激光-电弧复合焊焊缝截面几何尺寸的测量方法

2023-12-29洪延武钟秒金

电焊机 2023年12期

洪延武，钟秒金

1.江门职业技术学院智能制造与装备学院，广东江门 529030

2.长春理工大学机电工程学院，吉林长春 130022

0 引言

在激光-电弧复合焊接中，由于焊接工艺参数众多以及相互之间的强耦合性，任何一个参数的改变都会影响焊接质量，尤其对焊缝形貌的影响最为显著，因此焊接工艺参数对焊缝形貌尺寸的影响一直是国内外研究的重点。张鹏贤［1］等通过激光扫描获得焊缝视觉图像，然后利用图像处理方法实现了焊缝宽度和焊缝长度的检测算法。诸慧慧［2］利用结构光检测系统获得焊缝的形貌图片，通过图像处理后对焊缝的宽度和高度形貌特性进行提取，根据得到的几何参数进行数值模拟焊缝的三维信息。王秀平［3］等利用激光视觉传感器采集焊缝图片，并对图片进行预处理，然后根据概率神经网络识别焊缝类型，最终得到焊缝中心位置和焊缝宽度特征信息。上述研究采用较为复杂的激光检测系统来获取焊缝图片，且只是测量了焊缝余高、熔宽和熔深三个尺寸，如若想对焊缝形貌进行更加深度的研究，需要测量更多的焊缝截面几何尺寸。传统的焊缝形貌尺寸测量设备是金相显微镜，采用金相显微镜拍摄焊缝截面的整体形貌照片，用设备自带的LAS软件通过在形貌尺寸照片上标注比例尺，然后手动测量需要的焊缝尺寸数据，因此消耗了大量的人力和时间，另外LAS测量软件也无法完成极坐标下的尺寸测量。

基于上述问题，本研究采用极坐标的方式对焊缝截面尺寸进行测量，通过SOBEL边缘检测算法提取焊缝形貌轮廓、定位识别形貌轮廓中心点并以此作为原点建立极坐标系。识别定位焊缝形貌边缘轮廓角度分别为15°，30°，…，360°的像素坐标，利用比例尺实现焊缝截面极坐标下几何尺寸的自动测量。

1 激光-电弧复合焊接试验及焊缝截面几何尺寸数据测量

1.1 复合焊接试验

自行研制的复合装置平台如图1所示，将德国通快公司的Nd：YAG固体激光器和最大焊接电流为350 A的Panasonic YD-350AG2HGE型MIG/MAG焊机进行旁轴复合。激光经220 mm聚焦镜聚焦，获得0.5 mm直径光斑；离焦量为-2 mm。MAG焊枪保护气体为10%CO2+90%Ar的混合气体，流量为17 L/min。试验材料为尺寸150 mm×30 mm×6 mm的低合金高氮钢板，采用平板对接焊。采用直径为1.2 mm的不锈钢焊丝，干伸出长度12 mm，电弧焊矩倾角为60º。焊接完成后经过数控线切割获取焊缝截面，经抛光、4%硝酸酒精溶液腐蚀后，采用MEG体式显微镜测得焊缝形貌尺寸数据。

图1 焊接试验系统平台Fig.1 Platform of the hybrid welding experiment

1.2 焊缝截面轮廓的提取及去噪处理

焊缝截面尺寸自动测量系统是基于像素点个数来进行计算测量，根据标记比例尺的像素点个数和对应尺寸的像素点个数计算转换。因此需要对焊缝截面图片进行预处理，利用金相显微镜的LAS测量软件在图片上标记比例尺，为了能够有效识别焊缝截面轮廓曲线，减少干扰点，提高截面尺寸测量精度，需要采用MATLAB程序对焊缝截面图片进行变暗预处理，并采用高亮的颜色标记出轮廓和比例尺，然后采用基于RGB梯度原理的Sobel算法对截面轮廓边缘进行提取，如图2所示。

图2 图片预处理及轮廓提取Fig.2 Image preprocessing and contour extraction

1.2 极坐标尺寸测量建模

焊缝截面尺寸测量一般以焊缝轮廓中心点作为坐标原点，因此通过程序寻找截面轮廓曲线最右、最左、最上和最下的像素点并连接左右点和上下点，两条线的交点即为焊缝截面尺寸测量的极坐标系原点。如图3所示。

图3 基于焊缝轮廓建立的极坐标系Fig.3 Polar coordinate system built on the welding bead outline

以交点作为极坐标系的中心点，寻找角度为15°，30°，…，360°的像素点坐标（Xi，Yi），根据像素点的坐标计算对应角度下的尺寸Li。同时识别比例尺标注线最左和最右的像素点坐标（xi，yi），并计算比例尺标注线的长度li。则对应角度的焊缝截面几何尺寸长度di计算公式为：

通过代码编程识别对应焊缝截面轮廓图片上所有测量点的像素坐标，然后根据上述计算公式即可得到对应焊缝截面极坐标下的所有尺寸。

2 焊缝截面几何尺寸自动测量系统数据验证

2.1 焊接样本尺寸数据的测量

将试验得到的28组焊缝截面图片经过上述预处理过程后，导入该自动测量系统进行测试，得到焊缝截面尺寸数据。随机选取三组试验样本的尺寸测量数据，并和实际焊缝截面图片进行对比。选取的三组焊接工艺参数组合如表1所示，测得对应的焊缝截面几何尺寸数据如表2所示。

表1 随机挑选三组进行尺寸测量的工艺参数Table 1 Measured dimensions of welding bead shape chosen randomly

表2 三组样本焊缝截面极坐标尺寸Table 2 Measured dimensions of welding bead with chosen welding parameters

焊缝截面尺寸测量总共包含26组尺寸，其点1～点6示意如图5所示，由于对接焊的平板被焊穿透后会有底部外延部分，故增加点7和点9两个测量点以显示该部分的几何特征，其他测量序列点依次类推，各测量点间隔15°。

图5 焊缝截面尺寸测量点示意Fig.5 Diagram of measuring points in the welding cross-section

2.2 焊接样本截面尺寸测量精度验证

由于传统金相显微镜无法测量特定角度焊缝形貌尺寸，为验证开发的自动测量系统准确性，故只测量焊缝最左端、下端、右端和上端的截面尺寸，对应的测量点为测量点8、测量点15、测量点21和测量点26（即熔深，熔宽，余高），对比如表3所示。

表3 自动测量尺寸和传统手动测量尺寸对比误差Table 3 Comparison between the measuring system presented in this paper and the traditional system

由表3可知，本研究提出的焊缝截面尺寸自动测量方法具有较高的测量精度，测量误差均在3%以内。为了更加形象地显示自动测量尺寸的准确性，将实际的焊缝截面图片和测量的数值模拟焊缝轮廓图片进行对比，三组样本的测量尺寸和实际焊缝截面图片对比如图6所示。由图6可知，开发的极坐标下测量焊缝截面尺寸系统基本能够反映焊缝截面轮廓，具有一定的实用价值。