CN108274095B - 基于正面熔池图像特征的非对称角焊缝焊接质量检测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于正面熔池图像特征的非对称角焊缝焊接质量检测方法，由CCD相机采集非对称角焊缝焊接的正面熔池图像，针对采集到的熔池图像的特点，利用研究的图像处理算法获取正面熔池图像的轮廓及焊枪在熔池图像中的位置，对焊枪在熔池中偏移规律以及焊后试件的熔透形态综合分析发现，当焊枪与厚板夹角变大时，角焊缝的厚板侧和薄板侧的母材熔化程度不同，焊枪相对熔池中心的位置也会向薄板一侧偏移，又由此偏移量建立偏移量与熔透形态的关系，从而实现对焊接质量的控制。
Description
技术领域
本发明属于智能焊接技术领域，涉及焊接自动化控制，尤其是涉及一种基于正面熔池图像特征的非对称角焊缝焊接质量检测方法，具体主要是在非对称角焊缝焊接情况下的一种通过观测正面熔池特征及检测焊枪在熔池中的位置对熔透形态进行判断，进而提高焊接质量的方法。
背景技术
在桥梁、船舶、工程机械等的承重箱梁构件中存在许多单边V型坡口构成的不等厚非对称角焊缝。相比结构相对简单的对称焊缝而言，此类非对称角焊缝由于两侧板厚度不同，导致其散热差异较大，焊缝成形难以控制，容易产生未熔合缺陷或焊漏薄板的情况，很大程度上影响到了焊接接头的质量。因此目前在实际生产中，非对称角焊缝焊接大部分还是手工焊接，效率低且工作环境差，焊工需要密切观察熔池形貌特征，同时调节焊枪角度和焊接速度，达到焊接质量的目的，所以此类焊接条件下的焊接质量与焊工本人实际经验密切相关。焊接自动化控制是希望通过自动控制的方式实时检测熔透形态，通过反馈实现自动调整焊接参数，使熔透形态始终在一个可接受的范围内波动，从而达到保证焊接质量的目的。但是由于非对称角焊缝结构特殊，要在非对称角焊缝焊接中实现这一技术还有一定难度。
近些年计算机视觉技术发展迅速，已成为焊接自动化控制研究中的重要工具，利用相机采集正面熔池图像，再由熔池图像提取特征信息来反映熔透形态是研究焊缝成形控制的一种常见方法。从研究现状来看，对焊缝熔透成形控制的研究基本都是针对对称焊缝，主要工作是建立熔池传感信息与熔透形态之间的关系。但非对称角焊缝的结构严重影响热量在两侧的分布，所以此类焊缝熔透情况相对复杂，寻找熔池信息与熔透质量之间的关系也更为困难，对此类结构熔透控制的研究还很少。
在非对称角焊缝焊接过程中，由于焊缝两侧结构差异大导致在焊接时易产生未熔合缺陷或焊穿薄板的问题，最终导致焊接质量难以保证，影响工件的后期使用。
发明内容
本发明要解决的问题是提供一种由正面熔池图像特征判断内部熔池熔透形态的方法。此方法解决了非对称角焊缝焊接情况下寻找熔池特征与熔透形态之间关系的问题，可有效应用在非对称角焊缝焊接的熔透质量控制方面。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种基于正面熔池图像特征的非对称角焊缝焊接质量检测方法，包括以下步骤：
步骤(1)安装及调试实验装置，将CCD相机沿焊接方向安装在自动焊机器上并且其与水平面的夹角为60°；工件放置在支架上，焊枪角度45°时，焊枪中心垂直于水平面；所述自动焊机器为时代TDW4000脉冲TIG焊焊机；
步骤(2)进行焊接试验，采集熔池图像，非对称角焊缝焊接试件包括厚板和薄板，取焊后焊接试件中段，沿垂直于焊缝轴线方向截取试样，切割、打磨、抛光后并用腐蚀剂进行腐蚀，在金相显微镜下观察不同组角焊缝两侧的熔透情况；由于TIG焊焊接时弧光干扰较强，选取脉冲焊焊接电源并在基值电流段获取熔池图像；
步骤(3)图像滤波处理，为除去熔池图像中存在的噪声，先对图像进行中值滤波处理，再用巴特沃斯低通滤波器通过低频过滤掉或者衰减高频，减弱了弧光以及反射的弧光对图像处理的干扰，大大削弱了弧光对于区分熔池边界的影响；
步骤(4)直方图均值化处理，直方图均衡化利用灰度变换自动调节扩大图像的动态范围，提高了对比度和灰度色调的变化，使图像边界更加清晰；
步骤(5)图像边缘提取，使用Canny双阈值进行边缘检测，再利用多项式对熔池图像边缘和钨极边缘进行拟合，可以得到较为完整的边缘；
步骤(6)提取熔池中心和焊枪中心，获得二者偏移量，提取正面熔池图像边缘轮廓横坐标的最小值记为Pmin和最大值记为Pmax，焊枪边缘横坐标的最小值记为Qmin和最大值记为Qmax，易得到熔池中心的横坐标为PW＝(Pmax-Pmin)/2，焊枪中心的横坐标为Qw＝(Qmax-Qmin)/2；经对图像标定后得到1pixel的实际宽度b，所以焊枪的实际偏移量△W＝(Qw-PW)*b。
步骤(7)建立焊枪偏差量与熔透形态的关系，随着焊枪与薄板夹角的增大，厚板熔深减小，薄板熔深增大，利用此关系可通过调整焊枪角度来改善未熔合缺陷或焊透情况。
采用的视觉传感系统包括：加拿大Xiris生产的XVC-G型CCD摄像机、图像采集卡和中心波长为650mm的窄带滤光片，采集到的图像经电力注射器直接传输到计算机。
采用的焊接条件为：采用非填丝TIG焊焊接方法且电源频率为2Hz，基值电流为50A，峰值电流为180A，试验材料为Q235，焊接速度为3mm/s，保护气体为Ar；厚板尺寸170mm×50mm×6mm，薄板尺寸170mm×50mm×2mm；焊枪角度β定为焊枪与厚板一侧的实际夹角，对β分别取30°、45°、60°三组进行试验。
由于采用上述技术方案，本发明由CCD相机采集非对称角焊缝焊接的正面熔池图像，针对采集到的熔池图像的特点，利用研究的图像处理算法获取正面熔池图像的轮廓及焊枪在熔池图像中的位置。对焊枪在熔池中偏移规律以及焊后试件的熔透形态综合分析发现，当焊枪与厚板夹角变大时，角焊缝的厚板侧和薄板侧的母材熔化程度不同，焊枪相对熔池中心的位置也会向薄板一侧偏移，又由此偏移量建立偏移量与熔透形态的关系，从而实现对焊接质量的控制。
本发明的“新”体现在发现了焊枪相对熔池中心的偏移量与熔池内部熔透形态之间存在关联，运用现有技术能够检测到非对称角焊缝熔池中心位置以及焊枪中心位置，并得到焊枪相对熔池中心的偏移量，通过对不同偏移量的控制能达到控制熔透形态的目的。该方法实用可靠，为非对称角焊缝焊接的质量控制提供了一种切实可行的新方法，也是一个由正面熔池图像判断内部熔池熔透形态的新思路。
附图说明
下面通过参考附图并结合实例具体地描述本发明，本发明的优点和实现方式将会更加明显，其中附图所示内容仅用于对本发明的解释说明，而不构成对本发明的任何意义上的限制，在附图中：
图1是非对称角焊缝焊接示意图。非对称角焊缝焊接过程中常出现的问题是对熔透形态不易把控，易出现钝边处的未熔合缺陷或焊漏的情况，从而影响焊接质量。
图2是实验装置系统结构简图一。焊枪垂直于水平面，两侧板成90°放置在焊接架上，焊枪可摆动改变与板之间的角度。
图3是实验装置系统结构简图二。
图4是焊枪30度示意图。角度不同对熔透成形影响显著，当α过小会产生未熔合缺陷，α过大可能会焊穿薄板。同时可以看出角度不同，焊枪在熔池中的位置也有明显差异。实际熔池图中右侧为厚板。
图5是焊枪30度正面熔池形态图。
图6是焊枪45度示意图。
图7是焊枪45度正面熔池形态图。
图8是焊枪60度示意图。
图9是焊枪60度正面熔池形态图。
图10是采集到的熔池图像示例。CCD相机可采集到清晰地熔池图像，并从图中可以清晰地看到焊枪尖端在熔池中的位置。
图11是中值滤波后的正面熔池图像。目的是为了出去焊接过程中产生的各种干扰导致熔池图像中存在的噪声。
图12是巴特沃斯低通滤波后的正面熔池图像。削弱了弧光对于区分熔池边界的影响。
图13是直方图均值化处理后图像。目的是为了凸显熔池图像边界。
图14是使用Canny双阈值对熔池图像的边缘提取图像。
图15是利用多项式对熔池图像边缘进行拟合图像。
图16是焊枪中心相对熔池中心的偏移量示意图。
图17是总体方法流程图。
图中：
1、电弧 2、熔池 3、钝边
4、焊枪 5、薄板 6、厚板
7、CCD相机 8、电力注射器 9、计算机
具体实施方式
下面结合实施例及其附图进一步叙述本发明：
如图1至图17所示，
视觉传感系统：由加拿大Xiris生产的XVC-G型CCD摄像机、图像采集卡以及中心波长为650mm的窄带滤光片构成。采集到的图像经电力注射器直接传输到计算机。
试验条件：非对称角焊缝焊接试验使用时代TDW4000脉冲TIG焊焊机，采用非填丝TIG焊焊接方法且电源频率为2Hz，基值电流为50A，峰值电流为180A，试验材料为Q235，焊接速度为3mm/s，保护气体为Ar。非对称角焊缝焊接试件由厚板和薄板构成，厚板尺寸170mm×50mm×6mm，薄板尺寸170mm×50mm×2mm。焊枪角度β定为焊枪与厚板一侧的实际夹角，对β分别取30°、45°、60°三组进行试验。
具体实施过程如下：
步骤(1)安装及调试实验装置。
将CCD相机沿焊接方向安装在自动焊机器上并且其与水平面的夹角为60°。工件放置在自主设计的支架，焊枪角度45°时，焊枪中心垂直于水平面。
步骤(2)进行焊接试验，采集熔池图像。
取焊后焊接试件中段，沿垂直于焊缝轴线方向截取试样，切割、打磨、抛光后并用腐蚀剂进行腐蚀，在金相显微镜下观察不同组角焊缝两侧的熔透情况。由于TIG焊焊接时弧光干扰较强，选取脉冲焊焊接电源并在基值电流段获取熔池图像。
步骤(3)图像滤波处理。
为除去熔池图像中存在的噪声，先对图像进行中值滤波处理。再用巴特沃斯低通滤波器通过低频过滤掉或者衰减高频，减弱了弧光以及反射的弧光对图像处理的干扰，大大削弱了弧光对于区分熔池边界的影响。
步骤(4)直方图均值化处理。
直方图均衡化利用灰度变换自动调节扩大图像的动态范围，提高了对比度和灰度色调的变化，使图像边界更加清晰。
步骤(5)图像边缘提取。
使用Canny双阈值进行边缘检测。再利用多项式对熔池图像边缘和钨极边缘进行拟合，可以得到较为完整的边缘。
步骤(6)提取熔池中心和焊枪中心，获得二者偏移量。
提取正面熔池图像边缘轮廓横坐标的最小值记为Pmin和最大值记为Pmax，焊枪边缘横坐标的最小值记为Qmin和最大值记为Qmax，易得到熔池中心的横坐标为PW＝(Pmax-Pmin)/2，焊枪中心的横坐标为Qw＝(Qmax-Qmin)/2。经对图像标定后得到1pixel的实际宽度b，所以焊枪的实际偏移量△W＝(Qw-PW)*b。
步骤(7)建立焊枪偏差量与熔透形态的关系。
随着焊枪与薄板夹角的增大，厚板熔深减小，薄板熔深增大，利用此关系可通过调整焊枪角度来改善未熔合缺陷或焊透情况。
本方法利用CCD相机采集到了清晰的正面熔池图像，经过中值滤波、canny算子等数字图像处理，实现了熔池边缘提取和焊枪中心偏差提取。发现了焊枪中心偏差与焊枪角度和熔透形态特征的关联，并建立了上述参量之间的定量关系。可为调控非对称角焊缝的熔透形态提供特征检测信息。
以上对本发明的实施例进行了详细说明，但所述内容仅为本发明的较佳实施例，不能被认为用于限定本发明的实施范围。凡依本发明范围所作的均等变化与改进等，均应仍归属于本专利涵盖范围之内。
Claims (3)
1.一种基于正面熔池图像特征的非对称角焊缝焊接质量检测方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤(1)安装及调试实验装置，将CCD相机沿焊接方向安装在自动焊机器上并且其与水平面的夹角为60°；焊枪角度β定为焊枪与厚板一侧的实际夹角，对β分别取30°、45°、60°三组进行试验，工件放置在支架上，焊枪角度45°时，焊枪中心垂直于水平面；所述自动焊机器为时代TDW4000脉冲TIG焊焊机；
步骤(2)进行焊接试验，采集熔池图像，非对称角焊缝焊接试件包括厚板和薄板，取焊后焊接试件中段，沿垂直于焊缝轴线方向截取试样，切割、打磨、抛光后并用腐蚀剂进行腐蚀，在金相显微镜下观察不同组角焊缝两侧的熔透情况；由于TIG焊焊接时弧光干扰较强，选取脉冲焊焊接电源并在基值电流段获取熔池图像；
步骤(3)图像滤波处理，为除去熔池图像中存在的噪声，先对图像进行中值滤波处理，再用巴特沃斯低通滤波器通过低频过滤掉或者衰减高频，减弱了弧光以及反射的弧光对图像处理的干扰，大大削弱了弧光对于区分熔池边界的影响；
步骤(4)直方图均值化处理，直方图均衡化利用灰度变换自动调节扩大图像的动态范围，提高了对比度和灰度色调的变化，使图像边界清晰；
步骤(5)图像边缘提取，使用Canny双阈值进行边缘检测，再利用多项式对熔池图像边缘和钨极边缘进行拟合，可以得到边缘；
步骤(6)提取熔池中心和焊枪中心，获得二者偏移量，提取正面熔池图像边缘轮廓横坐标的最小值记为Pmin和最大值记为Pmax，焊枪边缘横坐标的最小值记为Qmin和最大值记为Qmax，易得到熔池中心的横坐标为PW＝(Pmax-Pmin)/2，焊枪中心的横坐标为Qw＝(Qmax-Qmin)/2；经对图像标定后得到1pixel的实际宽度b，所以焊枪的实际偏移量△W＝(Qw-PW)*b；
步骤(7)建立焊枪偏差量与熔透形态的关系，随着焊枪与薄板夹角的增大，厚板熔深减小，薄板熔深增大，利用此关系可通过调整焊枪角度来改善未熔合缺陷或焊透情况。
2.根据权利要求1所述的基于正面熔池图像特征的非对称角焊缝焊接质量检测方法，其特征在于：上述步骤中采用的视觉传感装置包括CCD摄像机、图像采集卡和中心波长为650mm的窄带滤光片，采集到的图像经电力注射器直接传输到计算机。
3.根据权利要求1所述的基于正面熔池图像特征的非对称角焊缝焊接质量检测方法，其特征在于：上述步骤的焊接条件为：采用非填丝TIG焊焊接方法且电源频率为2Hz，基值电流为50A，峰值电流为180A，试验材料为Q235，焊接速度为3mm/s，保护气体为Ar；厚板尺寸170mm×50mm×6mm，薄板尺寸170mm×50mm×2mm。
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