洪延武，鐘秒金

1.江門職業(yè)技術(shù)學(xué)院 智能制造與裝備學(xué)院，廣東 江門 529030

2.長春理工大學(xué) 機電工程學(xué)院，吉林 長春 130022

0 引言

在激光-電弧復(fù)合焊接中，由于焊接工藝參數(shù)眾多以及相互之間的強耦合性，任何一個參數(shù)的改變都會影響焊接質(zhì)量，尤其對焊縫形貌的影響最為顯著，因此焊接工藝參數(shù)對焊縫形貌尺寸的影響一直是國內(nèi)外研究的重點。張鵬賢［1］等通過激光掃描獲得焊縫視覺圖像，然后利用圖像處理方法實現(xiàn)了焊縫寬度和焊縫長度的檢測算法。諸慧慧［2］利用結(jié)構(gòu)光檢測系統(tǒng)獲得焊縫的形貌圖片，通過圖像處理后對焊縫的寬度和高度形貌特性進(jìn)行提取，根據(jù)得到的幾何參數(shù)進(jìn)行數(shù)值模擬焊縫的三維信息。王秀平［3］等利用激光視覺傳感器采集焊縫圖片，并對圖片進(jìn)行預(yù)處理，然后根據(jù)概率神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)識別焊縫類型，最終得到焊縫中心位置和焊縫寬度特征信息。上述研究采用較為復(fù)雜的激光檢測系統(tǒng)來獲取焊縫圖片，且只是測量了焊縫余高、熔寬和熔深三個尺寸，如若想對焊縫形貌進(jìn)行更加深度的研究，需要測量更多的焊縫截面幾何尺寸。傳統(tǒng)的焊縫形貌尺寸測量設(shè)備是金相顯微鏡，采用金相顯微鏡拍攝焊縫截面的整體形貌照片，用設(shè)備自帶的LAS軟件通過在形貌尺寸照片上標(biāo)注比例尺，然后手動測量需要的焊縫尺寸數(shù)據(jù)，因此消耗了大量的人力和時間，另外LAS測量軟件也無法完成極坐標(biāo)下的尺寸測量。

基于上述問題，本研究采用極坐標(biāo)的方式對焊縫截面尺寸進(jìn)行測量，通過SOBEL邊緣檢測算法提取焊縫形貌輪廓、定位識別形貌輪廓中心點并以此作為原點建立極坐標(biāo)系。識別定位焊縫形貌邊緣輪廓角度分別為15°，30°，…，360°的像素坐標(biāo)，利用比例尺實現(xiàn)焊縫截面極坐標(biāo)下幾何尺寸的自動測量。

1 激光-電弧復(fù)合焊接試驗及焊縫截面幾何尺寸數(shù)據(jù)測量

1.1 復(fù)合焊接試驗

自行研制的復(fù)合裝置平臺如圖1所示，將德國通快公司的Nd：YAG固體激光器和最大焊接電流為350 A的Panasonic YD-350AG2HGE型MIG/MAG焊機進(jìn)行旁軸復(fù)合。激光經(jīng)220 mm聚焦鏡聚焦，獲得0.5 mm直徑光斑；離焦量為-2 mm。MAG焊槍保護(hù)氣體為10%CO2+90%Ar的混合氣體，流量為17 L/min。試驗材料為尺寸150 mm×30 mm×6 mm的低合金高氮鋼板，采用平板對接焊。采用直徑為1.2 mm的不銹鋼焊絲，干伸出長度12 mm，電弧焊矩傾角為60o。焊接完成后經(jīng)過數(shù)控線切割獲取焊縫截面，經(jīng)拋光、4%硝酸酒精溶液腐蝕后，采用MEG體式顯微鏡測得焊縫形貌尺寸數(shù)據(jù)。

圖1 焊接試驗系統(tǒng)平臺Fig.1 Platform of the hybrid welding experiment

1.2 焊縫截面輪廓的提取及去噪處理

焊縫截面尺寸自動測量系統(tǒng)是基于像素點個數(shù)來進(jìn)行計算測量，根據(jù)標(biāo)記比例尺的像素點個數(shù)和對應(yīng)尺寸的像素點個數(shù)計算轉(zhuǎn)換。因此需要對焊縫截面圖片進(jìn)行預(yù)處理，利用金相顯微鏡的LAS測量軟件在圖片上標(biāo)記比例尺，為了能夠有效識別焊縫截面輪廓曲線，減少干擾點，提高截面尺寸測量精度，需要采用MATLAB程序?qū)缚p截面圖片進(jìn)行變暗預(yù)處理，并采用高亮的顏色標(biāo)記出輪廓和比例尺，然后采用基于RGB梯度原理的Sobel算法對截面輪廓邊緣進(jìn)行提取，如圖2所示。

圖2 圖片預(yù)處理及輪廓提取Fig.2 Image preprocessing and contour extraction

1.2 極坐標(biāo)尺寸測量建模

焊縫截面尺寸測量一般以焊縫輪廓中心點作為坐標(biāo)原點，因此通過程序?qū)ふ医孛孑喞€最右、最左、最上和最下的像素點并連接左右點和上下點，兩條線的交點即為焊縫截面尺寸測量的極坐標(biāo)系原點。如圖3所示。

圖3 基于焊縫輪廓建立的極坐標(biāo)系Fig.3 Polar coordinate system built on the welding bead outline

以交點作為極坐標(biāo)系的中心點，尋找角度為15°，30°，…，360°的像素點坐標(biāo)（Xi，Yi），根據(jù)像素點的坐標(biāo)計算對應(yīng)角度下的尺寸Li。同時識別比例尺標(biāo)注線最左和最右的像素點坐標(biāo)（xi，yi），并計算比例尺標(biāo)注線的長度li。則對應(yīng)角度的焊縫截面幾何尺寸長度di計算公式為：

通過代碼編程識別對應(yīng)焊縫截面輪廓圖片上所有測量點的像素坐標(biāo)，然后根據(jù)上述計算公式即可得到對應(yīng)焊縫截面極坐標(biāo)下的所有尺寸。

2 焊縫截面幾何尺寸自動測量系統(tǒng)數(shù)據(jù)驗證

2.1 焊接樣本尺寸數(shù)據(jù)的測量

將試驗得到的28組焊縫截面圖片經(jīng)過上述預(yù)處理過程后，導(dǎo)入該自動測量系統(tǒng)進(jìn)行測試，得到焊縫截面尺寸數(shù)據(jù)。隨機選取三組試驗樣本的尺寸測量數(shù)據(jù)，并和實際焊縫截面圖片進(jìn)行對比。選取的三組焊接工藝參數(shù)組合如表1所示，測得對應(yīng)的焊縫截面幾何尺寸數(shù)據(jù)如表2所示。

表1 隨機挑選三組進(jìn)行尺寸測量的工藝參數(shù)Table 1 Measured dimensions of welding bead shape chosen randomly

表2 三組樣本焊縫截面極坐標(biāo)尺寸Table 2 Measured dimensions of welding bead with chosen welding parameters

焊縫截面尺寸測量總共包含26組尺寸，其點1～點6示意如圖5所示，由于對接焊的平板被焊穿透后會有底部外延部分，故增加點7和點9兩個測量點以顯示該部分的幾何特征，其他測量序列點依次類推，各測量點間隔15°。

圖5 焊縫截面尺寸測量點示意Fig.5 Diagram of measuring points in the welding cross-section

2.2 焊接樣本截面尺寸測量精度驗證

由于傳統(tǒng)金相顯微鏡無法測量特定角度焊縫形貌尺寸，為驗證開發(fā)的自動測量系統(tǒng)準(zhǔn)確性，故只測量焊縫最左端、下端、右端和上端的截面尺寸，對應(yīng)的測量點為測量點8、測量點15、測量點21和測量點26（即熔深，熔寬，余高），對比如表3所示。

表3 自動測量尺寸和傳統(tǒng)手動測量尺寸對比誤差Table 3 Comparison between the measuring system presented in this paper and the traditional system

由表3可知，本研究提出的焊縫截面尺寸自動測量方法具有較高的測量精度，測量誤差均在3%以內(nèi)。為了更加形象地顯示自動測量尺寸的準(zhǔn)確性，將實際的焊縫截面圖片和測量的數(shù)值模擬焊縫輪廓圖片進(jìn)行對比，三組樣本的測量尺寸和實際焊縫截面圖片對比如圖6所示。由圖6可知，開發(fā)的極坐標(biāo)下測量焊縫截面尺寸系統(tǒng)基本能夠反映焊縫截面輪廓，具有一定的實用價值。

圖6 測量得到的焊縫形貌和實際焊縫形貌對比Fig.6 Comparation between the measured welding bead shape and the actual weld bead shape

3 結(jié)論

（1）通過對焊縫截面圖片進(jìn)行預(yù)處理的操作，能夠有效提高SOBEL邊緣檢測算法識別焊縫輪廓效果，有效去除邊緣雜亂像素點的干擾，提高焊縫截面尺寸測量的精度。

（2）采用極坐標(biāo)尺寸測量的方法，通過建立焊縫截面輪廓極坐標(biāo)，然后每間隔15°進(jìn)行檢測焊縫輪廓邊緣的算法模型能夠高效完成焊縫輪廓的尺寸測量，且測量精度在3%以內(nèi)。實現(xiàn)了焊縫形貌左右對稱點的尺寸測量，為后續(xù)焊縫形貌對稱度的研究及工藝參數(shù)優(yōu)化提供了一個全新的量化標(biāo)準(zhǔn)。

（3）極坐標(biāo)測量方法無法準(zhǔn)確描述焊縫截面所有細(xì)節(jié)特點，但是通過測量數(shù)據(jù)模擬和實際焊縫截面圖片對比能夠詳細(xì)呈現(xiàn)焊縫輪廓特點。

（4）本研究將數(shù)學(xué)建模和圖片處理方法應(yīng)用到焊縫形貌尺寸測量中，替代傳統(tǒng)測量方法，能夠高效率、低人工完成焊縫形貌尺寸的測量，對激光電弧復(fù)合焊接的研究具有重要意義。