[發明專利]一種薄壁環縫端接質量在線監測與缺陷定位系統及方法

有效

• 申請號: 201711243863.1
• 申請日: 2017-11-30
• 公開（公告）號: CN108067714B
• 公開（公告）日: 2020-03-20
• 發明（設計）人: 都東;洪宇翔;彭國棟;常保華;原璋
• 申請（專利權）人: 清華大學
• 主分類號: G06T7/00
• 分類號: G06T7/00;G01N21/88;B23K9/32;B23K9/095
• 代理公司: 北京鴻元知識產權代理有限公司 11327
• 代理人: 邸更巖

一種薄壁環縫端接質量在線監測與缺陷定位系統及方法，屬于焊接質量控制技術領域。本發明采用熔池顯微視覺傳感系統和圖像采集設備獲取端接環縫焊接熔池圖像序列并采用旋轉編碼器同步獲取工件旋轉角位移信息，基于圖像處理技術提取熔池寬度與形心并對其動態變化進行在線監測。通過檢測熔池寬度與形心坐標時域信號特征點檢出未熔合缺陷，根據特征點所在時刻對應的工件旋轉角位移進行環縫端接缺陷的快速定位。本發明能夠為焊縫成形質量分析和焊接工藝優化提供可追溯依據，并為實現薄壁金屬結構端接環縫的高效無損檢測及修焊提供基礎，尤其適用于蓄壓器膜盒等航天構件的焊接制造。

技術領域

本發明屬于焊接質量控制技術領域。涉及一種薄壁環縫端接質量在線監測與缺陷定位系統及方法，可廣泛應用于航空航天制造等領域薄壁金屬結構的精密焊接制造。

背景技術

宇航工業中薄壁金屬精密構件，如航天蓄壓器膜盒、航空發動機波紋管等彈性敏感元件廣泛采用焊接制造技術，這些構件通常采用端接形式的焊接接頭。

在薄壁端接焊縫焊接過程中，由于工件壁薄、熔池微小、接頭散熱條件差等原因，熔池內的熱、力平衡極易因熱輸入和散熱條件、熔池表面張力的細微變化而被打破，從而導致氧化夾渣、焊瘤、未熔合和鋸齒狀焊縫等焊縫成形缺陷產生。這些缺陷嚴重影響接頭質量、降低焊縫強度、造成焊接不密封，通常是造成焊接結構在服役過程中因疲勞或泄露發生失效破壞從而導致重大事故的主要原因。因此，對焊縫缺陷進行有效的無損檢測對于保障焊縫質量和接頭性能至關重要，尤其是航天航天、核電、石油化工、軌道交通等領域的重要焊接結構，通常要求達到一級焊縫標準(全焊縫無損探傷)。然而，目前國內外對于薄壁、超薄壁端接焊縫微缺陷的檢測主要依賴于人工在焊后離線進行，難以避免人為因素對檢測過程的不利影響。以航天膜盒焊接為例，膜盒組件焊縫微細且數量眾多(最多時近一百條)，膜盒產品需通過焊縫外觀質量檢測和剛度測量、液壓、氦質譜檢漏等一系列長時間高成本的焊接質量及缺陷檢測。開發穩定有效的端接焊縫成形缺陷在線監測技術手段對于保障薄壁金屬精密構件產品焊接質量、提高焊接生產效率、縮減操作成本等均具有重要意義。

在焊接過程中，采用視覺方法實時觀測焊接熔池位置尺寸、表面形貌及動態行為能夠獲取豐富、直觀的焊接動態過程和焊縫質量特征信息。然而，由于端接接頭焊接熔池體積通常為介觀尺度，其熔池動態變化也極其微小，實現穩定的熔池形態傳感和精確的缺陷特征提取不僅要求在焊接過程中實時獲取高信噪比圖像，還必須同時保證熔池特征區域具有足夠高的分辨率、可穩定維持的成像質量和實時的圖像處理速度，這些給在焊接過程中實現可靠焊縫成形缺陷監測均帶來極大挑戰；另一方面，實際焊接生產中環境光照條件復雜時變(來自于弧光、工件表面反射光和焊接飛濺的干擾)，由視覺傳感系統所獲取的焊接熔池圖像信噪比易受影響，即使焊接條件的微小變化，也可能很大程度上改變焊接熔池圖像噪聲灰度水平分布，致使圖像分割困難或分割結果一致性差，從而導致缺陷自動檢出難以實現。

經對現有技術文獻和專利檢索發現，專利申請號為201410218887.1的中國發明專利《一種焊接缺陷提取方法及焊接缺陷檢測方法》公開了一種焊接缺陷提取方法及焊接缺陷檢測方法，采用非下采樣剪切波變換(Non-subsampled Shearlet Transform，NSST)方法對x射線焊接圖像或超聲波焊接圖像進行處理，實現夾鎢缺陷、燒穿缺陷、焊縫余溫過高缺陷的檢測；專利申請號為201610321860.4的中國發明專利《一種實時的焊接缺陷在線監測方法及裝置》公開了一種實時的焊接缺陷在線監測方法及裝置，采用傳感器實時地采集焊接過程中的電壓、電流和氣體量，在此基礎上對焊接參數進行在線監測和焊縫質量評判；專利申請號為201210124534.6的中國發明專利《基于特征光譜的鍍鋅鋼激光添粉焊接缺陷的在線診斷方法》公開了一種基于特征光譜的鍍鋅鋼激光添粉焊接缺陷的在線診斷方法，采用焊接過程中譜線CuI324.8nm的強度，實時檢測鋅鋼激光添粉焊接過程中氣孔和凹陷等缺陷。以上技術方案僅涉及針對對接、搭接、角接和T形接頭等宏觀尺度金屬結構件焊接制造中的夾鎢、焊塌和氣孔等焊縫缺陷的自動檢測，目前尚未見薄壁環縫端接質量在線監測與缺陷定位技術與系統公開報道。

發明內容