焊接質量在線檢測方法分析

劉振玲

（湘潭電機股份有限公司，湖南 湘潭 411101）

近年來，焊接技術應用越加廣泛，尤其是基于現代科技的不斷發展，焊接自動化、智能化程度越來越高，在焊接質量、效率方面的要求不斷提升。基于此背景下，傳統的由人工對焊縫進行檢驗的方法已經不再適用，借助于計算機技術開發出來的焊接在線檢測系統，可對焊接工藝參數進行實時記錄存儲，實現對焊接質量的預測、判定，加強此方面的研究對我國現代焊接生產的發展具有重要意義，有利于保證焊縫質量，提高產品競爭力以及提高生產效率。

1 焊接質量在線檢測方法的提出背景

焊接技術是一種基礎加工工藝，涉及材料、結構、加工自動化與機械化、質量評估與控制等多方面內容，焊接效果在一定程度上直接影響到產品最終的質量。隨著對焊接產品需求量的增加，相應的對生產效率、質量的要求也越來越高，傳統焊接技術正逐漸被淘汰，各種自動化焊接技術應運而生，為滿足現代制造加工技術發展要求，加強相關自動化技術與質量檢測技術的研發具有重要意義。

通過對傳統焊接質量檢測技術分析可知，其主要采取的焊后檢驗方式，如抽樣目測、剖切檢驗等，由于整個焊接過程中存在大量的隨機因素，僅僅依靠焊后檢驗缺乏實時性，無法及時給焊接過程提供有效的質量的反饋信息，以致于很多焊接缺陷未能夠在第一時間被發現，最終導致焊接質量較差。根據理論與實踐分析可知，焊接過程中會產生一系列的物理、化學變化，如電弧光譜、聲譜以及焊接電流、電壓的變化等均會影響到焊接質量，對此類信號進行實時監測，可為焊接質量預測、判斷提供可靠依據，此種焊接質量在線檢測方法研究也逐漸成為熱點問題。

2 幾種焊接質量在線檢測方法及其原理分析

為提高焊接自動化水平，保證產品質量，焊接質量在線檢測方法的應用越加廣泛，現主要就以下幾種焊接技術展開分析。

2.1 結構光視覺傳感法

此檢測方法，主要是在焊縫表面投射一束輔助激光，通過視覺傳感器獲取反射的焊縫輪廓光條紋信號，并借助圖像處理技術提取結構光條紋中心線、模式識別技術識別目標焊縫輪廓，最終為焊縫質量判斷提供可靠信息。此方法已經在實際焊接工業現場得到了應用，其可獲取兩種圖像：一是焊縫結構光光紋圖像，可用于檢測焊縫表面是否存在幾何形狀缺陷；二是焊縫灰度圖像，可用于檢測焊縫表面是否存在小孔等表面缺陷。

2.2 同軸視覺檢測法

此方法主要用于激光焊接質量檢測，利用激光發射器自身的結構特點，將監視器與激光發射器同軸安裝，實現同軸視覺檢測。在焊接過程中，通過此檢測方法可直接拍攝激光束對準位置正下方的熔池、匙孔圖像，并借助圖像開展變化規律的分析，實現對焊接位置信息的識別、判斷。

2.3 紅外傳感檢測法

此方法主要是利用紅外溫感系統直線方向對焊縫進行熱量掃描，記錄下紅熱狀態的焊縫熱能。在實際焊接技術應用中，可將傳感技術安裝在焊槍后，根據焊縫溫度分布情況，可對焊縫缺陷部位、特征等進行識別。

3 實例分析焊接質量紅外在線檢測方法的應用

本文僅以紅外傳感檢測法為例展開試驗分析，以此實現對焊接質量的在線檢測，此技術覆蓋率大、圖像采集速度快，為焊接缺陷檢測提供了廣泛的可能性。

3.1 紅外在線檢測系統設計

本試驗以紅外在線檢測系統對管道激光/電弧復合焊接質量進行檢測。本系統利用紅外熱像儀，通過非接觸測量的方式獲取熔池溫度分布，繪制熔池熱像圖像，備注焊接時間、點位等信息；利用圖像處理系統，對熔池熱像圖像進行分析，獲取焊接質量信息；根據圖像分析，判斷焊接過程中是否發生氣孔、夾渣、未熔合等缺陷，若是存在立即報警，提醒相關焊接工程師進行處理，調整焊接工藝參數。

（1）紅外在線檢測系統設備：包括紅外熱像儀、圖像分析計算機①RAYPi20HTRC紅外熱像儀：采樣速率30幀/s，設備分辨率高、溫度探測精度高、抗震動性好，具體參數如下表1所示，基本滿足大口徑管道激光/電弧復合焊接質量檢測技術需求。②圖像分析計算機：利用計算機完成圖像分析處理，通過RJ45以太網口與紅外熱像儀連接，構建視頻數據傳輸鏈路。

（2）焊接質量在線監測軟件系統：包括圖像識別、圖像分析、焊接缺陷判斷報警、時空控制與日志模塊等。

表1 RAYPi20HTRC紅外熱像儀參數

3.2 紅外在線檢測系統工作方法

圖1為紅外在線檢測系統工作流程示意圖。

3.3 焊接質量在線檢測試驗

（1）焊接試件。本次焊接試件采用的是X70鋼制管線，直徑1016mm、壁厚17.5mm，采用管道激光—電弧復合焊，利用紅外在線檢測系統進行質量分析。

（2）焊接質量在線檢測效果。本次焊接質量在線檢測試驗完成后，繪制了焊接熔池溫度梯度圖。①正常焊接情況下，焊接熔池溫度梯度為近圓形，若是溫度梯度圓度大于所設閾值，表明焊接質量達標，系統自動記錄焊點信息與質量評分；若是溫度梯度圓度小于所設閾值，表明焊接質量不合格，系統也會自動記錄相關信息，同時對焊接缺陷開展分類判定。②不合格判定結果下，系統對焊接熔池溫度梯度圖開展進一步分析，溫度梯度畸變處于圖像邊緣、焊接熔池變小，則可判斷為未熔合缺陷；溫度梯度畸變處于圖像中心、存在溫度過高/低點，則可判斷為焊接夾渣、氣孔缺陷。本次焊接質量在線檢測中，一旦出現焊接質量缺陷，立即發出了聲光報警，提醒焊接工程師及時處理，完成焊接工作后系統自動生成日志，記錄各點位焊接質量信息，重點標注疑似焊接缺陷點，為焊接質量檢測提供參考。

圖1 紅外在線檢測系統工作流程圖

4 結語

綜上所述，隨著焊接自動化、智能化的發展，利用焊接過程中的電弧光譜、電弧聲譜以及焊接時焊接電流和電弧電壓的變化等信號，對焊接質量進行評估已經成為一大研究熱點，由此焊接質量在線檢測方法得到快速發展。本文通過試驗分析，驗證了焊接質量紅外在線檢測方法的應用效果，其檢測效率高，檢測結果精確，實現了焊接缺陷的有效分類判定，具有推廣應用價值。