閔建東，陳 亮，曾德勝

（中國石化集團(tuán)石油工程機(jī)械有限公司沙市鋼管廠，湖北 荊州 434001）

在埋弧焊管生產(chǎn)過程中，每批次的鋼管都要先生產(chǎn)出幾根樣管，然后停機(jī)，取樣管酸洗后進(jìn)行各項(xiàng)參數(shù)測(cè)量，合格后才能繼續(xù)生產(chǎn)［1-3］。傳統(tǒng)做法是將樣品放入酸性液體中加熱，將截面氧化層腐蝕，取出打磨截面，使其出現(xiàn)清晰的內(nèi)外焊縫邊緣，再劃線用卡尺測(cè)量。其缺點(diǎn)是測(cè)量部分參數(shù)時(shí)卡尺兩端無固定位置，易晃動(dòng)，導(dǎo)致測(cè)量不準(zhǔn)確；有時(shí)打磨不夠，內(nèi)外焊縫邊緣不清晰，無法測(cè)量，需返工繼續(xù)打磨［4］。本文將介紹一種埋弧焊管焊縫酸洗樣品參數(shù)的計(jì)算機(jī)軟件測(cè)定方法。

1 酸洗樣品圖像預(yù)處理程序模塊設(shè)計(jì)

酸洗樣品圖像預(yù)處理模塊的作用是：通過該模塊，能將埋弧焊管酸洗樣品側(cè)面內(nèi)外焊縫的輪廓很好地突顯出來，為下一步測(cè)量打下基礎(chǔ)；并且能通過調(diào)整相關(guān)參數(shù)，將焊縫圖像內(nèi)的晶體排列方向很好地顯示出來，便于焊接人員初步判斷晶體質(zhì)量。

該程序?qū)崿F(xiàn)流程如下：加載圖片→縮放比例→灰度調(diào)整算子→反識(shí)算子→直方圖均衡算子→存儲(chǔ)。此流程中的幾個(gè)算子不一定同時(shí)使用，可組合使用或單選使用。比較關(guān)鍵的算子是直方圖均衡化算子。

直方圖均衡化方法的基本思想是：對(duì)在圖像中像素個(gè)數(shù)多的灰度級(jí)進(jìn)行展寬，而對(duì)像素個(gè)數(shù)少的灰度級(jí)進(jìn)行縮減，從而達(dá)到使埋弧焊管酸洗樣品內(nèi)外焊縫邊緣圖像清晰的目的。

酸洗樣品圖片預(yù)處理模塊試驗(yàn)效果對(duì)比如圖1所示。

圖1 埋弧焊管酸洗樣品圖片在預(yù)處理模塊處理前后的效果對(duì)比

從圖1 可以看出：原酸洗樣品圖片埋弧焊管內(nèi)外焊縫邊緣輪廓并不是很清晰，可能是由于酸洗時(shí)間不夠或打磨不夠，也可能是由于焊接熔池的化學(xué)物理因素造成的；但經(jīng)過預(yù)處理模塊處理后，埋弧焊管內(nèi)外焊縫邊緣變得清晰，為后續(xù)測(cè)量程序打下了基礎(chǔ)，也能解決以前測(cè)量時(shí)由于邊緣不清晰帶來的測(cè)量誤差。此外，還可以看出部分晶狀體的排列方向，為焊接操作初步判斷焊接質(zhì)量提供了一定的依據(jù)。

2 酸洗樣品參數(shù)測(cè)定模塊程序設(shè)計(jì)

需要測(cè)量的埋弧焊管酸洗樣品內(nèi)外焊縫參數(shù)主要包括：內(nèi)外焊縫的寬度、深度、熔寬比、熔深比、4 個(gè)側(cè)面角度、焊偏量、重合量等［5-9］。對(duì)這些參數(shù)的測(cè)定模塊程序設(shè)計(jì)如下。

2.1 內(nèi)外焊縫長度方面參數(shù)的測(cè)量

內(nèi)外焊縫長度方面的參數(shù)主要包括：焊縫寬度、深度、熔寬比、熔深比等，如圖2 所示。焊縫熔深比可表示為m/δ，焊縫熔寬比可表示為c/δ。

圖2 內(nèi)外焊縫長度方面的參數(shù)示意

從圖2 可以看出：焊縫寬度、深度、余高、熔寬比、熔深比都是長度或長度比值方面的參數(shù)［10-11］，那么只需要將儲(chǔ)存在計(jì)算機(jī)中的酸洗樣品圖片上的對(duì)應(yīng)長度，在計(jì)算機(jī)上通過鼠標(biāo)相關(guān)操作測(cè)量出來即可。

由于焊縫圖像與現(xiàn)實(shí)中的焊縫尺寸之間的比例不是1 ∶1，是經(jīng)過縮放到計(jì)算機(jī)的；并且，計(jì)算機(jī)圖像是以Px（pixels，像素）為單位，而實(shí)際測(cè)量中是以毫米（mm）為常用單位。這就需要在程序中進(jìn)行一個(gè)標(biāo)定，使圖像中的像素單位與實(shí)際測(cè)量的毫米（mm）單位進(jìn)行換算。測(cè)定系統(tǒng)單位長度的標(biāo)定界面如圖3 所示。

圖3 測(cè)定系統(tǒng)單位長度標(biāo)定界面

從圖3 可以看出：若選取圖像上的5 mm 來進(jìn)行標(biāo)定，則對(duì)應(yīng)的圖像距離是132 Px，經(jīng)程序轉(zhuǎn)換后，可以得出酸洗樣品圖像單位長度1 Px 對(duì)應(yīng)的實(shí)際距離是3.787 879×10-2mm。

對(duì)于焊縫寬度、深度、余高、熔寬比、熔深比等參數(shù)，只需要用鼠標(biāo)點(diǎn)擊相關(guān)線段的起點(diǎn)和終點(diǎn)，系統(tǒng)程序就會(huì)自動(dòng)計(jì)算出相應(yīng)線段圖像長度的Px 值，自動(dòng)乘以標(biāo)定值3.787 879×10-2mm 即可得出對(duì)應(yīng)的實(shí)際長度；經(jīng)過軟件計(jì)算即可得出相應(yīng)的值或比值。

2.2 內(nèi)外焊縫側(cè)面角度的測(cè)量

焊縫酸洗樣品側(cè)面角度θ 測(cè)量軟件按余弦定理設(shè)計(jì)，如圖4 所示。系統(tǒng)進(jìn)行酸洗樣品焊縫側(cè)面角測(cè)量界面如圖5 所示。只要在系統(tǒng)軟件中沿焊縫圖像的邊緣畫出形成角度的兩條線段AB 與BC，系統(tǒng)程序會(huì)自動(dòng)捕捉A 點(diǎn)、B 點(diǎn)、C 點(diǎn)在計(jì)算機(jī)中的像素坐標(biāo)。假設(shè)A 點(diǎn)、B 點(diǎn)、C 點(diǎn)的坐標(biāo)分別為（A0，B0）、（A1，B1）、（A2，B2），根據(jù)余弦定理cos θ=（c2+a2-b2）/（2ca），即可得出角度θ。其中：

圖4 側(cè)面角度θ 測(cè)量示意

圖5 焊縫酸洗樣品側(cè)面角軟件測(cè)量界面

2.3 內(nèi)外焊縫焊偏量和重合量的測(cè)量

埋弧焊管酸洗樣品焊縫焊偏量和重合量的定義如圖6 所示。焊偏量在計(jì)算機(jī)中測(cè)量比較簡單，其實(shí)現(xiàn)原理是：獲取焊偏量e 的長度，可以由線段H1K1的中點(diǎn)H4像素橫坐標(biāo)減去線段H2K2的中點(diǎn)H5像素橫坐標(biāo)，取絕對(duì)值，然后乘以標(biāo)定值就可以得出實(shí)際的焊偏量。重合量的測(cè)量較為復(fù)雜，由于焊接時(shí)先進(jìn)行內(nèi)焊，再進(jìn)行外焊，內(nèi)外焊縫熔池重合后，內(nèi)焊縫有一部分熔池被覆蓋，即圖6 中H3所在的虛弧線被覆蓋，導(dǎo)致弧形頂點(diǎn)H3不容易準(zhǔn)確找出；所以手工測(cè)量時(shí)，先人工假想用筆畫出弧線，大致確定H3點(diǎn)，然后用工具測(cè)量H3與K3的垂直高度u，但會(huì)有人工和經(jīng)驗(yàn)方面帶來的誤差。

圖6 焊縫酸洗樣品焊偏量與重合量定義示意

計(jì)算機(jī)測(cè)定時(shí)，為了準(zhǔn)確找到H3點(diǎn)，可采用曲線擬合原理來確定。

焊縫形狀各不一樣，不可能用一個(gè)統(tǒng)一的數(shù)學(xué)公式來描述所有焊縫截面形狀；但一般來說，焊縫的形狀大體是拋物線型、指數(shù)型、對(duì)數(shù)型及其他組合曲線等。本系統(tǒng)采用最小二乘法擬合曲線原理，對(duì)離散點(diǎn)進(jìn)行曲線擬合。

由于最小二乘法是分析一元函數(shù)（y=ax+b）線性回歸的方法，而焊縫輪廓相關(guān)關(guān)系并不是線性關(guān)系，而是某種曲線。對(duì)于此問題，可以通過公式變換，將非線性問題轉(zhuǎn)化為線性回歸問題來處理。

通過離散點(diǎn)進(jìn)行最小二乘法得出曲線后，需要檢驗(yàn)該線性回歸方程是否是焊縫的最佳擬合曲線方程，可以通過線性代數(shù)里的R 值線性相關(guān)關(guān)系顯著性檢驗(yàn)法進(jìn)行驗(yàn)證。

酸洗樣品焊縫重合量計(jì)算機(jī)測(cè)定軟件實(shí)現(xiàn)流程如圖7 所示。

3 結(jié) 語

本研究開發(fā)的計(jì)算機(jī)測(cè)定系統(tǒng)，能方便、準(zhǔn)確且快速地測(cè)量內(nèi)外焊縫寬度、深度、熔寬比、熔深比、4 個(gè)側(cè)面角度、焊偏量、重合量等參數(shù)，精度達(dá)到0.02 mm；不需要在酸洗樣品上刻線，避免直尺或卡尺測(cè)量時(shí)的誤差和不便；打磨不是很清楚時(shí)，可通過軟件的圖像處理后，使其出現(xiàn)清晰的焊縫邊緣后再測(cè)量。

圖7 酸洗樣品焊縫重合量測(cè)量軟件實(shí)現(xiàn)流程

與傳統(tǒng)的測(cè)定方法相比，本系統(tǒng)能提高測(cè)量的準(zhǔn)確性和便捷性，以及樣品參數(shù)的可存儲(chǔ)性；通過圖像處理還可減少酸洗樣品前期酸洗及打磨的時(shí)間；在測(cè)量重合量方面能解決傳統(tǒng)方法通過估畫內(nèi)焊縫邊沿曲線帶來的誤差大等問題。

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