王聰毅，高向東，馬女杰，張艷喜，游德勇

(廣東工業(yè)大學(xué) 廣東省焊接工程技術(shù)研究中心，廣州 510006)

引 言

在金屬制品的生產(chǎn)過(guò)程中，激光焊接作為一種重要的加工技術(shù)，日益廣泛地應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)中。由于激光束光斑小及焊接過(guò)程劇烈的熱能轉(zhuǎn)換效應(yīng)對(duì)焊接工藝參量及工件固定的精度要求極高，微小的焊縫偏差即可導(dǎo)致嚴(yán)重的焊接缺陷，從而影響焊接制品的質(zhì)量[1]，因此,對(duì)焊接制品進(jìn)行快速有效的缺陷檢測(cè)顯得尤為重要。

常規(guī)無(wú)損檢測(cè)都存在一定的局限性。如目視檢測(cè)易漏檢，射線(xiàn)檢測(cè)存在輻射危險(xiǎn)且設(shè)備成本高，磁粉檢測(cè)和滲透檢測(cè)主要是定位缺陷位置而對(duì)其形態(tài)無(wú)法具體顯示，渦流檢測(cè)等信號(hào)檢測(cè)技術(shù)的檢測(cè)結(jié)果不能直觀(guān)體現(xiàn)缺陷形貌。磁光傳感器是一種安全且能準(zhǔn)確地獲取材料磁場(chǎng)分布信息的可靠設(shè)備[2]，磁光成像無(wú)損檢測(cè)法是可以對(duì)焊接缺陷可視化成像的新型無(wú)損檢測(cè)方法[3]。該方法基于法拉第磁光效應(yīng)，具有靈敏度高和對(duì)缺陷直接成像、可以檢測(cè)微小缺陷等特點(diǎn)[2,4]。目前國(guó)內(nèi)對(duì)焊接缺陷的磁光成像檢測(cè)主要基于恒定磁場(chǎng)勵(lì)磁，應(yīng)用于微間隙焊縫跟蹤和無(wú)損檢測(cè)。

現(xiàn)有磁光成像技術(shù)一般采用直流U型電磁鐵對(duì)被測(cè)焊縫兩端勵(lì)磁。為了達(dá)到最佳漏磁效果，現(xiàn)有磁化方式首要條件是磁化方向與檢測(cè)缺陷的走向垂直[5]，以保證感應(yīng)磁場(chǎng)能垂直通過(guò)缺陷位置而產(chǎn)生最佳漏磁場(chǎng)，使磁光傳感器獲取漏磁場(chǎng)信息，得到高對(duì)比度的磁光圖像[6]，從而判斷焊縫結(jié)合處是否存在缺陷。傳統(tǒng)的交變勵(lì)磁方式也是保證勵(lì)磁場(chǎng)方向與缺陷的走向垂直,使缺陷處產(chǎn)生最佳漏磁場(chǎng)，獲取對(duì)比度高的磁光圖像[7]。雖然磁光成像無(wú)損檢測(cè)技術(shù)已取得一定的研究成果[8]，但在傳統(tǒng)勵(lì)磁方式下，該檢測(cè)技術(shù)仍然存在一定的漏檢風(fēng)險(xiǎn)。在生產(chǎn)過(guò)程中遇到的焊接缺陷，其大小、方向、位置都未知，尤其是不可見(jiàn)裂紋，無(wú)法預(yù)知其位置和延展方向，則在檢測(cè)過(guò)程中，傳統(tǒng)的勵(lì)磁方式無(wú)法保證感應(yīng)磁場(chǎng)垂直穿過(guò)被檢測(cè)缺陷，造成磁光傳感器出現(xiàn)漏檢現(xiàn)象。

在直流U型電磁鐵的磁場(chǎng)激勵(lì)下，磁光傳感器所采集到的焊接缺陷磁光圖像包含的信息有限，有時(shí)會(huì)丟失一些有用信息，并且對(duì)未知形態(tài)的缺陷進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，難以保證勵(lì)磁裝置恰好使產(chǎn)生的磁場(chǎng)垂直穿過(guò)缺陷。

因此，為了檢測(cè)多角度裂紋，采用可旋轉(zhuǎn)的直流U型電磁鐵和交變U型電磁鐵進(jìn)行多角度勵(lì)磁，使用磁光傳感器對(duì)缺陷信息采集。通過(guò)改變勵(lì)磁磁場(chǎng)與焊縫的相對(duì)角度，獲取不同磁場(chǎng)方向下的焊接缺陷磁光圖像，分析多角度勵(lì)磁下的磁光圖像特征。同時(shí)對(duì)十字交叉焊接缺陷進(jìn)行了多角度直流磁場(chǎng)勵(lì)磁和交變磁場(chǎng)勵(lì)磁下焊縫的磁光成像檢測(cè)，分析不同角度勵(lì)磁下采集的磁光圖像特征，為減少焊接缺陷的漏檢情況提供方法。

1 試驗(yàn)方法及步驟

1.1 焊接實(shí)驗(yàn)樣本

激光焊接試驗(yàn)系統(tǒng)包括YAG激光焊接機(jī)、冷卻機(jī)、工控機(jī)、4軸焊接工作平臺(tái)等。試驗(yàn)材料選用中碳鋼板，鋼板尺寸為100mm×50mm×2mm(長(zhǎng)×寬×厚)。將中碳鋼板兩兩對(duì)接，并對(duì)4條接縫進(jìn)行編號(hào)，組成的十字焊縫如圖1所示，圖1a為示意圖，圖1b為實(shí)物圖。

Fig.1 Crossing weldsa—schematic diagram b—welding sample

對(duì)焊縫通過(guò)敲擊、震動(dòng)、拉伸等方法使十字焊縫交匯處產(chǎn)生裂紋，通過(guò)多次重復(fù)試驗(yàn)，得到試驗(yàn)樣本，十字焊接缺陷的實(shí)物如圖2a所示。磁光試驗(yàn)主要檢測(cè)十字焊縫的中間部分，十字中心點(diǎn)的感興趣區(qū)域局部放大如圖2b所示。

Fig.2 Physical map of test samplea—defect of crossing welds b—area of interest

1.2 檢測(cè)原理及方法

焊接缺陷磁光成像檢測(cè)原理如圖3所示。圖3a為漏磁成像檢測(cè)原理，焊縫成型后若出現(xiàn)焊接裂紋等缺陷，當(dāng)采用電磁鐵給被檢測(cè)試件施加外部磁場(chǎng)時(shí)，磁化后的試件內(nèi)部產(chǎn)生感應(yīng)磁場(chǎng)。當(dāng)感應(yīng)磁場(chǎng)垂直穿過(guò)裂紋時(shí)會(huì)出現(xiàn)強(qiáng)漏磁，磁光傳感器中的磁光介質(zhì)對(duì)試件表面的磁場(chǎng)分布狀態(tài)敏感，能檢測(cè)到漏磁場(chǎng)并輸出成磁光圖像。

多角度缺陷圖像采集系統(tǒng)如圖3b所示，采集系統(tǒng)主要包括：磁光圖像采集系統(tǒng)、磁光成像傳感器、運(yùn)動(dòng)平臺(tái)控制器、交流/直流電源和磁場(chǎng)發(fā)生裝置。通過(guò)旋轉(zhuǎn)軸對(duì)勵(lì)磁裝置進(jìn)行旋轉(zhuǎn)角度的精確控制，改變激勵(lì)磁場(chǎng)與試件的相對(duì)角度。

在恒定磁場(chǎng)和交變磁場(chǎng)勵(lì)磁下，通過(guò)改變磁極與焊縫的夾角對(duì)十字焊縫中心進(jìn)行磁光成像無(wú)損檢測(cè)試驗(yàn)。研究磁場(chǎng)與焊接缺陷在不同夾角下磁光圖像的變化規(guī)律。

在那次競(jìng)標(biāo)成功以后，寧波一院承擔(dān)起寧波市糖尿病、心腦血管病、口腔疾病防治臨床指導(dǎo)任務(wù)。醫(yī)院隨后成立慢病管理中心，來(lái)承接這一項(xiàng)新工作。

Fig.3 Principle of welding defect detection based on magneto-optical imaging

磁極與焊縫的夾角如圖4所示。初始狀態(tài)下，如圖4a所示，勵(lì)磁裝置的磁極位于1-3焊縫上，后續(xù)實(shí)驗(yàn)以此狀態(tài)開(kāi)始順時(shí)針旋轉(zhuǎn)。當(dāng)旋轉(zhuǎn)到45°時(shí)，如圖4b所示，1焊縫上的磁極位于1-4焊縫之間，3號(hào)焊縫上的磁極位于2-3焊縫之間。當(dāng)旋轉(zhuǎn)到90°時(shí)，如圖4c所示，磁極位于2-4焊縫上。當(dāng)旋轉(zhuǎn)到135°時(shí)，如圖4d所示，兩磁極分別在1-2焊縫之間和3-4焊縫之間。繼續(xù)旋轉(zhuǎn)磁極，旋轉(zhuǎn)180°時(shí)，恒定磁場(chǎng)磁極交換位置，這僅使磁光圖像的明暗區(qū)域交換了位置，對(duì)于缺陷成像無(wú)影響。而交變磁場(chǎng)，由于磁極以50Hz的頻率交替變換，故此時(shí)的成像效果也0°相同。由于恒定磁場(chǎng)和交變磁場(chǎng)下磁極旋轉(zhuǎn)180°后，焊接缺陷圖像的效果與0°的效果一樣，故本次試驗(yàn)著重研究0°,45°,90°和135°。

Fig.4 Schematic diagram of the relative angle of the excitation device on the welded test sample

2 磁光成像實(shí)驗(yàn)

磁光成像傳感器基于法拉第磁致旋光效應(yīng)，其內(nèi)部產(chǎn)生的線(xiàn)偏振光通過(guò)傳感器窗口的磁光介質(zhì)時(shí)，受到介質(zhì)中磁場(chǎng)強(qiáng)度的影響，發(fā)生偏轉(zhuǎn)，經(jīng)檢偏器檢測(cè)后，在感光元件上成像，從而將焊縫缺陷轉(zhuǎn)變?yōu)楣鈴?qiáng)圖，實(shí)現(xiàn)缺陷的可視化成像[12]。

2.1 多角度恒定磁場(chǎng)勵(lì)磁

采用直流電磁鐵進(jìn)行4個(gè)角度下的磁光成像試驗(yàn)，通過(guò)磁光成像試驗(yàn)采集得到4組磁光圖像，如圖5所示。恒定磁場(chǎng)勵(lì)磁，磁極不會(huì)隨著時(shí)間的推移發(fā)生變化，所得到的磁光圖像每一幀都相同。4個(gè)角度下獲得的4組數(shù)據(jù)中，同一組磁光圖像都相同，故每組選一幀磁光圖像進(jìn)行圖像處理，并分析恒定磁場(chǎng)激勵(lì)下，勵(lì)磁角度對(duì)磁光成像試驗(yàn)的影響。

勵(lì)磁角度為0°時(shí)，兩磁極分別位于橫向焊縫的兩側(cè)。由圖5a可知，磁光圖像中橫向裂紋的上下呈現(xiàn)明顯的明暗分區(qū)，上方為亮區(qū)，下方為暗區(qū)，圖像中間水平方向上有明顯的分割線(xiàn)，此處為裂縫所在位置，而此時(shí)，縱向裂縫也有所呈現(xiàn)，但沒(méi)有橫向清晰。角度為45°時(shí)，磁極產(chǎn)生的磁場(chǎng)同時(shí)穿過(guò)了橫向和縱向的裂紋。由圖5b可知，在磁光圖像上呈現(xiàn)出對(duì)角方向上的明暗分布，可以看到明暗交界處呈現(xiàn)出十字形的缺陷圖像。角度為90°時(shí)，兩磁極分別位于縱向焊縫的兩側(cè)。由圖5c可知，橫向裂縫沒(méi)有清晰的在磁光圖像上體現(xiàn)，幾乎看不到，但是縱向上的裂縫十分明顯。角度為135°時(shí)，此時(shí)磁極的分布情況與45°類(lèi)似。由圖5d可知，對(duì)角方向呈現(xiàn)出明顯的明暗變化，圖像上呈現(xiàn)出十字裂縫的圖像。

Fig.5 Magneto-optical images of cross weld under DC excitation at different angles

2.2 多角度交變磁場(chǎng)勵(lì)磁

采用交流電磁鐵在4個(gè)角度下進(jìn)行磁光成像試驗(yàn)，同樣采集到4組磁光圖像。交變磁場(chǎng)勵(lì)磁頻率為50Hz，磁光傳感器的采樣頻率為75frame/s，則試驗(yàn)獲取的磁光圖像會(huì)呈現(xiàn)3幀一個(gè)周期[13]。對(duì)交流勵(lì)磁下的樣本進(jìn)行同樣的多角度的圖像采集，獲得4組不同角度下裂紋的磁光圖像，每組圖像選擇連續(xù)3幀磁光圖像進(jìn)行分析，如圖6所示。

Fig.6 Three consecutive frames of magneto-optical images for cross weld under different angles alternating magnetic field excitation

由圖6a可知，角度為0°時(shí)，磁極同樣橫跨橫向焊縫兩側(cè)，在圖6a角度為0°的3幀磁光圖中，磁光圖像橫向缺陷信息明顯，而縱向缺陷信息清晰度不明顯。由圖6b可知，角度45°時(shí)，磁極產(chǎn)生的磁場(chǎng)在橫向和縱向兩個(gè)裂紋方向均有分量磁場(chǎng)穿過(guò)焊縫處，3幀磁光圖像上可以清晰地看到橫向與縱向兩個(gè)方向的缺陷信息。由圖6c可知，角度為90°時(shí)，磁極位于縱向裂紋兩側(cè)，磁光圖像縱向缺陷信息明顯，橫缺陷信息不明顯。由圖6d可知，角度為135°時(shí)，磁極產(chǎn)生的磁場(chǎng)在橫向和縱向兩個(gè)裂紋方向均有分量磁場(chǎng)穿過(guò)焊縫處，磁光圖像上可以清晰的看到橫向和縱向兩個(gè)方向的缺陷信息。

3 磁光圖像處理

在空域上圖像增強(qiáng)主要是針對(duì)圖像像素而言，通過(guò)改善圖像的對(duì)比度、灰度來(lái)增強(qiáng)圖像[14-15]。直方圖均衡化是圖像增強(qiáng)的基本方式之一[16-17]，主要是利用灰度變換自動(dòng)調(diào)節(jié)圖像對(duì)比度。

其方法是:首先將彩色圖像轉(zhuǎn)換為灰度圖像，灰度圖像有256個(gè)灰度級(jí)，假設(shè)轉(zhuǎn)換后的圖像灰度值為r，第k級(jí)的灰度值為rk，直方圖均衡化后的圖像中，第k級(jí)的灰度值為sk，則原直方圖灰度級(jí)分布概率Pr(rk)可表示為：

(1)

式中，n是圖像中像素總和，nk是第k級(jí)灰度值為rk的像素個(gè)數(shù)。計(jì)算直方圖概率累計(jì)函數(shù)Ps(sk)：

(2)

式中，nj是第j級(jí)灰度值為sj的像素個(gè)數(shù)。通過(guò)概率累計(jì)率與原圖像灰度級(jí)進(jìn)行取整拓展,得到均衡化后第k級(jí)的灰度值為：

sk=int{[max(rk)-min(rk)]·Ps(sk)+0.5}

(3)

3.1 恒定磁場(chǎng)勵(lì)磁下圖像分析

磁極0°時(shí)，對(duì)磁光圖像通過(guò)直方圖均衡化進(jìn)行圖像增強(qiáng)，直方圖均衡化后的灰度圖及灰度變化曲線(xiàn)如圖7所示。

由圖7中水平方向與垂直方向上的灰度變化曲線(xiàn)可知，水平方向上的裂紋兩側(cè)灰度值發(fā)生了劇烈變化，且縱向變化區(qū)域200pixel～250pixel之間存在明顯的明暗分界線(xiàn)。同樣對(duì)磁極為45°，90°，135°時(shí)的磁光圖像進(jìn)行直方圖均衡化處理，獲得灰度圖像和水平垂直方向上的灰度變化曲線(xiàn)，如圖8所示。

由圖7和圖8可知，當(dāng)磁極角度從0°～90°旋轉(zhuǎn)時(shí)，勵(lì)磁裝置改變勵(lì)磁角度時(shí)，垂直方向上的缺陷會(huì)越來(lái)越明顯。當(dāng)角度到達(dá)90°時(shí)，垂直方向上的缺陷最明顯，磁光圖像上缺陷的分界線(xiàn)位于像素150pixel～240pixel之間，且垂直裂紋兩側(cè)的灰度值發(fā)生劇變，而此時(shí)水平方向上的缺陷信息已經(jīng)很難識(shí)別到。當(dāng)勵(lì)磁裝置改變角度至135°時(shí)，水平方向上的缺陷重新顯現(xiàn)，從灰度變化曲線(xiàn)中可以明顯看出，兩個(gè)方向上的裂紋交界處均有灰度數(shù)值劇變，都出現(xiàn)在200pixel附近，但跨度較大。

Fig.7 Gray images and gray curve images of cross crack

通過(guò)恒定磁場(chǎng)勵(lì)磁下多角度勵(lì)磁,驗(yàn)證了垂直通過(guò)裂紋的磁場(chǎng)產(chǎn)生的漏磁能最有效地使得磁光傳感器成像，同時(shí)切向磁場(chǎng)也能使缺陷暴露，但變化區(qū)域不明顯。

3.2 交變勵(lì)磁裝置多向勵(lì)磁成像分析

交變勵(lì)磁下所采集的磁光圖像呈現(xiàn)3幀一個(gè)周期的變化。因此在每個(gè)角度勵(lì)磁穩(wěn)定后選取3幀連續(xù)的磁光圖像，這3幀是不同勵(lì)磁強(qiáng)度下獲得的磁光圖像。由于磁極的分布位置一樣，不同的只是磁場(chǎng)強(qiáng)度，故對(duì)3幀圖像進(jìn)行圖像融合[12]，將3幀磁光圖像上的特征融合呈現(xiàn)在一幅圖像上[18-20]。融合后的圖像如圖9所示。

對(duì)融合后的灰度圖像進(jìn)行直方圖均衡化處理。直方圖均衡化灰度圖和灰度曲線(xiàn)變化圖如圖10、圖11、圖12和圖13所示。

Fig.8 Gray images and gray curve images of cross crack under different angle excitation

由圖10可知，當(dāng)勵(lì)磁角度為0°時(shí)，可以得到明顯的橫向缺陷圖像信息，從水平垂直灰度分布曲線(xiàn)上可以看到，裂紋的分界線(xiàn)位于垂直像素195pixel～220pixel處，兩側(cè)的圖像灰度值變化明顯；但縱向裂紋信息明顯不足，從分布曲線(xiàn)上無(wú)法表現(xiàn)出來(lái)。

Fig.9 Fusion image of the cross-cracked magneto-optical imagea—0° b—45° c—90° d—135°

Fig.10 Grayscale image and gray curve image of transverse crack(0°)

由圖11可知，當(dāng)勵(lì)磁角度為45°時(shí)，可以得到橫向縱向兩個(gè)角度的缺陷信息。從水平垂直灰度分布曲線(xiàn)上可以看到，橫縱兩個(gè)方向上的均能明顯成像，裂紋的分界線(xiàn)位于200pixel兩側(cè)，均能呈現(xiàn)出明顯的邊界。但與0°勵(lì)磁相比，橫向裂紋的位置出現(xiàn)了輕微的上偏移。圖中左邊出現(xiàn)了兩個(gè)邊界，下邊界靠近磁極，出現(xiàn)邊界線(xiàn)向磁極放線(xiàn)彎曲的現(xiàn)象。此時(shí)縱向邊界出現(xiàn)在180pixel～190piexl處。

Fig.11 Grayscale image and gray curve image of horizontal and vertical cracks(45°)

由圖12可知，當(dāng)勵(lì)磁角度是90°時(shí)，可以得到縱向裂紋明顯的缺陷信息，分界線(xiàn)位于190pixel～200pixel兩側(cè)，同時(shí)橫向裂紋也有所顯現(xiàn)，但過(guò)渡帶太大，不能明顯得到邊界位置信息。

Fig.12 Grayscale image and gray curve image of longitudinal crack(90°)

由圖13可知,當(dāng)勵(lì)磁角度為135°時(shí)，重新可以得到橫向縱向兩個(gè)角度的缺陷信息，從均衡化后的灰度分布曲線(xiàn)上可以看到，橫縱兩個(gè)方向上的均能明顯成像，橫向裂紋分界線(xiàn)位于190pixel～200pixel兩側(cè)，縱向裂紋分界線(xiàn)位于195pixel～205pixel均能呈現(xiàn)出明顯的邊界。與45°角勵(lì)磁相比較，此時(shí)可以看到圖像中上下兩個(gè)邊界線(xiàn)都向磁極所在區(qū)域發(fā)生彎曲。

Fig.13 Grayscale image and gray curve image of horizontal and vertical cracks(135°)

4 結(jié) 論

在單一角度勵(lì)磁的情況下，無(wú)論是直流勵(lì)磁還是交變勵(lì)磁，磁光成像無(wú)損檢測(cè)只能明顯成像出垂直磁場(chǎng)方向的缺陷，而平行于磁場(chǎng)方向的缺陷很難明顯成像，甚至無(wú)法成像。而多角度勵(lì)磁有利于位置形態(tài)焊接缺陷的檢測(cè)，特別是當(dāng)缺陷向多個(gè)方向擴(kuò)散時(shí)，采用多角度勵(lì)磁的方式進(jìn)行檢測(cè)，可以有效避免由與勵(lì)磁裝置恰好平行于缺陷而造成的漏檢。

直流勵(lì)磁下獲取的磁光圖像，缺陷邊界信息差值跨越50pixel～70pixel之多，這會(huì)使得邊界的確定不明顯，無(wú)法確認(rèn)該位置是否存在缺陷和確定缺陷的具體位置。而采用交變磁勵(lì)磁，缺陷邊界覆蓋范圍在10pixel～20pixel，分辨率提高了40pixel～50pixel，有利于缺陷的精確定位，因此多角度勵(lì)磁下交流勵(lì)磁比直流勵(lì)磁更能有效地確定缺陷是否存在，成像更為清晰，更有利于對(duì)缺陷的精確定位。