白車身激光掃描焊熔池邊界提取與缺陷識(shí)別的研究

宋宏偉，王 龍，張秋花，趙 青

（1.北京奔馳汽車有限公司生產(chǎn)制造部，北京 100176； 2.北京控制與電子技術(shù)研究所，北京 100038）

前言

激光掃描焊由于在單點(diǎn)焊接時(shí)極大縮短了控制定位時(shí)間，生產(chǎn)效率比普通點(diǎn)焊功效高4～10倍，因而在現(xiàn)代車身制造中得到廣泛應(yīng)用。激光掃描焊的本質(zhì)為可編程聚焦鏡組控制下的激光自熔焊。目前國內(nèi)外通常采用視覺傳感器對熔池進(jìn)行灰度分析，進(jìn)而檢測焊接質(zhì)量。相比于傳統(tǒng)的旁軸式傳感器檢測技術(shù)［1］，Beersiek采用同軸視覺傳感器拍攝了熔池圖像，定性分析了熔池寬度與熔深的對應(yīng)關(guān)系［2］。秦國梁等人針對碳鋼Nd：YAG激光焊接建立了同軸視覺傳感檢測系統(tǒng)，對熔池進(jìn)行了檢測［3］。為了建立熔池幾何形狀與焊接質(zhì)量的關(guān)系，楊家林通過邊界增強(qiáng)算子提取熔池邊界，為國內(nèi)實(shí)現(xiàn)激光深熔焊焊接質(zhì)量的在線實(shí)時(shí)控制奠定了基礎(chǔ)［4］。

但是研究中的圖像信號均熔池特征明顯，背景噪聲很小。熔池邊界是進(jìn)行焊接質(zhì)量檢測的依據(jù)，通過相同時(shí)間點(diǎn)圖像的提取，可以識(shí)別出合適的熔池邊界，進(jìn)而對邊界內(nèi)的熔池灰度分布進(jìn)行分析，判斷焊接質(zhì)量。如果提取的邊界不能表征焊縫的邊界狀態(tài)，比如邊界包括了焊渣反光、飛濺灰度等干擾因素，則后續(xù)的質(zhì)量檢測準(zhǔn)確性會(huì)大為下降，穩(wěn)定性也無從談起。對于激光掃描焊，每段焊縫周圍必須采用壓頭壓緊，通過足夠的加持力保證板間隙穩(wěn)定。但是在焊接過程中夾具帶來的反光也會(huì)導(dǎo)致檢測系統(tǒng)對熔池邊界識(shí)別不清。目前對于這些過程問題還沒有完善的解決方法。本文中構(gòu)建以Nd：YAG激光為熱源的同軸視覺檢測系統(tǒng)，針對生產(chǎn)過程中多因素對質(zhì)量監(jiān)控的干擾，利用數(shù)字圖像相關(guān)技術(shù)提出濾除雜波、提取關(guān)鍵質(zhì)量信息的方法。去除飛濺、夾具反光等噪聲信號后，可以在復(fù)雜工況下提取出熔池邊界。研究熔池塌陷對邊界提取的影響，同時(shí)根據(jù)實(shí)驗(yàn)得出夾具與熔池的探測臨界距離，以設(shè)置合理的工況標(biāo)準(zhǔn)，提高質(zhì)量監(jiān)控的穩(wěn)定性和檢測準(zhǔn)確率。

1 焊接與檢測設(shè)備

焊接設(shè)備采用基于DAIMLER標(biāo)準(zhǔn)的供應(yīng)商。其中，激光源采用TRUMPF公司型號為TruDisk－6602的盤型激光器，額定功率為6.6 kW，光纖直徑為0.2 mm。焊接激光頭采用型號為PFO 3D的可編程聚焦鏡組，配合Master PC控制系統(tǒng)，可以通過振鏡偏轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)可達(dá)域內(nèi)三維空間快速定位和復(fù)雜圖樣焊接。采用KUKA公司所產(chǎn)六軸機(jī)器人配合KRC4控制柜，以實(shí)現(xiàn)激光頭的平穩(wěn)移動(dòng)。圖像拍攝采用HEMA公司VISIR M054MX21FOR1001高速攝像系統(tǒng)，安裝于激光頭處并與熱源同軸。通過編程使焊接后振鏡中心位于焊縫中央以相同離焦量保持50 ms，同時(shí)觸發(fā)延遲15μs拍攝熔池形貌。每次焊接后拍攝時(shí)間相同，可以將當(dāng)前熔池邊界作為評價(jià)焊接質(zhì)量的依據(jù)。通過對比性試驗(yàn)獲得符合質(zhì)量要求的焊縫在當(dāng)前拍攝條件下的熔池灰度分布，從而設(shè)置相應(yīng)的檢測參數(shù)。圖像分辨率為368×368。焊接和檢測設(shè)備如圖1所示。根據(jù)攝像系統(tǒng)窗口尺寸與熔池高度的測算，熔池圖像的校準(zhǔn)系數(shù)為0.047 mm／pix。

圖1 焊接與檢測設(shè)備示意圖

焊接工件為奔馳某車型前縱梁外板與加強(qiáng)板，材料為厚1.6 mm的CR340LA冷軋低合金高強(qiáng)度鋼，配合厚3 mm的CR210IF熱浸鍍鋅鋼板。由于鍍鋅層的存在，為避免焊接時(shí)熔池中鋅蒸氣噴發(fā)導(dǎo)致表面氣孔，先在上層板利用小功率打出高度為0.2 mm的凸點(diǎn)。這樣既可以保證板間熔合，又可給鋅蒸氣逃逸的空間。激光功率在開始和結(jié)束的5%部分需要設(shè)置為小功率，以避免振鏡在加速度階段能量累積造成焊縫首末端孔洞或過燒。焊接過程參數(shù)如表1所示，焊接熔透率90%。激光掃描焊縫軌跡為直線焊縫，焊接長度為18 mm。

表1 焊接過程參數(shù)

2 熔池邊界的提取

在激光掃描焊的熔池檢測中，首先需要對熔池進(jìn)行邊界提取，以確定檢測范圍［5］。邊界的精確度決定檢測的有效性。通常是基于高斯濾波對激光焊熔池圖像進(jìn)行處理，并在邊界增強(qiáng)后利用數(shù)學(xué)形態(tài)方法獲得邊界特征［6］。當(dāng)背景噪聲與熔池灰度值差距較大，且過渡區(qū)域明顯時(shí)，相關(guān)方法可以有效提取出邊界。但實(shí)際激光掃描焊接過程中，飛濺及夾具反光通常會(huì)帶來相同灰度甚至更高的背景噪聲。下面就相關(guān)問題做進(jìn)一步研究。

2.1 熔池圖像的平滑處理

根據(jù)焊接時(shí)的實(shí)際工況，提取出具有典型背景噪聲特征的熔池圖像。由于高速攝像系統(tǒng)采集圖像為RGB表色系圖像，需要對原始圖像進(jìn)行處理以提高運(yùn)行速度［7］。為避免低速浮點(diǎn)運(yùn)算，采用如下整數(shù)算法公式：

式中：Gray為像素灰度值；R、G、B分別為紅、綠、藍(lán)3色的亮度。

經(jīng)過數(shù)字處理后得到熔池的灰度圖像，如圖2（a）所示。為便于分析圖像最大干擾因素的分類，取垂線A為穿過關(guān)鍵噪聲區(qū)的縱軸。橫縱坐標(biāo)軸取值為368×368，A線分布于305縱列處。提取A線的灰度值分布，如圖2（b）所示。在圖像中存在3個(gè)灰度峰值，分別為工件反光、飛濺亮斑和正常熔池信號。3個(gè)峰值灰度相差在50以內(nèi)，且飛濺亮斑灰度高于熔池信號，波谷灰度低于120。由于灰度分布細(xì)節(jié)噪聲較多，先將原始灰度圖做高斯濾波。高斯濾波實(shí)質(zhì)上是一種信號的處理算法，用于圖像的平滑處理。其傅里葉變換是高斯函數(shù)，對整幅圖像進(jìn)行加權(quán)平均后，每一個(gè)像素點(diǎn)的值都由其本身和鄰域內(nèi)的其他像素值經(jīng)過加權(quán)平均后得到。濾波后熔池形貌和A線灰度值分布如圖3（a）和圖3（b）所示。濾波后細(xì)節(jié)噪聲消失，曲線趨于平滑，但工件反光和飛濺亮斑帶來的峰值仍然存在。

圖2 去噪前熔池圖像和A線灰度值分布

2.2 熔池邊界提取方法

圖3 高斯濾波后熔池圖像和A線灰度值分布

閾值的選取關(guān)系到圖像邊界提取的有效性。當(dāng)選取最佳閾值時(shí)，前景與背景的差別最大，可以將熔池邊界提取出來。但是如何選擇衡量差別的標(biāo)準(zhǔn)，是計(jì)算的關(guān)鍵。對于單個(gè)圖像，采用波谷標(biāo)識(shí)選取較為準(zhǔn)確，但會(huì)失去在實(shí)際工況中圖像識(shí)別的適應(yīng)性。對比各種算法后，利用最大類間方差法計(jì)算出的圖像邊界閾值可以更清楚地區(qū)分前景與背景的最大灰度差。其具體算法公式為

式中：pi為不同灰度值的像素?cái)?shù)出現(xiàn)概率；P0為0－（tt－1）灰度區(qū)間像素出現(xiàn)的概率；P1為 0－（tt－1）之外灰度區(qū)間像素出現(xiàn)的概率；i為灰度值；tt為閾值；μ0為0－（tt－1）灰度區(qū)間平均灰度；μ為整幅圖的平均灰度；σB為總方差。

對計(jì)算出的閾值進(jìn)行二值化，就可以通過檢測算子進(jìn)行邊界拾取。在常用算子中，Sobel算子無法提取連續(xù)的邊界，Laplacian算子檢測的邊界細(xì)節(jié)缺失又不利于后續(xù)處理，只有Canny算子能通過調(diào)整閾值較好保留有用邊界。Canny使用了變分法，這是一種尋找滿足特定功能的函數(shù)的方法［8］。最優(yōu)檢測使用4個(gè)指數(shù)函數(shù)項(xiàng)的和表示，但是它非常近似于高斯函數(shù)的1階導(dǎo)數(shù)。應(yīng)用此算法得出的邊界輪廓如圖4所示。

圖4 Canny算子提取熔池邊界

由于同灰度噪聲的存在，圖像被分割成兩個(gè)連通域。此種情況無論用何種去噪方式均不能消除多余的邊界。即便將邊界灰度閾值調(diào)至200以上，仍然會(huì)出現(xiàn)噪聲輪廓。基于實(shí)際輪廓面積特征，引入最大連通域方法，即將各封閉區(qū)域進(jìn)行標(biāo)記后計(jì)算面積，從中求取最大連通區(qū)域的索引，從而完全去掉背景噪聲。去噪后的熔池邊界如圖5所示。此種方法可用于同灰度分域噪聲的消除。

圖5 引入最大連通域算法后熔池邊界

3 邊界識(shí)別影響因素

3.1 熔池表面塌陷的影響

由于掃描焊沒有填充金屬，且板件厚度超過4 mm，故當(dāng)焊接速度較小時(shí)，液態(tài)金屬受到重力與流動(dòng)反沖作用導(dǎo)致流動(dòng)速度很大［9］，故此種焊接形式易出現(xiàn)熔池從底部噴射出熔液而造成表面塌陷的情況。

再者，焊接發(fā)起端由于熱量在背部積累，熔滴自身重力迅速增大，以至于熔池底部的表面張力無法克服熔滴重力，從而出現(xiàn)下垂熔滴。這時(shí)上部熔池金屬不足，也會(huì)形成表面塌陷，如圖6所示。對于最小板厚1.6 mm的焊縫，當(dāng)塌陷深度大于0.4 mm時(shí)會(huì)顯著降低連接強(qiáng)度。當(dāng)塌陷形成時(shí)，熔池中心的光輻射經(jīng)周圍孔壁散射而衰減，故射入鏡組光路中的輻射量大幅降低。熔池中心灰度的降低會(huì)對邊界提取造成影響，形成空心連通域。

圖6 熔池貫穿引起的表面塌陷

這種情況下對連通域最大邊界內(nèi)低于灰度閾值的區(qū)域進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，則可以檢測塌陷面積，從而判斷缺陷程度和所需采取的反應(yīng)措施。對熔池圖像與實(shí)際表面狀態(tài)進(jìn)行擬合，得到熔池中心凹陷深度與灰度關(guān)系，如圖7所示。

圖7 凹陷深度與灰度關(guān)系

當(dāng)深度小于0.2 mm時(shí)，熔池中心灰度降低梯度不明顯，之后降低梯度顯著增加，這與光輻射在熔池壁間散射有明顯關(guān)系。當(dāng)深度超過0.4 mm時(shí)，中心區(qū)域灰度值小于150，之后隨著邊界壁高增加造成散射光無法外溢，灰度值迅速降低至100以下。由此可見，熔池的表面塌陷與灰度值有非線性正相關(guān)性。對于熔池中心的檢測，可以150的灰度值作為邊界條件，進(jìn)行焊縫質(zhì)量問題識(shí)別并檢測。

3.2 夾具距離的影響

激光掃描焊對于板件間隙有嚴(yán)格要求［10］，其標(biāo)準(zhǔn)為0.15±0.05 mm。板間凸點(diǎn)可以支撐起板間隙，這要求外部夾具對板件壓緊。激光焊是單向成型技術(shù)，通常應(yīng)用在內(nèi)表面無可達(dá)性的區(qū)域，因此夾具也是由上層板單面壓緊。當(dāng)夾具離焊縫較遠(yuǎn)時(shí)，板間距無法保證，焊縫成型不好。而夾具距離過近時(shí)，焊接飛濺會(huì)粘連在壓頭上。這一方面會(huì)阻擋母材吸收激光能量，另一方面會(huì)為檢測圖像帶來干擾光，從而影響邊界識(shí)別和質(zhì)量檢測。如圖8和圖9所示，當(dāng)夾具距離焊縫為1 mm時(shí)，其灰度圖出現(xiàn)嚴(yán)重邊界干擾。

圖8 夾具距離焊縫1 mm示意圖

圖9 夾具距離焊縫1 mm灰度分布

按照0.5 mm的步長對夾具距離設(shè)置后，進(jìn)行焊接并拍照，擬合出不同距離下熔池邊界和夾具表面飛濺輻射光的灰度域間最大波谷灰度與利用最大類間方差法獲得的閾值tt的關(guān)系，如圖10所示。

對于不同的邊界距離，閾值tt維持在一個(gè)水平上。當(dāng)邊界距離減小到0.5 mm，由于壓頭的反光，邊界閾值升高；而壓頭逐漸遠(yuǎn)離時(shí)，熔池周圍噪聲迅速減小，根據(jù)最大類間方差所得的灰度值完全反映熔池邊界狀態(tài)，閾值也會(huì)相應(yīng)升高。最大波谷灰度在距離大于2 mm時(shí)波動(dòng)幅度很小。當(dāng)小于2 mm時(shí)，隨著距離變小灰度值陡增，這是由于夾具表面與熔池的互相干擾使得連通域的邊界模糊。

圖10 夾具壓頭和熔池邊界距離與灰度分布的關(guān)系

根據(jù)最大連通域的算法原理，必須將熔池和噪聲分割開后，才可以獲得有效熔池邊界。但當(dāng)熔池邊界與夾具距離小于1.5 mm時(shí)，飛濺噪聲與熔池圖像值間的波谷灰度大于閾值tt，這會(huì)導(dǎo)致噪聲與熔池圖像合并，成為一個(gè)連通域。雖然可以根據(jù)灰度梯度重新識(shí)別邊界，但此種方式由于適用性很差，已失去實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。因此在實(shí)際工況中，為實(shí)現(xiàn)有效的熔池監(jiān)控，夾具與熔池邊界的距離應(yīng)控制在2 mm以上。

4 結(jié)論

（1）建立了熔池信號提取方案并構(gòu)建以Nd：YAG激光為熱源的同軸視覺檢測系統(tǒng)，獲得了清晰的熔池區(qū)圖像。

（2）針對生產(chǎn)過程中多因素對質(zhì)量監(jiān)控的干擾，利用數(shù)字圖像相關(guān)技術(shù)提出了濾除雜波、提取關(guān)鍵質(zhì)量信息的方法。通過最大類間方差法合理設(shè)置閾值，將灰度圖轉(zhuǎn)換為二值圖，尋找最大聯(lián)通域并采用增強(qiáng)算子和最大連通域法有效去除焊接飛濺帶來的同灰度噪點(diǎn)，獲得準(zhǔn)確的熔池邊界。

（3）建立熔池凹陷與灰度的關(guān)系，得出檢測凹陷問題的閾值。分析焊接夾具與飛濺形態(tài)對邊界識(shí)別的影響，設(shè)置合理的工況標(biāo)準(zhǔn)，從而提高了質(zhì)量監(jiān)控的穩(wěn)定性，降低了誤報(bào)率。