焊接质量在线检测方法分析

焊接质量在线检测方法分析

刘瑞

中车青岛四方机车车辆股份有限公司 山东 青岛 266000

摘要：近年来，焊接技术应用越加广泛，尤其是基于现代科技的不断发展，焊接自动化、智能化程度越来越高，在焊接质量、效率方面的要求不断提升。基于此背景下，传统的由人工对焊缝进行检验的方法已经不再适用，借助于计算机技术开发出来的焊接在线检测系统，可对焊接工艺参数进行实时记录存储，实现对焊接质量的预测、判定，加强此方面的研究对我国现代焊接生产的发展具有重要意义，有利于保证焊缝质量，提高产品竞争力以及提高生产效率。

关键词：焊接质量在线检测；背景；原理

引言

焊接过程是一个典型的多变量复杂系统，它是非线性的时变过程，受诸多随机因素干扰。焊接过程中产生大量的烟尘、飞溅、光辐射等，这样给焊缝特征的提取带来了极大的困难。另外，由于焊接是一个动态的过程，焊接参数需要实时控制。目前常用的焊接质量检测方法主要有超声波焊缝质量检测、红外辐射焊缝质量检测、X射线焊缝质量检测、结构光焊缝质量检测。但是这些检测方法应用到焊接质量检测方面都有其一定的弊端。

1焊接质量在线检测方法的提出背景

焊接技术是一种基础加工工艺，涉及材料、结构、加工自动化与机械化、质量评估与控制等多方面内容，焊接效果在一定程度上直接影响到产品最终的质量。随着对焊接产品需求量的增加，相应的对生产效率、质量的要求也越来越高，传统焊接技术正逐渐被淘汰，各种自动化焊接技术应运而生，为满足现代制造加工技术发展要求，加强相关自动化技术与质量检测技术的研发具有重要意义。通过对传统焊接质量检测技术分析可知，其主要采取的焊后检验方式，如抽样目测、剖切检验等，由于整个焊接过程中存在大量的随机因素，仅仅依靠焊后检验缺乏实时性，无法及时给焊接过程提供有效的质量的反馈信息，以致于很多焊接缺陷未能够在第一时间被发现，最终导致焊接质量较差。根据理论与实践分析可知，焊接过程中会产生一系列的物理、化学变化，如电弧光谱、声谱以及焊接电流、电压的变化等均会影响到焊接质量，对此类信号进行实时监测，可为焊接质量预测、判断提供可靠依据，此种焊接质量在线检测方法研究也逐渐成为热点问题。

2红外成像下焊接质量检测技术设计

红外测温是近年来新兴的温度控制技术，属于典型的非接触式温度评测方法。具有测量速度快、测量范围宽、测量灵敏度高、对温度控制场没有干扰等各方面优势，是一种快速、有效、定性的检测结构状态工具。因为焊接最重要的就是焊缝跟踪和熔透控制，对其检测在一定程度上就是对熔池的检测，红外成像技术可以获取清晰的熔池图像，这也是实现快速、便捷、有效检测的前提。而红外实时检测焊接过程其根本就是利用红外扫描对焊接过程进行成像处理，通过外观信息和深入分析，进行在线检测。基于红外热成像技术的激光焊接质量在线检测主要可以划分为红外图像生成和图像分析两大核心部分。利用红外热像仪非接触测量熔池的实际温度分布，获取焊接熔池的红外热成像信息。根据焊接图像信息分析结果，进行整体焊接缺陷判断，判别不同的气孔、夹渣以及未熔合问题，完成在线质检。

3焊接质量在线检测方法

3.1基于X射线的焊缝质量检测

基于X射线的焊缝质量检测技术是一种非常重要的无损检测技术。利用卷积神经网络算法对焊缝进行检测。特别是针对小面积缺陷区域，并建立了缺陷图库。虽然基于X摄像进行焊缝质量检测的研究很多而且相对比较成熟，但是采用X射线数字成像缺陷检测系统只能对焊缝内部缺陷进行识别，而不能对焊缝的外观缺陷进行有效的检测，故此也存在一定的弊端。

3.2结构光视觉传感法

此检测方法，主要是在焊缝表面投射一束辅助激光，通过视觉传感器获取反射的焊缝轮廓光条纹信号，并借助图像处理技术提取结构光条纹中心线、模式识别技术识别目标焊缝轮廓，最终为焊缝质量判断提供可靠信息。此方法已经在实际焊接工业现场得到了应用，其可获取两种图像：一是焊缝结构光光纹图像，可用于检测焊缝表面是否存在几何形状缺陷；二是焊缝灰度图像，可用于检测焊缝表面是否存在小孔等表面缺陷。

3.3超声波焊缝质量检测方法

基于超声波的焊缝质量检测技术是焊接领域无损检测的重要组成。其优点是：超声波探测的距离大、体积小。超声波检测的原理是：向被测对象发射超声波，若待检测零件某处内部存在某种缺陷，声波反射回来的波形和反射时间都具有差异性，超声波检测缺陷就是利用这种差异来判断被测物体内部是否存在缺陷，以及评估是何种缺陷。国外，针对焊接质量检测问题，利用超声波进行检测，并采用相应算法对集中焊接缺陷分类，分析了焊接缺陷与超声波回波信号的耦合关系。对点焊中的焊接缺陷，利用超声波检测方法进行了检测，并通过数值仿真的方法进行了仿真分析，并揭示了对应关系。超声波检测焊缝质量的缺点是对缺陷的显示结果不直观，返回的只是一系列信号，还需要有经验的工人进行缺陷种类的识别，可见该方法容易受主观因素的影响。

3.4同轴视觉检测法

此方法主要用于激光焊接质量检测，利用激光发射器自身的结构特点，将监视器与激光发射器同轴安装，实现同轴视觉检测。在焊接过程中，通过此检测方法可直接拍摄激光束对准位置正下方的熔池、匙孔图像，并借助图像开展变化规律的分析，实现对焊接位置信息的识别、判断。

4超声波无损检测常用方法分析

目前，以超声波为原理研制的检测技术可分为四种。第一，穿透法。借助设备发出的脉冲波，形成持续的传播信号作用在附件上，附件将传播信号转换成能量，工作人员根据能量的变化确定附件内的缺陷位置和规格。使用穿透法对附件进行检测时，工作人员将两个探头放置在设备和附件上作为信号发射设备和信号接收设备。第二，脉冲反射法。工作人员通过产生的发射波检测附件存在的缺陷。检测过程以缺陷回波法为主，工作人员通过仪器即可获得相关信息。第三，共振法。通过共振法会在附件的内部形成声波，声波半波长为附件厚度整数倍时，仪器会显示信号产生的共振频率，以此确定附件内存在缺陷的位置和规格。第四，TOFD法。使用该方法，工作人员使用多个探头将产生的声波营造成一个检测环境，将附件放置在该环境内，若附件结构内存在缺陷，会产生反射声波和衍射波。工作人员计算反射时间，并按照三角方程原理确定附件内缺陷的位置和规格。现阶段，在飞机附件检测过程中，通常会使用脉冲发射法。

结束语

综上所述，随着焊接自动化、智能化的发展，利用焊接过程中的电弧光谱、电弧声谱以及焊接时焊接电流和电弧电压的变化等信号，对焊接质量进行评估已经成为一大研究热点，由此焊接质量在线检测方法得到快速发展。本文通过讨论分了焊接在线检测方法的应用效果，具有推广应用价值。

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