基于小孔特征图像处理的变极性等离子弧焊接工艺研究

(上海市特种设备监督检验技术研究院，上海 200062)

基于小孔特征图像处理的变极性等离子弧焊接工艺研究

俞逸希王继锋

(上海市特种设备监督检验技术研究院，上海200062)

铝合金变极性等离子弧焊是一种新型高效的焊接方法。针对等离子弧对焊接工艺参数的变化比较敏感的问题，建立了视觉传感系统用于实时采集和处理小孔图像，通过大量的焊接工艺试验探讨了等离子弧焊工艺参数对小孔特征及焊缝成型的影响。结果表明，采用合理的焊接参数并结合背面小孔视觉特征，可以实现铝合金的穿孔型变极性等离子焊接，并能够稳定地控制焊接过程。

变极性等离子弧焊小孔特征焊接工艺参数

0 序 言

随着焊接技术的高速发展，“高能束焊接”技术研究目前已引起越来越多机械科学领域学者的关注。变极性等离子弧焊(Variable Polarity Plasma Arc Welding, 简称VPPAW)具有能量密度高、自适应性强、对接头装配精度要求低、成本较低等优点，同时也是航空航天领域普遍采用适合铝合金的焊接技术[1-2]。但由于等离子弧随着焊接工艺和规范参数的改变而变化较大，获得良好焊接接头的合理焊接参数范围较窄、焊缝成型以及稳定性较差[3]。为此，要实现对穿孔等离子弧焊焊接动态过程有效控制，最为重要的是提取能够反映穿孔熔池状态的视觉特征信号[4-6]。因此，文中决定从工件背面实时获取小孔图像，研究不同焊接参数下背面小孔特征与实际焊缝成型的关系，总结出VPPAW应用在铝合金焊接的高效高质量新工艺。

1 焊接试验系统

变极性等离子弧穿孔立焊系统主要由XM焊接控制器、VP-450焊接电源、行走机构以及送丝机构组成。其中，XM焊接控制器主要负责调控焊接电流、焊接速度以及离子气流量等工艺参数。对原有焊接平台进行改装，在焊枪行走机构上加装了视觉传感器，该视觉传感器由CCD高速摄像机、减光片以及滤光片构成，添加了视觉传感系统的试验平台如图1所示。该试验系统为工艺试验、焊接参数选取、穿孔熔池等信息提取提供了条件和基础。

图1 VPPAW焊接试验平台

2 小孔图像采集及处理

该视觉传感器选用了工业GigE系列相机(焦距50 mm)，同时考虑到弧光对图像采集的影响，增添了减光以及滤光系统，根据弧光的光谱特点，选用了中心波长660 nm，带宽35 nm，透过率90%的滤光片，透射率为2%的减光片。VPPAW背面小孔图像可以通过该视觉传感系统清晰地获得。

观察图2a的背面小孔，在小孔附近定义五个间隔相等的Y坐标，在每个Y坐标上沿着X坐标从上到下扫描小孔图像，获得的小孔灰度变化曲线如图2b所示。从图中可知，随着Y轴距小孔中间区域的靠近，灰度曲线中灰度突变点更加显著。考虑到灰度曲线中小孔中间部分区域均呈现灰度下降的趋势，进行边缘提取时为了避免过滤掉最外层边缘，文中选用了传统的canny算法而非均匀二值化算法进行提取边缘。

首先需要均值滤波处理背面小孔，才能采用canny算法进行边缘提取操作，初次边缘提取的结果如图3b所示。然后再将小孔内部伪边缘通过区域面积滤波去除，最终获得的小孔边缘图像如图3c所示。观察发现，小孔上下边缘近似为两个不同曲率半径的椭圆，无法通过传统的椭圆拟合法获得背面小孔的特征信息。因此通过使用Matlab平台封装的find函数，找到了小孔边缘间距最大的两个点，测其距离L定义为小孔宽度L，由小孔边缘内区域像素点统计值定义为小孔面积A，通过自定义定量化的小孔特征参数来描述焊接的熔透状态。

图2 背面小孔沿焊接方向灰度分布

图3 小孔有效参数提取

3 焊接工艺参数与小孔特征的关系

VPPAW中焊接参数间相互的匹配对小孔熔池稳定成型至关重要。因此文中开展一系列焊接工艺试验，通过不断改变焊接电流、焊接速度以及离子气流量的大小，观察分析影响小孔熔池稳定性的重要影响因素，最终寻找出焊缝成型质量最佳的焊接工艺参数。

3.1 工艺试验参数

文中试验全部在2219系列铝合金工件上开展，以平板堆焊为主，一共进行了二十组焊接试验，所使用的主要工艺参数见表1。所用工件尺寸为400 mm × 120 mm × 6 mm，部分焊接试验的焊接电流、焊接速度和离子气流量见表2。

表1 焊接过程工艺条件

表2 焊接电流、焊接速度和离子气流量

3.2 不同工艺参数焊接的穿孔过程

3.2.1 不同焊接电流的影响

随着焊接电流的增加，电弧熔透能力也随之增加，文中用VPPAW背面小孔特征参数的变化来衡量电弧熔透程度，如图4a所示。并结合图4b的正反面焊缝成型图，进一步发现当焊接电流较低时，背面小孔十分不稳定且小孔区域亮度十分微弱；随着焊接电流的增加，电弧热-力作用能够使小孔熔池稳定成型，且小孔特征参数以及亮度均明显增加；当电流继续增加时，过大的电流导致了熔池塌陷，焊缝成型十分不好。

3.2.2 不同等离子气流量的影响

从图5可知，当离子气流量较低为0.8 L/min时，电弧熔透力以及离子气吹力较小，导致焊接过程中背面没有完全穿透，仅使母材融化产生凸起，并无小孔出现；随着离子气流量增加到1 L/min，工件得以穿透，背面形成了稳定的小孔；当离子气流量过大达到1.6 L/min时，焊接成型无法保证，熔池因过大的离子气吹力十分不稳定。

3.2.3 不同焊接速度的影响

从图6可知，当焊接速度较低为18 cm/min时，由于单位长度内金属熔敷量过多以及热输入过大，会出现正面熔池过宽从而有金属瘤滴落以及反面突出太多的现象；随着焊接速度增加到20 cm/min时，焊缝热输入量随之减小，小孔成型趋于稳定；当焊接速度过快达到24 cm/min时，会导致成型金属构件表面宽窄不均匀甚至出现断断续续的现象，焊缝过低的单位热输入无法穿透工件，仅能够使母材熔化背面产生凸起，但无法形成小孔。

图4 焊接电流对接头成型的影响

图5 焊接气流量对接头成型的影响

图6 焊接速度对接头成型的影响

4 结 语

文中研究了焊接电流、焊接速度、离子气流量对焊接成型以及稳定性的影响，通过设计的视觉传感系统以及Matlab软件获得了能够衡量电弧穿透能力的小孔特征参数，进行大量工艺试验研究小孔特征变化与焊接质量的对应关系。结果表明：焊接电流及离子气流量对成型及稳定性影响的敏感性要高于焊接速度，所以要保证焊接成型及稳定性，就要在焊接速度不变时小范围调节焊接电流以及离子气流量。最终通过优化试验，最佳焊接工艺参数确定为：焊接电流正极性180 A，反极性210 A，焊接速度为20～22 cm/min，等离子气流量控制在1.0～1.2 L/min内，可以实现良好的焊缝成型和稳定的焊接过程。

[1] 李小宇，杜 兵，徐 良. 2219-T87铝合金变极性等离子弧焊工艺工程适应性研究[J]. 焊接，2013(10): 34-36.

[2] 田志杰，白景彬. 杜岩峰. 5A06铝合金薄板VPPA焊接工艺研究[J]. 焊接，2012(1): 44-47.

[3] 秦建肖，昌 辉，黑鹏辉，等. S30408等离子焊接接头组织与性能分析[J]. 焊接，2016(11): 52-55.

[4] 胡明华，杨学勤，吴 頔，等. 基于小孔特征的变极性等离子弧焊熔透预测方法[J]. 上海交通大学学报，2016，50: 79-83.

[5] Wu D，Chen H，Huang Y，et al. Monitoring of weld joint penetration during variable polarity plasma arc welding based on the keyhole characteristics and PSO-ANFIS[J]. Journal of Materials Processing Technology，2017，239: 113-124.

[6] 韩永全，杜茂华，陈树君，等. 铝合金变极性等离子弧穿孔焊过程控制[J]. 焊接学报，2010，31(11): 93-96.

TG456.2

2017-06-21

上海市浦江人才计划(15PJD035);上海市质量技术监督局(2016-11)。

俞逸希，1991年出生，大学本科，助理工程师。主要从事特种设备检验检测及加工工艺技术研究，已发表论文1篇。