鄒怡蓉，曾錦樂，都 東

（清華大學(xué)機(jī)械工程系，先進(jìn)成形制造教育部重點(diǎn)實(shí)驗室，北京 100084）

1 可視化焊接的涵義

焊接（尤其是熔化焊接）是一個復(fù)雜瞬變的物理化學(xué)過程。例如在弧焊過程中，焊接電弧既是一個集中的熱源和力源，又有強(qiáng)烈發(fā)光，電弧空間及周邊存在快速變化的電磁場；電弧-熔池-工件三者之間有復(fù)雜的熱、力相互作用；工件焊接區(qū)有局部熔化和凝固，熔池內(nèi)部流動和冶金反應(yīng)，焊接接頭的成分遷移和組織及性能演變；還會生成焊接殘余應(yīng)力和結(jié)構(gòu)變形……

可視化是指通過技術(shù)手段形象直觀地表達(dá)焊接過程，有助于全面深入認(rèn)識焊接內(nèi)在機(jī)制，旨在為優(yōu)化設(shè)計、過程控制和質(zhì)量評價提供依據(jù)。

可視化焊接涵蓋的第一層面是焊接過程建模仿真與虛擬現(xiàn)實(shí)表達(dá)，即基于材料物性參數(shù)、實(shí)驗數(shù)據(jù)和物理化學(xué)等基礎(chǔ)理論建立描述焊接過程的數(shù)學(xué)模型，并利用現(xiàn)代計算技術(shù)和圖形圖像技術(shù)進(jìn)行仿真和動態(tài)表達(dá)，為焊接材料、工藝參數(shù)和焊接結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計提供基礎(chǔ)。這涉及了多物理場和跨尺度的耦合分析、微觀組織演變模擬、強(qiáng)外場條件下的材料行為、高度非線性和大梯度的處理、局部精細(xì)分析和大規(guī)?？茖W(xué)計算、時間和構(gòu)形動態(tài)過程表述等共性基礎(chǔ)問題，在此不詳述。

可視化焊接還有兩個層面的涵義：焊接過程視覺傳感與智能控制，焊縫缺陷成像與無損檢測。

2 焊接過程視覺檢測與智能控制

焊接過程視覺檢測涉及采用特殊傳感方法減小或消除弧光、金屬蒸汽、熔池發(fā)光、飛濺等不利因素的影響，進(jìn)行實(shí)時視覺傳感。為將關(guān)注對象可視地表達(dá)為適宜于人眼觀察、或適宜于計算機(jī)視覺進(jìn)行量化計算的形式，研究者針對熔池、熔滴過渡、電弧、保護(hù)氣體、焊縫等不同對象提出了多種可視化方法并搭建了相應(yīng)的視覺傳感裝置。

A.Scotti，et al.[1]為計算MIG/MAG焊熔滴過渡動量以預(yù)測熔深，對熔滴過渡的投影進(jìn)行高速攝像并將圖像采集與電信號同步，得到一系列反映熔滴過渡形式的圖像。M.Schnick，et al.[2]以描述和分析焊接過程中的氣體流場并研究其對焊接質(zhì)量的影響為目標(biāo)，采用粒子圖像測速技術(shù)與紋影攝像技術(shù)對保護(hù)氣體流量與流場特性進(jìn)行可視化和測量。Y.Tsujimura and M.Tanaka M.[3]研究等離子體溫度分布與金屬蒸汽濃度，采用三臺高速攝像機(jī)同時拍攝焊接過程中不同波長下的等離子體形態(tài)。C.S.Wu et al.[4]為研究高速GMAW焊縫駝峰的形成機(jī)理，采用透過窄帶通濾光片與中性濾光片從側(cè)面對熔池部分進(jìn)行拍攝的方式，獲得駝峰形狀和演變情況。E.Siewert and J.Schein.[5]研究焊接材料、保護(hù)氣體、脈沖波形對熔滴過渡形式的影響，采用兩臺高速攝像機(jī)從不同角度拍攝熔滴過渡圖像，并對熔滴形狀進(jìn)行三維重構(gòu)。Y.Kawahito，et al.[6]以入射激光束與匙孔形成的關(guān)系為研究對象，采用X射線成像裝置從側(cè)面實(shí)時拍攝匙孔深度與形狀，并用高速相機(jī)從正上方拍攝獲得匙孔表面圖像。Y.Morisada，et al.[7]為研究攪拌摩擦焊缺陷形成機(jī)理，采用鎢作為示蹤劑，使用兩組X射線成像裝置從不同角度對攪拌摩擦焊過程進(jìn)行透射和實(shí)時成像。S.Yamashita，et al.[8]為研究熔池溫度場對焊接冶金過程與焊接區(qū)特性的影響，采用兩臺高速攝像機(jī)通過不同波長的濾光片對熔池進(jìn)行拍攝，并利用比色測溫法計算熔池溫度場。Cheol-Hee Kim，et al.[9]以監(jiān)測與控制焊接質(zhì)量為目的，采用同軸照明及圖像采集，并通過圖像處理得到匙孔邊緣。M.Schnick，et al.[10]研究反相T-GMAW的雙弧相互作用及保護(hù)氣體影響，采用高速攝像機(jī)透過濾光片對電弧空間進(jìn)行拍攝，并與數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行比較。上述可視化焊接的相關(guān)研究均涉及焊接過程的視覺傳感，為實(shí)時記錄快速變化的可視化對象，多采用高速拍攝，并根據(jù)對象選擇視覺傳感方法，提取焊接過程的相關(guān)視覺信息，甚至將保護(hù)氣體流場或焊縫內(nèi)部金屬材料流場等非視覺信息也進(jìn)行可視化，使得研究者能夠通過圖像分析的手段對其特征進(jìn)行提取，同時也使得相關(guān)信息均得到直觀表達(dá)，為深入理解焊接過程的機(jī)理提供了有效的輔助手段。

對焊接過程進(jìn)行可視化對于焊接智能控制的實(shí)現(xiàn)同樣具有重要意義，視覺傳感因其無接觸、抗電磁干擾、包含信息豐富等相較于其他傳感方式的優(yōu)勢，一直是解決焊道識別及自動跟蹤問題的關(guān)鍵技術(shù)。在復(fù)雜施焊環(huán)境、非理想工件狀況、尤其是對象結(jié)構(gòu)特征不明顯的條件下，傳統(tǒng)的利用單一特征的線結(jié)構(gòu)光視覺方法存在明顯局限性。借鑒和模仿人類視覺模式中的特點(diǎn)：（1）綜合獲取顏色、光影、紋理等多種視覺特征；（2）融合多種信息進(jìn)行時空域動態(tài)分析，是復(fù)雜工況環(huán)境下焊道識別及跟蹤的有效方法，也是智能化焊接視覺檢測技術(shù)值得重視的發(fā)展方向。

多種視覺特征的獲取除利用結(jié)構(gòu)光法獲取焊道或坡口的形狀特征之外，還包括對焊道表面可能存在的紋理與顏色特征的描述與提?。杭y理可被認(rèn)為是一種反映區(qū)域中像素灰度級空間分布規(guī)律的屬性，基于灰度共生矩陣方法能夠建立對焊縫圖像紋理特征的描述，將焊縫與母材進(jìn)行區(qū)分[11]；焊縫與熱影響區(qū)表面因材料特點(diǎn)、熱加工過程、氧化反應(yīng)等原因可能具有特定的顏色特征，可利用其進(jìn)行焊縫識別以及焊縫質(zhì)量的判斷，如在鋼管縱焊縫水耦合自動超聲波無損檢測的視覺跟蹤中，通過新彩色空間的構(gòu)造，能夠?qū)崿F(xiàn)了圖像分割和焊縫識別。焊接過程的復(fù)雜與對象的多樣性決定了依靠單一特征難以保證識別算法穩(wěn)定性與可靠性，可采用多傳感的方式將多種特征進(jìn)行可視化，并在融合規(guī)則上采用由置信度控制融合權(quán)重的方式，以獲得可靠性高的識別結(jié)果。

3 焊縫缺陷成像與無損檢測

采用X射線、超聲波對焊接結(jié)構(gòu)進(jìn)行焊后無損檢測，也是可視化焊接的一項重要組成部分，是指通過分析焊縫內(nèi)部缺陷引起的射線圖像與超聲信號的變化，對焊縫缺陷進(jìn)行直觀表達(dá)與定量描述，以評價其特征及危害程度。

以X射線檢測為例，目前實(shí)際生產(chǎn)中尚主要采用人工目視檢測的方式，人為因素對檢測結(jié)果的影響難以規(guī)避，焊縫X射線動態(tài)檢測的自動化水平亟待提高。Shao Jiaxin，et al.[12-14]采用實(shí)時成像在線連續(xù)檢測的方法，針對圖像噪聲大、實(shí)時性要求高、適應(yīng)性要求高等難點(diǎn)，提出了基于多幀X射線實(shí)時圖像焊縫缺陷跟蹤進(jìn)行缺陷自動檢測的思路，在逐幀分割提取潛在目標(biāo)的基礎(chǔ)上，利用多幀圖像間焊縫缺陷相對重心坐標(biāo)的運(yùn)動軌跡特征，完成對真實(shí)缺陷的跟蹤，以減少誤檢率；提出了基于焊縫連續(xù)性的焊縫邊緣檢測算法以適應(yīng)不同噪聲水平及灰度范圍的變化；提出了基于自適應(yīng)雙閾值大模版中值濾波背景消除的焊縫缺陷預(yù)分割方法，以低閾值保證缺陷檢出，以高閾值剔除誤檢，有效適應(yīng)了不同灰度范圍及不同噪聲水平的焊縫X射線實(shí)時圖像；提出了基于“潛在缺陷對”速度直方圖分析的焊縫缺陷跟蹤方法，該方法能夠有效地利用同一焊縫中不同缺陷運(yùn)動速度相同的特點(diǎn)，通過搜索“潛在缺陷對”速度直方圖峰值所對應(yīng)的速度位置實(shí)現(xiàn)焊縫運(yùn)動速度估計與焊縫缺陷跟蹤；同時運(yùn)用分類算法（支持向量機(jī)）實(shí)現(xiàn)潛在缺陷目標(biāo)真?zhèn)巫R別以優(yōu)化檢測結(jié)果。上述一系列方法的提出為焊縫缺陷的實(shí)時可視化與在線檢測提供了重要的研究基礎(chǔ)。

4 展望

隨著傳感器技術(shù)、圖像處理技術(shù)、現(xiàn)代計算技術(shù)等的不斷進(jìn)步和應(yīng)用，可視化焊接將在焊接機(jī)理研究、焊接優(yōu)化設(shè)計和智能化焊接及檢測方法的中發(fā)揮越來越重要的作用。對以往難以準(zhǔn)確全面觀測的焊接過程進(jìn)行可視化直觀表達(dá)，甚至將本身不具備視覺特征的電磁場、溫度場、力場、流場等轉(zhuǎn)化為視覺表征，將會為深入理解和綜合分析焊接的復(fù)雜多物理場耦合及相互作用關(guān)系提供更為全面豐富的信息。同時，智能化焊接的發(fā)展也將借助可視化焊接技術(shù)獲得更充分的信息，為焊接環(huán)境自適應(yīng)、路徑軌跡自生成、焊道自動跟蹤、焊接質(zhì)量在線控制等提供更為可靠的依據(jù)。

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