激光-電弧復合焊焊縫截面幾何尺寸的測量方法

洪延武，鐘秒金

1.江門職業技術學院 智能制造與裝備學院，廣東 江門 529030

2.長春理工大學 機電工程學院，吉林 長春 130022

0 引言

在激光-電弧復合焊接中，由于焊接工藝參數眾多以及相互之間的強耦合性，任何一個參數的改變都會影響焊接質量，尤其對焊縫形貌的影響最為顯著，因此焊接工藝參數對焊縫形貌尺寸的影響一直是國內外研究的重點。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了焊縫寬度和焊縫長度的檢測算法。諸慧慧［2］利用結構光檢測系統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行提取，根據得到的幾何參數進行數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，并對圖片進行預處理，然后根據概率神經網絡識別焊縫類型，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雜的激光檢測系統來獲取焊縫圖片，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。傳統的焊縫形貌尺寸測量設備是金相顯微鏡，采用金相顯微鏡拍攝焊縫截面的整體形貌照片，用設備自帶的LAS軟件通過在形貌尺寸照片上標注比例尺，然后手動測量需要的焊縫尺寸數據，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下的尺寸測量。

基于上述問題，本研究采用極坐標的方式對焊縫截面尺寸進行測量，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，利用比例尺實現焊縫截面極坐標下幾何尺寸的自動測量。

1 激光-電弧復合焊接試驗及焊縫截面幾何尺寸數據測量

1.1 復合焊接試驗

自行研制的復合裝置平臺如圖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焊機進行旁軸復合。激光經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。焊接完成后經過數控線切割獲取焊縫截面，經拋光、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據。

圖1 焊接試驗系統平臺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是基于像素點個數來進行計算測量，根據標記比例尺的像素點個數和對應尺寸的像素點個數計算轉換。因此需要對焊縫截面圖片進行預處理，利用金相顯微鏡的LAS測量軟件在圖片上標記比例尺，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程序對焊縫截面圖片進行變暗預處理，并采用高亮的顏色標記出輪廓和比例尺，然后采用基于RGB梯度原理的Sobel算法對截面輪廓邊緣進行提取，如圖2所示。

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

1.2 極坐標尺寸測量建模

焊縫截面尺寸測量一般以焊縫輪廓中心點作為坐標原點，因此通過程序尋找截面輪廓曲線最右、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系原點。如圖3所示。

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

以交點作為極坐標系的中心點，尋找角度為15°，30°，…，360°的像素點坐標（Xi，Yi），根據像素點的坐標計算對應角度下的尺寸Li。同時識別比例尺標注線最左和最右的像素點坐標（xi，yi），并計算比例尺標注線的長度li。則對應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焊縫截面輪廓圖片上所有測量點的像素坐標，然后根據上述計算公式即可得到對應焊縫截面極坐標下的所有尺寸。

2 焊縫截面幾何尺寸自動測量系統數據驗證

2.1 焊接樣本尺寸數據的測量

將試驗得到的28組焊縫截面圖片經過上述預處理過程后，導入該自動測量系統進行測試，得到焊縫截面尺寸數據。隨機選取三組試驗樣本的尺寸測量數據，并和實際焊縫截面圖片進行對比。選取的三組焊接工藝參數組合如表1所示，測得對應的焊縫截面幾何尺寸數據如表2所示。

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

表2 三組樣本焊縫截面極坐標尺寸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

由于傳統金相顯微鏡無法測量特定角度焊縫形貌尺寸，為驗證開發的自動測量系統準確性，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。為了更加形象地顯示自動測量尺寸的準確性，將實際的焊縫截面圖片和測量的數值模擬焊縫輪廓圖片進行對比，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，開發的極坐標下測量焊縫截面尺寸系統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 結論

（1）通過對焊縫截面圖片進行預處理的操作，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）采用極坐標尺寸測量的方法，通過建立焊縫截面輪廓極坐標，然后每間隔15°進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。實現了焊縫形貌左右對稱點的尺寸測量，為后續焊縫形貌對稱度的研究及工藝參數優化提供了一個全新的量化標準。

（3）極坐標測量方法無法準確描述焊縫截面所有細節特點，但是通過測量數據模擬和實際焊縫截面圖片對比能夠詳細呈現焊縫輪廓特點。

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