电子束深熔焊熔池视觉采集系统与视觉特征研究

摘要

真空电子束焊作为一种高能束流焊接方法已被广泛应用于航空航天制造中。焊接自动化一直是焊接工作者追求的目标，作为自动化焊接闭环系统重要内容的焊接质量实时检测更是焊接界的重要研究内容。真空电子束焊由于其熔池面积小、真空内焊接等特殊性致使焊接质量实时检测难度更大。
　　本文基于CMOS视觉传感技术，设计并搭建一套用于真空电子束焊接的熔池图像采集系统，进行了大量的真空电子束焊接熔池图像采集试验，材料包括高氮钢、装甲钢、Q235、304不锈钢等。提取焊接熔池图像轮廓和特征参数，结合熔池变化模型分析不同焊接特征下熔池特征参数的变化规律。
　　熔池图像传感采集系统包括CMOS摄像机和镜头、复合滤光系统、机械夹具、相机防护装置、数据传输线路。该系统设计的摄像机与镜头匹配参数缩小拍摄图像视野到64mm×48mm范围，足够识别出电子束熔池图像，所设计的复合滤光系统保证镜头与光片之间同轴度，数据传输线路采用航空接插头实现真空室内外电路连接，有效地保证了电子束焊接对真空度的要求。
　　在已有的熔池特征参数体系基础上，提取Ib=75mA V=4mm/s焊接条件下高氮钢、装甲钢对焊熔池匙孔轮廓并计算熔池及匙孔尺寸，还原得到的匙孔呈长轴沿着焊接方向的椭圆形，长轴×短轴=1.67mm×1.11mm。提取产生飞溅的熔池图像特征参数，产生飞溅瞬间熔池面积减小、形状复杂性增大，后拖角在延迟两帧（2/115秒）后减小，最大变化幅度△γ=6.02;研究未熔透状况下不同焊接参数下特征参数，随束流电流增大熔池面积、形状复杂性、对称度、后拖角增大，而这四项参数随束流电流降低变化更剧烈，变化率分别达到17.17％，32.88％，7.21％和7.44％，这是由于增大束流电流在电子束的扫描搅拌作用下降低了液态金属流动的不均匀性，特征参数变化规律更平滑;研究不同熔透状况下熔池特征参数变化规律，随熔透增加，熔池面积和对称度增大，形状复杂性和后拖角减小，熔池面积差值占两种熔透状况下面积平均值的20％以上，后拖角γ降到100甚至更低为完全焊透的熔池;研究束流衰减阶段熔池特征参数，熔池面积直线减小，形状复杂性、对称度、后拖角呈现一定范围内减小规律，这三个参数变化极其不稳定，其中对称度变化率高达21％，这种不稳定性是电子束流衰减阶段产生焊接缺陷的重要原因。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 选题意义

1．2 焊接熔池传感技术研究现状

1．3 高能束流传感技术

1．3．1 二维视觉传感技术

1．3．2 三维视觉传感技术

1．4 数字图像处理技术

1．4．1 图像处理技术研究现状

1．4．2 熔池缺陷提取

1．5 研究内容

2 视觉传感系统建立

2．1 视觉传感系统硬件设计

2．1．1 相机参数选择

2．1．2 镜头参数计算及选取

2．1．3 复合滤光系统

2．1．4 机械控制装置

2．2 系统搭建与调试

2．2．1 电子束焊接设备

2．2．2 硬件连接

2．2．3 硬件设备调试

2．3 本章小结

3 电子束深熔焊工艺试验与熔池图像采集

3．1 真空电子束深熔焊过程

3．2 电子束深熔焊工艺试验与熔池图像采集

3．2．1 高氨钢装甲钢对接深熔焊与熔池图像采集

3．2．2 Q235深熔焊与熔池图像采集

3．2．3 装甲钢深熔焊与熔池图像采集

3．2．4 高氮钢深熔焊与熔池图像采集

3．2．5 304不锈钢深熔焊与熔池图像采集

3．3 本章小结

4 电子束深熔焊熔池图像特征研究

4．1 图像处理流程及特征参数提取

4．2 匙孔轮廓提取及特征参数检测

4．2．1 熔池匙孔轮廓提取

4．2．2 熔池匙孔特征参数检测及形貌还原

4．3 电子束深熔焊飞溅过程视觉特征

4．3．1 飞溅过程模型建立与分析

4．3．2 飞溅过程熔池形态特征

4．3．3 飞溅过程特征参数

4．4 不同焊接热输入视觉特征

4．4．1 不同热输入下形态特征

4．4．2 不同热输入下特征参数

4．4．3 不同热输入下模型建立与分析

4．5 不同熔透下视觉特征

4．5．1 不同熔透下形态特征

4．5．2 不同熔透下参数特征

4．5．3 不同熔透状态下模型建立与分析

4．6 束流衰减阶段视觉特征

4．6．1 束流衰减阶段形态特征

4．6．2 束流衰减阶段参数特征

4．6．3 束流衰减阶段模型建立与分析

4．7 本章小结

5 结论

致谢

参考文献

附录