隨著科技的不斷發(fā)展和對節(jié)能減排的整體要求，連續(xù)化生產(chǎn)已經(jīng)成為板帶生產(chǎn)的主流。帶鋼的連續(xù)生產(chǎn)線上，激光焊機(jī)以焊縫強(qiáng)度高且平整、帶鋼成材率高和斷帶率低等獨(dú)特的優(yōu)勢，已成為首選焊接設(shè)備[1]。

激光焊機(jī)廣泛應(yīng)用于板帶連續(xù)生產(chǎn)線上，焊縫質(zhì)量是影響板帶連續(xù)生產(chǎn)線穩(wěn)定運(yùn)行的最主要因素。在激光焊接過程中，激光和被焊接材料相互作用后會產(chǎn)生劇烈的物理化學(xué)變化，從而產(chǎn)生電、磁、光、熱等信號，如等離子體、超聲波、紫外輻射等，這些信號在不同程度上反應(yīng)了焊接過程是否穩(wěn)定，所以，通過監(jiān)控這些信號對焊接過程進(jìn)行穩(wěn)定性分析，可以判斷焊縫焊接質(zhì)量的好壞。但由于這些過程檢測信號和焊接質(zhì)量之間是非線性關(guān)系，二者之間極難建立準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型，因而只能用來輔助分析焊接質(zhì)量的優(yōu)劣，不能作為判定焊縫質(zhì)量是否合格的最終判據(jù)。以前，激光焊機(jī)焊縫質(zhì)量普遍采用人工檢查，而為減少操作人員的作業(yè)強(qiáng)度及生產(chǎn)線的作業(yè)時(shí)間，越來越多激光焊機(jī)配置了焊縫質(zhì)量在線檢測系統(tǒng)。目前國內(nèi)大部分板帶激光焊機(jī)焊縫質(zhì)量在線檢測采用視覺檢測技術(shù)，如德國Miebach公司推出的QCDS系統(tǒng)[2]，其原理是利用類似人類視覺感官的傳感器來獲取檢測對象的圖像信息，然后由計(jì)算機(jī)按照設(shè)計(jì)的圖像處理算法對其進(jìn)行實(shí)時(shí)處理和判斷。

1.   常見焊縫缺陷

板帶激光焊機(jī)焊接質(zhì)量取決于來料帶鋼的板型、設(shè)備精度和焊接參數(shù)。常見的焊縫缺陷[3−4]見圖1。

1.1   焊縫凹陷

指焊縫“下凹”，焊接時(shí)激光功率太大、鋼板間拼縫間隙太大或焊接速度過慢都會導(dǎo)致焊縫下凹，如果焊縫下凹陷嚴(yán)重，焊縫會承受不住生產(chǎn)線張力而發(fā)生撕裂導(dǎo)致斷帶。

1.2   焊縫余高過高

指焊縫“上凸”，激光焊接時(shí)激光功率太小、拼縫間隙太小或者焊接速度過快都會導(dǎo)致焊縫余高過高。激光焊接時(shí)焊縫過高因鋼水未完全穩(wěn)定分布在拼縫間隙中，流到焊縫表面上，使焊縫內(nèi)部連接差、強(qiáng)度不夠，易發(fā)生撕裂甚至斷帶。

激光填絲焊接時(shí)送絲速度過快或焊接速度過慢、拼縫間隙內(nèi)填充量過大也會導(dǎo)致焊縫過高，如果余高超過10%焊縫高度，焊縫過軋機(jī)時(shí)會導(dǎo)致軋制力波動，損傷軋輥。

1.3   未焊透

未焊透是指激光沒有將帶鋼下表面完全熔化。焊接時(shí)激光焦距較小、激光功率較小或者焊接速度較快都會導(dǎo)致未焊透。

1.4   焊穿

焊穿是焊縫出現(xiàn)間歇性不平整，并出現(xiàn)燒孔，焊縫背面出現(xiàn)黑色突起。焊接時(shí)激光焦距較大、焊接功率較大或者焊接速度較慢都會導(dǎo)致焊穿。

1.5   錯邊

焊接后帶鋼不在同一水平面上，存在著厚度方向的偏移。產(chǎn)生錯邊的原因有很多，最常見的有來料板形差、支承輪表面質(zhì)量不佳或者雙切剪剪切質(zhì)量不良。

1.6   氣孔及裂紋

焊接時(shí)熔化的焊縫金屬中所吸收的氣體在冷卻前來不及從熔池中排出，殘留在焊縫中形成孔穴。氣孔的存在會減低焊縫強(qiáng)度，也產(chǎn)生應(yīng)力集中，增加了低溫脆性，熱裂傾向等。

焊縫金屬氣孔內(nèi)的氣體可能來自母材、焊絲、焊劑、焊條藥皮、保護(hù)氣體、焊縫表面銹污及大氣等，因此形成氣孔的因素有以下幾種：母材成分及其脫氧條件、焊接方法、氣體保護(hù)方式、焊接規(guī)范、焊絲焊條類型、焊接環(huán)境與位置。

焊接裂紋是焊接件中最常見的一種嚴(yán)重缺陷。在焊接應(yīng)力及其他致脆因素共同作用下，焊接接頭中局部地區(qū)的金屬原子結(jié)合力遭到破壞而形成的新界面所產(chǎn)生的縫隙。它具有尖銳的缺口和大的長寬比的特征。

2.   焊縫表面質(zhì)量檢測技術(shù)

焊縫表面質(zhì)量檢測是指在焊接完成后，對焊縫的外形尺寸如錯邊，對焊縫的宏觀尺寸如焊縫凹陷、焊縫余高以及對焊縫的表面缺陷如氣孔、末熔透等進(jìn)行外觀檢測。

2.1   結(jié)構(gòu)光視覺檢測技術(shù)

圖2為結(jié)構(gòu)光視覺檢測示意圖。線激光器發(fā)出條形結(jié)構(gòu)光投射到焊縫上，條形結(jié)構(gòu)光因焊縫具有不同的接頭或形變而產(chǎn)生變形，并被攝像機(jī)攝取漫反射回來變形后的條形結(jié)構(gòu)光信號，最后將采集到的信號通過三角形測量原理、圖像處理技術(shù)以及模式識別技術(shù)完成焊縫表面特征的提取[5−6]。

基于條紋圖像的結(jié)構(gòu)光視覺檢測方法圖像處理簡單、速度快、精度適中，適合三維輪廓的在線檢測。如焊縫凹陷、余高過高、焊穿和錯邊。然而該方法是通過對變形的激光條紋進(jìn)行圖像處理來獲取待檢焊縫的特征，而激光條紋又是具有一定寬度的亮線，因此在檢測小的微觀缺陷時(shí)無法獲得滿意的效果。

2.2   基于灰度圖像的視覺檢測技術(shù)

如圖3所示，灰度圖像視覺檢測是利用LED等照明光源對焊縫表面進(jìn)行照明，由攝像機(jī)采集焊縫的灰度圖像，利用灰度差異和灰度突變所反映的信息來獲取焊縫的表面缺陷特征。但是由于待檢焊縫圖像的不確定性及焊接環(huán)境的復(fù)雜性，基于灰度圖像的視覺檢測無法做到焊縫缺陷自動識別，但是灰度圖像的機(jī)器視覺檢測方法更適合對小的氣孔、裂紋等微觀缺陷的直觀檢查[7]。

2.3   焊縫熔透檢測

焊縫熔透程度是通過帶鋼下面的攝像機(jī)檢測激光焊接時(shí)的熔池狀態(tài)，通過檢測信號強(qiáng)度來判斷焊縫是否焊透。圖4為傳感器獲得的圖像信號，對圖像信號進(jìn)行灰階分析，得到直方圖，并對其進(jìn)行均衡化，可以獲得較精確的灰度統(tǒng)計(jì)信息。將計(jì)算結(jié)果與所設(shè)置的閾值作對比，可判斷焊縫熔透程度，檢測未熔透及焊穿等焊縫缺陷[8]。

3.   激光焊機(jī)焊縫質(zhì)量在線檢測系統(tǒng)

激光焊機(jī)焊接材料不同，焊縫缺陷各不相同。對于焊接性能好的材料，如低碳鋼、奧氏體不銹鋼等，常見的焊縫缺陷類型是焊縫凹陷、余高過高、錯邊、焊穿及未焊透。對于高碳鋼和高強(qiáng)鋼，碳含量增加加劇了焊縫內(nèi)CO2增多，CO2氣體從焊縫內(nèi)逸出導(dǎo)致氣孔缺陷的產(chǎn)生。對于硅鋼，特別是含硅質(zhì)量分?jǐn)?shù)在2%~5%的中高牌號硅鋼，其中的Si元素對α-Fe具有強(qiáng)烈的固溶強(qiáng)化作用，使硅鋼焊縫硬度、強(qiáng)度增加，塑性、韌性下降，容易產(chǎn)生裂紋[9−10]。表1列舉了不同焊接材料焊縫缺陷類型及焊縫質(zhì)量檢測方法。

綜上，為適應(yīng)所有焊接材料焊縫質(zhì)量檢測，本文開發(fā)了基于焊縫缺陷的激光焊機(jī)焊縫質(zhì)量在線檢測系統(tǒng)，圖5為該系統(tǒng)傳感器配置示意圖。該系統(tǒng)由焊縫傳感器、圖像傳感器和熔透傳感器組成。焊縫傳感器布置在焊接頭后、帶鋼上部，通過結(jié)構(gòu)光視覺檢測技術(shù)檢測帶鋼上表面焊縫凹陷、余高過高、錯邊、焊穿等焊縫表面缺陷；圖像傳感器布置在焊接頭后、帶鋼下部，主要采集帶鋼下表面焊縫灰度圖像，檢查焊縫氣孔等缺陷；熔透傳感器布置在焊接頭下方，在線檢測焊接過程中熔池狀態(tài)。該系統(tǒng)可在線檢測冷軋板帶激光焊機(jī)焊縫質(zhì)量是否合格。

基于焊縫缺陷的激光焊機(jī)焊縫質(zhì)量在線檢測系統(tǒng)，具有較高的精確性、可靠性和實(shí)時(shí)性。本系統(tǒng)采用較低的成本，可以判定幾乎所有板帶表面焊縫質(zhì)量缺陷，目前已應(yīng)用于中冶南方新型板帶激光焊機(jī)上，大大提高了激光焊機(jī)自動化裝備水平。該系統(tǒng)與激光焊機(jī)自動焊接無縫對接，實(shí)現(xiàn)了激光焊機(jī)的無人化及智能化。

圖6為某廠測試階段激光焊機(jī)焊縫質(zhì)量在線檢測系統(tǒng)檢測一條未合格焊縫畫面，從畫面上明顯看出焊縫中部出現(xiàn)嚴(yán)重錯邊缺陷，并且系統(tǒng)報(bào)告該焊縫不合格。操作工未對焊縫進(jìn)行重焊操作，導(dǎo)致焊縫在機(jī)組出口活套處開裂，且開裂部位與焊縫質(zhì)量在線檢測系統(tǒng)報(bào)告缺陷部位一致。

4.   結(jié)束語

本文分析了冷軋板帶激光焊機(jī)常見焊縫缺陷、成因及3種用于檢測常見焊縫缺陷的視覺檢測技術(shù)。通過歸類總結(jié)不同焊接材料焊縫缺陷類型及檢測方法，開發(fā)了一種可適用各種材料的冷軋板帶激光焊機(jī)在線質(zhì)量檢測系統(tǒng)，該系統(tǒng)目前已應(yīng)用于中冶南方激光焊機(jī)上，實(shí)用效果良好。

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文章來源——金屬世界