大功率盤形激光焊匙孔特征提取

孫 燕，高向東

（廣東工業(yè)大學機電工程學院，廣東 廣州 510006）

0 前言

大功率盤形激光焊接具有激光功率大、光束質(zhì)量優(yōu)良、大深寬比和極高的激光利用率等特性[1]。在大功率盤形激光焊接過程中，金屬焊件表面在激光束輻射下強烈汽化，在蒸汽退出表面產(chǎn)生反沖力的作用下，使熔化金屬液體向四周排擠，形成匙孔。隨著激光的繼續(xù)照射，匙孔內(nèi)部和上方的金屬蒸汽原子和電子發(fā)生電離作用，匙孔的寬度、深度以及其他形態(tài)會發(fā)生變化。當激光停止照射這一區(qū)域時，匙孔周邊的熔液回流，冷卻凝固后形成焊縫。因此匙孔是熔池區(qū)域能量最集中的部分，焊縫質(zhì)量與匙孔的形態(tài)有著重要聯(lián)系。

國內(nèi)外學者對匙孔做了大量研究并取得了顯著成果。利用光電二極管可獲得匙孔內(nèi)部等離子體徑向和縱向的溫度分布，匙孔內(nèi)部等離子體溫度隨著激光功率的增加而增加，隨著焊接速度的增加或激光聚焦點與板材表面距離的增加會減小[2]。匙孔的形狀與熔透有密切聯(lián)系，可以在一定程度上反映熔透的程度[3]。熔池熱像形態(tài)參數(shù)特別是熔池寬度、匙孔寬度和匙孔面積特征信息的測量可有效反映大功率光纖激光焊接過程的穩(wěn)定性[4]。

熱輻射伴隨著整個焊接過程，匙孔的紅外熱像含有豐富的焊接質(zhì)量信息。利用紅外高速影像系統(tǒng)攝取焊接熔池紅外動態(tài)熱像，提取匙孔特征并對其進行分析，根據(jù)匙孔形態(tài)可評價焊接過程的穩(wěn)定性。

匙孔形狀特征描述可分為基于區(qū)域和基于邊界兩類。在基于邊界的形狀描述方法中，可采用鏈碼來描述目標的形狀和位置信息。提取匙孔輪廓鏈碼，用鏈碼直方圖來描述匙孔鏈碼特征，同時定義和提取匙孔面積、匙孔周長、匙孔質(zhì)心、匙孔最前端點坐標、匙孔形狀因子特征，全面描述匙孔形態(tài)。

1 試驗裝置

試驗裝置包括大功率盤形激光焊接裝置TruDisk-10003、松下六關(guān)節(jié)機器人、激光焊接頭、保護氣體（氬氣）裝置及圖像采集系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。為了分析匙孔特性，在攝像機鏡頭前設(shè)置組合濾光器，獲得光譜為960~990的近紅外圖像，此光譜范圍可以抑制大部分金屬蒸汽和飛濺的干擾。高速攝像機的采集速度為2 000 f/s，安裝位置與水平成65°夾角，并與激光頭相對固定。試驗中激光功率為10kW，焊接速度3m/min，激光光斑直徑480μm，激光波長為1 030 nm，圖像分辨率為512×512像素，氬氣流量40L/min，試驗采用尺寸(長寬厚)為150mm×100 mm×20 mm的304不銹鋼板。

2 圖像預處理

試驗采用被動視覺傳感法，不加輔助光源，直接利用熔池自身輻射成像。熔池輻射能量主要分布在近紅外和中遠紅外光譜區(qū)，因此可用紅外傳感高速攝像機拍攝焊接區(qū)域熔池紅外動態(tài)熱像。由于焊接過程中，熔池周圍存在大量煙塵和飛濺干擾，攝取的熔池原始圖像中必然存在噪聲，加上現(xiàn)場環(huán)境因素，會使圖像變得不夠清晰，因此先對圖像進行預處理，去除干擾和噪聲，得到較清晰的圖像，獲取有用的匙孔邊緣輪廓信息[5-6]。

首先將熔池圖像裁剪以突出匙孔區(qū)域，并依次用5×5模板中值濾波、灰度拉伸、二值化等對圖像進行處理，圖2為其中一幅熔池圖像的處理結(jié)果。

圖1 大功率盤型激光焊接試驗裝置結(jié)構(gòu)示意

圖2 匙孔圖像處理示意

3 匙孔輪廓提取和鏈碼描述

對匙孔二值化圖像進行簡單處理，即可得到匙孔輪廓。圖3為6幅匙孔圖像輪廓的提取結(jié)果。匙孔輪廓圖中依次像素間互為鄰點，對一個連通的像素序列來說，與某一個像素連通的后繼像素只可能是圖4a中的由0～7表示的八個方向中的一個。對匙孔輪廓圖像而言，除像素序列的起始像素外任一后繼像素均可用0～7八個像素中的一個來唯一確定，匙孔輪廓曲線圖像可用起始坐標和鏈碼來表示。鏈碼是用中心像素指向它的8個相鄰點的方向來定義，鏈碼的方向如圖4b所示。鏈碼值加1，其所指方向就按逆時針方向旋轉(zhuǎn)45°[7]。

圖3 六幅匙孔圖像的輪廓

提取匙孔輪廓鏈碼的方法是：對匙孔輪廓圖像進行掃描，以像素點(xmin，ymin)為起始點，沿著逆時針方向并且按方向鏈碼的順序掃描當前點的相鄰8鄰域，找出像素值為1的下一輪廓點的坐標，由鏈碼方向和像素坐標對應關(guān)系（見表1），得出相應匙孔輪廓的鏈碼值。

表1 鏈碼方向和像素坐標對應關(guān)系

對圖3中6幅匙孔圖像的輪廓進行掃描得到鏈碼串，對應不同方向的鏈碼在鏈碼串中出現(xiàn)的統(tǒng)計概率如圖5所示。該6幅匙孔輪廓均為長扁形，根據(jù)鏈碼的基本理論，n0和n4的值應該偏大，這與鏈碼概率圖中h0和h4的值符合。隨著匙孔輪廓的變化，每幅圖像的鏈碼串發(fā)生相應變化。第300幅和第1 200幅匙孔輪廓相似，這與圖5兩個鏈碼串的統(tǒng)計特性對應。因此，匙孔輪廓的鏈碼串可以表征匙孔邊緣輪廓形態(tài)的變化。

圖4 八連通鏈碼的方向定義

圖5 匙孔輪廓鏈碼統(tǒng)計特性

4 匙孔區(qū)域形狀特征參數(shù)提取

為了更全面地描述匙孔的位置和形狀特征，定義并提取匙孔面積A、匙孔周長L、匙孔質(zhì)心x和y、匙孔形狀因子e等特征，以及匙孔最前端點坐標cx和cy。提取匙孔圖像面積A的方法是分割匙孔二值化圖像，并統(tǒng)計其全部像素點個數(shù)。匙孔周長L即為匙孔輪廓像素點的個數(shù)，可由鏈碼串中的N來表示。匙孔質(zhì)心的計算公式見參考文獻[1]。提取匙孔最前端點坐標cx和cy的方法是逐行掃描匙孔二值化圖像，找到像素值為1的y坐標最大值即為cy，然后對該行進行逐列掃描，像素值為1的x軸坐標值即為cx。形狀因子通常用離散指數(shù)e表示[7]

離散指數(shù)e描述了單位面積匙孔的周長大小。e值大，表明單位面積的周長大，即圖形離散，則為復雜圖形，反之則為簡單圖形。當匙孔圖像為圓時，e=4π；圖像為其他形狀時，e≠4π,且形狀越復雜，e值越大。對圖3中6幅匙孔圖像進行處理，并提取上述特征，結(jié)果見表2。可以看出，隨著匙孔形狀復雜程度增加，e值相應變大。

表2 匙孔形狀特征參數(shù)

5 結(jié)論

（1）在大功率盤形激光焊接過程中，應用高速影像系統(tǒng)攝取熔池紅外熱像并提取匙孔，通過中值濾波、灰度拉伸、二值化等方法對匙孔區(qū)域進行處理，可以獲得準確的匙孔輪廓特征。

（2）用鏈碼來描述匙孔輪廓特征，并且提取匙孔面積、匙孔周長、匙孔質(zhì)心、匙孔形狀因子、匙孔最前端點坐標等特征，可有效描述和分析匙孔形態(tài)變化。

[1]高向東，龍觀富，汪潤林，et al.大功率盤形激光焊飛濺特征分析[J].物理學報，2012（61）：98-103.

[2]Xiang zhongJin，LichengZeng.Directobservationofkeyhole plasma characteristics in deep penetration laser welding of aluminum alloy 6016[J].Journal of physics，2012（45）：245-205.

[3]楊家林，何建國.基于視覺的激光深熔焊匙孔檢測及圖像處理[J].焊接，2011（2）：19-22.

[4]高向東，張 勇.大功率光纖激光焊熔池形態(tài)及焊接穩(wěn)定性分析[J].焊接學報，2009，32（9）：13-16.

[5]毛鵬軍，張 慧.計算機視覺及其在焊接中的應用[J].電焊機，2002，32（7）：1-4.

[6]王 萍，孫紹功.圖像處理技術(shù)在焊縫跟蹤中的應用[J].電焊機，2008，38（2）：1-4.

[7]孫永香，梁 勇，張承明，等.基于鏈碼的葉片圖像形狀特征提取方法研究[J].儀器儀表學報，2007，28（4）：610-613.