（材料加工工程专业论文）铝合金双丝焊接熔池图像采集与特征分析.pdf

硕士论文铝合金双丝焊接熔池图像采集与特征分析 ab s t r 8 c t av i s i o n d e t e c t i n g s y s t e mo f co l l ectin g l n 1 a g e o f wel d i雌 poo l was d e s i g n e d inv i ew o f the m i g o f al 切 m l n 幻 刀 比 al l o y inthis thes i s . t h i s d et e c t i n g s y s 1 e mw h i c h w ascom po s e d o f c c dc ame r 残 the co m pou n d fi l t ers y s t e m ， a i m age g athe ri n g c ard and a c omp u t e r can g et the 如ag e n o t o n l y 伽mthe b e h l n d of the wei d i ng p o o l ， but al s o fromth e s i d e o f the wel di n g poo l . 丁 五 r o u gh the wel d i n gp r o c e s s o f the 3 a2 l al umi numal l oy s heet， c l e ar 加ag e s co u l d becol l e cted bothfromthe b e h 1 ndo f the w e l d i 飞加o l an d th e bes i deo f the w e 】d i n g poo l . t h e ， m ag e p r o ce s s in g al g o ri t 加 的i n v i ew o f the 如age w h i chw a s g athered fromthe p r 0 c e s s i ng o f th edoubl ew i reauto m at i cg as s h i e l d e darc wel d i n g w as des 1 g n e dand dsv e l oped in面s th e s i s ， t b e p r o ces sedwel d i n gpoo l i ma g e s d i s pos e db yt h i s al g orit 加 m werenot o 扭 y s l i ckand consecuti v e b utal s o t r a n q u i l . the ac cur 晚 s h a p e c h a 在 比 t 颐st ic c an be g otfrom the d i s p o s ed 吮昭e s . a ft e r th eth o rou 沙 g r a y . 5 喇eanal y s i s andg e o r n e t ry m o rp hol o g i c alanal y si s for the i mag e s o f the wel d i ng poo l ， the corres pon d 吨 re l ation 玩t w 配 ” 1 h e i m a g e s o f th e wel d ing poo l a nd t he wel d i n g p a r 田 的 e t e r w a s c onc l ude d and the c o m r 包 就m o d e l o f the doubl e w 1 r e a u t o m at i c g a s s hi e 1 d e d ar c w e l d i ng ds fe ctt hr o u ghan d the i m ag e s o f the weld i n g poo l ofa 】 u m i n um al l oywas e s t a b l i s h ed . a l l o f the conc l us i on w o u dbe the e l eme 刀 tso f t h e i n t e 1 l i g e ntcon t r o l b as e d on the v i s ual sensoro f th e doubl e 、 v 止 e a u t o m a t 1 c g ass h i e l d ed are wel d i n g p r o c e s s . ke y w o rds : d o ubl e w i rearc wel d i n g ， 劝s i on s e nsi n g ， w七 l d i n g p o o l ， image p roc e s s i n g ， c h a r a c t e r ana l y s i s 声明 本学位论文是我在导师的指导下取得的 研究成果，尽我所知， 在 本学位论文中，除了加以 标注和致谢的部分外，不包含其他人已 经发 表或公布过的研究成果， 也不 包含我为获得任何教育机构的 学位或学 历 而使用过的材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均 己 在论文中作了明确的说明。 研 究 生 签 名 : . 吴 杨二夕 禅7 月 1 7 日 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档， 可以 借阅 或上网公布本学位论文的 部分或全部内容， 可以向 有关部门 或机构送 交并授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的部分或全部内容。 对 于保密论文，按保密的有关规定 和程 序处理。 研 究 生 签 名 : 是 耘 夕 7 年 7 月17 日 硕士论文 铝合金双丝焊接熔池图像采集与特征分析 1绪论 1 .1选题意义 在现代焊接结构中， 有色金属的应用占有一定地位， 尤其是铝及铝合金由于其密 度小 、 耐 蚀 性 好 等 特 性， 在 轻 型 焊 接 结 构 中 己 得 到 广 泛的 应 用 llj 。 目 前 ，铝 及 铝 合 金 的 焊接技术已经有了长足的进步， 铝及铝合金焊接结构已经成为我国民用及军工产品的 重 要 组 成 部 分 1气 铝及其合金是有色金属中用途较广的 轻金属 之一。 它密度小、 重量轻、 导电 与导 热性 好且具有 较好的耐腐蚀性。 研发 铝合金新材料， 研究 铝合金材料的焊接性、 铝合 金焊 接接头各区力学性能及其变化规律已 成为当前的热门 课题， 有着十分重要的 工程 意 义 和明 显 的 经 济 效 益 13 一 51 。 目 前保证 焊接质量的方法是: 焊前制定 合理的 焊接工艺; 焊后对接头进行无损检 测，对焊缝中的缺陷清理后补焊。由于焊前难以预测焊接过程中的各种干扰， 一旦焊 缝缺陷形成， 清理后重焊，既费时费力又浪费材料和能源。 解决上述问题的最佳方法 是焊前制定合理的焊接工艺， 焊接过程中检测质量信息并在线调整控制， 焊后进行无 损检测，形成完整的质量保证体系。 本课题采 用普通c c d拍摄 铝合 金双丝焊 接的 榕池图 像， 通过计 算机图像处理， 获取 熔池图像 所反映的 质量 特征， 进而调 整焊接工艺参数以 保证焊接质量。 主要优点 是不 接触工 件， 不干扰正常的焊接过程， 通过 熔池图 像直接反映焊接过程 熔化金属的 动态 行为， 可获得焊接过程和质量的视 觉图 像特征， 为 基于视觉的焊接质量过程在线 控制提供基础检测技术手段，具有重要的意义。 1 .2铝合金的焊接应用现状 与其他金 属相比 较， 铝及铝合 金具有独 特的 和优异的 物理 特性、 化学特性、 力学 特性 及工艺 特性， 能适应现代科技及高 新工程发展的需要， 广泛应用于各类工业产品 的 制 造 16， : 。 目 前，铝及铝合金的焊接技术已 经有了 长 足的 进步。 除早期的 气焊、电弧焊外， 现已 经 广泛采用氢弧焊、 氦弧焊、 等离 子弧焊、 真空电 子束 焊、 真空钎焊、 气体保护 焊、 电阻 焊、 扩散焊、 摩擦焊及其他许多 特种焊接方法151 。 针对铝合金 焊接的 难点， 近些年来提出了 几种新工艺， 在交通、 航天、 航空等行 业得到了一定应用。新工艺可以很好地解决铝合金焊接的难点，焊后接头性能良好， 硕士论文铝合金双丝焊接熔池图像采奥与特征分析 并可以实现焊接性不好的铝合金的焊接。下面介绍几种比较先进的铝合金焊接方法。 1 . 2 . 1电 子 束焊在铝合金焊接中的 应用 电子束 焊是一种能量非常高， 焊接效果特别好， 适应范围 遍及各工业部门的 现代 焊接方法。 在航天航空部门、 汽车制造业有很多要求高质量的铝合金零部件就是采用 电 子 束 焊 加 工 的 电 子束 焊 接易 学 周围 环 境电 磁 场 的 影 响 ， 设 备 比 较 复 杂 ， 费 用比 较 昂贵， 所以还没有达到大规模工业化生产。 近年来发展的局部真空电子束焊接工艺很 好地解决了 铝 合金电子束焊接大型 构件的问 题。 航天材料及工艺研究所对铝合金法兰环缝典型结 构样件的局部 真空电子束焊接 工艺 进行了研 究， 分析了 铝合金焊接气孔的 产生原因及 采取相应的工艺措施， 研究出 铝 合 金 局 部 真 空 电 子束 焊 接 工 艺 191 。 罗伟中的 研究结果 表明， 电子束 焊接高 强铝合金时， 相 对于 接头部位的焊前状态 和焊接工艺参 数， 合金中的易 挥发元素挥发的 蒸气量和金属中的 氢含量对接头中气 孔 的形 成的影响 要小 得多。 罗 伟中 指出， 束流偏转 对消除气孔也 起到 有利作用， 小束 流 重复 焊可修 饰焊缝外表面 和消除 表面气孔日 0. 刘春飞 对运载贮箱用2 219 类铝合金的电 子束焊进行的 研究结果表明，电子束 焊 接的 大多数 缺陷可以 通过重复 熔化来消除，而重 复熔化对 接头 性能影响很小111 】 。 在国 外， 研究 人员利用电子束 对铝合金、 钦合金、 碳钢、 合金 钢、 不锈钢及高强 钢等材料 进行了焊接工艺试验， 针对电 子束 焊接工艺参 数对接头组织及性能的影响 进 行了 研究， 并对气孔、 裂纹及钉扎等 缺陷的 产生机理进行了 探讨， 提出了相 应的 工艺 解决措施; 对电子束焊接温度场、 应力 应变及其引起的裂纹生 成扩展行为进行了 数值 描 述 研 究 ” zjo 英国 焊接研究所( t w i ) 对铝 基合成材料进 行了电 子束焊接工艺的 试验研究， 探讨 了 焊接 参数的 合理制定及电 子束工艺参数 对焊缝质量的 影响113。 d ra u gelates 等 人 成功 地 对ai m 邵 mn 和ai m go 声 h 之 合 金 进 行 了 局 部 真 空 高 速电 子 束焊 接。 结果 表明， 在 60 c n 灯 n l in的高 速下 焊接可生产出无 焊接缺陷的焊缝臼 火 1 . 2 . 2 激光焊接在铝合金焊接中的 应用 铝及铝合 金激光焊接技术主要 应用于航空 航天、 汽车制 造、 轻工电 子等领域。 是 一种高 效精密 焊接方法， 具有高能量密度、 可聚 焦、高效 率、 高 精度、 深穿 透、 适应 性强等优点。 三菱重工开发实现了复合y a g激光焊接系统。将激光光束和电弧电极同轴合成 在一 个焊接电 极头中， 充分发挥激光 焊接和电弧 焊接的 各自 优点， 降低了激光 焊接对 硕士论文铝合金双丝焊接熔池图像采集与特征分析 坡口定位精度的要求， 焊接间隙达到了 0 . s m m， 而且电弧延迟了激光照射部分的急剧 冷却， 可以 防止焊接铝合金 产生的结晶 裂纹以 及气 孔lts 1 。 甘 肃工业大学四维 焊接技术 研究所对铝合金5 0 83与5 0 52在相同 焊接条件下的激 光焊接进行了研究， 通过焊缝截面形状和微观组织的观察， 得到了焊接条件对焊缝表 面下凹 度和胞状树枝晶间 距的 影响 趋势1 ， 飞 张鹏林、 乔及森等人 针对5 a 02铝合金薄板 进行了c q激光焊接 性研究， 并对接头 组织 和力 学性能进行了 测试。 通过与常规钨极氢弧焊 及搅拌摩擦焊 接头组织和力学性 能的 对比 研究发现 ，c姚激光焊接接头焊缝及热影响区窄 ， 晶 粒 细小 ， 但在熔合线附近仍 存在 粗晶 过渡和软化区。 接头微区组 织及 化学成分不均匀 性、 p 强 化相的 缺损以 及 焊 缝中 气孔等焊接缺陷是 造成c o z 激光焊接头性能下降的 主要原因 1 510 孙福娟、全崇楼、胡芳 友等人通过对ly12 c z铝合 金填充ly12和a l 一 y焊粉 激 光搭接焊缝的金相组织分析、显微硬度测试， 研究如何有效控制 j h m一 i g x-200 b 型 ya g脉 冲式激光器搭焊 ly1 2 c z铝合金的 有关工艺参数， 从而使焊缝达到较好的性 能。 研究结果表明 ， 填充ly12 和 a l 一 y两种不同的 粉末对ly 12材料进行搭焊处理 ， 粉 末和基体均结 合牢固 ， 但ly12粉焊缝的 硬度总 体高 于a 卜 y粉焊 缝的 硬度119 气 t ze ng 对 脉冲y a g焊接进行了 研究，重点分 析了 脉冲 激光 焊接过程中焊接参数 的影 响f zo。 u ru sh i zak l 等人进 行了双 激光 束进行焊接，而且 成功应用 在实 践生 产中， 用来改 变 焊接变形121 10 3双丝焊接技术的 研究 现状 随着 熔化极气体保护焊的应用普及， 对双弧焊的研究也比 较多122 创1 .高效自 动 双丝焊接技术是近年来开发应用的一种新型焊接方法。其性能特点如下: ( 1) 焊接速度高。这是双丝焊最大的优点。山于焊接速度与焊接电流有着很大 的关系，如果单丝焊中焊接电流不够大， 也就是说电源没有输出较高的能量， 就不能 在短时间内 熔化焊丝并使其过渡到 母材中， 就不能 采用较高的焊接 速度， 如果在 相同 焊接电 流下 提高焊接速度， 就有可能 使母材熔不透，或焊 丝填充量不够， 产生咬 边、 驼峰等焊接缺陷。因此，为了提高焊接速度，就要增大焊接电流， 但是， 焊接电流不 能无限的增大， 这是因为单丝焊中，随着焊接电流的增大，电弧力急剧增大，电弧给 熔池以 很大的 压力， 造成熔池 和电弧的 不稳定， 直接影响 到焊接接 质量， 从而也就不 能 大幅度提高 焊接速度。 而双丝焊较好地解决了 这个问 题， 双弧作用 于熔池上的 面积 相对较大， 在同样能量密 度输入时的电 弧力较小， 双弧对熔池的压 力小了 许多， 使得 电弧和熔池较为稳定，焊接速度就可以大幅度提高。 硕 十 论文铝合金双丝焊接熔池图像采集与特征分析 (2)热输入线能量小。双丝在与单丝同样热输入量的条件下，具有较高的焊接 速度， 熔池相对于单丝较长， 因此在熔池单位长度上的能量不是很大， 即线能量较小。 这样在提高焊 接速度后， 减小了 焊接接头的热输入 率， 对薄 板焊接起到了 很好的 控制 作用，可以减小母材的变形量，提高热敏材料的焊接接头强度。 ( 3) 抑制焊接缺陷的产生。 在双丝高 速焊过程中，两个 焊丝一前一后， 熔池被 拉长， 前丝主 要是向 熔 池中添加金 属， 后丝的熔化可以提高 焊道边缘的温 度， 改变熔 池温 度梯度， 使表 面张力有利于液体金属向 熔池 边缘的 铺开。 因而可解决咬 边等焊接 缺陷1241。 双丝焊接的最早 应用是 在1 9 55年， 国内 研制了 双焊丝的c q 气体保 护焊新 工艺， 用 于 电 机 机 座的 焊 接 125 。 实 际 应 用 证 明 它 可以 减 小 焊 接 变 形 ，提高 焊 接 质 量 和 生 产 效 率 ，改 善劳 动 条 件 ，节 约 焊 接 材 料 口 6 。 明珠、 王克鸿等人采用双丝气体保护焊对4 0 m m厚 7 a 52 铝合金板进行焊接工艺 试验， 研究了坡口 形式和参数等对接头 质量的 影响， 确定了 最佳的双丝气体保 护焊工 艺及参数。 焊缝缺陷、硬度、 组织分析和力学性能等方面的检测表明: 对于 4 o m ln厚 7 a 52铝合金板， 采用双丝气体保护焊工艺可得到优良 的 焊接接头 127 1 。 天 津大学的李桓等人介绍了以 单片机为核心的双丝脉冲 焊控制器的原 理及功能， 建立了 双丝气保护脉 冲焊系统。 采用 熔化极 氢弧焊进行双丝脉 冲焊工艺实验， 研究了 双丝脉 冲焊两路参数 对焊接 过程的 影响， 对电 弧进行了高 速摄影【25。 杨春利等人建立了高强度铝合金双丝 mi g焊熔滴过渡高速摄像系统，获得了不 同参 数下的脉冲 熔滴 过渡形 式， 为控制焊接热输入量以及 焊缝成形奠定了 基础1 圳 。 王元良 等人系统 研究了 细丝双丝双弧、 双丝单弧预热填丝、 以及 细双丝三弧埋弧 焊接及 堆焊13 闪3 。 研究证明:双 丝单弧埋弧预热填丝焊是一 种高效节能的新方法， 在焊 丝渗合金堆焊方 面有很 好的 焊接效果。 细丝双丝双弧埋弧 焊中， 在有较高的 焊接 接头低温韧性要求， 但对焊缝强度和屈服强度没有过高要求的焊接条件， 采用微合金 化焊 丝能够改善 焊缝的强 韧性匹配， 能提高 焊缝及熔合区韧 性。 细 双丝三弧埋弧焊与 细单 丝埋弧焊相比 较， 细双丝三弧埋 弧焊是 一种高效节能、 便于 焊丝 渗合金焊接和 堆 焊的新方法。 卢振洋等人 在熔池金属流体力学模型基 础上 对焊接工艺进行 研究。 采用短路电 流 双折 线配合特殊 嫩烧的电 流波形控制， 提高 单丝焊接工艺速 度: 采用 两台 脉冲焊接电 流协同 工作方 式， 实现了 双丝高速焊 接，提高了 焊接速度，改善了 焊缝成形13 气 华大龙等 人进行了 单电 源双丝埋弧自 动 焊研究， 提出了 一种高 熔敷率， 高焊 接速 度、 低热输入的埋弧 焊方法。 通过改 变焊丝排列方式 和丝间 距， 可以 使焊 缝成形、 熔 深、 熔宽、 稀释率得到 调节。 该方法适用于 稀释率低的 耐磨或耐 腐蚀表面的 埋弧 堆焊， 也 能 用 在 各 种 对 接、 角 接 焊 缝 的 单 道 或 多 道 高 速 埋 弧 焊 泌 。 硕 七论 文铝合金双丝焊接熔池图像采集与特征分析 周友龙等人研究了1 4 mnn b 钢双细丝埋弧焊接以及多种母材与焊材匹配的对接、 角 接接头 性能和组织研究， 较为深入地分析了 接头 性能与 组织的关系. 表明采用 双细 丝埋弧 焊接工艺， 可以改善 焊接热 循环和接头的组织状况， 保证接头高力学性能， 并 且 调 整 焊 缝 成 分 方 便 ， 生 产 率高 p 叹 加拿大焊接 研究所也 研制了 脉冲双焊丝g m a w焊接设 备用于 窄间隙的高强 钢焊 接， 两电弧分 别采用不同的电 源供电， 利用两电源脉冲 峰值的 相移来控制双 丝的 焊接， 解决电 磁场的相互干 扰问 题， 成功地解决了窄间隙侧壁 熔合问 题1 切。 x u w euli 等人，对高强 铝合金双丝焊接温度 场进行了分析 研究; 而且 对2 219 高 强铝合金的双丝焊温度场进行了数学模拟， 并在实际焊接温度测量中对数学模型进行 证 实 13 幻 . t u s ek建立了 数学模型对双丝 焊焊丝熔敷率过程进行研究， 并且在实践中， 对焊 接模 型得到数 据结果 进行了 验证。 结 果证实该模型是一个简单， 准确便于 应用到实际 生 产 中 的 有 效 模型 139 . t us ek对双丝和三丝埋弧 焊进行了 研究， 结果表明焊丝增加 对工件变形、 熔敷率、 电弧 能量以及 接头性能均产生影响“ 010 日 本学者 进行了t a n d e mm a g焊 接研究， 重点 进行了 焊接金属 熔池模型分析， 进 行了 两个电 极之间 距离对金属熔池稳定的 研究。 而且对焊丝进 行了 研究改进， 使其 更 有 效 适 应 高 速 度双 丝 焊 接 141 . 日 本在第54届n w年会上发表的 双丝m a g焊工艺， 其原理是用 熔池过热多余 的热量来熔化填充焊丝，增加熔敷率，同时用大电流提高焊接速度。在焊接电流大， 焊 接速度 快的 施焊条件下，由于填充丝吸 收了 热量， 母材热影响区 热输人大为 减少， 减少了 性能恶 化和变形， 也改善了 焊缝成形142 4 3 1 。 1 . 4视觉传感 技术在焊接领域的应用现状 焊 接传感器是一种对影响 焊接过程的内 部和外部条件进行检 测， 从而监 测和 控制 焊 接 操 作 的 探 测 器 件 或 装 置 44 周. 现 代 焊 接 技 术 向自 动 化 方 向 的 发 展 离 不 开 传 感 系 统 对焊接过 程参数和焊接质量 参数的 实时检测， 传感技术因此己 成为实 现焊接自 动化、 智 能 化 的 关 键 技 术 146 朋 。 同其 他焊接传感器相比， 视觉传感器于焊 接回 路无关， 具有提供 信息丰富， 灵感 度和测量精度高，动态响应特性好， 抗强电场和强磁场的干扰能力强，与工件无接触 等优点， 它 适用于各种坡口 形状， 可以 同时进行焊 缝的 跟踪和对焊接条件的 实时 控制， 因 此是 最有发展前途的焊接 传感技术。目 前， 视觉传感器及图 像处理技 术已 经在焊 缝 跟踪、 焊接 熔透、 熔宽、 保护效果、 熔池行为、 弧长、 焊接 速度、 焊丝的 千伸长及 熔 硕士论文 铝合金双丝焊接熔池图像采集与特征分析 滴的 过渡形态、 频率的 控制、电 弧诊断等 领域得到应用1们 010 近些年， 国内外的专家和学者对基于熔池视觉的焊接过程自动控制做了大量的研 究。 在国内 ， 南京 理工大学王克鸿、 游秋 榕等人针对 m a g焊 特点 ， 利用被 动式 熔池 视 觉传 感系统 ， 采集到清晰的熔池图 像; 通过同步对比 试验方 法， 系统地对焊接气孔缺陷 与 熔池图 像特征信息 之间的 关系进行了 研究， 提取了表面气孔、内部气孔 ( 夹渣) 对应 的 熔池图 像特征， 并从灰度均值和标准差的角度 研究了焊接气孔缺陷产生过 程中 熔池 图 像变化情况 及奇 异特征。 试验表明， 通 过熔池视觉图 像特征判断气孔焊接缺陷 ， 具有 良 好的可行性 ， 为 基于视觉传感的焊接缺陷自 动识别提供了 技术依据; 一种图 像特征可 能 预 示 有 多 种 焊 接 缺 陷 产 生 的 可 能 ，一 种 焊 接 缺 陷 可 能 有 多 种图 像 特 征 显 示 151 巧 3 。 哈尔滨工业大学的张广军和上海交通大学的陈善本等人设计了 一套用 于焊缝成 形质量控制的脉冲 g t a w 焊接区图像传感系统，可同时同幅获得熔池正前方、正后 方和背面等三 个角度的图像。 复合滤光技术 配合低的取像电 流， 有效地克 服了弧 光的 影响 ，所获得 的图 像清晰度高、 对比 性强、信息丰富，为深 入研究脉冲g t a w的 动 态 过 程 提 供 了 有 利 的 工 具 1川 。 山东大学的 高进强、 武传松等 人在分析tig焊的基础上， 设计出 复合滤光 镜头， 与普通的 c c d摄像机组成视觉传感器，从试件正面观察熔池图像。焊接过程中根据 电 流 大 小 通 过 软 件 来 调 整 采 集 图 像 亮 度， 得 到 了 较 清 晰 的ti g 焊 接 熔池 图 像 娜 10 兰州理工 大学的石牙、 樊丁针对铝合 金在焊接过程中 热积累作用强、 恒参 数焊接 时容易产生各种缺陷的问题， 设计了 基于视觉传感的熔宽闭环智能控制系统。 分析了 各个脉冲参 数对熔宽的影响 规律。 结果 表明， 理想的铝合金 脉冲m ig焊接过 程不仅要 控制焊接 热输入， 同时要保 持焊接过程的稳定性，单变量 控制器很难满足以上 要求. 为此设计了 模糊专家控制系 统， 模糊 控制器控制焊接热输入， 专家系统负责脉 冲参数 匹配从而 保证稳定的焊接过 程。 焊接试验表明，控 制效果良 好 5 卜 581。 王建军将图像处理与模式识别技术用于铝合金tig 焊接过程的信息提取，研究大 电 流条 件下铝合金熔 池图 像的 对称性，通过 单面图 像， 得到了 完全的熔池 边缘图像. 但是，对于 较长的假边 缘效 果不是 很明显队网 。 黄石生 等人在研究 焊接电 弧时 提出了 一 种新的 简单实 用快速识别焊缝的 方法， 该 方法对c c d摄像机采集到的图 像进行二 值化处理， 然后对处理后的图像分 析可以 看 到， 如果图 像每行的相邻像素 相减， 可发现 通过焊 缝的行 至少有四 处差 值为 56， 而 不通过 焊缝的 行大多只 有二 处差值为 56， 但是多次 试验表明 含有黑点噪 声的行不 会 连续出 现五行。因 此， 根据其特点可以 通 过程序控制来搜索到真正的焊 缝中 心线 161 1 . 在国 外， 凡 k ovarevi 。等人针 对连续电 流ng焊专门 设计了一套由脉 冲激光 删格 状多结构光条 纹和电 子快门 组成的 熔池视觉检测系统， 摄像机的电 子快门 与激光脉 冲 硕士论文铝合金双丝焊接熔池图像采集与特征分析 同 步. 脉冲激光的平 均功率为7 m w ， 在 一个脉冲周期内 激光 脉冲持续时间 为3 ns ， 激光脉 冲功率可达 5 0kw。 在激光脉冲持续时间内 ， 激光能量密度远远大于弧光的光强， 另 外 在摄像机成像的光路 系统中 又加有与 激光 波长相匹配的窄 带光学 滤光片， 有效地抑 制 了 弧光干扰， 提高了 熔池图像的 信噪比， 获得了 非常 清晰的 熔池表面 反射图 像i 62) 。 k e nj i d h s hi 比 以等 人提出 一种周期性降 低焊接电 流，在低电 流时通过同步装置 控 制摄像 机电 子快门， 降低电 弧光的 干扰，来获取清晰的 熔池区图 像163 】 。 r. kholb ert 和r .w.几 c h ar d s on等人设计了 一种双摄像机视觉系统用于c 姚激 光 焊 熔 透 实时 信 息的 获 取 1641 。 该 视 频 系 统 通 过 两 个 摄 像 机记 录图 像 ， 并 在 分 离 的 屏 幕 上 显示， 便于同时 从两 个角度监控和分 析焊接过程， 其中 倾斜的照相机主要传感熔池 特 征信息，安装在熔池后上方，于焊接轴线方向成 4 50，水平照相机传感等离子弧的信 息，垂直于焊枪的运动方向。 1 . 5本课题的 主要研究内 容 本课题以石 n u n 厚的3 a2 1 型防锈铝合金 板的 双丝气体保护焊焊接过程为研究对 象， 以普通c c d摄像机为 主要传感手段， 采 用复 合滤光技术， 用图 像采集卡和计算 机组成一套焊接熔池图像 采集系统。 从熔池的后方和侧面采集 清晰的熔池图 像， 采 用计算机图像处理技术 对熔池图 像进行处理，提取熔池基本特征和其轮廓曲 线，分 析熔池图像与焊接质量之间的关系。 主要研究工作有: 1 . 建立一套基于焊接熔池的视觉传感系统。 对传感器的安装， 最佳结构和光路的设 计进行深入的分析， 在可见光波段内利用电弧和熔池辐射作为光源， 设计一套可 用于 熔池成像的计 算机视觉图 像传 感系统，对焊 接熔池 进行实时图 像采集。 2 ，设计一套c c d摄像机 专用夹具， 使c c d摄像机可以跟踪 熔池进行实时拍 摄。 并 且可以满足 c c d摄像机在熔池侧面和后面的同时架设。 3 .进行 铝合金 双丝焊工艺 试验， 得出 合理的 工艺 及规范参数范围。 4 .通过 不同复 合滤光系统的组 合和摄像机位置、 角度、 本身 参数的 设置调试， 采集 到 清晰的 铝合金双丝焊 接熔池的 尾部图像，并尝 试从侧面采集到熔池图 像。 5 .针 对检测到的 焊接熔池图像， 设计和开发 铝合金 双丝焊接熔池图 像的 处理算法， 用以提取反映熔池形状的特征参数。 6 .分别 采用灰度分析、图 像增强分析和 轮廓分析等方法对熔池图像进行深入分析， 定 义熔池图 像的几何 参数指标， 测得 熔池图 像的 相对熔宽值、 半长值， 计算出 熔 池后拖角等特征参数。 7 .结 合实际焊接情况， 采用多种分析方 法完成对熔池图像的 分析， 归纳熔池特征参 硕士论文 铝合金双丝捍接熔池图像采集与 特征分析 数与 焊接规范 之间的 应变关系， 初步总结出 熔池图像与 焊接过程质量间的关系. 硕十论文铝合金双丝焊接熔池图像采史 1了 特征分析 程度，金属熔滴脱落，接着下一个过渡开始。在 t a n d e m系统焊接过程中，能够有 效的减小焊接飞溅，降低焊接成本。 (2) 滴状过 渡。 随着 焊接能 量增加， 电 流相对与 射流过渡临界电 流小的 条件下， 出现的 过渡方式为滴状过渡。 熔滴形成于焊丝端部，且熔滴直径大于焊丝直径。 在 t a n d e m 焊接电流波形下，能够获得稳定熔滴过渡，有效减小飞溅，而且能够进行 全位置焊接。 (3) 射流过 渡。是指 熔滴 从电 弧热与电弧力作用形成的 铅笔 尖状的 液体金属端 部射出， 而以极高的加速度射入熔池的过渡形式。 熔滴从己经积聚的液体柱尖端射出， 其熔滴直径远远小于焊丝直径， 而且每两滴之间的间隔时间很短，过渡频率很高，肉 眼观 察时无 法分辨出 其间隔， 看上去好 像在焊丝端头形成一条连接 焊丝端头与熔池的 液体 金属流， 金属由 焊丝端头连续流向 熔池。 电 弧形态呈一种圆锥 状。 该方式有高焊 接能 量. 在焊丝端部 形成细小的焊 接金属微粒， 在焊接轴线方向 进行喷 射过渡。 (4) 旋转喷射过渡. 该方式焊 接能量很大， 飞溅大， 焊接过程不稳定， t a n d e m 焊接一般很少采用。 2 . 2 . 3双丝焊接过程的熔池特点 焊接过 程中的 熔池行为将直接影响 到焊后的 焊缝质量， 而双丝 焊接与 传统单丝焊 接在熔池方面也有着很大的不同， 因此需要对双丝焊接过程的熔池行为进行一定的研 究。 母材金属和焊丝金属在电弧作用下被熔化而且混合在一起形成熔池， 电弧正下方 的 熔池金属在电弧 力的作 用下克服重力 和表面张力被排向 熔池尾部，随着电弧的前 移， 熔池 尾部金属冷却并结晶形成 焊缝。 由 于电 弧的热量被 输入到 熔池中 ， 使熔池 形 成一个温度场，在电弧力和表面张力作用下液体金属发生流动。 焊接时， 熔池随着电 弧以 恒定的 速度移动， 根据温 度场的分布， 熔池可分为前 后 两部分。 在前边， 输入的 热量大于散失的 热量， 所以随 着电弧的 移动， 金属不断熔 化; 在后部， 散失的热量多于输入的 热量， 所以 金属发生凝固。 熔池前 部液体金属的流 速 大于熔池后部，这是因为电弧位于熔池前部，此处的温度较高，对流得以充分发展， 电弧 力也比 较大， 驱动力较强， 使液体 金属流动较快。 当 焊接速度较高时， 电弧周围 温度梯 度较大， 熔池体积较小， 熔池前部 温度下降， 电 弧力减小， 使熔池前部液体 金 属流速降低， 这样对于热量的传递不利，使母材金属熔化量较少。 另外还有咬边等焊 接缺陷. 而双丝焊接过程的熔 池体积较大， 热 量输入 较多. 可以 解决高速焊 接时的 这 些缺陷。 这是因为当两 根丝 前后排列时， 前丝的电弧使母材熔 化， 可以 影响 熔池前部， 使液体金 属充分流动， 后丝的电 弧可以 补充热量到熔池的后部， 也就是前丝电弧 热量 传递很少的 部位， 使液体金属可以 流动到熔池的边缘地区， 解决咬 边问 题。 另外，由 l 3 硕 士论 文铝合金双丝焊接熔池图像采集与特征分析 于两 个电 弧作用在一个 熔池， 对整个熔池的 作用力减小了 许多， 使熔池相对稳定， 焊 缝质量得到相应提高。 2 ，3熔池视觉图像采集系统的设计 2 . 3 . 1 视觉传感方法分析 采集熔池图像， 可以 采用光路系统法 或c c d摄像机直 接拍摄法。 光路系统拍 摄 熔池图 像的优点是c c d摄像机可以远 离焊接熔池，避免摄 像机工作时 温度过高 .但 该方法拍摄熔池图像时， 采集到的熔池图像相对较小， 不利于进一步的特征提取分析. 而直接拍摄时， 因为摄像机 距焊接熔池相对 较近， 所以可以 采集到 更接近实际 的熔池 图像， 误差相 对减小， 且利于熔池图 像的 深入处理和 特征分 析。 但由 于电 弧光和电作 用的 影响，会 对c c d信号的采集产生 干扰， 导致 所采集到的图 像存在噪 声， 影响图 像的 质量，并 且熔池的 热辐射也会使c c d摄像机的 温度过高， 这些都对图 像的 采集 带来了不利影响。 综合考虑以 上两种采集方法的 利弊， 本 课题采用对熔池进行直接拍摄的方法， 因 为特征分析需要相对清晰的图像，且噪声问题可以用图像滤波等处理方法解决。 2 . 3 . 2熔池图像采集系统 本课题所采用的熔池图像采集系统的示意图如图2. 31 所示. 图2 . 3 . 1熔池图像采集系统的示意图。 该系统主要由c c d摄像机、 复合滤 光系统、图 像采集卡、 c c d保护装置、 c c d 定 位夹具和计算机等 部分组成。 其采集过程是: 视觉信息传感器通过复合滤光 系统采 l 4 硕士论文 铝合金双丝焊接熔池图像采集与 特征分析 3基 于防锈铝双丝焊接的熔池图像采集实验 3 .1铝合金的双丝焊接实验 3 . 1 . 1铝合金的焊接性分析 铝合金 对各 种焊接方法的 适应性很好，几乎各 种焊接方 法均可用于焊接铝合金， 但是， 铝合金对各种焊接方法的适应性不同，各种焊接方法有其各自的应用场合。 选 择焊接方 法时， 应考虑 产品结构 特点、 制造工艺 需求、 焊件厚 度、 铝合金 类别、 对焊 接接头质量及性能的要求等多方面的条件。 铝合金由于具有独特的 物理化学性能， 因此在焊接过程中会产生一系列的困难， 具体来说，主要有以下几点。 ( 1) 强的氧化能力。铝和氧的亲和 力很强， 在空 气中 极易与氧结合生成致密而 结实的a1 2 0 3 薄膜， 厚度约为0 . 1 产 m ， 熔点高达2 0 50， 远 远超过铝及铝合金的 熔点， 而且密度很大约为铝的 1 4倍.在焊接过程中，氧化铝薄膜会阻碍金属之间的良好结 合，并 易造成夹渣。氧 化膜还会吸附 水分， 焊接时 会促使焊缝生成 气孔。 这些缺陷， 都会降 低焊接接头的性能。 为了 保证焊接质量， 焊前 必须严格 清理 焊件表面的 氧化物， 并防止在焊接过程中再氧化， 对熔化金属和处于高温下的金属进行有效的保护， 这是 铝及铝合金焊接的一个重要特点。 ( 2 )热导率和比热大，导热快。尽管铝及铝合金的熔点远比钢低，但是铝及铝 合金的 导热系数、 比热容都很大， 比 钢大一倍多。 在 焊接过程中大 量的 热能 被迅速传 导到 基体金属内 部， 为了 获得高 质量的 焊接接头， 必须 采用能量集中， 功率大的 热源， 有时需 要采用预热等工艺措施，才能实 现熔焊过程。 ( 3 ) 线膨胀系数大。铝及铝合金的 线膨胀系数约为 钢的2 倍， 凝固时 容易 产生 焊接变 形。 所以 在铝及 铝合金的 焊接中 不仅需要 选择合理的 工艺参数和焊接顺序， 还 要采用适宜的焊接工装方法，尤其是在焊薄板的时候。 ( 4 ) 容易形 成气孔。 焊接接头中 的气孔是 铝合金焊接时 极易 产生的 缺陷， 尤其 是纯铝和防 锈铝的 焊接。 铝及 铝合金的 液体熔池很 容易吸收 气体， 在高 温下 溶入的 大 量气体， 在由 液态 凝固时， 溶 解度急 剧下降， 在焊后 冷却凝固过 程中 来不及析出， 而 聚集在焊缝中形成气孔。 此外， 铝合金的 焊接过程中， 还需考虑 到焊接接头 容易软化、 合金 元素 蒸发和烧 损、 在高温时强 度和塑 性低等困 难. 综上， 我们可以 看到， 铝合金的 焊接过程中的困 难很多。 我们必须对铝合金的 焊接进行更 进一步的 研究， 找出更好的焊接方 法， 提高 焊接质量和焊接效率。 硕 十论 文铝合金双丝挥接熔池图像采集与特征分析 3 . 1 . 2焊接母 材和焊丝的 选择 本课题选用的焊接母材是牌号为3 a2 1 的防锈铝合金板， 该板的美国牌号为3003， 厚6 mzn ， 长3 0 0 n u n ， 宽 1 2 0 mm 。 3 a2 1 型铝合金为铝锰系防 锈铝， 是应用最广泛的一 种防锈铝。 其强度不 高 ( 稍 高 于工 业纯铝) ， 不能热处理强化，故常 采用 冷加工方法来提高其力 学性能; 在退火 状态有高的塑性， 在半冷作硬化时塑性尚好， 在冷作硬化时塑性低; 耐蚀性好， 焊接 性能良 好， 可切削性不良 ;主要产品 有板、 箔、 棒、线、 管、 型材等。 3 a2 1 铝合金 主要用作要求高的可塑性和良 好的焊接性、 在液体或气体中工作的低载荷零件， 如油 箱、汽油或润滑油导管、各种液体容器和其他小载荷零件; 线材用作铆钉等。其力学 性能如表 3 . 1 . 1 所示。 表3.1 . 1 3 a 21防锈铝的力 学性能 牌号材料状态 精 特 促 庶娜服吠 吊 度 延 伸 率 占/ % 断 面 收 缩 率平/ % 布 氏 硬 度 hb o b / mpa 0 5 / m pa 3 a2 1退火 冷作硬化 1 3 0 1 6 0 5 0 1 3 0 2 0 1 0 7 0 5 5 3 0 4 0 根据 3 az i防锈铝的化学成分，本实验选择直径 1 . 6 n l m 、牌号为 1 100的焊丝。 3 a2 1 铝和 1 100 焊丝的化学成分如表 3 . 1 ， 2 所示。 表 3.1 .2 3 a2 1 防锈铝合金和 1100焊丝的化学成分 牌号 化学 成分 ( 质量分数) / ( % ) s if ecum n mg crn iz n石 3 a2 10 .6 00 . 7 002 01 . q 、 】 ，60 . 0 50 一 10 1 5 1 1 0 0l 00 刀s j、 0 20 . 0 50 . 1 3 . 1 . 3 焊前准备和工艺参数 3 . 1 . 3 . 1 铝合金板材的 焊前清理 铝及铝合 金材料 表面 容易氧化， 生成一层致密而坚硬的 氧化薄膜， 该薄膜很容易 吸水， 它不仅妨碍焊缝的良 好 熔合， 而且是生成气孔和夹渣 的主要根 源。 此外， 加 工 件表面 被油污、锈、 垢污染 后， 也会引起焊 接缺陷。为了 保证焊 缝质量， 防止气孔、 夹渣、 未焊透等缺陷的产生， 焊前必须对工件及焊丝进行严格清洗， 去除其表面的油 污和氧化膜。 20 硕士论文铝合金双丝焊接熔池图像采集 j 特征分析 ( 1) 脱脂去油处理。 将焊丝、 焊 件待焊 处的油 污用丙酮溶液进行 擦洗。 擦洗时 要将焊接坡口 及两侧3 0 一s o nun 范围内 的部位都 要擦洗干净。 (2) 去除 氧化膜。 去除 氧化膜可以采用 机械法 或者 化学处理的方法。本实 验采 用机械法去除 氧化膜。 用铜刷、 不锈钢刷或者刮刀 把坡口 及两侧5 0 n u n 范围内的氧 化 膜刷除 或者刮除干净， 露出 金属光泽。 在实 验中， 不可 采用砂纸或者砂轮打磨， 因 为 铝及铝 合金材质较软， 在打磨 过程中 沙粒可能被压 入母材内， 在焊接时可能会产生 焊 接 缺 陷 165 ， 66 . 清理 后 还 要 用 丙 酮 或 者 酒 精 清洗 ， 以 去 除 残 余 氧 化 膜或 者 油 污 等。 工件和焊丝清理后需及时施焊， 因为存放时间过长， 工件和焊丝表面会吸附水分， 同时 可能又重 新生成氧化膜， 所以 在清理 之后最好及时施焊， 一般应在2 3 小时内 施 焊。 3 . 1 . 3 . 2焊枪喷嘴高 度 喷嘴高 度是指焊枪喷嘴下端面与工 件待焊面的垂直距离。 如果喷嘴 过高， 会使焊缝保护不够， 形成气孔， 夹渣等 缺陷， 也会造成焊缝氧化 等问 题; 喷嘴过低时， 喷嘴离熔池过 近也可能会对喷嘴造成损坏。 一般喷嘴高度应 控 制在1 2 一 巧 mln 。 本实验选择的喷嘴高 度为 12 mm 。 3 . 1 . 3 . 3焊接规范参数的设定 课题使用的 焊接设 备是 法国s a f 公 司的s t a r m a t i cr450t o p m a g自 动双丝 焊机 ， 这种机器可以 在每个电源的 控制部分显示并调整 焊接时 所有的焊接参数， 并能 编辑和储存新的焊接程序。 本实验主要是通过选择合适的焊接电流、 焊接电压、 焊接速度以及保护气流量来 完成铝合金板的焊接过程的， 但是s t a r 劫at ic r4 50t o p ma g自 动双丝焊接机除了 以 上 焊接工艺 参数外， 还有很多可 调参数， 如焊接模式、 起弧方式、 热启动、 预送气 时间和后送气时间、移动开始时间和移动结束时间、填坑时间以及回抽时间等等， 熟悉了焊 机的原 理和工作方式以及查阅了 一些参考资料之后， 在一定试验的 基础 上确 定了以 下 焊接参数， 如表 3 1 .3 所示， 后面的 试验就是在此基 础上， 通过选择合 适的焊接电流、电压、焊接速度和保护气流量来完成的。 硕 士 论文铝合金双丝焊接熔池图像采集与特征分析 彪3 . 1 . 3 实验参数的设定 参数类型主机参数辅丝参数 焊丝类型alai 焊丝直径 16 mmi 6 m m 保护气 arc alargonar clargon 保护气流量 2 0l z mi nz o l l mi n 焊接模式 i mp ul s e*s y刊er gy i mp uls e.s yner gy 起弧方式s t 冷r taf t ers t ri ke5 刁 认rtaf t ers t ri ke 预送气时间 1 0 51 0 5 热启动 n0n 0 填坑时间 0 .550 . 55 回抽时间 0 刀850 刀 85 后送气时间 2 .0 52 刀 5 移动开始时间 00 移动结束时间 o j s0 3 5 3 . 1 .