毛 興

(寶山鋼鐵股份有限公司設(shè)備部,上海 200941)

1 概述

激光焊機(jī)作為冷軋入口段重要設(shè)備之一,其焊接質(zhì)量的可靠是機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行的基礎(chǔ)之一。激光焊接工藝具有焊縫熱影響區(qū)窄、焊縫成形好等優(yōu)點(diǎn),在高硅料、高強(qiáng)度鋼等合金鋼焊接領(lǐng)域有著顯著的優(yōu)勢(shì)。早期傳統(tǒng)的焊縫檢查方法由于判定無量化標(biāo)準(zhǔn),準(zhǔn)確性較差,且判定過程效率低下,較難滿足冷軋高速生產(chǎn)的需求。隨著視覺技術(shù)的不斷發(fā)展,冷軋激光焊機(jī)焊縫的判定已逐步實(shí)現(xiàn)同步自動(dòng)判定,通過采集焊縫間隙、焊接熔深、焊縫輪廓特征數(shù)據(jù),利用構(gòu)造的數(shù)學(xué)模型分析,實(shí)現(xiàn)焊縫質(zhì)量的快速判定,如圖1。該應(yīng)用技術(shù)效率高,可靠性強(qiáng),可有效降低焊縫斷帶風(fēng)險(xiǎn),并提高機(jī)組作業(yè)效率。

圖1 焊縫質(zhì)量判定系統(tǒng)界面

2 焊縫質(zhì)量判定系統(tǒng)的應(yīng)用

2.1 傳統(tǒng)焊縫判定方法

傳統(tǒng)焊縫判定主要通過人工肉眼判斷、在線視頻跟蹤、離線破壞測(cè)試等方法進(jìn)行焊縫質(zhì)量判定,但上述方法由于缺乏統(tǒng)一定量標(biāo)準(zhǔn)、同步性差等因素存在局限性,無法快速、準(zhǔn)確判定焊縫質(zhì)量。

(1)人工肉眼判斷方法,由操作人員觀察焊縫表面,見圖2。肉眼識(shí)別判定,過于依賴操作人員經(jīng)驗(yàn)認(rèn)識(shí),焊縫表面形貌感知因人而異,缺乏統(tǒng)一定量化標(biāo)準(zhǔn),耗時(shí)較多。

圖2 焊縫上表面照片

(2)部分焊接過程通過視頻記錄,操作人員根據(jù)視頻中反射光連續(xù)與否判斷焊縫質(zhì)量,判定依賴經(jīng)驗(yàn)為主。見圖3。

圖3 在線視頻跟蹤

(3)破壞測(cè)試須將焊縫取樣,利用壓力試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行離線破壞試驗(yàn),雖判定較為準(zhǔn)確,但耗時(shí)較多,效率低。見圖4。

圖4 焊縫壓力破壞測(cè)試

2.2 焊縫質(zhì)量判定系統(tǒng)構(gòu)成

判定系統(tǒng)應(yīng)用先進(jìn)視覺裝備,焊接區(qū)域配置焊縫特征傳感器,利用構(gòu)建的數(shù)學(xué)模型分析焊縫質(zhì)量。焊頭區(qū)域傳感器布置見圖5。焊頭焊接入側(cè)配置了上部背光燈和下部CCD攝像頭,CCD攝像頭正對(duì)焊縫間隙區(qū)域。

圖5 傳感器安裝位置

焊接過程中,視覺傳感器同步采集焊接過程焊縫特征數(shù)據(jù),系統(tǒng)通過分析焊縫特征數(shù)據(jù)和對(duì)應(yīng)焊接工藝參數(shù),經(jīng)數(shù)據(jù)處理、圖形處理,參考關(guān)鍵特征參數(shù)閾值范圍,判定焊縫質(zhì)量,最終判定結(jié)果輸出至HMI畫面,完成焊縫質(zhì)量的判定,如圖6。焊接過程特征參數(shù)數(shù)字化記錄并保存,生產(chǎn)過程中任意焊縫焊接過程參數(shù)具備可追溯性。視覺傳感器主要包括間隙傳感器、焊縫輪廓傳感器、熔深傳感器。

圖6 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡圖

焊縫質(zhì)量判定系統(tǒng)通過工業(yè)以太網(wǎng)與焊機(jī)HMI、主PLC通訊,焊接時(shí)從主PLC獲得測(cè)量觸發(fā)、結(jié)束信號(hào);質(zhì)量系統(tǒng)內(nèi)部需要的相關(guān)焊接工藝參數(shù)由HMI通訊獲得,見圖7。

圖7 焊機(jī)通訊網(wǎng)絡(luò)圖

2.2.1 焊縫間隙

焊縫間隙檢測(cè)包括間隙位置和間隙寬度兩個(gè)特征參數(shù)。間隙傳感器(附帶輔助光源,如圖8)即CCD攝像頭,利用上部背光燈與下部攝像頭光源交替閃爍(25 Hz+25 Hz=50 Hz采樣頻率)獲得焊縫下表面圖像(圖9(a))和間隙透過亮光圖像(圖9(b)),通過兩處圖像數(shù)據(jù)的識(shí)別處理,確定焊縫間隙特征數(shù)據(jù)。間隙透光亮度圖并不直接輸出至HMI界面,僅作為一個(gè)亮度圖像參考,間隙大小通過計(jì)算間隙透射光亮度寬度計(jì)算,數(shù)據(jù)采集過程中以采集背光燈最大亮度為基準(zhǔn)計(jì)算間隙邊界。

圖8 間隙傳感器

圖9 間隙檢測(cè)

2.2.2 熔深

焊接過程中常常受到來料材質(zhì)、焊接參數(shù)、設(shè)備精度等條件的影響,焊縫出現(xiàn)未完全熔合的虛焊現(xiàn)象。為此,系統(tǒng)針對(duì)焊接熔深特征進(jìn)行了監(jiān)測(cè),即在焊縫下部導(dǎo)向輪單側(cè)安裝熔深傳感器,如圖10,為避免焊接飛濺[1]影響傳感器,其斜向安裝并配置保護(hù)玻璃(需定期更換)。熔深傳感器采集焊接過程中熔合區(qū)域亮光的灰度影像,與系統(tǒng)內(nèi)預(yù)設(shè)的參考亮光進(jìn)行對(duì)比分析,判斷是否存在熱輸入不充分導(dǎo)致的未熔透現(xiàn)象。

圖10 熔深傳感器安裝位置

熔合區(qū)域光亮度作為焊接熱輸入的特征,參與焊縫質(zhì)量的判定,如圖11。如光亮度偏高則反映激光功率過高或焊接速度過慢,焊接熱輸入偏大;光亮度過低則反映激光功率過低、焦點(diǎn)位置不良或焊接速度過高,焊縫熱熔不充分,存在未熔合可能;基本無亮度(黑圖像)意味著激光故障、焦點(diǎn)位置嚴(yán)重偏差或過大的對(duì)接間隙,見圖12和圖13。

圖11 熔深光亮度

圖12 不良熔透亮度記錄

圖13 未焊透焊縫金相圖

冷軋激光焊接采用的是拼縫焊接結(jié)構(gòu),焊縫上部應(yīng)有一定增高,焊縫形貌要求飽滿、連續(xù)。為監(jiān)測(cè)輪廓特征,系統(tǒng)采用激光掃描檢測(cè)技術(shù),傳感器投射線性激光至焊縫上表面,利用三角測(cè)量原理,如圖14,高頻采集焊縫上部外形輪廓特征,如圖15,包括焊縫增厚高度、焊縫寬度、前后帶鋼高度差等焊縫輪廓信息,軟件經(jīng)過數(shù)據(jù)圖形處理,將擬合的特征曲線及焊縫外觀圖片輸出至質(zhì)量系統(tǒng)中HMI畫面中顯示。

圖14 三角原理檢測(cè)

圖15 焊縫輪廓圖

圖15(b)紅藍(lán)方框代表入出口帶鋼的實(shí)際高度位置,豎直藍(lán)線代表計(jì)算出的焊縫中心位置,綠線代表前端檢測(cè)的焊縫間隙中心位置。通過焊縫輪廓掃描采集,系統(tǒng)可對(duì)焊縫中心位置、未填滿量、焊縫厚度、焊縫連續(xù)性、焊縫前后帶鋼高度差等進(jìn)行評(píng)估判定。例如:藍(lán)線與綠線偏差過大,往往說明焊機(jī)聚焦點(diǎn)的位置偏離了對(duì)接縫中心,如圖16,易發(fā)生未完全熔合虛焊現(xiàn)象;前后帶鋼高度錯(cuò)位(圖17)過大和焊縫的咬邊(圖18),導(dǎo)致應(yīng)力集中點(diǎn)明顯,通板過程中或軋制咬入時(shí),焊縫薄弱,是發(fā)生斷帶的主要因素。

圖16 焊縫位置偏差

圖17 高度錯(cuò)位

圖18 咬邊

2.2.3 焊接參數(shù)

激光焊接主要是通過聚焦后高能激光,利用激光小孔效應(yīng)進(jìn)行深熔焊的焊接工藝。工藝取決于焊接工件的材料性能、厚度等因素,參數(shù)包括焊接速度、激光功率、喂絲速度、預(yù)熱和退火加熱功率等。焊縫質(zhì)量系統(tǒng)的判定在采集焊縫特征參數(shù)基礎(chǔ)上,系統(tǒng)同步實(shí)時(shí)采集焊機(jī)主PLC側(cè)上述焊接工藝的實(shí)際值(分別采集自焊接小車速度編碼器、激光功率計(jì)、喂絲伺服電機(jī)編碼器、預(yù)熱和退火裝置內(nèi)部功率反饋值),綜合焊縫特征參數(shù)與上述工藝實(shí)際參數(shù),判定焊縫質(zhì)量。

3 焊縫缺陷分析實(shí)例

(1)正常焊縫。

質(zhì)量系統(tǒng)采集、分析結(jié)果以圖形化形式輸出至HMI,如圖19,系統(tǒng)HMI界面顯示焊縫厚度、熔深及中心位置等特征均在閾值范圍內(nèi),判定焊縫正常。

圖19 焊縫良好

(2)咬邊嚴(yán)重。

如圖20,DS側(cè)咬邊特征曲線變化明顯,實(shí)際由于帶鋼頭尾被異常張力波動(dòng)拉拽,焊縫間隙失控,超出了焊接工藝允許范圍。由于焊縫間隙過大,激光焦點(diǎn)大部分直接透過間隙,帶鋼拼縫處幾乎無熔化,明顯凹陷,系統(tǒng)判定咬邊嚴(yán)重。

圖20 咬邊嚴(yán)重

(3)高度錯(cuò)位。

如圖21,系統(tǒng)顯示DS側(cè)的焊縫單側(cè)過低,拼縫高度明顯存在高度差,實(shí)際由于帶鋼頭彎折,高度錯(cuò)位嚴(yán)重,系統(tǒng)判定焊縫不佳。

圖21 高度錯(cuò)位過大

(4)激光功率異常。

如圖22,由于焊接激光功率不足,焊縫中部熔深不足,熔透、咬邊、功率特征曲線波動(dòng)較大,系統(tǒng)判定不能放行(NOK)。

圖22 激光功率低

4 結(jié)論

(1)冷軋激光焊機(jī)焊縫質(zhì)量判定系統(tǒng)通過視覺技術(shù)進(jìn)行焊縫特征數(shù)據(jù)采集、軟件分析,實(shí)現(xiàn)了在線焊縫質(zhì)量的判定。該技術(shù)降低了焊縫質(zhì)量誤判風(fēng)險(xiǎn),有效提高了焊機(jī)生產(chǎn)效率。

(2)焊縫相關(guān)質(zhì)量特征經(jīng)數(shù)字化提取處理,可大量同步存儲(chǔ),焊縫數(shù)據(jù)分析可溯源,同時(shí)可為焊接工藝改進(jìn)及設(shè)備調(diào)整提供充分的參考。

(3)質(zhì)量判定系統(tǒng)顯著減少了焊機(jī)操作人員的負(fù)荷,為未來焊機(jī)無人值守、設(shè)備智能改進(jìn)提供了可能。