武少杰，李宏利

基于結(jié)構(gòu)光視覺的GTAW送絲位置實(shí)時(shí)傳感技術(shù)研究

武少杰1, 2, 3，李宏利1

(1. 天津大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，天津 300350；2. 哈爾濱工業(yè)大學(xué)先進(jìn)焊接與連接國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，哈爾濱 150001；3. 天津市現(xiàn)代連接技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300350)

核電反應(yīng)堆冷卻劑管道(主管道)是連接反應(yīng)堆壓力殼與蒸汽發(fā)生器之間的主要承壓設(shè)備，被稱為核電的“主動脈”．主管道焊接通常采用鎢極氬弧焊(gas tungsten arc welding，GTAW)工藝，通過軌道小車進(jìn)行全位置焊接．然而，受限于坡口的一致性以及設(shè)備的穩(wěn)定性，焊絲與熔池之間的相對位置(簡稱為送絲位置)在焊接過程中不可避免地出現(xiàn)偏移，破壞了熔池穩(wěn)定，進(jìn)而對焊接質(zhì)量造成嚴(yán)重影響．此外，焊接過程中的高亮弧光以及高溫也進(jìn)一步加大了送絲位置傳感的難度．針對以上問題，本文基于結(jié)構(gòu)光視覺傳感法，通過分析送絲位置對熔池形貌的影響機(jī)制，研究熔池形貌與結(jié)構(gòu)光反射圖樣之間的對應(yīng)關(guān)系，獲得一種能夠有效判斷主管道GTAW焊接過程中送絲位置的傳感方法．試驗(yàn)結(jié)果表明，結(jié)構(gòu)光視覺傳感技術(shù)能夠利用熔池表面的鏡面特性，將熔池表面的振動狀態(tài)放大. 當(dāng)送絲位置位于熔池前端時(shí)，在熔池前端出現(xiàn)凹陷，并且反映為反射圖樣右端位置的點(diǎn)陣集中．當(dāng)送絲位置位于熔池內(nèi)部時(shí)，根據(jù)焊絲熔化狀態(tài)又分為大電流和小電流兩種情況：當(dāng)電流較小時(shí)，焊絲在熔池與電弧熱量的共同作用下熔化，使得熔池內(nèi)部出現(xiàn)凹陷，并反映為反射圖樣中部的點(diǎn)陣集中；當(dāng)電流較大時(shí)，焊絲在電弧熱量的作用下熔化，滴入熔池并引起熔池振蕩．因此，基于結(jié)構(gòu)光視覺技術(shù)能夠有效地獲取焊絲與熔池的相對位置關(guān)系.

結(jié)構(gòu)光視覺傳感；鎢極氬弧焊；送絲位置；反射圖樣

目前絕大多數(shù)熔池傳感方法主要用于測量熔池的表面輪廓[3-4]，然而熔池表面凹陷以及熔滴過渡導(dǎo)致的熔池振蕩則很難被觀測．Kovacevic等[5-6]發(fā)現(xiàn)了液態(tài)熔池表面具有鏡面特性，當(dāng)把一定波長的結(jié)構(gòu)光點(diǎn)陣圖案投射到熔池表面時(shí)，能夠通過經(jīng)熔池表面反射后的圖樣反映實(shí)時(shí)的熔池三維表面狀態(tài)．利用這一方法就能夠?qū)崟r(shí)獲得熔池表面幾何形貌[7-9]．由于結(jié)構(gòu)光視覺傳感方法具有結(jié)構(gòu)簡單、實(shí)時(shí)性好等優(yōu)??點(diǎn)[10]，本文采用結(jié)構(gòu)光視覺傳感的方式，獲取經(jīng)熔池表面反射后的點(diǎn)陣圖樣，探究點(diǎn)陣圖樣、熔池形貌以及送絲位置之間的對應(yīng)關(guān)系，并結(jié)合實(shí)際GTAW管道焊接試驗(yàn)，分析送絲位置與熔池形貌之間的對應(yīng)機(jī)制，闡明通過反射圖樣特征確定送絲位置的方法．

1?結(jié)構(gòu)光視覺傳感系統(tǒng)

1.1?結(jié)構(gòu)光視覺傳感試驗(yàn)系統(tǒng)

結(jié)構(gòu)光視覺傳感試驗(yàn)系統(tǒng)主要由激光發(fā)射器、成像屏以及相機(jī)等組成，如圖1所示．激光發(fā)射器采用眾來科技MTX650型激光發(fā)射器，成像屏為帶有網(wǎng)格的半透明亞格力板，尺寸為300mm×300mm，且每兩條網(wǎng)格線之間距離為10mm，相機(jī)為Flir出品的BFS-U3-13Y3M-C型黑白相機(jī)．其中，激光發(fā)射器與鎢極共面斜向下放置，與焊接方向相垂直，并與管道表面的豎直距離為35mm，水平距離為25mm．成像屏平行焊接方向放置，與鎢極的水平距離為150mm.配有窄帶濾光片的相機(jī)在成像屏后方記錄反射圖樣的變化狀態(tài)．焊絲在焊接方向前端送出，焊縫在圖中用深藍(lán)色表示．

圖1?結(jié)構(gòu)光視覺傳感試驗(yàn)系統(tǒng)

1.2?結(jié)構(gòu)光視覺傳感分析方法

1.2.1?不同反射面的反射圖樣特點(diǎn)

當(dāng)激光點(diǎn)陣投射到熔池表面并反射到成像屏上時(shí)，反射圖樣的不同特征相應(yīng)地對應(yīng)著三維熔池表面的不同狀態(tài)[10]．如圖2所示，假如入射的結(jié)構(gòu)光用紅、黑、藍(lán)3條激光束表示，當(dāng)激光束經(jīng)過熔池反射到成像屏上時(shí)，入射光線中靠上的紅色光線經(jīng)反射顯示在成像屏的下方，靠下的藍(lán)色光線經(jīng)反射顯示在成像屏的上方，使得最終成像屏上的點(diǎn)與入射光線的上下順序相反．將熔池表面分為凸熔池表面和凹熔池表面分別進(jìn)行分析：凸熔池表面使反射到成像屏上的激光點(diǎn)陣發(fā)散，并且由于最下方激光束入射角較小且光程較長，使得反射圖樣中上方行距大于下方行距，如圖2(a)所示．凹熔池表面會使反射到成像屏上的激光點(diǎn)陣相對更加集中，如圖2(b)所示，如果凹陷程度過大，甚至?xí)霈F(xiàn)激光的重疊或上下交叉．所以通過反射圖樣中點(diǎn)陣的密集程度以及各個(gè)點(diǎn)之間的距離變化可以得知熔池表面的凹凸情況．

圖2?不同熔池表面狀態(tài)下的結(jié)構(gòu)光反射情況

1.2.2?不同送絲位置下的熔池形貌以及點(diǎn)陣特征

在GTAW管道自動焊焊接過程中，一般需要將焊絲送到熔池前端以獲得穩(wěn)定熔池以及滿意的焊縫．但受限于核電管道自動焊焊接過程中坡口的一致性以及設(shè)備的穩(wěn)定性，可能出現(xiàn)送絲位置的偏移，因此按照送絲位置不同分為理想條件下的前端送絲與出現(xiàn)偏差后的內(nèi)部送絲兩種情況，并分別針對這兩種情況下反射得到的點(diǎn)陣特征進(jìn)行討論．其中，當(dāng)焊絲送到熔池前端時(shí)，如圖3(a)所示．在此位置電弧熱量較小，焊絲在外側(cè)電弧以及液態(tài)熔池?zé)崃康墓餐饔孟氯刍?，焊絲末端熔滴與熔池接觸后進(jìn)入熔池，熔池受焊絲的作用在前端出現(xiàn)局部凹陷．相應(yīng)的反射圖樣示意如圖3(b)所示，右側(cè)點(diǎn)陣較為集中且相對于其他區(qū)域出現(xiàn)明顯變化，對比圖2中凹面與凸面熔池的點(diǎn)陣特點(diǎn)，可知該“集中區(qū)”對應(yīng)實(shí)際熔池的邊緣凹陷區(qū)域．

圖3?前端送絲時(shí)的熔池與反射圖樣

當(dāng)焊接過程中送絲位置出現(xiàn)偏移，即焊絲送到熔池內(nèi)部時(shí)，根據(jù)電弧熱量的不同，可能存在兩種不同的熔池狀態(tài)．當(dāng)電流較小時(shí)，如圖4所示，電弧的熱量較低，主要依靠熔池?zé)崃咳刍附z，對應(yīng)于圖4(a)中情況，此時(shí)焊絲與熔池直接接觸，導(dǎo)致熔池中間部分產(chǎn)生凹陷，使得反射圖樣的對應(yīng)區(qū)域出現(xiàn)點(diǎn)陣“集中區(qū)”，如圖4(b)所示，并且由于熔池表面是一個(gè)自由表面，具有連續(xù)性，所以其他點(diǎn)也不同程度地向中心偏移．

圖4?小電流情況下內(nèi)部送絲的熔池與反射圖樣

當(dāng)電流增加到足夠大時(shí)，電弧具有足夠的熱量使焊絲熔化形成液態(tài)金屬，對應(yīng)于圖5(a)中狀態(tài)．并且隨著焊絲送出，焊絲頭部熔化形成的液態(tài)金屬不斷增加，當(dāng)液態(tài)金屬的重力大于表面張力時(shí)，以近似“水滴狀”落進(jìn)熔池，落入熔池瞬間會引起熔池的部分凹陷，對應(yīng)于圖5(b)所示的反射圖樣的右側(cè)大面積“集中區(qū)”，然后引起熔池振蕩，破壞熔池的穩(wěn)定性，對應(yīng)于反射圖樣中的點(diǎn)陣混亂．

新生兒尤其是早產(chǎn)兒離開母體，對外界的環(huán)境難以適應(yīng)，這時(shí)嬰兒培養(yǎng)箱模擬母體子宮內(nèi)環(huán)境，為寶寶提供了溫度適宜、空氣凈化的優(yōu)良環(huán)境，除了起到保溫和避免感染的作用，還可以避免各種光污染、噪音污染，有利用于寶寶的健康成長。

圖5?大電流情況下內(nèi)部送絲的熔池與反射圖樣

1.3?反射圖樣與熔池形貌之間的關(guān)系

重構(gòu)熔池作為直觀反映送絲位置的重要手段，可以印證分析集中區(qū)得到的送絲位置結(jié)果，通過建立熔池重構(gòu)算法能夠基于反射圖樣快速重構(gòu)熔池三維表面形貌．天津大學(xué)的李立東等[11-12]針對GTAW自動焊接，結(jié)合LSTM(long short term memory)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)了二維反射圖樣到三維熔池表面的快速映射，顯著提高了獲取熔池形貌的計(jì)算速度，重構(gòu)流程如圖6所示．

圖6?熔池形貌獲取流程

針對不同送絲位置可能導(dǎo)致的熔池形貌狀態(tài)，首先建立相應(yīng)的熔池表面形貌模型，然后通過MATLAB仿真軟件建立與試驗(yàn)系統(tǒng)相對應(yīng)的孿生結(jié)構(gòu)光視覺傳感仿真模型．利用該仿真模型可以獲得大量的熔池三維表面和與之相對應(yīng)的成像屏上的二維反射圖樣數(shù)據(jù)．然后使用LSTM神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建立二維點(diǎn)到三維點(diǎn)的映射關(guān)系模型，就可以在實(shí)際焊接過程中實(shí)時(shí)獲取到熔池的三維表面形貌．在實(shí)際焊接過程中，通過文獻(xiàn)[12]中的遞歸選區(qū)圖像處理方法獲取二維點(diǎn)數(shù)據(jù)，并使用訓(xùn)練完成的LSTM神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)得到三維點(diǎn)信息之后，通過插值計(jì)算與邊界擬合等手段，最終重構(gòu)出三維熔池形貌．

2?焊接試驗(yàn)及相應(yīng)反射圖樣分析

2.1?GTAW管道自動焊接試驗(yàn)

為進(jìn)一步探索焊接過程中反射圖樣與送絲位置的關(guān)系，進(jìn)而驗(yàn)證結(jié)構(gòu)光視覺傳感法在確定送絲位置方面的有效性，本文采用不銹鋼管道開展GTAW焊接試驗(yàn)．試驗(yàn)材料為304不銹鋼管道，管道長度500mm，外徑152mm，厚度5mm．焊絲為直徑1.0mm的304不銹鋼焊絲．焊接采用直徑3.2mm的釷鎢極，尖端角約為60°，鎢極尖端與試樣表面距離約4mm．采用GTAW焊接方法在管道表面進(jìn)行單層單道堆焊試驗(yàn)，選擇米勒Dynasty700型焊機(jī)，并通過HDNC-300型多功能焊接變位機(jī)實(shí)現(xiàn)焊槍與工件的相對運(yùn)動．在自動送絲管道焊接試驗(yàn)過程中，使用130A以下的電流焊接時(shí)，由于焊接電流過小，導(dǎo)致焊接熱輸入與送絲速度不匹配，電弧熱量不足，使得焊縫的熔寬較小且余高過大，無法獲得成形良好的焊縫．因此采用130～160A范圍內(nèi)的焊接電流進(jìn)行試驗(yàn)．分別在130A、140A、150A和160A等4種電流下進(jìn)行前端送絲與內(nèi)部送絲兩種情況的焊接，在焊接過程中以20張/s的速度獲取反射圖樣，具體焊接參數(shù)見表1．

表1?焊接參數(shù)

Tab.1?Welding parameters

2.2?前端送絲時(shí)的反射圖樣與分析

當(dāng)焊接電流為130A時(shí)，焊接過程中不同時(shí)刻的反射圖樣如圖7所示．可以看出不同時(shí)刻時(shí)前端送絲的反射圖樣基本一致，隨時(shí)間變化較小，反映了在此狀態(tài)下熔池穩(wěn)定．右側(cè)區(qū)域有小面積的點(diǎn)陣“集中區(qū)”，且“集中區(qū)”位置基本不隨時(shí)間而變化．對比圖3中熔池狀態(tài)及點(diǎn)陣特征分析可知，這是熔池在焊絲的作用下在前端處產(chǎn)生凹陷導(dǎo)致的．若將每行之間的點(diǎn)連接成線，則右側(cè)曲率大于左側(cè)曲率，這是因?yàn)槿鄢厍岸说耐苟却笥诤蠖送苟?，滿足于以雙橢球形狀作為反射面的反射特征．

將圖7(a)中反射圖樣進(jìn)行計(jì)算，重構(gòu)出前端送絲130A狀態(tài)下的三維熔池形貌如圖8所示．重構(gòu)出的熔池整體平滑，但在熔池前端即的正方向處出現(xiàn)不規(guī)則的熔池表面不連續(xù)，這與熔池前端出現(xiàn)的較小凹陷相對應(yīng)．

圖7?熔池前端送絲130A時(shí)不同時(shí)刻的反射圖樣

圖8?130A時(shí)熔池前端送絲的熔池三維形貌

前端送絲且電流為130A時(shí)的管道自動焊接的實(shí)際焊縫表面如圖9所示．可以看出，在熔池前端送絲時(shí)，熔池穩(wěn)定并且焊縫成形良好，基本符合實(shí)際焊接要求．

圖9?130A時(shí)熔池前端送絲的焊縫

前端送絲的GTAW管道自動焊接試驗(yàn)中，在140A、150A以及160A電流條件下反射圖樣分別如圖10(a)、(b)、(c)所示．從圖中可以看出，隨著焊接電流的增加，點(diǎn)陣之間的行距增大，反映了隨著焊接電流增加，熔池凸度增加．與130A時(shí)的圖像相比，點(diǎn)陣更為發(fā)散，右側(cè)點(diǎn)陣集中程度減小，反映了電流增大，電弧熱量增加，焊絲更易熔化，熔池前端的凹陷程度逐漸減小，點(diǎn)陣“集中區(qū)”消失．

圖10?140～160A電流下熔池前端送絲的反射圖樣

2.3?內(nèi)部送絲的管道自動焊接反射圖樣與分析

2.3.1?電流較小時(shí)的焊接試驗(yàn)

將送絲位置調(diào)整到熔池內(nèi)部進(jìn)行管道自動焊接試驗(yàn)．首先采用130A、140A兩種較小電流進(jìn)行焊接，采集到的反射圖樣分別如圖11(a)和(b)所示．在反射圖樣中間位置出現(xiàn)了較為明顯的點(diǎn)陣“集中區(qū)”．由第1.2.1節(jié)分析可知，凹面反射是造成點(diǎn)陣集中的主要原因，所以“集中區(qū)”反映了電弧壓力以及焊絲的共同作用下的熔池中心區(qū)域凹陷．此時(shí)焊絲靠近熔池時(shí)，在電弧中心區(qū)域以及熔池?zé)崃康墓餐饔孟氯刍⒊蔀槿鄢氐囊徊糠?，熔池狀態(tài)對應(yīng)于圖4(a)且反射圖樣的特點(diǎn)與圖4(b)一致．

圖11?電流較小時(shí)熔池內(nèi)部送絲的反射圖樣

對熔池內(nèi)部送絲130A條件下獲得的反射圖樣進(jìn)行計(jì)算，重構(gòu)出熔池形貌如圖12所示．在熔池中心位置出現(xiàn)凹陷，這與上述對圖11的分析一致，熔池內(nèi)部在電弧力與焊絲的共同作用下出現(xiàn)凹陷．

圖12?130A時(shí)熔池內(nèi)部送絲的熔池三維形貌

2.3.2?電流較大時(shí)的焊接試驗(yàn)

當(dāng)電流增加到150A時(shí)，反射圖樣隨時(shí)間變化較為明顯．從引弧后第2s開始，每隔1s取一張反射圖樣列在圖13中，左上角標(biāo)注反射圖樣采集時(shí)間.與采用130A和140A電流焊接時(shí)相比，反射圖樣較為模糊且隨時(shí)間不斷變化，能分辨出“集中區(qū)”時(shí)，“集中區(qū)”位于反射圖樣右側(cè)，其他時(shí)間反射圖樣出現(xiàn)大面積混亂導(dǎo)致無法分辨“集中區(qū)”．這與圖5中所描述的焊絲熔化情況一致，當(dāng)焊絲在電弧直接熔化以熔滴的形式進(jìn)入到熔池的瞬間，使得電弧下方的熔池表面凸度減小甚至出現(xiàn)凹陷，隨后引起熔池振蕩，熔池穩(wěn)定性較差．

圖13?150A時(shí)熔池內(nèi)部送絲的反射圖樣

當(dāng)電流繼續(xù)增加到160A時(shí)，與150A電流時(shí)情況類似，同樣對應(yīng)圖5的焊絲熔化狀態(tài)．圖14為電流160A條件下，能清晰分辨出“集中區(qū)”的反射圖樣與振蕩情況下的反射圖樣．

圖14?160A時(shí)內(nèi)部送絲的反射圖樣

在內(nèi)部送絲的焊接情況下，電流為160A時(shí)管道自動焊接的實(shí)際焊縫表面展示如圖15所示．從圖15中可以看出，向熔池內(nèi)部送絲時(shí)，熔池穩(wěn)定性較差，焊縫寬度波動明顯，成形質(zhì)量較差，難以實(shí)現(xiàn)優(yōu)質(zhì)焊接.

圖15?160A時(shí)熔池內(nèi)部送絲的焊縫

3?結(jié)?論

本文針對GTAW管道自動焊接過程中送絲位置難以確定的問題，提出了使用結(jié)構(gòu)光視覺傳感法進(jìn)行送絲位置的實(shí)時(shí)傳感，并對其基本原理加以闡述．在下一步工作中，將進(jìn)一步開發(fā)圖像處理等手段實(shí)時(shí)處理反射圖樣，自動識別集中區(qū)以及點(diǎn)陣形貌變化規(guī)律，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)送絲位置傳感過程自動化．本文主要結(jié)論如下.

(1) 基于結(jié)構(gòu)光視覺傳感法，可以在GTAW管道自動焊接過程中實(shí)現(xiàn)送絲位置的實(shí)時(shí)傳感，便于實(shí)現(xiàn)GTAW焊接過程中對送絲位置的調(diào)整．

(2) 結(jié)構(gòu)光視覺傳感法獲取的不同反射圖樣特征對應(yīng)于不同的送絲位置：在圖像穩(wěn)定時(shí)，若點(diǎn)陣“集中區(qū)”出現(xiàn)在中間，則為電流較小時(shí)的內(nèi)部送絲；否則為前端送絲．若圖像頻繁變化、點(diǎn)陣模糊，則對應(yīng)較大電流的內(nèi)部送絲．

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Research on Real-Time Sensing Technology of Wire Feeding Position Based on Structured-Light Vision in GTAW

Wu Shaojie1,2,3，Li Hongli1

(1. School of Materials Science and Engineering，Tianjin University，Tianjin 300350，China；2. State Key Laboratory of Advanced Welding and Joining，Harbin Institute of Technology，Harbin 150001，China；3. Tianjin Key Laboratory of Advanced Joining Technology，Tianjin 300350，China)

A nuclear power reactor coolant pipeline(main pipeline)is the main pressure equipment that connects the reactor pressure shell and steam generator，known as the“aorta”of nuclear power. Gas tungsten arc welding(GTAW)is usually used for the all-position welding of the main pipe，which is conducted by a welding tractor. However，because of the consistency of the groove and the stability of the equipment，the relative position between the welding wire and the weld pool(referred to as the wire feeding position)is inevitably offset during the welding process. The stability of the weld pool is damaged，and the welding quality is seriously affected. In addition，the strong arc light and the high temperature in the welding process further increase the difficulty of wire feeding position sensing. To solve this problem，based on the structured-light visual sensing method，this study analyzes the influence mechanism of the wire feeding position on the weld pool morphology，studies the corresponding relationship between the weld pool morphology and the reflection pattern，and obtains a sensing method that can effectively judge the wire feeding position in the GTAW welding process of the main pipeline. The experimental results show that the structured-light visual sensing technology can amplify the oscillation of the weld pool surface using the mirror characteristics of the weld pool surface. When the welding wire was fed to the front edge of the weld pool，a sunken area appeared，and the dot matrix was dense on the right side of the reflection pattern. When the welding wire was fed into the weld pool，the wire feeding position could be divided into the following two situations according to the melting pattern of the welding wire：low-current welding and high-current welding. As for low-current welding，the welding wire was melted by the heat of the pool and the arc，which resulted in an internal sunken area in the weld pool，and the dot matrix was dense in the middle of the reflection pattern. As for high-current welding，the welding wire was melted by the heat of the arc，and then the molten wire dropped into the weld pool and caused weld pool oscillation. Therefore，the relative position relationship between the welding wire and the weld pool can be obtained effectively based on the structured-light vision technology.

structured-light visual sensing；gas tungsten arc welding(GTAW)；wire feeding position；reflection pattern

10.11784/tdxbz202201012

TG444

A

0493-2137(2023)03-0260-07

2022-01-13；

2022-03-01.

武少杰（1989—??），男，博士，講師．

武少杰，shaojie@tju.edu.cn.

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(52005366)；哈爾濱工業(yè)大學(xué)先進(jìn)焊接與連接國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室資助項(xiàng)目(AWJ-21M12)．

Supported by the National Natural Science Foundation of China(No.52005366)，the State Key Laboratory of Advanced Welding and Joining，Harbin Institute of Technology(No. AWJ-21M12).

(責(zé)任編輯：田?軍)