閔建東，陳 亮，曾德勝

（中國石化集團(tuán)石油工程機(jī)械有限公司沙市鋼管廠，湖北 荊州 434001）

在埋弧焊管生產(chǎn)過程中，每批次的鋼管都要先生產(chǎn)出幾根樣管，然后停機(jī)，取樣管酸洗后進(jìn)行各項(xiàng)參數(shù)測量，合格后才能繼續(xù)生產(chǎn)［1-3］。傳統(tǒng)做法是將樣品放入酸性液體中加熱，將截面氧化層腐蝕，取出打磨截面，使其出現(xiàn)清晰的內(nèi)外焊縫邊緣，再劃線用卡尺測量。其缺點(diǎn)是測量部分參數(shù)時卡尺兩端無固定位置，易晃動，導(dǎo)致測量不準(zhǔn)確；有時打磨不夠，內(nèi)外焊縫邊緣不清晰，無法測量，需返工繼續(xù)打磨［4］。本文將介紹一種埋弧焊管焊縫酸洗樣品參數(shù)的計算機(jī)軟件測定方法。

1 酸洗樣品圖像預(yù)處理程序模塊設(shè)計

酸洗樣品圖像預(yù)處理模塊的作用是：通過該模塊，能將埋弧焊管酸洗樣品側(cè)面內(nèi)外焊縫的輪廓很好地突顯出來，為下一步測量打下基礎(chǔ)；并且能通過調(diào)整相關(guān)參數(shù)，將焊縫圖像內(nèi)的晶體排列方向很好地顯示出來，便于焊接人員初步判斷晶體質(zhì)量。

該程序?qū)崿F(xiàn)流程如下：加載圖片→縮放比例→灰度調(diào)整算子→反識算子→直方圖均衡算子→存儲。此流程中的幾個算子不一定同時使用，可組合使用或單選使用。比較關(guān)鍵的算子是直方圖均衡化算子。

直方圖均衡化方法的基本思想是：對在圖像中像素個數(shù)多的灰度級進(jìn)行展寬，而對像素個數(shù)少的灰度級進(jìn)行縮減，從而達(dá)到使埋弧焊管酸洗樣品內(nèi)外焊縫邊緣圖像清晰的目的。

酸洗樣品圖片預(yù)處理模塊試驗(yàn)效果對比如圖1所示。

圖1 埋弧焊管酸洗樣品圖片在預(yù)處理模塊處理前后的效果對比

從圖1 可以看出：原酸洗樣品圖片埋弧焊管內(nèi)外焊縫邊緣輪廓并不是很清晰，可能是由于酸洗時間不夠或打磨不夠，也可能是由于焊接熔池的化學(xué)物理因素造成的；但經(jīng)過預(yù)處理模塊處理后，埋弧焊管內(nèi)外焊縫邊緣變得清晰，為后續(xù)測量程序打下了基礎(chǔ)，也能解決以前測量時由于邊緣不清晰帶來的測量誤差。此外，還可以看出部分晶狀體的排列方向，為焊接操作初步判斷焊接質(zhì)量提供了一定的依據(jù)。

2 酸洗樣品參數(shù)測定模塊程序設(shè)計

需要測量的埋弧焊管酸洗樣品內(nèi)外焊縫參數(shù)主要包括：內(nèi)外焊縫的寬度、深度、熔寬比、熔深比、4 個側(cè)面角度、焊偏量、重合量等［5-9］。對這些參數(shù)的測定模塊程序設(shè)計如下。

2.1 內(nèi)外焊縫長度方面參數(shù)的測量

內(nèi)外焊縫長度方面的參數(shù)主要包括：焊縫寬度、深度、熔寬比、熔深比等，如圖2 所示。焊縫熔深比可表示為m/δ，焊縫熔寬比可表示為c/δ。

圖2 內(nèi)外焊縫長度方面的參數(shù)示意

從圖2 可以看出：焊縫寬度、深度、余高、熔寬比、熔深比都是長度或長度比值方面的參數(shù)［10-11］，那么只需要將儲存在計算機(jī)中的酸洗樣品圖片上的對應(yīng)長度，在計算機(jī)上通過鼠標(biāo)相關(guān)操作測量出來即可。

由于焊縫圖像與現(xiàn)實(shí)中的焊縫尺寸之間的比例不是1 ∶1，是經(jīng)過縮放到計算機(jī)的；并且，計算機(jī)圖像是以Px（pixels，像素）為單位，而實(shí)際測量中是以毫米（mm）為常用單位。這就需要在程序中進(jìn)行一個標(biāo)定，使圖像中的像素單位與實(shí)際測量的毫米（mm）單位進(jìn)行換算。測定系統(tǒng)單位長度的標(biāo)定界面如圖3 所示。

圖3 測定系統(tǒng)單位長度標(biāo)定界面

從圖3 可以看出：若選取圖像上的5 mm 來進(jìn)行標(biāo)定，則對應(yīng)的圖像距離是132 Px，經(jīng)程序轉(zhuǎn)換后，可以得出酸洗樣品圖像單位長度1 Px 對應(yīng)的實(shí)際距離是3.787 879×10-2mm。

對于焊縫寬度、深度、余高、熔寬比、熔深比等參數(shù)，只需要用鼠標(biāo)點(diǎn)擊相關(guān)線段的起點(diǎn)和終點(diǎn)，系統(tǒng)程序就會自動計算出相應(yīng)線段圖像長度的Px 值，自動乘以標(biāo)定值3.787 879×10-2mm 即可得出對應(yīng)的實(shí)際長度；經(jīng)過軟件計算即可得出相應(yīng)的值或比值。

2.2 內(nèi)外焊縫側(cè)面角度的測量

焊縫酸洗樣品側(cè)面角度θ 測量軟件按余弦定理設(shè)計，如圖4 所示。系統(tǒng)進(jìn)行酸洗樣品焊縫側(cè)面角測量界面如圖5 所示。只要在系統(tǒng)軟件中沿焊縫圖像的邊緣畫出形成角度的兩條線段AB 與BC，系統(tǒng)程序會自動捕捉A 點(diǎn)、B 點(diǎn)、C 點(diǎn)在計算機(jī)中的像素坐標(biāo)。假設(shè)A 點(diǎn)、B 點(diǎn)、C 點(diǎn)的坐標(biāo)分別為（A0，B0）、（A1，B1）、（A2，B2），根據(jù)余弦定理cos θ=（c2+a2-b2）/（2ca），即可得出角度θ。其中：

圖4 側(cè)面角度θ 測量示意

圖5 焊縫酸洗樣品側(cè)面角軟件測量界面

2.3 內(nèi)外焊縫焊偏量和重合量的測量

埋弧焊管酸洗樣品焊縫焊偏量和重合量的定義如圖6 所示。焊偏量在計算機(jī)中測量比較簡單，其實(shí)現(xiàn)原理是：獲取焊偏量e 的長度，可以由線段H1K1的中點(diǎn)H4像素橫坐標(biāo)減去線段H2K2的中點(diǎn)H5像素橫坐標(biāo)，取絕對值，然后乘以標(biāo)定值就可以得出實(shí)際的焊偏量。重合量的測量較為復(fù)雜，由于焊接時先進(jìn)行內(nèi)焊，再進(jìn)行外焊，內(nèi)外焊縫熔池重合后，內(nèi)焊縫有一部分熔池被覆蓋，即圖6 中H3所在的虛弧線被覆蓋，導(dǎo)致弧形頂點(diǎn)H3不容易準(zhǔn)確找出；所以手工測量時，先人工假想用筆畫出弧線，大致確定H3點(diǎn)，然后用工具測量H3與K3的垂直高度u，但會有人工和經(jīng)驗(yàn)方面帶來的誤差。

圖6 焊縫酸洗樣品焊偏量與重合量定義示意

計算機(jī)測定時，為了準(zhǔn)確找到H3點(diǎn)，可采用曲線擬合原理來確定。

焊縫形狀各不一樣，不可能用一個統(tǒng)一的數(shù)學(xué)公式來描述所有焊縫截面形狀；但一般來說，焊縫的形狀大體是拋物線型、指數(shù)型、對數(shù)型及其他組合曲線等。本系統(tǒng)采用最小二乘法擬合曲線原理，對離散點(diǎn)進(jìn)行曲線擬合。

由于最小二乘法是分析一元函數(shù)（y=ax+b）線性回歸的方法，而焊縫輪廓相關(guān)關(guān)系并不是線性關(guān)系，而是某種曲線。對于此問題，可以通過公式變換，將非線性問題轉(zhuǎn)化為線性回歸問題來處理。

通過離散點(diǎn)進(jìn)行最小二乘法得出曲線后，需要檢驗(yàn)該線性回歸方程是否是焊縫的最佳擬合曲線方程，可以通過線性代數(shù)里的R 值線性相關(guān)關(guān)系顯著性檢驗(yàn)法進(jìn)行驗(yàn)證。

酸洗樣品焊縫重合量計算機(jī)測定軟件實(shí)現(xiàn)流程如圖7 所示。

3 結(jié) 語

本研究開發(fā)的計算機(jī)測定系統(tǒng)，能方便、準(zhǔn)確且快速地測量內(nèi)外焊縫寬度、深度、熔寬比、熔深比、4 個側(cè)面角度、焊偏量、重合量等參數(shù)，精度達(dá)到0.02 mm；不需要在酸洗樣品上刻線，避免直尺或卡尺測量時的誤差和不便；打磨不是很清楚時，可通過軟件的圖像處理后，使其出現(xiàn)清晰的焊縫邊緣后再測量。

圖7 酸洗樣品焊縫重合量測量軟件實(shí)現(xiàn)流程

與傳統(tǒng)的測定方法相比，本系統(tǒng)能提高測量的準(zhǔn)確性和便捷性，以及樣品參數(shù)的可存儲性；通過圖像處理還可減少酸洗樣品前期酸洗及打磨的時間；在測量重合量方面能解決傳統(tǒng)方法通過估畫內(nèi)焊縫邊沿曲線帶來的誤差大等問題。

［1］ 劉世澤. 埋弧焊鋼管焊縫余高的控制［J］. 鋼管，2006，35（3）：23-26.

［2］ 王高峰，畢宗岳. 螺旋埋弧焊管焊縫形狀參數(shù)分析［J］.鋼管，2008，37（1）：60-64.

［3］ 王高峰，趙建新，王剛慶，等. 螺旋縫焊管焊縫形狀預(yù)測［J］. 焊接技術(shù)，2010，39（11）：51-54.

［4］ 邢曉燕. 螺旋埋弧焊管焊縫幾何形狀的計算機(jī)圖像處理及描述［D］. 西安：西安石油大學(xué)，2006.

［5］ 溫明釗. 控制焊縫外觀 提高焊接質(zhì)量［J］. 焊接技術(shù)，2002，31（3）：49-60.

［6］ 畢宗岳，王海博，王高峰. 螺旋埋弧焊管焊縫形貌優(yōu)化研究［J］. 焊管，2008，31（2）：14-17.

［7］ 彭春明，劉云. 提高螺旋焊管焊道外觀質(zhì)量的工藝措施［J］. 焊管，2005，28（6）：62-64.

［8］ 羅天寶，喬曉堂. 淺談螺旋埋弧焊鋼管的焊縫外觀形狀控制［J］. 焊管，2006，29（2）：52-54.

［9］ 王鳳成. 螺旋縫埋弧焊管外觀質(zhì)量缺欠的產(chǎn)生原因及應(yīng)對措施［J］. 鋼管，2011，40（5）：43-47.

［10］ 熊臘森，李紹斌，布拉頓N R. 焊縫幾何形狀參數(shù)的預(yù)測和選擇［J］. 華中工學(xué)院學(xué)報，1986（4）：26-28.

［11］ 劉世澤. 埋弧焊鋼管焊縫余高的控制［J］. 鋼管，2006，35（3）：23-26.