本文分析了冷軋板帶激光焊機常見焊縫缺陷、成因及3 種用于檢測常見焊縫缺陷的視覺檢測技術(shù)。通過歸類總結(jié)不同焊接材料焊縫缺陷類型及檢測方法，開發(fā)了一種可適用各種材料的冷軋板帶激光焊機在線質(zhì)量檢測系統(tǒng)，該系統(tǒng)目前已應(yīng)用于中冶南方激光焊機上，實用效果良好。