基于焊接过程视觉特征的三明治结构激光焊接焊缝跟踪

摘要

三明治板是一种新型夹层结构，由上下两块面板和中间夹芯层构成，具有质量轻、比强度高、便于加工、制造精度高、隔音减振性好以及结构灵活等一系列优点，在交通运输尤其是船舶制造等领域有着广泛的应用。激光深熔焊的熔透能力强，熔深大，熔宽浅，焊接速度快，是制造三明治板的理想方法。在三明治板的焊接制造中，采用T型结构搭接焊的方式可以有效提高加工效率，但也导致了一些新的问题，例如：由于装配错误等原因，入射激光可能偏离焊缝。因此，在焊接过程中进行焊偏状态实时检测十分必要。
　　为了研究基于焊接过程视觉特征的三明治结构激光焊接焊偏状态检测方法，本文搭建了高功率CO2激光焊接系统，并确定了相应的焊接试验工艺参数。此外，本文通过搭建CMOS高速摄影系统，完成了对熔池尾部图像和等离子体图像两方面视觉信号的采集。
　　采用激光三角测量法对焊缝表面轮廓进行测量，在提取焊缝特征参数后，结合焊缝横截面的宏观形貌，对焊偏量增大时熔池状态的变化规律进行分析。研究发现，当入射激光偏移量超出某一阈值后，熔池底部出现坍塌，导致熔池的整体尺寸及流动状态发生变化。通过对熔池图像的提取分析，可以对熔池坍塌现象进行检测，进而实现对焊偏状态的检测。
　　为了消除等离子体对图像的干扰，本文仅对熔池尾部图像进行拍摄，并通过改进的Snake算法，较好的实现了图像分割。在获取可靠的熔池边界后，通过设计熔池尾部长度、尾部宽度及两侧面积差三个特征参数，分析了熔池尾部图像特征随焊偏量的变化规律。最后，从熔池流动的角度分析了入射激光偏移量对特征参数的影响机制，并建立了基于熔池尾部图像特征的焊偏状态检测方法。
　　在等离子体图像特征方面，当焊偏量增大到一定程度后，匙孔底部的等离子体会冲破匙孔侧壁喷出，匙孔上方等离子体的状态也随之改变。本文从每幅等离子体图像中提取了高度、倾斜角、累计灰度及灰度熵四个特征参数，分别计算了四个特征参数在一个焊接采样周期内的均值、频率比及变异系数，最终得到12个焊接过程特征参数。为了简化分析，本文采用主成分法从12个过程特征参数中提取4个主成分，因子分析的结果表明，主成分可以反映原始变量的几乎全部信息。最后，再对4个主成分再进行线性组合得到一个综合参数z，以z值为指标，可以对焊接偏移量过大的焊缝进行有效区分，实现了三明治结构激光焊接的焊缝跟踪。

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第一章 绪论

1.1引言

1.2 船舶轻量化与激光焊接三明治板

1.3 基于熔池的焊接视觉检测

1.4 基于等离子体的焊接视觉检测

1.5 本文研究的主要内容

第二章 试验材料、设备及方法

2.1试验材料及工艺参数

2.2 试验系统搭建

2.3 焊缝截面宏观形貌特征

2.4 激光三角法与焊缝轮廓测量

2.5 本章小结

第三章 基于熔池图像特征的焊缝跟踪

3.1基于熔池图像特征的焊缝跟踪方法的可行性

3.2 熔池尾部边缘提取

3.3 基于熔池尾部图像的焊偏状态检测

3.4 本章小结

第四章 基于等离子体图像的焊缝跟踪

4.1 焊偏状态对等离子体形态的影响

4.2 等离子体图像特征提取

4.3 等离子体图像主成分分析

4.4 本章小结

第五章 结论

参考文献

致谢

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