甄任賀

（1.廣東技術(shù)師范學(xué)院自動化學(xué)院，廣東廣州510635；2.廣東工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，廣東廣州510006）

微間隙焊縫磁光成像跟蹤回歸檢測新方法

甄任賀1，2

（1.廣東技術(shù)師范學(xué)院自動化學(xué)院，廣東廣州510635；2.廣東工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，廣東廣州510006）

針對激光焊接緊密對接微間隙焊縫，構(gòu)建以磁光傳感器為核心的微間隙焊縫檢測系統(tǒng)，通過該檢測系統(tǒng)檢測出反映焊縫特征的磁光圖像。通過分析磁光圖像的特點，確定了測量系統(tǒng)形成磁光圖像機(jī)理是由于恒定電磁場在焊縫兩側(cè)產(chǎn)生極性相反的磁極，不同極性的磁場會使偏振光有不同的旋轉(zhuǎn)方向，通過磁旋光效應(yīng)形成焊縫磁光圖。對焊縫磁光圖進(jìn)行多種數(shù)字化處理，獲得其對應(yīng)的二值化焊縫圖像；利用回歸分析方法，建立和驗證鐵磁焊件微間隙焊縫設(shè)定偏差與焊縫位置測量偏差的關(guān)系模型，確定二元回歸建模對微間隙焊縫應(yīng)用磁光成像跟蹤方法具有很高的精度。

磁光檢測；激光焊接；圖像處理；中值濾波

0 前言

激光焊接在制造業(yè)中有著廣泛的應(yīng)用，其具有功率密度高、大深寬比、熱影響區(qū)小等諸多優(yōu)點[1-2]，而精確跟蹤焊縫軌跡是保證激光焊接質(zhì)量好壞的前提，因此在焊接過程中必須使激光束光斑中心始終對正焊縫中心線[3]，也就是說，激光焊接需要解決的關(guān)鍵問題是準(zhǔn)確地確定焊接時焊縫所在位置的準(zhǔn)確信息。

一般焊縫跟蹤方法是采用電弧傳感器、接觸式、非接觸傳感器等進(jìn)行的，但這種傳統(tǒng)的焊縫跟蹤方法對激光焊接所要求的緊密對接、無坡口和肉眼難以分辨的微間隙焊縫以及不可見焊縫，往往不能很好地滿足，因此探討一種能很好地滿足這種激光焊接所要求的焊縫跟蹤新技術(shù)成為一種迫切的要求。

磁光成像檢測技術(shù)是一種比較新的檢測技術(shù)手段，目前主要用于飛機(jī)機(jī)身的檢測，如它的鋁組件、鋼和鈦合金鋁結(jié)構(gòu)的表層，亞表層缺陷檢測[4]。本研究利用磁光成像機(jī)理，構(gòu)建成一個檢測系統(tǒng)，并把該系統(tǒng)用于激光焊接的微間隙焊縫的跟蹤回歸檢測分析。

1 磁光成像檢測機(jī)理

1.1 磁致旋光效應(yīng)

法拉第磁致旋光效應(yīng)就是指當(dāng)一束線偏振光穿過有旋光性特性的介質(zhì)時，如果這時的介質(zhì)中沿光線傳播方向被加上外加磁場B，則光通過介質(zhì)后，光的偏振面轉(zhuǎn)過一角度θ，這種效應(yīng)被稱為法拉第效應(yīng)，也就是磁致旋光效應(yīng)。法拉第磁光效應(yīng)如圖1所示。

圖1 法拉第磁光效應(yīng)Fig.1 Schematic diagram of Faraday effec

在材料選定的情況下，偏振光偏振面旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)角θ與光的波長、外加磁場的磁感應(yīng)強度B、光在介質(zhì)中所走過的路程L相關(guān)，可用以下方程表示[5]

式中V為費爾德(Verdet)常數(shù)。

1.2 鐵磁材料磁光成像激光焊接系統(tǒng)

1.2.1 磁光成像的激光焊接系統(tǒng)

鐵磁焊件的磁光成像激光焊接系統(tǒng)如圖2所示。鐵磁焊件在伺服電機(jī)驅(qū)動下以速度v向左下方運動，電流可調(diào)的直流電磁鐵固定安放在鐵磁焊件的下方，當(dāng)焊件經(jīng)過直流電磁鐵所在位置時，鐵磁焊件被處于其下方的直流電磁鐵的磁場磁化，由于磁光傳感器被固定放置在鐵磁焊件的上方，當(dāng)焊件被放置下方的直流電磁鐵磁化后，在磁光傳感器所在位置形成反映焊縫信息的漏磁場分布，由于磁光效應(yīng)使磁光傳感器能檢測出反映焊縫漏磁場信息的磁光圖像。

圖2 鐵磁材料磁光成像的激光焊接系統(tǒng)Fig.2 Schematic diagram ofweldment in laser welding using MO imaging

1.2.2 磁光傳感器構(gòu)造

磁光傳感器的內(nèi)部如圖3所示。從LED矩陣光源發(fā)出的光線，經(jīng)起偏器起偏后，被轉(zhuǎn)變?yōu)榫€偏振光，向下方通過磁光介質(zhì)進(jìn)入光反射面，被光反射面反射回來；由于光反射面下方的鐵磁焊件被電磁鐵磁場磁化，N極和S極在焊縫兩側(cè)端面形成，這兩個磁極所激發(fā)的磁場在焊縫上方形成漏磁場，進(jìn)而使對應(yīng)測試處的垂直磁場分量發(fā)生了與其他位置不同的磁場變化。磁光介質(zhì)在該漏磁場的作用下，使偏振光偏振面因磁旋光效應(yīng)而旋轉(zhuǎn)，隨后包含了焊縫信息的線偏振光經(jīng)檢偏振器后被放置在其后方的CCD攝像頭所接收，最終將攜帶焊縫信息的漏磁場分布轉(zhuǎn)化為磁光圖像顯現(xiàn)出來，實現(xiàn)了對鐵磁焊件焊縫的可視化檢測。

圖3 磁光傳感器內(nèi)部工作機(jī)理Fig.3 Schematic diagram ofmagneto-optic image device

2 最小二乘法原理

由最小二乘法原理[6]，作直線回歸，設(shè)回歸的曲線為直線

直線的回歸殘差為

式中yi為輸出函數(shù)值；xi為輸入函數(shù)值；i為測量次數(shù)。

殘差平方和為

對式（4）中的S分別求a、b的偏導(dǎo)數(shù)，令其偏導(dǎo)數(shù)為零，這樣就可以確定殘差平方和最小值。令

可以得到回歸系數(shù)的表達(dá)式為

3 磁光圖像特征分析

圖4a為小于0.1mm的低碳鋼試驗實物，圖4b為其利用磁光傳感器獲得的焊縫磁光彩色圖。為分析彩色磁光圖所對應(yīng)焊縫的特征，先對其彩色磁光圖進(jìn)行中值濾波去噪、灰度轉(zhuǎn)換，獲得的圖4c即為圖4b對應(yīng)的灰度圖。圖中的明亮區(qū)域和黑暗區(qū)域之間，可以看到一個明顯的交界區(qū)域，該交界位置區(qū)域?qū)?yīng)焊縫的位置則被認(rèn)為這就是焊縫位置信息，由此可確定出焊縫中心的實際位置。對圖4c中間位置的280行進(jìn)行灰度分布提取，即可得到該行反映焊縫位置對應(yīng)的磁場分布特征，獲得的曲線如圖4d所示。由圖4d可知，曲線有兩個峰值點，最大值對應(yīng)的峰值點對應(yīng)著灰度值在該處最大，在該處最明亮，考慮式（1），知道該處的N區(qū)磁感應(yīng)強度最強，即對應(yīng)的是焊縫漏磁場N區(qū)域垂直分量的最大值位置，其對應(yīng)的偏振光的旋轉(zhuǎn)角度θ在正方向取得最大值；在曲線最小值對應(yīng)的位置，對應(yīng)的是焊縫漏磁場S區(qū)域垂直分量的最大值位置，其對應(yīng)的偏振光的旋轉(zhuǎn)角θ在反方向取得最大值，對應(yīng)著灰度圖中最黑暗區(qū)域位置；考慮到焊縫兩側(cè)磁場的對稱性，也就是旋轉(zhuǎn)角θ具有對稱性，所以其對應(yīng)的磁光灰度圖也具有對稱性，因此可以認(rèn)為，圖4c中間過渡帶的中心位置對應(yīng)實際焊縫中心位置，即圖4d曲線中兩峰值之間的中間位置點即為焊縫實際中心點。

為驗證利用磁光傳感器進(jìn)行焊縫跟蹤的可能性，設(shè)計了一個焊縫斜偏差的跟蹤試驗。試驗焊件為低碳鋼，規(guī)格100mm×79mm×1.84mm，縫隙寬度0～0.1mm，焊接速度24mm/min（為了便于觀察磁光傳感器檢測焊縫的效果，并考慮磁光圖像處理時間，先設(shè)置在較低的速度下使磁光傳感器相對于焊件運動），磁光傳感器成像速度25幅/s，傳感器分辨率2592×1944（單位：pixel）。對于焊縫中心位置的提取，可以對彩色磁光圖先進(jìn)行中值濾波，接著轉(zhuǎn)換為灰度圖及進(jìn)行形態(tài)學(xué)等處理，獲得二值化的焊縫磁光圖，磁光圖的過渡帶中心位置就是焊縫中心位置測量值。

圖5為試驗設(shè)定的焊縫理論設(shè)定位置值變化曲線、焊縫測量位置值變化曲線及焊縫測量位置值擬合后的關(guān)系曲線。表1為焊縫理論設(shè)定位置與測量位置偏差的幾種統(tǒng)計參數(shù)。其中偏差值e定義為

式中Wn為第n次測得的焊縫中心數(shù)值；Wa為對應(yīng)的實際值。

標(biāo)準(zhǔn)偏差定義為

由圖5可知，低碳鋼的初始設(shè)定試驗焊縫曲線與利用磁光實際測量焊縫曲線基本重合，說明用磁光傳感器測量跟蹤鐵磁焊件微間隙焊縫具有良好的跟蹤性能。偏差值略有變動，這是系統(tǒng)剛開始跟蹤檢測時的正常波動現(xiàn)象；經(jīng)過一段時間后，偏差開始變大，隨后又變小，這是由于焊縫本身原因造成的，肉眼看起來以為一樣寬的縫隙，實際上還是略有變化；最后又變成略有起伏的偏差變化狀態(tài)。由表1可知，根據(jù)磁光成像方法測量微間隙焊縫的測量精度很高。焊縫測量值隨磁光圖像序列變化的擬合方程為

圖4 焊件、焊縫磁光圖及其280行對應(yīng)的灰度分布曲線Fig.4 Originalweldment,magneto-optic image of a weld joint and its gray level distribution curve

圖5 低碳鋼焊縫偏差設(shè)定值、擬合值與測量值關(guān)系曲線Fig.5 Set value，fitted valueandmeasured valueofweld joint

表1 低碳鋼焊縫理論設(shè)定位置與測量位置偏差的統(tǒng)計Tab.1 Statistics ofmeasured error of weld joint

式中V為焊縫擬合偏差位置值；n為采樣圖像序列數(shù)。

由式（12）和圖5可知，擬合直線基本與設(shè)定偏差直線重合，也基本與實測曲線重合，說明擬合直線能反映焊縫偏差的狀況。

圖6為焊縫理論設(shè)定偏差值隨測量偏差值變化的關(guān)系曲線，其對應(yīng)的擬合方程為

式中u為理論偏差擬合數(shù)值；v為測量數(shù)值。

從式（13）可知，直線的斜率為1，而理論偏差擬合數(shù)值和測量偏差數(shù)值僅有0.000 71mm的偏差，同時，其擬合關(guān)系曲線基本與實際關(guān)系曲線重合，說明在實際應(yīng)用時可以直接把焊縫測量偏差值當(dāng)成是實際偏差值進(jìn)行跟蹤控制。

4 結(jié)論

（1）在直流恒定電磁場的感應(yīng)下，緊密對接鐵磁焊件的焊縫由于漏磁場的緣故，焊縫處對應(yīng)的磁場分布與焊件其他區(qū)域有所不同，形成包含焊縫特征信息的漏磁場分布，可通過磁光傳感器把這種磁場分布用磁光圖顯現(xiàn)出來。

圖6 焊縫理論設(shè)定值與測量值擬合關(guān)系曲線Fig.6 Fitting relation curves between the setting value and measured

（2）焊縫磁光圖像的明區(qū)與暗區(qū)之間的中間過渡帶對應(yīng)低碳鋼焊縫位置信息，由于漏磁場具有對稱性，確定出焊縫磁光圖像過渡帶的中心位置就是實際焊縫中心位置，可利用各種數(shù)字圖像處理方法對焊縫磁光圖像進(jìn)行處理，獲得激光焊接適用的微間隙焊縫中心位置測量值。

（3）試驗表明，利用磁光成像方法能夠有效測量微間隙焊縫，當(dāng)焊縫發(fā)生偏差時，其測量值可以代表實際偏差值，可利用該偏差值進(jìn)行焊縫跟蹤控制，磁光成像測量焊縫偏差法具有較高的測量精度。

[1]甄任賀，高向東，李振石，等.激光焊接熔池質(zhì)心偏差旋轉(zhuǎn)變換的焊縫檢測方法[J].電焊機(jī)，2013，43（8）：53-56.

[2]Katayama S，Kawahito Y.Laser direct joining ofmetal and plastic[J].Scripta Materialia，2008（59）：1247-1250.

[3]王騰，高向東.大功率碟形激光焊支持向量回歸熔寬預(yù)測算法[J].焊接學(xué)報，2013，34（5）：25-28.

[4]高向東，丁度坤，宋要武，等.熔池圖像質(zhì)心算法的焊縫位置測量模型[J].焊接學(xué)報，2007，28（3）：1-4.

[5]Zeng Zhiwei，Liu Xin.A parametric study ofmagneto-optic imagingusing finite-elementanalysisapplied to aircraft rivet site inspection[J].IEEE Transactionson Magnetics，2006，42（11）：3737-3744。

[6]Jason S S.Real-time image processing ofmagneto-optic imagesfor themagneto-optic/eddy current imager(MOI)[D]. Michigan：Michigan State University，2003.

[7]鄭少華，姜奉華.試驗設(shè)計與數(shù)據(jù)處理[M].北京：中國建材工業(yè)出版社，2004：128-138.

A new detectionmethod form icro-gap weld w ithmagneto-optic imaging tracking regression

ZHEN Renhe1，2
（1.School of Automation ofGuangdong Polytechnic Normal University，Guangzhou 510635，China；2.SchoolofElectrom mechanical Engineering，Guangdong University of Technology，Guangzhou 510006，China）

For tight buttmicro-gap weld in laser welding，a detection system with a core ofmagneto-optical sensor for micro-gap weld is set up to detect the magneto-optic images which reflect the characteristics of the weld.By analyzing the features of the magneto-optic images，it is confirmed that the theory of detection system formingmagneto-optic image is due to the opposite polarity poles on both sides of weld generated by the constant electromagnetic field，magnetic fields with different polar result in different direction of rotation of the incident polarized light，then the magneto-optic image of weld is formed by the magneto-optic rotation effect.Themagneto-optic image ofweld is processed bymultiple digital processing to obtain corresponding binaryzation weld image. Finally，the relation model of the setting deviation and themeasured deviation formicro-gap weld on ferromagnetic weldment is built by analysis of regression.It's confirmed that the binary regression modeling has very high precision for micro-gap weld with magneto-optic imaging tracking.

magneto-optic detection；laserwelding；image processing；median filter

TG409

A

1001-2303（2015）07-0040-05

10.7512/j.issn.1001-2303.2015.07.09

2014-12-22；

2015-07-06

國家自然科學(xué)基金資助項目（61271117）

甄任賀（1965—），男，廣東開平人，講師，博士，主要從事焊接自動控制的教學(xué)與研究工作。