肖輝，張朝林，張浩軍，高夢(mèng)娜，畢開斌，朱李寧，解建峰，王平

1.湖北航鵬化學(xué)動(dòng)力科技有限責(zé)任公司 湖北襄陽 441103

2.應(yīng)急救生與安全防護(hù)湖北省重點(diǎn)試驗(yàn)室 湖北襄陽 441103

1 序言

氣體發(fā)生器是安全氣囊的核心部件，而激光焊接是發(fā)生器生產(chǎn)中的一個(gè)特殊過程，焊接質(zhì)量的好壞直接影響發(fā)生器起爆時(shí)的安全性。傳統(tǒng)的焊接主要是人工作業(yè)，目視檢測(cè)焊縫表面質(zhì)量，這種方法不但效率低、主觀性強(qiáng)，而且不能滿足自動(dòng)化線連續(xù)不停歇生產(chǎn)的需要。

在線質(zhì)量檢測(cè)技術(shù)是通過焊接在線質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)LWM（Laser Welding Monitor）和焊接表面質(zhì)量檢測(cè)系統(tǒng)（機(jī)器視覺）二者共同來完成的。LWM系統(tǒng)由LWM傳感器、監(jiān)視器、ASLR放大器及控制柜等組成，集成在焊接頭上。焊接過程中產(chǎn)生的劇烈物理變化會(huì)造成輻射，而輻射直接關(guān)系到焊縫質(zhì)量，因此可通過輻射測(cè)量值分析焊縫質(zhì)量。這些信號(hào)與焊接過程的穩(wěn)定狀態(tài)密切相關(guān)，通過監(jiān)測(cè)這些信號(hào)來分析焊接過程是否穩(wěn)定，可間接判斷焊縫質(zhì)量的好壞。機(jī)器視覺是利用圖像攝取裝置，將被攝取的目標(biāo)轉(zhuǎn)換成圖像信號(hào)并傳送給專用的處理系統(tǒng)后，根據(jù)像素分布和亮度、顏色等信息，轉(zhuǎn)變成數(shù)字化信號(hào)，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行缺陷等級(jí)的判定[1，2]。

本文通過采購(gòu)的LWM和機(jī)器視覺設(shè)備，利用其工作原理制定方案，通過大量試驗(yàn)驗(yàn)證獲得最終控制參數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)焊接在線質(zhì)量監(jiān)控能力。

2 焊縫質(zhì)量在線檢測(cè)技術(shù)

2.1 焊接在線質(zhì)量監(jiān)測(cè)（LWM）

LWM系統(tǒng)通過配置的激光等離子體、背反射、溫度及功率探測(cè)器采集信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)與分析，通過試驗(yàn)建立4種輻射信號(hào)與熔深、焊縫形貌的定量關(guān)系，并監(jiān)視激光焊接過程中傳輸?shù)男盘?hào)，通過將信號(hào)與合格部件中的信號(hào)序列進(jìn)行比較，評(píng)估焊接結(jié)果的好壞。

（1）LWM系統(tǒng)設(shè)計(jì) 為了設(shè)計(jì)LWM系統(tǒng)各指標(biāo)的判定范圍，用正常生產(chǎn)參數(shù)（功率1.9kW、轉(zhuǎn)速140°/s、角度10°）焊接200個(gè)工件（編號(hào)為N1~N200），系統(tǒng)自動(dòng)記錄并將這200個(gè)曲線添加到數(shù)據(jù)庫(kù)中。

人工判斷焊后工件表面質(zhì)量，其中編號(hào)為N5、N20的工件表面質(zhì)量異常；再對(duì)表面質(zhì)量合格的工件進(jìn)行破壞性切割，合格工件的切割顯影圖如圖1所示，檢測(cè)其熔深（要求1.95~2.6mm）和偏移量（要求－0.3~0.3mm），其中編號(hào)為N31的工件熔深不滿足要求，在LWM系統(tǒng)中將編號(hào)為N5、N20、N31不合格工件的焊接曲線刪除，系統(tǒng)僅保留其余197個(gè)合格工件的曲線，如圖2所示。

在參數(shù)設(shè)置界面設(shè)置生成曲線范圍，系統(tǒng)自動(dòng)計(jì)算曲線最低值、最高值的擬合曲線，得到各指標(biāo)的上下限范圍，如圖3所示。

圖1 合格工件切割檢測(cè)顯影圖

圖2 合格工件的焊接曲線

圖3 焊接曲線各指標(biāo)上下限

（2）LWM系統(tǒng)的應(yīng)用 LWM在發(fā)生器焊接過程中能夠?qū)崿F(xiàn)焊接保護(hù)氣流量錯(cuò)誤、焊縫熔深偏移量錯(cuò)誤、產(chǎn)品工況錯(cuò)誤及焊縫完整性錯(cuò)誤等檢測(cè)。

當(dāng)出現(xiàn)焊接保護(hù)氣流量錯(cuò)誤時(shí)，工件焊后表面不平，LWM系統(tǒng)中背光反射值受到影響，背光反射指標(biāo)會(huì)出現(xiàn)異常，如圖4所示。

圖4 焊接保護(hù)氣流量錯(cuò)誤

在焊接過程中，若出現(xiàn)工件內(nèi)部熔深錯(cuò)誤，工件未熔透到要求的熔深值，則等離子體狀態(tài)和溫度能直接反應(yīng)小孔的熔透狀態(tài)，當(dāng)工件熔深在1.79~1.95mm時(shí)，LWM系統(tǒng)判定等離子體和溫度曲線異常，如圖5所示。

圖5 焊縫熔深錯(cuò)誤

等離子體信號(hào)波動(dòng)反映了焊接過程中小孔的穩(wěn)定情況，而小孔的異常波動(dòng)又是產(chǎn)生氣孔缺陷的起因，也是決定氣孔生成的主要因素之一，因此等離子體信號(hào)波動(dòng)與焊接氣孔缺陷存在一定的關(guān)聯(lián)性。LWM系統(tǒng)判定的焊縫表面氣孔缺陷如圖6所示。

圖6 產(chǎn)品表面氣孔缺陷

焊接時(shí)激光作用在工件表面，工件溫度會(huì)升高，熱輻射探測(cè)器接收熱信號(hào)。若焊縫出現(xiàn)缺焊，熱輻射值會(huì)明顯波動(dòng)，因此可以根據(jù)熱輻射判定焊縫的完整性。而且缺焊時(shí)，工件沒有發(fā)生熔透反應(yīng)，無等離子體產(chǎn)生，等離子體曲線也會(huì)出現(xiàn)異常。當(dāng)焊接過程中卡盤出現(xiàn)異?；蛲Ｖ罐D(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，LWM系統(tǒng)會(huì)判定焊縫缺焊，如圖7所示。

圖7 焊縫缺焊

2.2 焊縫表面缺陷質(zhì)量檢測(cè)（機(jī)器視覺）

機(jī)器視覺是指在焊接完成后，利用圖像攝取裝置，將被攝取的目標(biāo)轉(zhuǎn)換成圖像信號(hào)，對(duì)焊縫的外形尺寸如同心度，以及對(duì)焊縫表面凹坑、飛濺、氣孔等表面缺陷進(jìn)行外觀檢測(cè)[4]。

（1）同心度檢測(cè) 為了精準(zhǔn)提取孔的邊緣，在基準(zhǔn)圖像上調(diào)整曝光時(shí)間為4.9ms，亮度+3，使其他區(qū)域干擾像素過曝，再使用趨勢(shì)邊緣位置工具設(shè)定檢測(cè)段數(shù)值為72，邊緣敏感度值為20，測(cè)量工件內(nèi)圓孔圓心。以工件內(nèi)圓孔圓心值作為基準(zhǔn)值，測(cè)量焊縫圓心值，使用趨勢(shì)邊緣位置工具設(shè)定邊緣敏感度值為30，排除邊緣干擾值為31，段大小值為15，可以檢測(cè)出焊縫圓心。將兩者圓心值對(duì)比實(shí)現(xiàn)缺陷檢測(cè)，追加數(shù)值比對(duì)工具，利用范數(shù)公式即可求得兩點(diǎn)的距離，公差設(shè)定為0.2mm為同心度合格。當(dāng)卡盤圓跳動(dòng)不合格時(shí)，視覺系統(tǒng)判定的同心度不合格，如圖8所示。

圖8 同心度檢測(cè)錯(cuò)誤

（2）表面凹坑或氣孔檢測(cè) 合格的焊縫表面平滑，近似鏡面，輔助光照射后會(huì)與母材形成較大反差，可提取出焊縫檢測(cè)范圍，若焊縫有凹坑或氣孔缺陷，則不會(huì)形成鏡面反射，一定范圍的灰度值會(huì)發(fā)生變化。利用相機(jī)3D投影檢測(cè)瑕疵工具實(shí)現(xiàn)缺陷檢測(cè)，有凹坑或氣孔則呈現(xiàn)黑色面積。首先執(zhí)行基本圖像處理工具，增加圖像特征對(duì)比度和灰度系數(shù)，并選定焊縫檢測(cè)范圍藍(lán)色圓環(huán)內(nèi)。通過分析像素在該區(qū)域的灰度變化，提取相關(guān)的信息。將灰度值相差大于100像素區(qū)域判定為凹坑或氣孔缺陷，如圖9所示[5]。

圖9 焊接表面質(zhì)量凹坑或氣孔

2.3 試驗(yàn)驗(yàn)證

對(duì)以上方法及參數(shù)設(shè)定是否有效開展試驗(yàn)驗(yàn)證并進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。連續(xù)焊接300發(fā)合格產(chǎn)品進(jìn)行檢測(cè)，符合正態(tài)分布，說明過程穩(wěn)定受控，CPK為4.2，過程能力合格，說明在線質(zhì)量檢測(cè)功能準(zhǔn)確可靠。

3 結(jié)束語

焊縫缺陷的準(zhǔn)確識(shí)別是焊縫質(zhì)量檢測(cè)的關(guān)鍵，而在線質(zhì)量檢測(cè)技術(shù)改變了傳統(tǒng)焊接無法在線檢測(cè)的難點(diǎn)，通過大量的試驗(yàn)找到了與焊縫缺陷直接關(guān)聯(lián)的特征參數(shù)。

在發(fā)生器自動(dòng)化焊接中，采用LWM系統(tǒng)和機(jī)器視覺的在線質(zhì)量檢測(cè)方法進(jìn)行焊縫的質(zhì)量檢測(cè)，解決了依靠人員目視主觀判斷效率低、檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范難確定、檢測(cè)數(shù)據(jù)不易統(tǒng)計(jì)與查詢的難題。目前，該檢測(cè)系統(tǒng)已成功投入發(fā)生器生產(chǎn)中，極大地提高了發(fā)生器焊接的生產(chǎn)效率，實(shí)現(xiàn)了每發(fā)產(chǎn)品的實(shí)時(shí)焊接質(zhì)量追溯，保證了產(chǎn)品的質(zhì)量可靠性。