CN107931802B - 基于中红外温度传感的电弧焊焊缝质量在线检测方法 - Google Patents

基于中红外温度传感的电弧焊焊缝质量在线检测方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于中红外温度传感的电弧焊焊缝质量在线检测方法，是在焊接同时采用红外传感器对形成的焊接熔池后方10mm处高温焊缝区域进行拍摄，形成实时焊接红外图像，将所述红外图像信息以温度标定方法转化成数字信息，根据采集数据进行提取和计算，得到焊缝的宽度和中心轨迹线，并依据焊缝宽度和中心轨迹线的变化判识焊接缺陷。本发明检测方法简单方便，能够实时检测识别出焊缝缺陷，并可以通过调整焊接工艺消除缺陷。

Description

基于中红外温度传感的电弧焊焊缝质量在线检测方法
技术领域
本发明属于焊缝检测技术领域，涉及一种在线检测焊缝成形及焊接缺陷的方法。
背景技术
弧焊焊接过程中的质量检测非常重要，决定着焊缝是否合格及满足使用要求。焊缝的质量检测主要包括：焊缝外观形状和表面缺陷检测、焊缝内部缺陷检测、焊缝各种性能检测。
其中，焊缝内部缺陷的检测主要采用X射线、超声波探伤等无损检测方法实现，主要应用于压力容器以及重要承载结构焊缝的检测中，已具有完善严格的质量检测标准。焊缝各种性能检测包括力学性能、腐蚀性能等的检测，用来评价焊接工艺评定和材料焊接性实验使用。
而焊缝外观形状和表面缺陷检测应用最广，基本所有的工业焊缝都要进行外观和表面缺陷检测。
目前，在核电、化学工业容器、高铁制造、汽车轮船等重要行业的焊接中，除了内部检测要求外，均需要进行严格的焊缝外观形状和表面缺陷检测。
焊接过程中，难免出现人为或非人为因素导致焊接方向发生改变，进而导致焊偏；焊接过程中，焊接参数的改变直接影响焊缝的形状的改变，进而产生焊接缺陷，严重影响焊接质量。
但到目前为止，在大多数情况下，焊缝表面缺陷检测还停留在主要依靠肉眼观察和简单测量来实现。如采用测量器具（焊缝尺寸测量尺）对对接焊缝的宽度、高度，角焊缝的焊角尺寸等进行测量，其科学性、精确性都受到检验人员主观因素的影响，大多数焊缝表面缺陷只能定性检出。而且上述检测均为焊后进行，很难满足自动化焊接生产中对焊缝质量快速、准确、在线检测的工业要求。
随着工业技术的大力发展，非接触式检测方法也在不断地被更新和发现，使得在线检测的难度进一步降低。但是，由于技术不成熟等一些因素，许多非接触式检测方法依然存在有缺陷。如，X射线无损检测设备复杂，成本高，而且检测过程需要防护；光、电、声检测只能检测到对应因素可能造成的影响，存在不确定性。
新兴的红外测温技术是一种新的非接触式在线检测方式。红外测温测量速度快、范围宽、灵敏度高，对被测温度场无干扰，是一种快速有效的结构状态在线实时检验工具，检测可靠性较高。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于中红外温度传感的电弧焊焊缝质量在线检测方法，以能够在线测量焊缝的热轨迹及宽度变化，进而判识出焊接缺陷。
具体地，本发明的基于中红外温度传感的电弧焊焊缝质量在线检测方法是在焊接的同时，采用红外传感器对所述焊接形成的焊接熔池后方10mm处高温焊缝区域进行拍摄，形成实时焊接红外图像，将所述红外图像信息转化成数字信息，根据采集数据进行提取和计算，得到焊缝的宽度和中心轨迹线，依据焊缝宽度和中心轨迹线的变化判识焊接缺陷。
当物体的温度高于绝对零度时，由于其内部热运动的存在，就会不断地向四周辐射电磁波，其中包含了波段位于0.75～100μm的红外线。物体的红外辐射能量大小及波长分布与其表面温度有着十分密切的关系，通过测量物体自身辐射的红外能量，可以准确测定出其的表面温度。
焊接过程中所形成的焊接熔池后方焊缝温度很高，一般的测温计很难靠近并准确测量出其表面温度。而红外测温仪通过测量焊缝辐射的红外能量，能够准确测量出焊缝表面任意一点的温度，并由此提供精确的焊缝表面温度分布曲线。
基于上述原理，本发明采用采集波段为2.5～25μm的红外相机作为红外传感器来采集焊缝表面温度，并以此判定焊缝质量。
焊接熔池体积小，冷却速度快。电弧焊条件下，焊接熔池体积最大只有30cm3。焊接熔池随热源等速移动，熔池内的金属熔化和凝固同时进行。本发明结合一般熔焊时的焊接移动速度、熔池表面平均凝固速度、焊缝温度扩散情况，并考虑焊接过程中产生的高温飞溅，经过大量的试验验证，确定焊缝区域的最佳采集距离在焊接熔池后方10mm处。
红外传感器采集到的实时焊接红外图像上，像素点不同颜色对应不同的焊缝温度。图像上像素点颜色越红亮，说明某一时刻，红外传感器采集范围内工件的焊缝温度越高。
所采集到的焊接红外图像上，每个像素点颜色所对应的温度值是确定的。因此，可以方便地将采集到的图像信息提取出来转换成数字信息，进而，通过编程软件从所述数字信息中采集需要的数据，经计算获得图像中每一帧焊缝的宽度和焊缝中心点位置，进而根据每一帧的焊缝宽度和中心点数据拟合出焊缝的波动曲线。
进一步地，本发明根据所述拟合曲线，可以判断出焊缝的宽度变化和中心线轨迹，并由此判定出焊缝缺陷。
具体地，本发明是预先设定好焊缝边界温度，根据设定的焊缝边缘温度确定出每一帧焊缝的两侧边缘位置，由此可以计算出每一帧焊缝的宽度和中心线。
其中，所述的焊缝边界温度是根据焊接材料以及焊接参数进行设定的。
以下给出了本发明定性判断焊缝宽度和中心线轨迹变化，以及根据焊缝宽度和中心线轨迹变化定性判断焊缝缺陷的具体判定标准。
1）定性判定焊缝宽度变化：
在稳定焊接的情况下，红外图像上每一帧焊缝对应的相应颜色像素点为M个。
如果在连续的所有帧中，所选取范围的像素点为M±N（N表示设定的误差），则可以判定焊缝宽度保持不变。
或者根据所提取的每一帧的焊缝边界温度数据，如果H1=H2=H3=……=HS-1=HS，则焊缝宽度保持不变。其中HS是第S帧焊缝的边界温度。
如果在所选取范围内，部分连续的帧中，在考虑误差N的情况下，像素点依然小于M个，则可以判定该部分连续帧的焊缝变窄；反之，在考虑误差N的情况下，如果像素点大于M个，则判定该部分连续帧的焊缝变宽。
2）定性判定焊缝轨迹变化：
在红外图像上的选取范围内，连续帧的焊缝中心点在水平方向上保持不变，即由所有中心点连接成的中心线保持水平，判定焊缝轨迹保持不变。
或者根据每一帧焊缝边界温度数据计算得到的焊缝中心点数据Y1=Y2=Y3=……=YS-1=YS，则焊缝轨迹保持不变。其中YS是第S帧焊缝的中心点位置。
如果选取范围内的中心线在水平方向发生弯曲，则判定焊偏。
3）定性判定焊缝缺陷：
本发明根据焊缝区域温度变化来判定焊缝缺陷。在焊接过程中，如果焊接参数发生变化，或人为因素导致焊缝出现夹渣等缺陷，采集区内焊缝温度会出现不规则波动，显现为红外图像选取范围内的像素点颜色出现大幅度不规则波动，指示该区域内温度出现不连续性，焊接到此处时出现焊接缺陷。
本发明所建立的基于中红外温度传感的电弧焊焊缝质量在线检测方法通过对焊接过程中的焊缝热图像进行实时监测采集，并将采集到的热图像以温度标定方法提取得到焊缝图像对应的温度矩阵及数据，得出采集到焊缝的宽度、中心轨迹线，通过分析计算结果和曲线判定焊缝轨迹、宽度及缺陷。本发明建立的检测方法简单方便，能够实时检测识别出焊缝缺陷，并可以通过调整焊接工艺消除缺陷。
附图说明
图1是本发明中红外温度传感焊缝质量在线检测装置的结构示意图。
图2是采集焊缝的宽度拟合曲线。
图3是采集焊缝的中心轨迹线拟合曲线。
图4是实施例3焊接实例的检测结果图。
图5是实施例4焊接实例的检测结果图。
图6是实施例5焊接实例的检测结果图。
图7是实施例6焊接实例的检测结果图。
图8是实施例7焊接实例的检测结果图。
具体实施方式
下述实施例仅为本发明的优选技术方案，并不用于对本发明进行任何限制。对于本领域技术人员而言，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
实施例1。
本实施例提供了一种利用中红外温度传感器对电弧焊焊缝质量进行在线检测的检测装置，其结构如图1所示。
其中使用的相机为凝视型焦平面阵列中远红外相机。
图中将焊枪与相机固定，焊接过程中其位置保持固定不变。
为了保护相机，防止焊接过程中产生的高温飞溅损坏相机镜头，将相机设置在一个密闭的相机保护盒内，并在相机镜头上套有一个套筒。相机镜头长度50mm，套筒长度L1=245mm。
设置焊枪与工件之间的距离L3=12mm。
在不考虑焊接熔池尺寸的前提下，设置相机与焊接熔池之间的距离L2=270mm，相机镜头水平向下35°，使相机采集区域初始位置距离焊接熔池L4=10mm（即相机采集焊接熔池后方10mm处位置的焊缝温度），则相机的焦距为L2－50=220mm。
实施例2。
采用实施例1的检测装置对焊接过程进行实时监测，采集焊接过程的焊缝热图像。以温度标定方法从采集到的焊缝热图像上提取出对应的温度矩阵及数据，将采集到的图像信息提取出来并通过红外图像分析软件转换成数字信息。进而，对提取的数据采用LabVIEW软件按照计算方法进行计算得出焊缝宽度，并通过软件编程将计算结果拟合成焊缝波动曲线和中心轨迹曲线。通过曲线可以直接观察焊缝宽度、中心轨迹线偏移及部分缺陷。
设置焊接熔池后方10mm处焊缝边缘温度值为M。
焊接过程中共采集S帧。在第x帧中，光标选取某纵列P个像素值，则从第x帧中提取P个数值，在这P个数值中找出所有大于等于M的值，根据焊缝对称原理，记录大于等于温度M的值所处的行的位置Yn,Ym(Yn＞Ym)，光标在第x帧所选取的某纵列上，焊缝宽度Hx=Yn－Ym（Hx对应所占像素点多少）。在所有帧中，光标选取某纵列共有S×P个值，在S×P中找出所有大于M的数值。根据上述计算结果，可以得出S帧，同一纵列位置焊缝宽度依次为H1，H2，H3，……，HS-1，HS，将H1，H2，H3，……，HS-1，HS拟合成图2所示的拟合曲线，图中横坐标时间表示帧数，共S帧；纵坐标幅值表示焊缝宽度Hx，对应值为像素点个数。
焊接过程中共采集S帧。在第x帧中，光标选取某纵列P个像素值，则从第x帧中提取P个数值，在这P个数值中找出所有大于等于M的值，根据焊缝对称原理，记录大于等于温度M的值所处的行的位置Yn,Ym(Yn＞Ym)，光标在第x帧所选取的某纵列上，焊缝中心线位置Yx=(Yn－Ym)÷2。根据上述计算结果，可以得出S帧，同一纵列位置焊缝中心线依次为Y1，Y2，Y3，……，YS-1，YS，将Y1，Y2，Y3，……，YS-1，YS拟合成图3所示的拟合曲线，图中横坐标时间表示帧数，共S帧；纵坐标幅值表示焊缝中心轨迹线变化。
实施例3。
本实施例使用1.2mm 309L不锈钢药芯焊丝，焊接过程中对焊接电压进行变化，即将焊接电压按照先20V、升高至25V、再恢复至20V的规律进行变化，其他焊接参数设置固定为：电流150A，焊速300mm/min，气流量15L/min。
变压情况下实际拍摄到的焊缝图像如图4（a）所示。
图4（b）给出了中红外温度传感测量到的焊缝宽度变化曲线。图中方形选区第5000帧以前，焊缝宽度基本保持水平；第5000帧以后（电压开始从20V改变到25V）电压开始增加，焊缝宽度也随之增加。椭圆形区域内，在第6600帧以后，电压从25V降为20V，焊缝也随之变窄，和5000帧以前宽度相同。图4（a）焊缝宽度变化与图4（b）中计算得到的焊缝变化一致。
图4（c）给出了中红外温度传感测量到的焊缝中心轨迹线变化曲线。从计算曲线观察到焊接过程中焊缝中心轨迹线不变，判定焊接方向保持不变。这与图4（a）实际拍摄到的不改变焊接方向、只改变电压情况下的焊缝轨迹变化一致。
实施例4。
本实施例使用1.2mm 309L不锈钢药芯焊丝，焊接过程中对焊接电流进行变化，即将焊接电流按照先150A、减小至100A、再恢复至150A的规律进行变化，其他焊接参数设置固定为：电压20V，焊速300mm/min，气流量15L/min。
变流情况下实际拍摄到的焊缝图像如图5（a）所示。
图5（b）给出了中红外温度传感测量的焊缝宽度变化曲线。图中方形区域内，第4200帧以后，调节焊接电流从150A减小到100A，焊缝宽度逐渐变小；椭圆形区域内，第10000帧以后，焊接电流从100A增加到150A，焊缝宽度也随之变宽，恢复到之前宽度。计算结果与图5（a）拍摄的实际焊缝宽度变化规律吻合。
图5（c）给出了中红外温度传感测量的焊缝中心轨迹线变化曲线。从计算曲线观察到焊接过程中焊缝中心轨迹线不变，判定焊接方向保持不变。这与图5（a）实际拍摄到的不改变焊接方向、只改变电流情况下的焊缝轨迹变化一致。
另外，在实际焊接过程中，当焊接电流从150A减小到100A的时候，由于电流减小出现断弧现象，导致：1）焊缝宽度的计算中出现图5（b）5500帧到9500帧中间的不规则波动；2）图5（c）的中心轨迹线出现间断。以上两种情况不影响判定结果，且由现象2）可以判定焊接过程中焊缝出现缺陷。
实施例5。
本实施例使用1.2mm 309L不锈钢药芯焊丝，焊接参数设置固定为：电压20V，电流150A，焊速300mm/min，气流量15L/min。焊接过程中保持焊枪与相机的位置不变，移动工件，使焊缝在工件上的位置发生改变。
焊缝位置改变情况下实际拍摄到的焊缝图像如图6（a）所示。
图6（b）给出了中红外温度传感测量的焊缝中心轨迹线变化曲线。图中前2000帧焊缝保持不变，第2000帧到3000帧焊接方向发生改变，第3000帧到4500帧，焊接方向保持不变，4500帧以后，焊接方向持续改变（椭圆形选区），11000帧以后焊接方向继续保持不变。图6（a）的实际焊缝拍摄图与上述计算结果一致。
本实施例的焊接过程是在三维空间中的圆柱形工件上进行的，通过旋转工件来实现焊接轨迹线的改变。图6（a）的实际焊缝拍摄图中，受到拍摄条件影响，焊缝熔敷在圆柱形工件上的图6（a）红色方形区域内，实际焊缝是水平的。
实施例6。
本实施例使用1.2mm 309L不锈钢药芯焊丝，焊接参数设置固定为：电压20V，电流150A，焊速300mm/min，气流量15L/min。焊接方向保持不变，焊接过程中出现夹渣或人为导致焊缝出现缺陷，通过计算焊缝宽度来判定此类缺陷。
图7（a）提供了焊接实际拍摄图，图7（b）为中红外温度传感测量的焊缝宽度变化曲线，图7（c）为实际采集的红外图像。
（a）中选区焊缝缺陷“1”“2”“3”“4”位置分别对应（b）中的“5”“6”“7”“8”和（c）中的“9”“10”“11”“12”选区。从（b）的计算可以观察到，选区位置焊缝宽度大幅变小，从而判定焊缝在此采集时间段内出现缺陷。
实施例7。
本实施例使用1.2mm 309L不锈钢药芯焊丝，焊接参数设置固定为：电压20V，电流150A，焊速300mm/min，气流量15L/min。焊接方向保持不变，焊接过程中出现夹渣或人为导致焊缝出现缺陷，通过计算焊缝宽度和中心轨迹线来判定此类缺陷。
图8（a）提供了焊接实际拍摄图，图8（b）为中红外温度传感测量的焊缝宽度变化曲线，图8（c）为实际采集的红外图像。图8（d）为中红外温度传感测量的焊缝中心轨迹线变化曲线。
（a）中选区“1”“2”“3”“4”“5”位置分别对应（b）中“6”“7”“8”“9”“10”和（c）中“11”“12”“13”“14”“15”，（d）中选区“16”对应（a）中“5”、（b）中“10”和（c）中“15”。
从图8（a）的实际拍摄图可以看出焊缝缺陷比较严重。通过（b）可以得出，当焊缝出现夹渣等缺陷时，计算出的焊缝宽度波动无规则。而当夹渣比较大时，熔池在凝固过程中，金属液体熔敷不到，使得夹渣处熔敷金属很少甚至没有。选区“10”和“16”处曲线出现间断，说明此处温度过低，低于计算程序设定的焊缝边界温度，从而可以判定此处缺陷比较严重。

Claims (4)

1.一种基于中红外温度传感的电弧焊焊缝质量在线检测方法，是在焊接的同时，采用采集波段为2.5～25μm的红外相机作为红外传感器，对所述焊接形成的焊接熔池后方10mm处高温焊缝区域进行拍摄，形成实时焊接红外图像，将所述红外图像信息转化成数字信息，根据采集数据进行提取和计算，得到焊缝的宽度和中心轨迹线，依据焊缝宽度和中心轨迹线的变化判识焊接缺陷。
2.根据权利要求1所述的电弧焊焊缝质量在线检测方法，其特征是将所述采集数据的计算结果拟合成焊缝波动曲线和中心轨迹曲线，通过焊缝波动曲线和中心轨迹曲线判断焊缝的宽度和中心轨迹线的变化，由此判定焊缝缺陷。
3.根据权利要求1或2所述的电弧焊焊缝质量在线检测方法，其特征是所述焊缝宽度的计算中，是根据检测到的设定的边界温度来确定焊缝两侧边缘的位置。
4.根据权利要求3所述的电弧焊焊缝质量在线检测方法，其特征是所述边界温度根据焊接材料及焊接参数进行设定。
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