核電厚壁管道自動焊在線監測及評估系統研究

閆燦燦，陳鵬，王世培，孫秋陽

中國核工業二三建設有限公司 北京 101300

1 序言

焊接過程是一個復雜的物理化學過程，焊接質量受焊接材料、結構、工藝與環境等多方面因素共同作用[1]，針對不同的焊接條件應設計相應的傳感監測系統來實現焊接過程的有效評估。目前，常用的焊接監測手段包括：使用霍爾傳感器獲取電流和電壓信號[2]、使用工業相機結合濾光片獲取熔池視覺信號[3，4]、使用傳聲器獲取焊接聲信號[5]，以及使用熱像儀獲取熔池溫度場信息[6]等。在獲取相應的聲、電、光、溫度信息之后，再通過信號處理、統計分析、深度學習等方式處理焊接過程信息，進而實現對焊接質量的評估與預測。

2 焊接質量在線監測及評估背景

目前，國內外在弧焊監測領域都已經做了大量的研究，尤其是針對電弧焊工藝，已經研制出了一批商業化的焊接過程監測系統，這些監測系統主要應用于航空、汽車、造船等行業。其中，Ariane公司對火箭箱體進行高質量的GTAW焊接，在焊接過程中采用了德國HKS公司生產的焊接過程監控系統，此監控系統可以同時測量多臺焊接設備的電信號，同時通過將測量到的電信號與事先制定好的理想數值進行比較，以判斷焊接質量是否合格。

國內某些造船企業在不銹鋼板焊接過程中，利用先進的在線缺陷探測技術對每條焊道的焊接過程進行實時的測量和檢查，并及時對有問題的焊道進行報警，同時可以通過評估系統分析查明存在問題的位置、原因，并評估問題的嚴重度，輔助焊接工程師對有問題的焊件做出正確的判斷及處理。

圖1 HKS焊接過程監控系統

除了已有的商業軟件，高校和科研院所也還在對焊接質量在線監測做著進一步的研究。任杰亮[7]通過對電信號的時域分析與頻域分析，采用對特定統計量進行比較與概率密度分布圖等統計曲線相結合的方法，可以準確快速地判斷焊接過程的穩定性。LU J等[8]研究了在不同焊接條件下發生駝峰或熔透時，GMAW焊接過程中熔池形態的變化。通過監測焊接過程中熔池形態的變化，可以提前預測熔池中隆起或熔透的趨勢。文獻[9]提出了一種基于焊接電壓信號的熔深實時監測系統，根據實時采集到的焊接電壓峰值信號變化對熔深進行評估。郭波[10]針對GMAW中常見的CO2焊和MAG焊兩種焊接方法，提出電弧形態提取和分類識別算法，用于焊接過程電弧形態的監測。白忠領[11]使用LabView軟件以及TensorFlow框架，在獲取焊接信息時使用深度學習的方式對焊接質量進行預測，獲得了優良的預測結果。

3 焊接質量在線監測及評估系統平臺搭建

本文基于核電站設備安裝中厚壁管道自動TIG焊開展研究，這是因為監測系統能否采集到足夠多的焊接過程參數，是評估系統能否準確地對焊接質量進行評價的關鍵。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、氣體流量等常規焊接參數外，結合學術前沿成果[6，12]，還通過使用激光點陣結構光視覺法與紅外熱像儀視覺方法對熔池三維形貌進行采集。

焊接過程中的常規參數如：焊接電流、電弧電壓、送絲速度、氣體流量等，采用MHJ-2型焊接參數記錄儀采集。該焊接參數記錄儀適用于施工現場等復雜的焊接環境的監測，獲取的焊接參數會顯示在其自帶主機的顯示界面上，同時通過基于其RS232傳輸接口進行編程，可以將實時采集到的焊接參數以10次/s的速度上傳至計算機中，電流精度優于1%、電壓精度優于0.5%、保護氣體流量優于5%。

圖2 焊接質量在線監測及評估系統硬件平臺

搭建激光視覺系統來獲取焊接過程中熔池的長度以及高度等形貌信息，該系統主要由點陣激光發射器、濾光片、成像板以及CCD相機等主要部件組成。其中，點陣激光發射器選用國產艾爾克斯的STR系列激光發射器，能夠輸出17×17點陣陣列，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陣圖像；相機選擇PointGray公司出品的BFS-U3-51S5M工業相機，最大分辨力能夠達到2448×2048，可以通過數據線與計算機進行實時通信；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陣圖像。出廠時附帶Spinnaker整套軟件，包括在線軟件以及整套SDK以供二次開發使用。安裝的相對位置如圖2所示，其中激光發射器距熔池表面100mm左右，成像板與熔池距離約為100mm，CCD相機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。

紅外視覺系統主要包括以熱像儀為核心的一整套采集系統，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等數據傳輸協議，本次使用RJ45型網線接口與工作站連接進行數據傳輸，出廠時附帶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據。

將以上主要硬件與計算機工作站相連接，本文使用的工作站采用i9-9600x的CPU，并且配有64G DDR4高速內存條與M.2接口的固態硬盤，保證熔池形貌采樣頻率達到1組/s，試驗系統的整體結構如圖2所示。

4 信息采集方式及處理手段

4.1 激光視覺系統的信息獲取與處理

由于電弧光的強烈干擾，焊接熔池很難直接通過工業CCD相機觀測到，因此選用結構光視覺傳感法。因為TIG熔池表面為光滑的鏡面，光線照射到熔池表面后會發生鏡面反射，而點陣激光經熔池表面反射后強度不會衰減，但是電弧光會隨著距離的增加而成倍衰減，利用這一特點，即可以得到如圖3所示的反射圖樣。通過Spinnaker SDK開發工具包編寫在線采集程序，實現對相機列表的獲取、相機選擇、初始化、采集模式設定，以及采集的其他相關設置等。在本系統中，由于弧光干擾較大，為了避免成像板距離熔池的尺寸過遠，曝光時間為62ms。

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

圖3 前期試驗中獲得的激光點陣圖像以及重構后的三維熔池

4.2 監測串口信息

使用C++對RS232串口信息進行讀取，并實時儲存峰值電流、基值電流、平均電弧電壓、氣體流量與送絲速度等焊接參數。

4.3 熱像儀數據的獲取與處理

熱像儀使用SDK中的兩個封裝好的類庫進行控制，編程語言使用C++，識別程序代碼使用OpenCV框架進行編寫。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，進一步使用圖像處理算法對熔池寬度以及熔池中心點等位置進行識別，可以實時監測到熔池位置以及焊槍在坡口中的位置。紅外圖像識別效果如圖4所示。從圖中可看出，紅外熱像儀識別算法可識別熔池寬度以及熔池中心位置，其中熔池寬度識別之后返回像素值，經比例標定換算即可得到熔池寬度。

圖4 紅外圖像識別效果

4.4 系統界面設計

系統主要分為三個交互界面：厚壁管焊接質量在線監測及評估系統管理界面；厚壁管焊接質量在線監測及評估系統實時顯示界面；厚壁管焊接質量在線監測及評估系統評估結果界面。

（1）厚壁管焊接質量在線監測及評估系統管理界面 厚壁管焊接質量在線監測及評估系統管理界面（以下簡稱“管理界面”）可輸入有關焊接信息，主要包括焊接道次、產品類型、焊材牌號、母材種類、圓管厚度及圓管直徑等基礎信息；設置峰值電流、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測的信息范圍；熱像儀IP地址、存儲位置（包括參數保存、CCD保存以及熱成像存儲）等設置的信息；可以設置保存按鈕，對輸入的焊接信息進行保存，在下次焊接同樣的道次時調用信息；擁有“參數監測”按鈕，可以保存輸入的焊接信息之后調用出實時監測界面。系統管理界面如圖5所示。

圖5 系統管理界面

（2）厚壁管焊接質量在線監測及評估系統實時顯示界面 基于厚壁管焊接過程，厚壁管焊接質量在線監測及評估系統實時顯示界面（以下簡稱“實時顯示界面”）能根據管理界面中輸入的多種焊接信息，更新界面中的相關信息，如送絲速度等；可以對包括送絲速度、氣體流量等在內的焊接信息進行實時更新并顯示、儲存，根據工藝參數范圍計算偏差值并計算偏差次數；顯示并儲存CCD相機以及熱像儀獲取到的圖像，并將儲存的圖片進行實時處理，獲得熔池高度與寬度等熔池幾何參數，并更新到界面中；將實際反饋參數與設置參數相比對，計算得出評估結果，若初步評估出現焊接缺陷，則彈出缺陷信息，如圖6所示。

圖6中左上方為焊接參數、偏差值及偏差次數的顯示區域，灰色陰影部分為參數的曲線圖繪制部分，左下角區域為熱像儀的紅外圖像顯示區域，右側方框為CCD相機捕獲的圖片區域，整個界面的右側上邊部分為焊接參數顯示部分，以及焊接質量參數的顯示區域，左側具有獨立開關，可以單獨控制某一種傳感器的開啟和閉合，下邊是可以調用熱像儀和相機獨立程序的按鈕，可以單獨調用熱像儀和相機的自帶程序，右下角為開始按鈕和退出按鈕，開始按鈕可以實現全部傳感器的開啟功能，退出按鈕則退出整個程序。

（3）厚壁管焊接質量在線監測及評估系統評估結果界面 該界面會實時彈出評估報告，評估過程主要基于采集到的焊接過程參數，通過判斷焊接過程參數與設定值之間的偏差量，并基于焊工經驗模型，評估該位置可能出現的焊接缺陷，如圖7所示。評估結果會輔助焊接工程師更好地實時調整焊接參數，改善焊道質量。

圖6 焊接質量在線監測及評估系統實時顯示界面

圖7 缺陷報告示例

5 結束語

1）使用厚壁管在線監測及評估系統可以有效地采集厚壁管焊接過程中的信息，除傳統的電流電壓、送絲速度、氣體流量等，還將激光點陣結構光視覺法與紅外熱像儀視覺法等應用進來，同步獲得熔池的長度、寬度等幾何參數。

2）該系統界面完全自主設計，可以滿足厚壁管多層多道焊的參數設置，實時監測焊接過程，以及對焊接過程實時評估并顯示。

3）編寫的紅外視覺圖像處理程序，不僅能夠實時顯示焊道的寬度，還能夠定位焊槍位置，方便焊接工程師調整焊槍。