[发明专利]基于红外视觉传感的窄间隙焊接监控及焊缝偏差检测方法

说明书

技术领域

本发明涉及焊接技术领域，特指一种基于红外视觉传感的窄间隙焊接监控及焊缝偏差检测方法。

背景技术

窄间隙电弧焊可分为窄间隙熔化极气体保护电弧焊、窄间隙埋弧焊、窄间隙非熔化极气体保护电弧焊等多种工艺，其中以窄间隙熔化极气体保护电弧焊（简称窄间隙MIG/MAG焊）的利用率为最高。窄间隙MIG/MAG焊是一种在窄坡口条件下进行的多层焊接方法，一般以每层单道或每层双道的自动方式施焊，具有坡口形状简单、焊缝截面积小、焊接效率高、能耗少、焊接热输入低、焊接热影响区小、接头韧性好等优点，在大厚度钢板焊接中优势明显，但也存在着坡口侧壁熔合和焊缝跟踪两大技术难题。另外，窄间隙焊接坡口窄、电弧弧光强、烟尘集中，难以人工方式监控焊接过程。

为了解决窄间隙坡口侧壁熔合问题，国内外先后开发出多种工艺技术，典型的有：摇动电弧窄间隙焊（专利号为ZL 200810236274.5、名称为“摇动电弧窄间隙熔化极气体保护焊接方法及焊炬”）、旋转电弧窄间隙焊（专利号为ZL 200510038527.4、名称为“空心轴电机驱动的旋转电弧窄间隙焊接方法及装置”）、超窄间隙焊、双丝窄间隙焊等。但是在焊接过程中，往往受到坡口加工误差、工件装配误差、接缝固定曲率、焊接热变形等因素的影响，导致焊炬中心偏离接缝中心（即出现所谓的焊缝偏差），如果对焊缝偏差不及时地进行调整，将会影响焊接质量。也就是说，即使采用了合适的熔透控制技术，如果不能保证焊炬中心线与工件坡口中心的严格对中，坡口两侧壁的均匀熔透实际上也无法保证。因此，开发适用于窄间隙焊接应用的过程监控和焊缝跟踪技术，已成为能否保证其焊接质量的关键。 

传感技术又是实现焊缝跟踪的关键。焊缝跟踪传感方法一般有接触式、电弧式、电磁式、光电式、视觉式等多种。其中，视觉传感器因其具有与工件不接触、信息量大（可兼作监控）、抗电磁干扰能力强、灵敏度高、适用坡口形式多等优点，被认为是一种最有发展前景的传感方法。目前，常用的视觉传感器分为电荷耦合器件（CCD）式和互补金属氧化物半导体（CMOS）式两种，可将不同强度的光线信号转换为不同幅度的图像信息。与CCD式相比，CMOS传感器具有芯片集成度高、功耗低、响应速度快、动态范围广（可达120dB）等优点，可采用“线性+对数”的图像信号放大模式，能对低亮度信号线性放大而对高亮度信号则进行对数放大，在保证低亮度区域图像对比度的同时尽可能地扩展动态范围，因此特别适合在像焊接这种明暗对比程度高的环境中工作。 

关于窄间隙焊接的视觉传感技术研究不多。经文献检索，在名为“基于面阵CCD图像处理的窄间隙焊自动跟踪系统”（张富巨等，焊接技术，2000年，第29卷，第6期，36~37页）一文中，提出了一种基于面阵CCD图像处理的窄间隙焊自动跟踪系统，其构成包括工业控制计算机、CCD摄像机、图像采集卡、镜头、减光和滤光系统等。该系统利用弧光的作用，使坡口内部近坡口棱边处（无焊枪遮挡部分）呈现出几乎一致的白色，而坡口外的工件表面和棱边处呈现出一致的黑色，通过计算白色条纹到窗口边缘的距离与标定的距离差，实现窄间隙焊缝跟踪。该方法存在的缺点是：（1）CCD摄像机动态范围小，图像质量欠佳；（2）采集的图像不是直接的电弧区域图像，即传感检测位置与电弧实际位置不同步，降低了传感检测精度；（3）功能单一，不能同时监测熔池和电弧信息。 

在名为“一种窄间隙焊接被动光视觉传感器的研究”（许平非等，电焊机，2010年，第40卷，第3期，37~39页）一文中，提出了一种窄间隙红外CCD视觉传感系统，其构成包括计算机、CCD摄像机、图像采集卡和滤光系统等。该系统利用红外CCD摄像机，配用中心波长为920nm的窄带滤光片，采集焊接区域图像，来观测窄间隙焊接过程。该方法存在的缺点是：（1）采用的CCD摄像机，动态范围小、响应速度较慢，影响焊接实时监控和动态分析效果；（2）仅进行窄间隙焊接过程的实时监测，未见实现焊缝的同步跟踪控制。

在专利申请号为200910076527.1、名称为“基于视觉检测的窄间隙电弧焊接在线决策方法”中，公开了一种焊枪偏移调整（即为焊缝跟踪控制）方法，通过CCD视觉传感器检测电弧摆动幅度中心（即电弧摆动中心）和焊缝宽度中心（即焊缝中心），当检测到电弧摆动中心与焊缝中心不重合时，即对焊枪位置进行调整。该方法存在的缺点是：（1）只针对摆动电弧应用场合，工艺适用范围窄；（2）需要通过多次边缘和位置检测才能获取焊缝偏差信息，图像处理工作量大，决策繁琐费时，影响焊缝跟踪控制的实时性；（3）采用CCD视觉传感方式，图像质量欠佳，影响检测精度。

发明内容