石端虎，吳三孩,，歷長(zhǎng)云，沙靜，孫遠(yuǎn)，楊峰

(1.徐州工程學(xué)院，江蘇 徐州 221111；2.河南理工大學(xué)，河南 焦作 454000)

0 前言

激光焊在國(guó)防、軍工、高速列車(chē)等重要工業(yè)部門(mén)獲得了廣泛應(yīng)用，而且輕質(zhì)合金如鋁合金等激光焊件大量應(yīng)用在高速列車(chē)車(chē)體結(jié)構(gòu)上，但由于激光焊的固有特點(diǎn)，在焊接工藝參數(shù)波動(dòng)及保護(hù)不良時(shí)，極易在焊縫中形成氣孔類(lèi)缺陷，為保障高速列車(chē)等重要裝備的安全，亟需開(kāi)展鋁合金激光焊件缺陷無(wú)損檢測(cè)及空間定位研究。而對(duì)接接頭焊件應(yīng)用最廣泛，因此開(kāi)展對(duì)接接頭激光焊件批量缺陷的空間定位及空間位置數(shù)據(jù)可視化研究，具有極為重要的理論研究?jī)r(jià)值和工程應(yīng)用背景。

目前國(guó)內(nèi)外已開(kāi)展了焊件缺陷分割、缺陷定位、缺陷可視化等方面的研究，并取得了一定的研究成果[1-10]，但開(kāi)展對(duì)接接頭焊件內(nèi)部缺陷的缺陷空間定位和空間位置可視化方面的研究尚未見(jiàn)報(bào)道，盡管作者在文獻(xiàn)[6-8]中已開(kāi)發(fā)了工字型激光焊件缺陷空間位置可視化程序，尚不能應(yīng)用到對(duì)接接頭上。而且文獻(xiàn)[6]中缺陷可視化采用手工繪制方式實(shí)現(xiàn)，每次只能實(shí)現(xiàn)單個(gè)缺陷的可視化，可視化效率極低，根本無(wú)法滿(mǎn)足實(shí)際工程的需要。文獻(xiàn)[7-8]中盡管實(shí)現(xiàn)了焊件批量缺陷的自動(dòng)可視化，但在余高和熔合區(qū)輪廓線(xiàn)的可視化繪制方面仍存在一定問(wèn)題：一是直接做了簡(jiǎn)化，沒(méi)考慮余高；二是直接用直線(xiàn)代替熔合線(xiàn)的曲線(xiàn)過(guò)渡。在常用4種焊接接頭(對(duì)接接頭、十字或T形接頭、角接接頭、搭接接頭)中，對(duì)接接頭應(yīng)用最廣泛，因此創(chuàng)建對(duì)接接頭焊件缺陷深度和偏移量的數(shù)學(xué)模型，確定缺陷的空間位置，并建立余高和熔合區(qū)輪廓線(xiàn)的數(shù)學(xué)模型，開(kāi)展對(duì)接接頭焊件缺陷空間定位和空間位置可視化研究更具有現(xiàn)實(shí)意義，有著極為重要的理論研究意義和工程應(yīng)用價(jià)值，可為重要焊接結(jié)構(gòu)的焊接缺陷修補(bǔ)、焊接工藝制(修)訂和缺陷空間分布特征研究及結(jié)構(gòu)完整性評(píng)價(jià)奠定良好基礎(chǔ)。

1 缺陷深度與偏移量數(shù)學(xué)模型

在采用無(wú)損檢測(cè)方法確定對(duì)接接頭焊件缺陷空間位置時(shí)，為對(duì)接接頭焊件添加了輔助塊，將其轉(zhuǎn)換為T(mén)形接頭焊件，其中輔助塊中心線(xiàn)與焊縫中心線(xiàn)重合，且輔助塊材料與對(duì)接接頭焊件母材材料相同，輔助塊中無(wú)缺陷。采用透明膠帶將兩者固定在一起，射線(xiàn)檢測(cè)完成后可拆去透明膠帶，對(duì)對(duì)接接頭焊件的外觀(guān)無(wú)影響。轉(zhuǎn)換后的焊件示意圖如圖1所示。為了確定缺陷的空間位置，對(duì)圖1的焊件左右旋轉(zhuǎn)45°進(jìn)行了X射線(xiàn)檢測(cè)，并獲取了X射線(xiàn)檢測(cè)圖像。選用X射線(xiàn)穿透焊件最薄處為定位特征點(diǎn)，建立的缺陷深度和偏移量的數(shù)學(xué)模型見(jiàn)式(1)和式(2):

圖1 轉(zhuǎn)換后的焊件

(1)

(2)

式中：h為缺陷到對(duì)接接頭焊件表面(余高側(cè))的距離，即缺陷深度，mm；dl為焊件右轉(zhuǎn)時(shí)缺陷中心點(diǎn)到X射線(xiàn)穿透焊件最薄處的投影距離，mm；dr為焊件左轉(zhuǎn)時(shí)缺陷中心點(diǎn)到X射線(xiàn)穿透焊件最薄處的投影距離，mm；W為輔助塊寬度，mm；δ為對(duì)接板厚度，mm；x為缺陷偏移焊縫中心線(xiàn)的距離，即缺陷偏移量，mm。對(duì)于對(duì)接接頭焊件，其中輔助塊寬度W、對(duì)接板厚度δ為已知量，dl和dr2個(gè)投影距離可通過(guò)對(duì)添加輔助塊的焊件左右旋轉(zhuǎn)后獲得的X射線(xiàn)檢測(cè)圖像進(jìn)行缺陷分割和缺陷細(xì)化獲得，代入式(2)可求得偏移量x，而后將dl和x代入式(1)可確定缺陷深度。缺陷沿焊縫縱向的分布可通過(guò)對(duì)檢測(cè)圖像的缺陷分割獲得，從而缺陷的空間位置可以確定下來(lái)，也就實(shí)現(xiàn)了缺陷的空間定位。

2 焊縫輪廓線(xiàn)數(shù)學(xué)模型創(chuàng)建

圖2為對(duì)接接頭焊件，圖2a為焊件示意圖，圖2b為焊件橫斷面圖。

圖2 對(duì)接接頭焊件

在焊縫繪制中，為了真實(shí)再現(xiàn)余高和熔合區(qū)的過(guò)渡曲線(xiàn)，對(duì)焊縫余高和熔合區(qū)的弧度曲線(xiàn)構(gòu)建了橢圓方程。圖3為焊縫(含余高和熔合區(qū))輪廓線(xiàn)數(shù)學(xué)模型建立示意圖，圖中標(biāo)出了余高ρ、熔寬d和熔深δ(全熔透時(shí)熔深即板厚)。

圖3 焊縫輪廓線(xiàn)數(shù)學(xué)模型

余高輪廓線(xiàn)的曲線(xiàn)方程見(jiàn)式(3)：

(3)

即

(4)

熔合區(qū)輪廓線(xiàn)的曲線(xiàn)方程見(jiàn)式(5)：

(5)

即

(6)

3 焊件缺陷空間位置可視化

3.1 主界面設(shè)計(jì)

對(duì)接接頭焊件缺陷空間位置可視化系統(tǒng)的主界面如圖4所示，主要由圖像顯示區(qū)域(主界面左側(cè))及功能操作區(qū)(主界面右側(cè))等2部分組成；圖像顯示區(qū)可用于任意角度觀(guān)察對(duì)接接頭焊件缺陷可視化；功能操作區(qū)可調(diào)整對(duì)接接頭焊件的參數(shù)設(shè)置，實(shí)現(xiàn)焊件建模、模型清除、導(dǎo)入自動(dòng)提取的缺陷數(shù)據(jù)、缺陷清除等功能。此外可設(shè)定仰角和方位角，以便于檢測(cè)人員觀(guān)察，透明化功能可調(diào)節(jié)模型的透明度，有助于更清晰地顯示缺陷的空間位置分布。

圖4 主界面設(shè)計(jì)

3.2 焊件三維建模

基于Matlab構(gòu)建對(duì)接接頭焊件模型，可使用Patch函數(shù)，利用對(duì)象的頂點(diǎn)坐標(biāo)點(diǎn)創(chuàng)建對(duì)接接頭焊件結(jié)構(gòu)，同時(shí)對(duì)象的明亮程度及顏色也可指定。

確定構(gòu)建對(duì)象的頂點(diǎn)數(shù)量、頂點(diǎn)坐標(biāo)矩陣、頂點(diǎn)聯(lián)接矩陣及創(chuàng)建面的顏色屬性數(shù)據(jù)后可構(gòu)建對(duì)接接頭焊件結(jié)構(gòu)模型。采取的語(yǔ)句如下：figure, patch(‘faces’, f, ‘vertices’, v, ‘FaceVertexcdata’, jet(68),‘FaceColor’,‘flat’);其中：‘faces’為聯(lián)接矩陣；‘vertices’為頂點(diǎn)矩陣；‘FaceVertexcdata’用于說(shuō)明頂點(diǎn)或聯(lián)接矩陣；‘FaceCol-or’用于控制對(duì)象的顏色。圖5為創(chuàng)建的焊件模型，其中余高和熔合區(qū)輪廓線(xiàn)的繪制采用式(3)和式(5)的曲線(xiàn)方程。

圖5 焊件模型

3.3 缺陷可視化

對(duì)T形接頭焊件左右旋轉(zhuǎn)獲取其X射線(xiàn)檢測(cè)圖像，建立缺陷深度和偏移量數(shù)學(xué)模型，提出左右轉(zhuǎn)圖像中缺陷分割及缺陷自動(dòng)對(duì)應(yīng)準(zhǔn)則，實(shí)現(xiàn)了對(duì)接接頭焊件中缺陷空間位置數(shù)據(jù)的自動(dòng)提取[1]，提取的某對(duì)接接頭焊件缺陷空間位置數(shù)據(jù)見(jiàn)表1，表中給出了22個(gè)氣孔缺陷的空間位置數(shù)據(jù)。

表1 對(duì)接接頭焊件缺陷空間位置數(shù)據(jù)

將表1中自動(dòng)提取的缺陷空間位置數(shù)據(jù)，利用Sphere函數(shù)和Surf函數(shù)等底層函數(shù)導(dǎo)入建立的焊件三維模型中，可實(shí)現(xiàn)對(duì)接接頭焊件批量缺陷空間位置可視化，如圖6所示。

圖6 缺陷可視化

4 焊件參數(shù)調(diào)整及其他功能實(shí)現(xiàn)

4.1 可視角度調(diào)整

該功能主要是通過(guò)調(diào)整仰角和方位角實(shí)現(xiàn)對(duì)接接頭焊件模型觀(guān)察角度變化，以達(dá)到從任意角度觀(guān)察缺陷在焊件中的空間分布，可為焊件缺陷空間分布特征研究和焊接工藝參數(shù)優(yōu)化奠定良好基礎(chǔ)。圖7為可視角度調(diào)整對(duì)比。

圖7 可視角度對(duì)比

4.2 透明化處理

透明化處理功能主要是設(shè)置透明度，以便于檢測(cè)人員更清晰地觀(guān)察缺陷空間分布。透明度介于[0，1]之間，0為完全透明，1為完全不透明，從1到0隨著設(shè)定值的減小，焊件模型愈來(lái)愈透明。圖8為透明度對(duì)比圖。

圖8 透明度對(duì)比

4.3 三視圖顯示

為了更清楚地觀(guān)察缺陷在對(duì)接接頭中的空間分布，給出了可視化模型的三視圖。三視圖的仰角和方位角設(shè)定如下：主視圖的仰角和方位角均為0°；左視圖的仰角為0°，方位角為-90°；俯視圖的仰角為90°，方位角0°。缺陷可視化三視圖如圖9～圖11所示。從圖9主視圖可知，缺陷絕大部分位于焊縫中上部，且集中于焊縫中心線(xiàn)附近；從圖10可知缺陷主要分布在板厚上表面兩側(cè)，說(shuō)明激光焊接時(shí)冷卻速度過(guò)快，導(dǎo)致氣體未能有充分時(shí)間逸出，從而留在焊縫中形成了氣孔缺陷；從圖11可知缺陷沿焊縫縱向呈隨機(jī)分布。缺陷可視化三視圖可以讓檢測(cè)人員更清晰地了解缺陷在焊縫中的位置分布，可為焊接缺陷修補(bǔ)、焊接工藝制訂和缺陷空間分布特征研究提供有價(jià)值的參考。

圖9 缺陷主視圖

圖10 缺陷左視圖

圖11 缺陷俯視圖

5 結(jié)論

(1)添加輔助塊將對(duì)接接頭焊件轉(zhuǎn)換為T(mén)形接頭焊件，建立了缺陷深度和偏移量的數(shù)學(xué)模型，實(shí)現(xiàn)了缺陷的空間定位。同時(shí)為了真實(shí)再現(xiàn)焊縫缺陷在對(duì)接接頭焊件中的空間分布，創(chuàng)建了余高與熔合區(qū)輪廓線(xiàn)的數(shù)學(xué)模型，實(shí)現(xiàn)了余高和熔合區(qū)過(guò)渡區(qū)曲線(xiàn)的繪制。

(2)設(shè)計(jì)了對(duì)接接頭焊件缺陷可視化界面，創(chuàng)建了對(duì)接接頭焊件三維模型，導(dǎo)入了自動(dòng)提取的缺陷空間位置數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)接接頭焊件中批量缺陷的空間位置可視化。

(3)開(kāi)發(fā)的對(duì)接接頭焊件缺陷可視化程序可實(shí)現(xiàn)焊件參數(shù)設(shè)置、缺陷數(shù)據(jù)導(dǎo)入、可視角度調(diào)整、透明度調(diào)節(jié)等，操作方便，可視化效果逼真，易于實(shí)現(xiàn)任意角度觀(guān)察，可為重要結(jié)構(gòu)對(duì)接接頭激光焊件的快速無(wú)損檢測(cè)、缺陷修補(bǔ)、焊接工藝制(修)訂、缺陷空間分布特征研究和接頭完整性評(píng)價(jià)奠定良好基礎(chǔ)，也可為其它接頭類(lèi)型焊件缺陷空間位置可視化提供有價(jià)值的參考，工程應(yīng)用前景廣闊。