焦 智 檀朝彬 耿樹芳 駱林依 梁 星 張亞妮 孫朋非 王 剛 安 健

(1.北華航天工業(yè)學院 電子與控制工程學院,河北 廊坊 065000； 2.河北天昊睿工智能科技有限公司,河北 廊坊 065000；3.電子科技大學 光電信息科學與工程學院,四川 成都 610054)

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基于紅外熱成像技術的管道激光/電弧復合焊質量在線監(jiān)測系統(tǒng)

焦 智1檀朝彬1耿樹芳1駱林依1梁 星1張亞妮1孫朋非2王 剛2安 健3

(1.北華航天工業(yè)學院 電子與控制工程學院,河北 廊坊 065000； 2.河北天昊睿工智能科技有限公司,河北 廊坊 065000；3.電子科技大學 光電信息科學與工程學院,四川 成都 610054)

利用福祿克RAYPi20HTRC紅外熱像儀，獲取焊接熔池的紅外熱成像圖像，通過軟件對焊接熔池熱成像圖像進行處理，依據(jù)焊接熔池溫度梯度分布對當前時刻焊接成型和焊接質量進行判斷，識別和判斷焊接缺陷，利用算法和程序對焊接質量進行評估，并記錄當前的焊接時間和焊接點位，生成焊接記錄。系統(tǒng)經過油氣管道激光/電弧復合焊接應用試驗具有運行穩(wěn)定、質量評價與缺陷判定準確的特點，可以為現(xiàn)場焊接質量監(jiān)測和后續(xù)焊接質量檢測提供重要參考，具有重要工程應用意義。

焊接質量 紅外成像 在線監(jiān)測 圖像處理

0 序 言

激光/電弧復合焊技術具有焊接速度快(1 200～1 600 mm/min)、橋接能力強、焊接質量高的優(yōu)點，是當前大口徑油氣管道自動焊接工程研究的熱點問題和方向[1]。激光/電弧復合焊接設備結構龐大、系統(tǒng)復雜，焊接過程中焊接成型效果和焊接質量受電弧電壓、送絲速度、激光能量、激光離焦量、激光入射角度、光絲間距等諸多參數(shù)影響。因此，激光/電弧復合焊接系統(tǒng)高速焊接時需要對其在線焊接質量進行實時監(jiān)控和評估，保障其焊接質量，提高焊接效率。文中在線質量監(jiān)測系統(tǒng)可以為現(xiàn)場焊接質量監(jiān)測和后續(xù)焊接質量檢測提供重要參考，具有重要工程應用意義。

1 設計原理

利用福祿克RAYPi20HTRC紅外熱像儀，非接觸測量熔池的溫度分布，獲取焊接熔池的紅外熱成像信息，開發(fā)圖像處理系統(tǒng)，對熔池熱像圖像進行處理[2]，依據(jù)焊接熔池溫度梯度分布對當前時刻焊接成型和焊接質量進行判斷，識別和判斷焊接缺陷，利用算法和程序對焊接質量進行評估并發(fā)出相應警報，記錄當前的焊接時間和點位，生成焊接記錄。

1.1 系統(tǒng)原理

管道激光/電弧復合焊接質量紅外在線監(jiān)測系統(tǒng)工作原理如圖1所示。

圖1 熔池焊接質量在線監(jiān)測系統(tǒng)原理圖

首先使用紅外熱像儀獲取焊接熔池熱成像圖像，以30幀/秒的采樣速率將每一幀圖像實時傳給圖像分析計算機，圖像分析計算機通過焊接質量在線監(jiān)測系統(tǒng)軟件對每一幀焊接熔池紅外圖像進行分析，得到焊接質量信息。根據(jù)焊接熔池紅外圖像可判別出氣孔、夾渣、未熔合等焊接缺陷，并進行現(xiàn)場聲光報警，提醒焊接人員采取相應措施。同時在每一幀圖像處理的過程中記錄下該幀圖像的焊接時間與焊接點位置信息，生成焊接日志。

1.2 RAYPi20HTRC紅外熱像儀

為了實時測量熔池溫度及其分布，系統(tǒng)選用福祿克RAYPi20HTRC紅外熱像儀(圖2)，采用非接觸測量的方法，采樣速率為30幀/秒，可以充分保證系統(tǒng)實時性。該紅外熱像儀還具有分辨力高、探測溫度范圍廣、溫度探測精度高、耐高溫抗震動、實時性好的特點[3]。其具體主要參數(shù)見表1。

圖2 RAYPi20HTRC紅外熱像儀

大口徑管道激光/電弧復合焊焊接熔池的溫度可達2 000 ℃，其主要紅外輻射的波長范圍為8～14 μm，RAYPi20HTRC紅外熱像儀各項參數(shù)滿足焊接質量監(jiān)測系統(tǒng)技術需求。

表1 RAYPi20HTRC紅外熱像儀參數(shù)

2 系統(tǒng)開發(fā)

2.1 圖像分析計算機

圖像分析處理采用PC機完成，通過RJ45以太網(wǎng)口與RAYPi20HTRC紅外熱像儀相連接，建立視頻數(shù)據(jù)傳輸鏈路。圖像分析計算機完成對焊接熔池紅外熱像的分析判斷與處理，并且生成在線監(jiān)測日志[4]。

2.2 焊接質量在線監(jiān)測系統(tǒng)組成

焊接質量在線監(jiān)測系統(tǒng)是基于圖像分析計算機開發(fā)的軟件系統(tǒng)。焊接質量在線監(jiān)測系統(tǒng)由圖像識別模塊、圖像分析模塊、焊接缺陷判斷報警模塊、時空控制與日志模塊構成。

2.3 焊接質量在線監(jiān)測系統(tǒng)工作流程

焊接質量在線監(jiān)測系統(tǒng)工作流程如圖3所示。圖像識別模塊實現(xiàn)通過模式識別算法對RAYPi20HTRC紅外熱像儀捕獲的圖像進行識別，判斷是否為焊接熔池圖像。若判斷為“否”則繼續(xù)識別捕獲圖像，直到有停止信息輸入程序結束[5]。若識別為焊接熔池圖像則記錄時間和空間位置，圖像分析模塊通過分析焊接熔池紅外圖像的狀態(tài)對焊接成型做出評判，并分析判斷出氣孔、夾渣、未熔合。

焊接質量在線監(jiān)測系統(tǒng)程序啟動后，RAYPi20HTRC紅外熱像儀掃描的紅外圖像通過數(shù)據(jù)鏈路傳輸給圖像分析計算機。焊接質量圖像分析軟件首先判斷所采集紅外圖像是否為焊接熔池圖像，若“是”，記錄焊點時間空間信息；若“否”，則提示操作者是否停止工作。在當前紅外圖像被判定為焊接熔池時，則進一步調用焊接缺陷判別子程序進行焊接缺陷判定，若為缺陷，進行缺陷報警并記錄缺陷時間空間信息；若無缺陷，則對下一幀紅外圖像進行掃描。

圖3 焊接質量在線監(jiān)測系統(tǒng)軟件流程圖

3 焊接質量在線監(jiān)測試驗

3.1 焊接試件

油氣管道激光-電弧復合焊采用半面下向焊工藝，單面焊接雙面成型。焊接試驗試件采用 X70鋼制管線，管道直徑為1 016 mm，壁厚為17.5 mm，開U形對稱坡口(圖4)，鈍邊厚度6 mm，坡口夾角5°，無間隙。焊接時采用激光在前、電弧在后無擺動焊接模式，利用紅外在線監(jiān)測系統(tǒng)進行實時焊接質量監(jiān)測[6]。

圖4 激光/電弧復合焊坡口示意圖

3.2 在線監(jiān)測效果

利用紅外在線監(jiān)測系統(tǒng)進行了尺寸為φ1 016 mm×17.5 mm的X70管線鋼管焊接在線監(jiān)測試驗，采用單面焊接雙面成型半面下向焊工藝，焊接試驗現(xiàn)場如圖5所示，焊縫外部成型情況與焊接熔池圖像如圖6所示。管道激光/電弧復合焊接質量紅外在線監(jiān)測系統(tǒng)通過對焊接熔池的紅外圖像進行模式分析，建立焊接熔池溫度梯度圖。正常焊接情況下，焊接熔池溫度梯度為近圓形，當焊接熔池溫度梯度圓度大于所設閾值時，說明焊接質量正常，系統(tǒng)自動記錄當前焊點時間、空間信息及焊接質量評分。

3.3 焊接缺陷判定

管道激光/電弧復合焊接質量紅外在線監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測到焊接熔池溫度梯度圓度小于所設閾值時，即可判定焊接質量不達標，系統(tǒng)自動記錄當前焊點時間與空間信息，并對焊接缺陷進行分類判定。

若焊接熔池溫度梯度的畸變處在焊接熔池的邊緣，且焊接熔池變小時，判斷為未熔合缺陷；當焊接熔池圖像的中心有溫度畸變，出現(xiàn)溫度過高點或者溫度過低點時，則判斷為焊接夾渣或者焊接氣孔缺陷。焊接缺陷如圖7所示。

管道激光/電弧復合焊接質量紅外在線監(jiān)測系統(tǒng)實時記錄每一個焊接點時間與空間信息及焊接質量評價情況。當出現(xiàn)焊接缺陷時發(fā)出聲光報警，提醒焊接工程師及時處理[7]。焊接完成后，質量紅外在線監(jiān)測系統(tǒng)自動生成焊接監(jiān)測日志，日志中記錄該道焊接每一點位的焊接質量信息，并重點標注疑似焊接缺陷點位，為焊接質量檢測提供參考。

圖5 焊接試驗現(xiàn)場

圖6 焊接質量在線監(jiān)測試驗

圖7 焊接缺陷監(jiān)測

4 結 語

基于紅外熱成像技術的管道激光/電弧復合焊接質量在線監(jiān)測系統(tǒng)，利用福祿克RAYPi20HTRC紅外熱像儀，非接觸測量焊接熔池的溫度分布，獲取焊接熔池的紅外熱成像圖像，通過專用軟件對焊接熔池熱成像圖像進行處理，依據(jù)焊接熔池溫度梯度分布對當前時刻焊接成型和焊接質量進行判斷，識別和判斷焊接缺陷，利用算法和程序對焊接質量行評估，并記錄當前的焊接時間和焊接點位，生成焊接記錄。出現(xiàn)焊接缺陷時，發(fā)出相應警報。系統(tǒng)經過油氣管道激光/電弧復合焊接應用試驗具有運行穩(wěn)定、質量評價與缺陷判定準確的特點可以為現(xiàn)場焊接質量監(jiān)測和后續(xù)焊接質量檢測提供重要參考，具有重要工程應用意義。

[1] 劉文川.X80管道全位置激光/電弧復合焊接工藝研究[D].西安：西安石油大學碩士學位論文,2013.

[2] 姜貴彬, 藍 天, 倪國強. 紅外熱成像系統(tǒng)評價的重要參數(shù)及測試方法[J]. 紅外與激光工程, 2008(S2):125-128.

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2016-03-21

TG441.7

焦 智，1974年出生，工學碩士，副教授。主要研究方向為無線通信、實時信號處理。

檀朝彬，1977年出生，工學博士，副教授。主要研究方向光纖激光管道焊接技術研究。