TIG薄板焊接熔孔视觉检测与动态行为研究

摘要

熔孔是单面焊双面成形焊接过程中电弧将焊接坡口充分熔化，在熔池前部形成的一个略大于预留间隙的小孔。它的存在有利于液态金属充分地过渡到背面，从而形成美观、熔合良好的焊缝。有经验的焊工对熔孔非常重视，通过观察熔孔，实时调整焊接手法，控制熔孔形态，从而获得良好的焊缝成形。焊接工作者对穿孔等离子焊、激光焊的小孔研究较多，而对单面焊双面成形焊接过程中的熔孔认知，目前仅仅停留在经验层面，尚未有相关文献对其形成机理和行为等关键问题进行系统性的研究。
　　本文搭建了以焊接系统和视觉检测系统为核心的TIG焊接实验平台，从熔池正面拍摄Q235低碳钢板预留间隙的对接焊过程;通过对低碳钢TIG焊接时弧光光谱的分析，设计了由610nm窄带滤光片和中性减光镜组合的滤光系统，有效地降低了弧光对熔孔图像的干扰，拍摄到了清晰的熔孔-间隙图像。
　　针对拍摄到的熔孔，间隙图像，对其不同区域的灰度特征进行分析;基于熔孔和间隙边缘区域灰度特点，利用Matlab平台开发了一套图像处理算法，采用组合的边缘检测算子算法提取熔孔-间隙边缘，并利用灰度形态学对得到的边缘线进行优化，得到了连续、完整的熔孔-间隙边缘，并编写了熔孔和间隙宽度的提取算法。
　　在不同的焊接工艺参数下，开展了大量的TIG薄板预留间隙对接焊试验，研究了熔孔形成机理与特征，维持过程的行为和失稳类型，分析了不同的焊接工艺参数对熔孔的影响和不同熔孔形态与熔透状态的关系。
　　研究发现，起弧以后，在电弧热输入的作用下，对接试板金属熔化，熔化的液态金属倾斜向下流动形成熔池，熔池前部与间隙连接区域内凹，形成熔孔。熔孔在形成以后，在不同阶段呈现出不同的成长速度，并最终进入准稳态。
　　在本文设置的试验条件下，熔孔形成并稳定存在所对应的工艺参数裕度较小。熔孔在焊接过程中会发生不同形式失稳，可将其失稳过程分为纵向失稳、横向失稳以及渐缩失稳三类，并研究了他们的特征。
　　焊接电流和焊接速度是影响熔孔的主要工艺参数。焊接电流对熔孔宽度的影响呈现出分阶段的规律，而非简单的线性关系;在相对较高的焊接速度下，熔孔宽度容易在整个过程中保持稳定。
　　研究表明，不同熔透状态下，熔孔的宽度随时间变化呈现出不同的规律，熔孔和间隙的宽度差值更适合于表征熔透、未熔透和焊穿等熔透状态。对熔孔行为的研究，为实现基于单面焊双面成形的智能控制奠定了坚实的基础。

目录

声明

摘要

本文的创新点与主要贡献

1．1 选题意义

1．2 焊接过程熔池检测技术研究现状

1．2．1 熔池二维图像检测技术

1．2．2 熔池三维形貌重构技术

1．3 熔池图像处理技术研究现状

1．3．1 熔池图像预处理技术研究

1．3．2 熔池图像分割技术研究

1．3．3 熔池图像边缘检测算子技术研究

1．3．4 数学形态学及其它技术在熔池边缘提取上的应用

1．4 小孔型焊接过程研究现状

1．4．1 等离子弧焊小孔研究现状

1．4．2 激光深熔焊接小孔研究现状

1．4．3 K-TIG焊小孔研究现状

1．5 本文研究的主要内容

第二章 TIG薄板焊接熔孔视觉检测系统与工艺试验

2．1 TIG焊接实验平台

2．2 焊接系统

2．3 视觉检测系统

2．3．1 CMOS相机选型和镜头选择

2．3．2 滤光系统的设计

2．3．3 CMOS相机标定

2．4 TIG薄板焊接工艺试验研究

2．4．1 薄板焊接成形形态分类

2．4．2 焊前预处理

2．4．3 工艺参数

2．5 本章小结

第三章 图像处理算法及熔孑L特征参数提取

3．1 熔孔图像灰度特征分析

3．1．1 熔孔图像

3．1．2 熔孔灰度特征分析

3．2 熔孔图像处理流程

3．3 熔孔-间隙边缘提取

3．3．1 CLAHE变换与Canny算法检测

3．3．2 LoG算法检测

3．3．3 图像合并处理

3．4 形态学处理

3．4．1 熔孔边缘连续性优化算法

3．4．2 伪边缘的去除

3．5 熔孔-间隙特征参数提取

3．5．1 熔孔宽度提取算法

3．5．2 间隙宽度提取算法

3．6 本章小结

第四章 TIG焊接熔孔行为分析

4．1 熔孔形成机理与特征

4．1．1 典型熔孔形成过程

4．1．2 典型熔孔成长过程

4．2 熔孔失稳类型及其特征

4．2．1 纵向失稳及其特征

4．2．2 横向失稳及其特征

4．2．3 渐缩失稳及其特征

4．3 焊接工艺参数对熔孔的影响

4．3．1 焊接电流对熔孔的作用研究

4．3．2 焊接速度对熔孔的作用研究

4．4 不同熔透状态与熔孔形态关系的研究

4．5 本章小结

第五章 结论

致谢

参考文献

附录