对接接头焊件缺陷空间定位及分布特征研究.pdf

收稿日期:2022-07-28基金项目:国家自然科学基金项目(51401177);江苏省自然科学基金项目(BK20141143);江苏省高校自然科学研究基金项目(16KJA430003);江苏高校“青蓝工程”优秀教学团队资助项目(2021)作者简介:石端虎(1973),男,教授,博士,硕士生导师,主要从事焊缝无损检测及射线图像智能化处理、焊接材料优化设计研究.第 38 卷第 2 期徐 州 工 程 学 院 学 报(自 然 科 学 版)2023 年6 月Vol.38 No.2Journal of Xuzhou Institute of Technology(Natural Sciences Edition)Jun.2023对接接头焊件缺陷空间定位及分布特征研究石端虎1,2,吴三孩1,2,历长云2,赵洪枫1,2,刚 铁3,何 敏1(1.徐州工程学院 机电工程学院,江苏 徐州 221018;2.河南理工大学 材料科学与工程学院,河南 焦作 454000;3.哈尔滨工业大学 先进焊接与连接国家重点实验室,黑龙江 哈尔滨 150001)摘要:为实现对接接头激光焊件缺陷的空间定位及可视化,添加辅助块将其转换为 T 形接头焊件.基于无标识旋转视差法获取了焊件 X 线检测图像,建立了缺陷空间定位的数学模型.实现了焊件缺陷的深度、偏移量、沿焊缝纵向分布、缺陷大小等空间位置数据的自动提取,并对缺陷空间定位模型进行了无损伤验证.试验结果表明:80 个预设空间位置气孔缺陷的深度平均相对误差为0.21%,偏移量平均相对误差为 0.71%,沿焊缝纵向分布无误差.创建的焊件三维模型实现了批量气孔缺陷的空间再现.通过统计分析获得了批量气孔缺陷的空间分布特征,可为该类焊件的焊接工艺修订、连接质量判定及结构完整性评价等奠定良好基础.关键词:旋转视差法;对接接头焊件;缺陷空间定位;无损伤验证;空间分布特征中图分类号:TG409 文献标志码:A 文章编号:1674-358X(2023)02-0055-08激光焊在铝合金连接方面具有焊接变形小、接头质量高等优点,在高铁、飞机、汽车、轮船等高精制造领域获得了广泛应用1-6.但焊件在焊接工艺波动和保护不良情况下易产生气孔缺陷7,为避免气孔缺陷影响重要焊接结构的使用安全,开展激光焊件的缺陷空间定位及分布特征方面的研究尤为重要,从而可为焊件的焊接工艺修订、连接质量判定及结构完整性评价奠定良好基础.利用 X 线成像技术对焊件内部缺陷进行定位时,普遍采用平移视差法和旋转视差法8-9,但其在缺陷深度定位中仍需借助铅标记点,且相关尺寸的测量采用手工方法,误差传递大,定位精度有待提高.石端虎等10-14已开展了双面 T 形焊件缺陷的空间定位及空间位置数据可视化研究,自动提取了焊件缺陷深度、偏移量、沿焊缝纵向分布等空间位置数据,并实现了焊件缺陷的空间位置可视化.该方法利用复杂焊件结构的几何特点建立缺陷深度和偏移量数学模型,不需铅标记点辅助定位,且实现了缺陷空间位置数据的自动提取,减少了人为因素干扰,提高了检测效率和定位精度,可为重要焊接结构的无标识缺陷空间定位及可视化提供有价值参考.但该方法采用破坏性试验方法验证缺陷空间定位模型,验证精度有待进一步提高.目前开展对接接头激光焊件缺陷空间定位及可视化方面的研究尚未见报道,而且对接接头在四种常用焊接接头(对接接头、角接接头、搭接接头、T 形或十字形接头)中应用最广泛.因此开展对接接头焊件批量缺陷的空间定位及空间分布特征研究具有极为重要的现实意义,且工程应用前景广阔.1 缺陷空间定位以厚度为 2 mm 的对接接头激光焊件为例进行缺陷空间定位及分布特征研究.图 1 为铝合金对接接头激光焊件,图中母材为6061 铝合金,板材尺寸为40 mm60 mm2 mm,采用激光焊连接,单面焊双面成形,焊缝背面平整.为了实现对接接头缺陷的空间定位,采用了为对接接头添加同材质辅助块的方法,辅助块添加在对接接头的背面,并采用两侧各 3 个点固焊点连接,转换后焊件见图 2.对转换后焊件进行射线检测,获取焊件左右旋转的射线检测图像后,采取磨削方式去除两侧的点固焊点,不影响被检焊件的正常使用或后续处理.55图 1 对接接头激光焊件图 2 转换后焊件为获得质量较好的检测图像,对焊件左右旋转 45,并采用 225 kV 微焦点 X 线实时成像系统进行了射线检测,检测图像见图 3.图 3 焊件检测图像选择射线穿透焊件最薄处为建立缺陷空间定位模型的定位特征点,对缺陷深度及偏移量数学模型进行了推导.缺陷深度数学模型为h=2dl-(W2+x)+,(1)缺陷偏移量数学模型为x=dl-dr2,(2)式中:h 为缺陷中心点到焊件下表面的距离,即缺陷深度(mm);dl为焊件右转时缺陷中心点到 X 线穿透焊件最薄处的投影距离(mm);dr为焊件左转时缺陷中心点到 X 线穿透焊件最薄处的投影距离(mm);W 为辅65徐州工程学院学报(自然科学版)2023 年第 2 期助块宽度(mm);为对接板厚度(mm);x 为缺陷偏离焊缝中心线的距离,即缺陷偏移量(mm).当 x0 时,缺陷位于焊缝中心线的右侧;当 x=0 时,缺陷位于焊缝中心线上;当 x0 时,缺陷位于焊缝中心线的左侧.缺陷深度和缺陷偏移量数学模型分别如图 4 和图 5 所示.图 4 缺陷深度推导示意图图 5 缺陷偏移量推导示意图图中辅助块宽度 W、对接板厚度 可提前测量出来并确定,dl和 dr两个投影距离可通过对焊件左右转的 X 线检测图像进行缺陷分割和缺陷细化获得,进而可得到缺陷偏移量 x 和缺陷深度 h.缺陷沿焊缝纵向的分布可由缺陷中心点的行坐标确定.2 缺陷空间位置数据自动提取2.1 缺陷分割及细化图像背景模拟采用形态学方法,结合局部动态阈值分割等实现了射线检测图像的缺陷分割,分割结果见图 6,其中图 6(a)为右转图像分割结果,图 6(b)为左转图像分割结果.图 6 中的白色影像为分割出的气孔缺陷,图中标出了缺陷中心点位置.该法通过搜寻波峰和波谷点来确定局部动态阈值,实现了射线检测图像中气孔缺陷的保真分割.缺陷细化是从上下左右 4 个方向不断向缺陷内部缩减,直至缩减至缺陷中心点.75石端虎,等:对接接头焊件缺陷空间定位及分布特征研究图 6 缺陷分割结果2.2 投影距离自动提取图 7 为焊件右转射线检测图像中穿过缺陷的线灰度分布曲线.图中点 1、点 2 是焊缝区厚度变化最明显位置,分别对应射线穿透焊件最薄处和最厚处.选择 1 为定位特征点,点 1 和缺陷中心点的列坐标之差为投影距离,如图 7 所示.图 7 投影距离投影距离自动提取步骤如下:首先对射线检测图像进行缺陷分割和细化,获取各缺陷中心点位置坐标;而后逐行搜索焊缝区线灰度分布曲线上灰度值最大值位置,确定定位特征点 1 的坐标;最后逐行扫描可将缺陷的投影距离自动提取出来.2.3 缺陷数据自动提取及试验验证为自动提取批量缺陷的空间位置数据,确定的缺陷自动对应准则如下:判定同一缺陷需满足左右转射线检测图像中缺陷中心点距图像上端的距离 d1、d2相等或差值小于 2 像素的条件.采用上述自动对应准则提取的某焊件缺陷数据见图 8,其中第 14 列分别为缺陷偏移量、缺陷深度、缺陷半径和缺陷距焊缝一端距离.图 8 提取的缺陷空间位置数据85徐州工程学院学报(自然科学版)2023 年第 2 期该焊件射线检测图像中自动提取了 10 个气孔缺陷,其中 3 个缺陷位于焊缝中心线右侧,7 个缺陷位于焊缝中心线左侧.缺陷最大偏移量为 1.10 mm,最小偏移量为 0.37 mm;缺陷最大深度为 1.08 mm,缺陷最小深度为 0.23 mm;缺陷最大半径为 0.54 mm,缺陷最小半径为 0.19 mm.破坏性试验验证结果表明,缺陷深度平均相对误差为 5%,缺陷深度验证结果见图 9.图 9 缺陷深度验证结果为了提高缺陷空间定位模型的无损伤验证精度,降低破坏性试验验证成本,在开展的基于坐标空间变换和最邻近插值模拟 X 线检测图像研究基础上15,在 T 形焊件三维结构中预设了多个缺陷的空间位置数据.将 T 形焊件截面简化为由一个矩形对接板截面、一个矩形辅助块截面和圆形缺陷截面组成,分别建立矩形截面和圆形截面的射线透射路径追踪模型,获得 T 形焊件截面的射线透射路径长度.同时建立光栅阻挡效果模型,模拟光栅对 X 线的阻挡.逐层计算到达焊件表面的 X 线初始强度,按顺序叠加得到到达整个焊件表面的初始强度矩阵,进而对 X 线透射能量矩阵进行灰度映射,获得了 X 线检测模拟图像.某 X 线检测模拟图像(左右转图像中各模拟了 24 个气孔缺陷)及缺陷分割结果见图 10,其中图 10(a)和(b)分别为右转模拟图像和缺陷分割结果,图 10(c)和(d)分别为左转模拟图像和缺陷分割结果.图 10 焊件模拟图像及分割结果对于焊件模拟图像,自动提取了预设缺陷空间位置数据.通过对比 80 个缺陷预设及自动提取的缺陷空间位置数据,进行了缺陷定位数学模型的无损伤验证,试验结果表明:缺陷深度和缺陷偏移量的平均相对误差分别为 0.21%和 0.71%;缺陷沿焊缝纵向分布无误差.95石端虎,等:对接接头焊件缺陷空间定位及分布特征研究3 缺陷可视化及空间分布特征建立了对接接头焊件模型,把自动提取的批量缺陷空间位置数据导入模型,再现了对接接头焊件内部缺陷的空间位置,见图 11.在图 11 中的对接接头焊件缺陷可视化界面上,可根据检测实际需要调整对接接头焊件的各项参数尺寸,实现不同尺寸对接接头焊件的缺陷空间位置可视化.同时,可根据检测人员需要调整缺陷可视化的视角和透明度,便于检测人员更好地对缺陷空间位置进行多角度观察,从而为检测人员提供有重要价值的参考信息.图 11 对接接头缺陷可视化对多个转换后焊件进行了射线检测,获取了焊件左右转 X 线检测图像,采用提出的方法提取了 33 个气孔缺陷的空间位置数据.通过统计分析确定了对接接头焊件 33 个气孔缺陷的空间分布特征.缺陷空间分布特征见图 12.图 12 缺陷空间分布特征06徐州工程学院学报(自然科学版)2023 年第 2 期图 12(a)为缺陷深度统计结果,缺陷深度位于0.6 1.5 mm 范围内居多,占总样本的 78.8%;图 12(b)为缺陷偏移量及频数统计,缺陷偏移量范围为-1.4 0.8 mm,缺陷位于焊缝中心线左侧的,占总样本的 66.7%;图 12(c)为缺陷沿焊缝纵向分布的统计结果,缺陷沿焊缝纵向呈随机分布;图 12(d)为缺陷半径及频数统计,缺陷半径集中分布在0.2 0.45 mm 范围内.研究对象尽管以厚度为2 mm 的对接接头焊件为例,但在射线能量能倾斜45入射穿透焊件(含辅助块)的情况下,该法同样适用于厚度大于 2 mm 的对接接头焊件.研究对象虽为对接接头焊件,但可推广至其它常用焊接接头和平板结构,乃至可推广至不规则形状成形件或结构.推广至不规则形状成形件或结构的研究思路也是将其转换为 T 形件,按 T 形件进行射线检测,进而可实现不规则形状成形件内部缺陷的空间定位及可视化,并可获取缺陷空间分布特征.4 结论1)添加辅助快将对接接头焊件转换为 T 形焊件,获得焊件左右旋转的 X 线检测图像,建立缺陷空间定位模型,并对缺陷空间定位模型进行破坏性和无损伤试验验证.破坏性试验验证的缺陷深度平均相对误差为5%;无损伤验证的缺陷深度、缺陷偏移量的平均相对误差分别为 0.21%、0.71%,沿焊缝纵向分布无误差.2)提出了缺陷投影距离自动提取算法和缺陷自动对应准则,自动提取了对接接头焊件缺陷的空间位置数据.建立了对接接头焊件的三维模型,实现了焊件批量缺陷的空间位置可视化.3)缺陷空间分布特征的统计结果表明,缺陷深度大多位于0.6 1.5 mm 范围内,有近 80%的缺陷集中分布在对接接头焊件板厚中间位置;缺陷偏移量在-1.4 0.8 mm 范围内,且 66.7%的缺陷分布在焊缝中心线左侧;缺陷沿焊缝纵向呈随机分布.4)提出的方法可为对接接头焊件的快速射线探伤、焊接工艺制订和焊接接头无损评价提供有重要价值的参考信息.同时为建立常用焊接接头通用缺陷空间定位模型奠定了理论基础,可推广至其它常用焊接接头及平板结构,乃至可推广至不规则形状成形件或结构,工程应用前景广阔.参考文献:1 CHEN S,ZHAO Y Q,TIAN S H,et al.Study on keyhole coupling and melt flow dynamic behaviors simulation of 2219 aluminum alloy T-joint during the dual laser beam bilateral synchronous weldingJ.Journal of Manufacturing Processes,2020,60:200-212.2 CAO L C,ZHOU Q,LIU H P,et al.Mechanism investigation of the influence of the magnetic field on the molten pool behavior during laser welding of aluminum alloyJ.International Journal of Heat and Mass Transfer,2020,162:1-14.3 TAO W,YANG S L.Weld zone porosity elimination process in remote laser welding of AA5182-O aluminum alloy lap-jointsJ.Journal of Materials Processing Technology,2020,286:1-8.4 邹吉鹏,李连胜,宫建锋,等.铝合金厚板激光扫描填丝焊接气孔抑制J.焊接学报,2019,40(10):43-47.5 李军兆,刘一搏,孙清洁,等.激光摆动模式对铝/钢焊接接头成形特征及组织、强度的影响J.中国激光,2020,47(4):1-8.6 陈根余,王彬,钟沛新,等.2060 铝锂合金扫描填丝焊接工艺J.焊接学报,2020,41(4):44-50.7 李俐群,孟圣昊,彭进.铝合金激光焊接熔池中气泡运动与气孔相关性分析J.焊接学报,2018,39(6):1-6.8 华雄飞,樊明岩,刘顺,等.视差法及 CIVA 仿真在数字射线检测缺陷深度定位中的应用J.无损检测,2019,41(5):14-17.9 迟大钊,李孙珏,孙昌立,等.基于双目视觉的缺陷深度测量方法J.焊接学报,2016,37(11):7-10.10 石端虎,刚铁,杨峰.工字形焊件中批量缺陷的自动对应准则J.焊接学报,2012,33(5):53-56.11 石端虎,刚铁,赵洪枫,等.双面 T 形焊件中单侧投影重合缺陷的自动判别方法J.焊接学报,2019,40(4):46-49.12 SHI D H,GANG T.Automatic extraction and visualization of spatial position data for bulk porosities in laser weldments with complex structures J.NDT&E International,2013,54(3):133-141.13 石端虎,吴三孩,历长云,等.T 形接头角焊缝中缺陷空间定位及分布特征研究J.焊接学报,2020,41(5):56-60.14 SHI D H,GANG T,YANG S Y,et al.Research on segmentation and distribution features of small defects in precision weldments with complex structureJ.NDT&E International,2007,40(5):397-404.15 历长云,赵洪枫,石端虎,等.双面 T 形焊件气孔缺陷空间定位模型无损伤验证方法研究J.河南理工大学学报(自然科学版),2021,40(4):120-125.(责任编辑 李 莹)16石端虎,等:对接接头焊件缺陷空间定位及分布特征研究 Spatial Location and Distribution Features of Defects in Butt Joint WeldmentsSHI Duanhu1,2,WU Sanhai1,2,LI Changyun2,ZHAO Hongfeng1,2,GANG Tie3,HE Min1(1.School of Electromechanical Engineering,Xuzhou University of Technology,Xuzhou 221018,China;2.School of Materials Science and Engineering,Henan Polytechnic University,Jiaozuo 454000,China;3.State Key Laboratory of Advanced Welding and Joining,Harbin Institute of Technology,Harbin 150001,China)Abstract:In order to achieve spatial location and visualization of defects in butt joint laser weldment,an auxiliary block was added to convert it into a T-joint weldment.Based on the unmarked rotation parallax method,the X-ray detection image of the weldment was obtained,and the mathematical model of defect depth and deviation was established.The automatic extraction of spatial location data such as depth,offset,longitudinal distribution along the weld seam,and defect size of welding defects was achieved,and the defect spatial positioning model was non-destructive verified.The experimental results show that the average relative error of the depth and offset of 80 preset spatial positions with porosity defects was 0.21%and 0.71%,respectively.There was no error in the longitudinal distribution along the weld seam.Then,a 3D model of the welded part was created to achieve spatial representation of batch porosity defects.The spatial distribution characteristics of batch porosity defects were obtained through statistical analysis,which can lay a good foundation for welding process revision,connection quality judgment,and structural integrity evaluation of this type of weldment.Key words:rotation parallax method;butt joint weldments;defects spatial location;nondestructive verification;spatial distribution features26徐州工程学院学报(自然科学版)2023 年第 2 期