閆燦燦，陳鵬，王世培，孫秋陽

中國核工業(yè)二三建設(shè)有限公司 北京 101300

1 序言

焊接過程是一個(gè)復(fù)雜的物理化學(xué)過程，焊接質(zhì)量受焊接材料、結(jié)構(gòu)、工藝與環(huán)境等多方面因素共同作用[1]，針對(duì)不同的焊接條件應(yīng)設(shè)計(jì)相應(yīng)的傳感監(jiān)測系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)焊接過程的有效評(píng)估。目前，常用的焊接監(jiān)測手段包括：使用霍爾傳感器獲取電流和電壓信號(hào)[2]、使用工業(yè)相機(jī)結(jié)合濾光片獲取熔池視覺信號(hào)[3，4]、使用傳聲器獲取焊接聲信號(hào)[5]，以及使用熱像儀獲取熔池溫度場信息[6]等。在獲取相應(yīng)的聲、電、光、溫度信息之后，再通過信號(hào)處理、統(tǒng)計(jì)分析、深度學(xué)習(xí)等方式處理焊接過程信息，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)焊接質(zhì)量的評(píng)估與預(yù)測。

2 焊接質(zhì)量在線監(jiān)測及評(píng)估背景

目前，國內(nèi)外在弧焊監(jiān)測領(lǐng)域都已經(jīng)做了大量的研究，尤其是針對(duì)電弧焊工藝，已經(jīng)研制出了一批商業(yè)化的焊接過程監(jiān)測系統(tǒng)，這些監(jiān)測系統(tǒng)主要應(yīng)用于航空、汽車、造船等行業(yè)。其中，Ariane公司對(duì)火箭箱體進(jìn)行高質(zhì)量的GTAW焊接，在焊接過程中采用了德國HKS公司生產(chǎn)的焊接過程監(jiān)控系統(tǒng)，此監(jiān)控系統(tǒng)可以同時(shí)測量多臺(tái)焊接設(shè)備的電信號(hào)，同時(shí)通過將測量到的電信號(hào)與事先制定好的理想數(shù)值進(jìn)行比較，以判斷焊接質(zhì)量是否合格。

國內(nèi)某些造船企業(yè)在不銹鋼板焊接過程中，利用先進(jìn)的在線缺陷探測技術(shù)對(duì)每條焊道的焊接過程進(jìn)行實(shí)時(shí)的測量和檢查，并及時(shí)對(duì)有問題的焊道進(jìn)行報(bào)警，同時(shí)可以通過評(píng)估系統(tǒng)分析查明存在問題的位置、原因，并評(píng)估問題的嚴(yán)重度，輔助焊接工程師對(duì)有問題的焊件做出正確的判斷及處理。

圖1 HKS焊接過程監(jiān)控系統(tǒng)

除了已有的商業(yè)軟件，高校和科研院所也還在對(duì)焊接質(zhì)量在線監(jiān)測做著進(jìn)一步的研究。任杰亮[7]通過對(duì)電信號(hào)的時(shí)域分析與頻域分析，采用對(duì)特定統(tǒng)計(jì)量進(jìn)行比較與概率密度分布圖等統(tǒng)計(jì)曲線相結(jié)合的方法，可以準(zhǔn)確快速地判斷焊接過程的穩(wěn)定性。LU J等[8]研究了在不同焊接條件下發(fā)生駝峰或熔透時(shí)，GMAW焊接過程中熔池形態(tài)的變化。通過監(jiān)測焊接過程中熔池形態(tài)的變化，可以提前預(yù)測熔池中隆起或熔透的趨勢。文獻(xiàn)[9]提出了一種基于焊接電壓信號(hào)的熔深實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)，根據(jù)實(shí)時(shí)采集到的焊接電壓峰值信號(hào)變化對(duì)熔深進(jìn)行評(píng)估。郭波[10]針對(duì)GMAW中常見的CO2焊和MAG焊兩種焊接方法，提出電弧形態(tài)提取和分類識(shí)別算法，用于焊接過程電弧形態(tài)的監(jiān)測。白忠領(lǐng)[11]使用LabView軟件以及TensorFlow框架，在獲取焊接信息時(shí)使用深度學(xué)習(xí)的方式對(duì)焊接質(zhì)量進(jìn)行預(yù)測，獲得了優(yōu)良的預(yù)測結(jié)果。

3 焊接質(zhì)量在線監(jiān)測及評(píng)估系統(tǒng)平臺(tái)搭建

本文基于核電站設(shè)備安裝中厚壁管道自動(dòng)TIG焊開展研究，這是因?yàn)楸O(jiān)測系統(tǒng)能否采集到足夠多的焊接過程參數(shù)，是評(píng)估系統(tǒng)能否準(zhǔn)確地對(duì)焊接質(zhì)量進(jìn)行評(píng)價(jià)的關(guān)鍵。本文中除了采集焊接過程中的焊接電流、電弧電壓、送絲速度、氣體流量等常規(guī)焊接參數(shù)外，結(jié)合學(xué)術(shù)前沿成果[6，12]，還通過使用激光點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)光視覺法與紅外熱像儀視覺方法對(duì)熔池三維形貌進(jìn)行采集。

焊接過程中的常規(guī)參數(shù)如：焊接電流、電弧電壓、送絲速度、氣體流量等，采用MHJ-2型焊接參數(shù)記錄儀采集。該焊接參數(shù)記錄儀適用于施工現(xiàn)場等復(fù)雜的焊接環(huán)境的監(jiān)測，獲取的焊接參數(shù)會(huì)顯示在其自帶主機(jī)的顯示界面上，同時(shí)通過基于其RS232傳輸接口進(jìn)行編程，可以將實(shí)時(shí)采集到的焊接參數(shù)以10次/s的速度上傳至計(jì)算機(jī)中，電流精度優(yōu)于1%、電壓精度優(yōu)于0.5%、保護(hù)氣體流量優(yōu)于5%。

圖2 焊接質(zhì)量在線監(jiān)測及評(píng)估系統(tǒng)硬件平臺(tái)

搭建激光視覺系統(tǒng)來獲取焊接過程中熔池的長度以及高度等形貌信息，該系統(tǒng)主要由點(diǎn)陣激光發(fā)射器、濾光片、成像板以及CCD相機(jī)等主要部件組成。其中，點(diǎn)陣激光發(fā)射器選用國產(chǎn)艾爾克斯的STR系列激光發(fā)射器，能夠輸出17×17點(diǎn)陣陣列，激光功率為200mW，波長為660nm；濾光片選用施耐德660nm窄帶濾光片，能最大限度地過濾掉焊接電弧弧光干擾，以便于獲得較為純凈的三維點(diǎn)陣圖像；相機(jī)選擇PointGray公司出品的BFS-U3-51S5M工業(yè)相機(jī)，最大分辨力能夠達(dá)到2448×2048，可以通過數(shù)據(jù)線與計(jì)算機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)通信；鏡頭選用FUJINON-HF8XA-5M近焦鏡頭，減小鏡頭與物體距離過近時(shí)引起的圖形畸變，以便于在10cm左右可以獲得較為清晰的激光點(diǎn)陣圖像。出廠時(shí)附帶Spinnaker整套軟件，包括在線軟件以及整套SDK以供二次開發(fā)使用。安裝的相對(duì)位置如圖2所示，其中激光發(fā)射器距熔池表面100mm左右，成像板與熔池距離約為100mm，CCD相機(jī)與成像板之間的距離也為100mm左右，以此獲得較為清晰的反射圖樣。

紅外視覺系統(tǒng)主要包括以熱像儀為核心的一整套采集系統(tǒng)，紅外熱像儀采用上海巨哥科技股份有限公司出品的MAG系列高溫型在線式紅外熱像儀，支持RTP、IP、DHCP、TCP等數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議，本次使用RJ45型網(wǎng)線接口與工作站連接進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，出廠時(shí)附帶ThermoX在線軟件，可以在線查看、記錄、回放熱像儀獲取的熔池紅外數(shù)據(jù)。

將以上主要硬件與計(jì)算機(jī)工作站相連接，本文使用的工作站采用i9-9600x的CPU，并且配有64G DDR4高速內(nèi)存條與M.2接口的固態(tài)硬盤，保證熔池形貌采樣頻率達(dá)到1組/s，試驗(yàn)系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

4 信息采集方式及處理手段

4.1 激光視覺系統(tǒng)的信息獲取與處理

由于電弧光的強(qiáng)烈干擾，焊接熔池很難直接通過工業(yè)CCD相機(jī)觀測到，因此選用結(jié)構(gòu)光視覺傳感法。因?yàn)門IG熔池表面為光滑的鏡面，光線照射到熔池表面后會(huì)發(fā)生鏡面反射，而點(diǎn)陣激光經(jīng)熔池表面反射后強(qiáng)度不會(huì)衰減，但是電弧光會(huì)隨著距離的增加而成倍衰減，利用這一特點(diǎn)，即可以得到如圖3所示的反射圖樣。通過Spinnaker SDK開發(fā)工具包編寫在線采集程序，實(shí)現(xiàn)對(duì)相機(jī)列表的獲取、相機(jī)選擇、初始化、采集模式設(shè)定，以及采集的其他相關(guān)設(shè)置等。在本系統(tǒng)中，由于弧光干擾較大，為了避免成像板距離熔池的尺寸過遠(yuǎn)，曝光時(shí)間為62ms。

獲取圖像之后，采用文獻(xiàn)[12]中的圖像處理方法對(duì)獲取的圖像進(jìn)行處理，重構(gòu)出熔池三維圖像（見圖3），并返回熔池的長度、寬度與高度值。熔池重構(gòu)使用Python語言進(jìn)行編寫。

圖3 前期試驗(yàn)中獲得的激光點(diǎn)陣圖像以及重構(gòu)后的三維熔池

4.2 監(jiān)測串口信息

使用C++對(duì)RS232串口信息進(jìn)行讀取，并實(shí)時(shí)儲(chǔ)存峰值電流、基值電流、平均電弧電壓、氣體流量與送絲速度等焊接參數(shù)。

4.3 熱像儀數(shù)據(jù)的獲取與處理

熱像儀使用SDK中的兩個(gè)封裝好的類庫進(jìn)行控制，編程語言使用C++，識(shí)別程序代碼使用OpenCV框架進(jìn)行編寫。利用編寫的紅外熱像儀采集程序可以獲得熔池溫度分布、總體形貌特征等熔池信息，進(jìn)一步使用圖像處理算法對(duì)熔池寬度以及熔池中心點(diǎn)等位置進(jìn)行識(shí)別，可以實(shí)時(shí)監(jiān)測到熔池位置以及焊槍在坡口中的位置。紅外圖像識(shí)別效果如圖4所示。從圖中可看出，紅外熱像儀識(shí)別算法可識(shí)別熔池寬度以及熔池中心位置，其中熔池寬度識(shí)別之后返回像素值，經(jīng)比例標(biāo)定換算即可得到熔池寬度。

圖4 紅外圖像識(shí)別效果

4.4 系統(tǒng)界面設(shè)計(jì)

系統(tǒng)主要分為三個(gè)交互界面：厚壁管焊接質(zhì)量在線監(jiān)測及評(píng)估系統(tǒng)管理界面；厚壁管焊接質(zhì)量在線監(jiān)測及評(píng)估系統(tǒng)實(shí)時(shí)顯示界面；厚壁管焊接質(zhì)量在線監(jiān)測及評(píng)估系統(tǒng)評(píng)估結(jié)果界面。

（1）厚壁管焊接質(zhì)量在線監(jiān)測及評(píng)估系統(tǒng)管理界面 厚壁管焊接質(zhì)量在線監(jiān)測及評(píng)估系統(tǒng)管理界面（以下簡稱“管理界面”）可輸入有關(guān)焊接信息，主要包括焊接道次、產(chǎn)品類型、焊材牌號(hào)、母材種類、圓管厚度及圓管直徑等基礎(chǔ)信息；設(shè)置峰值電流、基值電流、焊縫寬度、電弧電壓、氣體流量及送絲速度等需要監(jiān)測的信息范圍；熱像儀IP地址、存儲(chǔ)位置（包括參數(shù)保存、CCD保存以及熱成像存儲(chǔ)）等設(shè)置的信息；可以設(shè)置保存按鈕，對(duì)輸入的焊接信息進(jìn)行保存，在下次焊接同樣的道次時(shí)調(diào)用信息；擁有“參數(shù)監(jiān)測”按鈕，可以保存輸入的焊接信息之后調(diào)用出實(shí)時(shí)監(jiān)測界面。系統(tǒng)管理界面如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)管理界面

（2）厚壁管焊接質(zhì)量在線監(jiān)測及評(píng)估系統(tǒng)實(shí)時(shí)顯示界面 基于厚壁管焊接過程，厚壁管焊接質(zhì)量在線監(jiān)測及評(píng)估系統(tǒng)實(shí)時(shí)顯示界面（以下簡稱“實(shí)時(shí)顯示界面”）能根據(jù)管理界面中輸入的多種焊接信息，更新界面中的相關(guān)信息，如送絲速度等；可以對(duì)包括送絲速度、氣體流量等在內(nèi)的焊接信息進(jìn)行實(shí)時(shí)更新并顯示、儲(chǔ)存，根據(jù)工藝參數(shù)范圍計(jì)算偏差值并計(jì)算偏差次數(shù)；顯示并儲(chǔ)存CCD相機(jī)以及熱像儀獲取到的圖像，并將儲(chǔ)存的圖片進(jìn)行實(shí)時(shí)處理，獲得熔池高度與寬度等熔池幾何參數(shù)，并更新到界面中；將實(shí)際反饋參數(shù)與設(shè)置參數(shù)相比對(duì)，計(jì)算得出評(píng)估結(jié)果，若初步評(píng)估出現(xiàn)焊接缺陷，則彈出缺陷信息，如圖6所示。

圖6中左上方為焊接參數(shù)、偏差值及偏差次數(shù)的顯示區(qū)域，灰色陰影部分為參數(shù)的曲線圖繪制部分，左下角區(qū)域?yàn)闊嵯駜x的紅外圖像顯示區(qū)域，右側(cè)方框?yàn)镃CD相機(jī)捕獲的圖片區(qū)域，整個(gè)界面的右側(cè)上邊部分為焊接參數(shù)顯示部分，以及焊接質(zhì)量參數(shù)的顯示區(qū)域，左側(cè)具有獨(dú)立開關(guān)，可以單獨(dú)控制某一種傳感器的開啟和閉合，下邊是可以調(diào)用熱像儀和相機(jī)獨(dú)立程序的按鈕，可以單獨(dú)調(diào)用熱像儀和相機(jī)的自帶程序，右下角為開始按鈕和退出按鈕，開始按鈕可以實(shí)現(xiàn)全部傳感器的開啟功能，退出按鈕則退出整個(gè)程序。

（3）厚壁管焊接質(zhì)量在線監(jiān)測及評(píng)估系統(tǒng)評(píng)估結(jié)果界面 該界面會(huì)實(shí)時(shí)彈出評(píng)估報(bào)告，評(píng)估過程主要基于采集到的焊接過程參數(shù)，通過判斷焊接過程參數(shù)與設(shè)定值之間的偏差量，并基于焊工經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ停u(píng)估該位置可能出現(xiàn)的焊接缺陷，如圖7所示。評(píng)估結(jié)果會(huì)輔助焊接工程師更好地實(shí)時(shí)調(diào)整焊接參數(shù)，改善焊道質(zhì)量。

圖6 焊接質(zhì)量在線監(jiān)測及評(píng)估系統(tǒng)實(shí)時(shí)顯示界面

圖7 缺陷報(bào)告示例

5 結(jié)束語

1）使用厚壁管在線監(jiān)測及評(píng)估系統(tǒng)可以有效地采集厚壁管焊接過程中的信息，除傳統(tǒng)的電流電壓、送絲速度、氣體流量等，還將激光點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)光視覺法與紅外熱像儀視覺法等應(yīng)用進(jìn)來，同步獲得熔池的長度、寬度等幾何參數(shù)。

2）該系統(tǒng)界面完全自主設(shè)計(jì)，可以滿足厚壁管多層多道焊的參數(shù)設(shè)置，實(shí)時(shí)監(jiān)測焊接過程，以及對(duì)焊接過程實(shí)時(shí)評(píng)估并顯示。

3）編寫的紅外視覺圖像處理程序，不僅能夠?qū)崟r(shí)顯示焊道的寬度，還能夠定位焊槍位置，方便焊接工程師調(diào)整焊槍。