王桐 侯懷書

摘? 要：鎢極氬弧焊（TIG焊）是目前大部分不銹鋼焊管制管企業(yè)采用的焊接工藝。該種工藝通常使用鎢針作為電極材料，正常的鎢針頂部一般為尖錐形，而隨著焊接的進(jìn)行，鎢針針尖會(huì)逐漸產(chǎn)生燒損，燒損后的鎢針會(huì)對焊縫的成型造成極大的影響，極易產(chǎn)生焊洞、咬邊、漏焊等缺陷。該文通過分析氬弧焊焊接圖像中的熔池輪廓模型及圖像信息，發(fā)現(xiàn)熔池寬度與焊接電流、鎢針損耗之間的聯(lián)系，提出一種基于熔池輪廓的鎢針損耗檢測方法，通過實(shí)驗(yàn)證明，該文所提出的通過熔池寬度的變化檢測鎢針損耗的方法具有較好的準(zhǔn)確性和可行性。

關(guān)鍵詞：氬弧焊；鎢針損耗；圖像處理；損耗檢測；304不銹鋼焊管

中圖分類號：TG409? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2095-2945（2024）17-0015-06

Abstract： Tungsten Inert Gas （TIG） welding is the welding process currently used by most of the stainless steel welded control pipe enterprises. This process usually uses a tungsten needle as the electrode material， the normal tungsten needle top is generally a pointed cone， and with the welding process， the tungsten needle tip will gradually produce burns， burns the tungsten needle will have a great impact on the weld seam molding， is very prone to weld holes， biting edges， leakage of weld and other defects. In this paper， by analyzing the model and image information of the molten pool contour in the welding image of argon arc welding， we discovered the connection between the width of the molten pool and the welding current， tungsten needle loss， and proposed a tungsten needle loss detection method based on the molten pool contour. Through experiments， it is proved that the method proposed in this paper for detecting the loss of tungsten needles through the change of the width of the molten pool has good accuracy and feasibility.

Keywords： Tungsten Inert Gas （TIG） welding; tungsten needle loss; image processing; loss detection; 304 stainless steel welded pipe

不銹鋼焊管是將不銹鋼的鋼帶卷曲成型后焊接制成的鋼管[1]，其具有較高的抗彎強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度及在氧化環(huán)境下良好的耐腐蝕性能和耐熱性能；在折彎、抗扭強(qiáng)度相同時(shí)，其質(zhì)量較輕、壁值偏差小、成本低，被廣泛應(yīng)用于石油化工、汽車、壓力管道等眾多領(lǐng)域[2]。

目前，大部分不銹鋼焊管制管企業(yè)均采用氬弧焊作為焊接工藝，鎢極氬弧焊由于其焊接過程穩(wěn)定，具有保護(hù)效果好、電弧穩(wěn)定、材料飛濺少、焊接外觀美觀和易于實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測與控制等優(yōu)點(diǎn)，在不銹鋼焊管自動(dòng)化焊接生產(chǎn)中得到了廣泛的使用[3]。氬弧焊對于鎢針針尖的形狀有嚴(yán)格的要求，正常的鎢針頂部一般為尖錐形，而隨著焊接的進(jìn)行，針尖會(huì)逐漸產(chǎn)生燒損，燒損后的鎢針會(huì)對焊縫的成型造成影響，極易產(chǎn)生焊洞等缺陷，降低不銹鋼焊管的機(jī)械性能，對產(chǎn)品質(zhì)量造成嚴(yán)重影響。而在現(xiàn)有的加工技術(shù)中，對鎢針的磨損一般采用人工觀察的方式，通過操作工人人眼觀察來判斷鎢針是否發(fā)生磨損，工作效率低下且無法及時(shí)發(fā)現(xiàn)損耗情況。

由于在實(shí)際焊接環(huán)境中存在較復(fù)雜的噪聲及弧光干擾，無法通過視覺檢測的方式直接看到焊接過程中鎢針針尖的變化情況，現(xiàn)有的研究成果中對于焊接過程中鎢針損耗檢測的研究也相對較少。本文提出了一種基于氬弧焊焊接熔池輪廓的鎢針損耗檢測方法，利用304（06Cr19Ni10）不銹鋼鋼帶進(jìn)行焊管焊接成型實(shí)驗(yàn)，通過對焊接過程中熔池寬度的檢測，實(shí)現(xiàn)了對焊接過程中鎢針損耗情況的實(shí)時(shí)檢測。

1? 焊接熔池分析

1.1? 鎢電極

不銹鋼焊管氬弧焊焊接時(shí)通常使用鎢針作為電極材料，鎢針與卷制成型后的不銹鋼鋼帶之間會(huì)產(chǎn)生電弧，通過電弧產(chǎn)生的熱量將焊縫處熔化，從而形成不銹鋼焊管。在不銹鋼焊管氬弧焊工藝中，鎢針尖端的形狀是一個(gè)重要的工藝參數(shù)，鎢針尖端形狀會(huì)影響電弧形態(tài)及工件的熱輸入情況。因此，在使用前需對針尖進(jìn)行修磨，將針尖修磨成尖錐形，尖錐形具有良好的引弧及穩(wěn)弧性能，可以保證焊接時(shí)電弧穩(wěn)定燃燒和熱量集中，否則會(huì)出現(xiàn)引弧困難、電弧不穩(wěn)定等情況，從而產(chǎn)生氣孔、夾渣等焊接缺陷[4]。

在氬弧焊過程中，隨著焊接的進(jìn)行，鎢針會(huì)逐漸出現(xiàn)燒損，針頭尖錐的角度會(huì)逐漸變大，導(dǎo)致電弧穩(wěn)定性降低，影響焊縫成型。圖1為持續(xù)焊接120 min后的鎢針與未使用的新鎢針的對比圖，從圖1中可以看出，鎢針在焊接120 min后，尖端形狀出現(xiàn)了明顯的變化。

1.2? 熔池模型分析

不銹鋼焊管氬弧焊焊接過程中的電弧驅(qū)動(dòng)力模型如圖2所示，其中，電弧及熔池輪廓一般呈現(xiàn)左右對稱的特征，輪廓的幾何特征會(huì)受到焊接過程中電流、電壓、鎢針形態(tài)等的影響。焊接過程中的電弧驅(qū)動(dòng)力是影響電弧形態(tài)的重要參數(shù)。電弧驅(qū)動(dòng)力中的電弧壓力和阻力會(huì)對電弧和熔池形狀產(chǎn)生明顯的影響[5-6]。

電弧壓力可以利用高斯函數(shù)進(jìn)行表示，如式（1）所示[7]

式中：μ0表示自由空間的磁導(dǎo)率；I表示電弧電流；rA表示有效半徑。電磁力是由于電弧等離子體射流的碰撞而產(chǎn)生的，其方向從電弧中心指向電弧外側(cè)。電磁力會(huì)隨著電流的減小而減小[8]。通過對焊接過程中熔池模型的分析可知，熔池輪廓包含有豐富的焊接過程信息，電弧壓力和電磁力是影響弧光及熔池輪廓的主要因素，從熔池輪廓自身的尺寸參數(shù)變化中可以反映出焊接電流在焊接過程中的變化情況。

2? 鎢針損耗檢測

2.1? 熔池圖像處理

通過工業(yè)相機(jī)采集到的不銹鋼焊管氬弧焊圖像如圖3所示，圖像中包含有電弧光、熔池、鎢針和焊縫等信息。其中，鎢針尖端區(qū)域的信息被高亮度的熔池區(qū)域覆蓋，無法完整獲取鎢針尖端在焊接過程中的狀態(tài)，而弧光及熔池區(qū)域亮度較高，與周圍環(huán)境對比度明顯，從圖像中提取時(shí)相對容易。

在提取熔池輪廓之前，首先需要將熔池區(qū)域從焊接圖像當(dāng)中分割出來，需要對采集到的圖像進(jìn)行高斯濾波與二值化處理，經(jīng)過高斯濾波與二值化處理后的圖像如圖4所示。

為了減少后續(xù)處理過程中的數(shù)據(jù)計(jì)算量，僅對熔池輪廓的拐點(diǎn)坐標(biāo)進(jìn)行提取，提取出的熔池輪廓如圖5（a）所示。提取出的熔池輪廓是由一系列坐標(biāo)點(diǎn)組成的二維點(diǎn)集，如圖5（b）所示。

通過提取出的熔池輪廓二維點(diǎn)集，可以準(zhǔn)確地獲取熔池的幾何參數(shù)，熔池寬度數(shù)據(jù)可以通過熔池輪廓的外接矩形進(jìn)行計(jì)算，如圖6所示，外接矩形的寬度即為熔池輪廓的寬度。

2.2? 鎢針損耗與熔池變化

焊接過程中鎢針的損耗會(huì)對不銹鋼焊管焊縫的形態(tài)產(chǎn)生一定的影響。圖7為對同一型號不銹鋼焊管每隔40 min取樣后的金相圖。通過金相圖可以看出，隨著焊接的進(jìn)行，不銹鋼焊管內(nèi)焊縫逐漸變窄，在120 min內(nèi)由1.38 mm變?yōu)?.31 mm，外焊縫逐漸變寬， 在120 min內(nèi)由2.66 mm變?yōu)?.76 mm。

圖8為與圖7同一型號的不銹鋼焊管焊接過程中熔池寬度及內(nèi)外焊縫寬度的變化情況，其中熔池寬度數(shù)據(jù)每分鐘采集10次，連續(xù)采集120 min，取其5 min內(nèi)熔寬數(shù)據(jù)的平均值，通過對熔池寬度數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測可以看出，在焊接過程中，熔池寬度會(huì)在一定范圍內(nèi)呈現(xiàn)波動(dòng)變化，整體呈現(xiàn)較為明顯的下降趨勢，而隨著熔池寬度的減小，不銹鋼焊管內(nèi)焊縫逐漸變窄，外焊縫逐漸變寬，當(dāng)內(nèi)焊縫減小到一定程度時(shí)，就會(huì)導(dǎo)致氣孔、漏焊、未焊透和孔洞等缺陷出現(xiàn)。

在焊接過程中，盡管施加在鎢針上的焊接電流大小并未發(fā)生變化，但由于鎢針針尖會(huì)發(fā)生燒損，導(dǎo)致針尖輸出的用于焊接的實(shí)際電流小于所設(shè)定電流。圖9為同一型號氬弧焊焊機(jī)焊接同一尺寸不銹鋼焊管時(shí)，熔池寬度在不同焊接電流下的變化情況。

通過圖9可以看出，在焊接過程中，熔池的寬度會(huì)在一定范圍內(nèi)呈現(xiàn)波動(dòng)變化，而當(dāng)焊接電流發(fā)生變化時(shí)，熔池的寬度也會(huì)隨著電流的變化而發(fā)生變化，當(dāng)電流增大時(shí)，熔池寬度增大，當(dāng)電流減小時(shí)，熔池寬度減小。因此，通過熔池寬度的變化可以表征出焊接電流的變化。

綜上所述，可以通過熔池的尺寸參數(shù)的變化反映出鎢針針尖輸出的電流大小及內(nèi)外焊縫寬度的變化，進(jìn)而反映出鎢針的損耗程度，即隨著焊接過程中鎢針的燒損，鎢針針尖所輸出的電流強(qiáng)度會(huì)逐漸降低，熔池輪廓的寬度會(huì)逐漸減小，當(dāng)熔池寬度與焊接起始時(shí)相比出現(xiàn)較大變化時(shí)，即可認(rèn)為鎢針出現(xiàn)較為嚴(yán)重的燒損，需要及時(shí)進(jìn)行更換。

3? 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

3.1? 實(shí)驗(yàn)裝置

不銹鋼焊管是以不銹鋼鋼帶作為原材料，通過焊管成型機(jī)，由滾輪模具逐級卷制成管狀，勻速運(yùn)動(dòng)至焊接點(diǎn)由焊槍縱縫焊接而成。為了驗(yàn)證本文所提出的氬弧焊鎢針損耗檢測方法的有效性，采用不銹鋼焊管氬弧焊焊接過程中實(shí)時(shí)采集的圖像進(jìn)行測試。實(shí)驗(yàn)裝置如圖10所示。工業(yè)相機(jī)位于焊接區(qū)域斜上方，由于焊接過程會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的電弧光，因此圖像采集過程采用被動(dòng)視覺方式，不再額外使用其他輔助照明光源，在相機(jī)前方使用濾光片降低電弧光對圖像采集的影響。

3.2? 實(shí)驗(yàn)分析

為了驗(yàn)證本文所提出的鎢針損耗檢測方法，本文在同一圖像采集條件下，采集了不同焊接電流，不同管徑及壁厚的3組焊接數(shù)據(jù)，包括焊接過程中熔池寬度及不銹鋼焊管內(nèi)、外焊縫的寬度數(shù)據(jù)，見表1。其中，熔池寬度利用本文算法計(jì)算得出，每分鐘采集25次，取1 min內(nèi)的平均值作為實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。內(nèi)、外焊縫寬度數(shù)據(jù)由焊縫處金相圖得出，每隔60 min采集一次。表1中第1組不銹鋼焊管的初始焊接電流為177 A，焊管直徑為10 mm，壁厚為1 mm；第2組不銹鋼焊管的初始焊接電流為155 A，焊管直徑為12 mm，壁厚為0.8 mm；第3組不銹鋼焊管的初始焊接電流為205 A，焊管直徑為12 mm，壁厚為2 mm，3組不銹鋼焊管的材質(zhì)均為304不銹鋼。

各組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的變化趨勢分別如圖11、圖12、圖13所示。在焊接過程中，熔池寬度在一定范圍內(nèi)出現(xiàn)波動(dòng)，整體呈現(xiàn)較為明顯的下降趨勢，內(nèi)焊縫逐漸變窄，外焊縫逐漸變寬。

各組實(shí)驗(yàn)中所用鎢針的燒損程度如圖14所示，可以看出鎢針在連續(xù)焊接一段時(shí)間后均出現(xiàn)了不同程度的燒損。燒損后的鎢針尖錐的角度均大于未使用的全新鎢針。

通過各組實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以得出，隨著焊接的進(jìn)行，鎢針會(huì)逐漸產(chǎn)生燒損，不銹鋼焊管的內(nèi)外焊縫會(huì)產(chǎn)生一定程度的變化，而熔池的寬度也會(huì)隨之減小，因此，通過熔池的寬度數(shù)據(jù)可以反映出鎢針的燒損情況，當(dāng)熔池寬度與焊接初始時(shí)相比減小程度過大時(shí)，即可認(rèn)為鎢針出現(xiàn)燒損，需要進(jìn)行更換，否則會(huì)對不銹鋼焊管焊接質(zhì)量產(chǎn)生影響。

4? 結(jié)論

本文利用圖像處理技術(shù)，提出了一種基于熔池圖像的304不銹鋼焊管氬弧焊鎢針損耗檢測方法，并通過實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)證。發(fā)現(xiàn)在不銹鋼焊管氬弧焊過程中，熔池輪廓的寬度與鎢針損耗之間的關(guān)系，即隨著焊接的進(jìn)行，鎢針尖錐角的角度逐漸變大，導(dǎo)致針尖輸出的實(shí)際電流減小，熔池輪廓寬度逐漸變小。其中，熔池輪廓的寬度可通過熔池的外接矩形進(jìn)行計(jì)算。當(dāng)熔池寬度與焊接初始時(shí)相比減小程度過大時(shí)，即可認(rèn)為鎢針出現(xiàn)燒損，需要進(jìn)行更換。通過實(shí)驗(yàn)證明，本文所提出的通過熔池寬度的變化檢測鎢針損耗的方法具有較好的準(zhǔn)確性和可行性。

參考文獻(xiàn)：

[1] 季艷嬌，潘鑫，湯煬.316L不銹鋼焊管橫向裂紋產(chǎn)生原因[J].理化檢驗(yàn)-物理分冊，2023，59（10）：50-51，70.

[2] 王希靖，王博士，魏萬奎，等.直縫不銹鋼焊管焊縫組織性能研究[J].熱加工工藝，2017，46（15）：86-89，97.

[3] WU H， CHANG Y L， MEI Q， et al. Research advances in high-energy TIG arc welding[J]. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology，2019，104：1-4.

[4] 毛秋英，趙效彪，宋曉波.06Cr19Ni10不銹鋼的全自動(dòng)脈沖鎢極氬弧焊工藝[J].焊接技術(shù)，2023，52（6）：50-53.

[5] OREPER G M， EAGAR T W， SZEKELY J. Convection in arc weld pools[Z]. 1982.

[6] KONG X， ASSERIN O， GOUNAND S， et al.? 3D finite element simulation of TIG weld pool[J]. IOP Conference Series： Materials Science and Engineering，2012，33（1）：012025.

[7] ZHAO G X， DU J， WEI Z Y， et al. Numerical analysis of arc driving forces and temperature distribution in pulsed TIG welding[J]. Journal of the Brazilian Society of Mechanical Sciences and Engineering，2019，41（1）：1563.

[8] SANG W H， WON I C， SUCK J N， et al. Influence of driving forces on weld pool dynamics in GTA and laser welding[J]. Welding in the World： Journal of the International Institute of Welding： Journal of the International Institute of Welding，2013，57（2）：257-264.