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焊缝的主动红外线成像检测技术




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焊缝的主动红外线成像检测技术
周 昀 !, 蒋金鹏 ", 颜国正 ", 楼松年 !


上海 "%%%&%; 上海 # !$ 上 海交通大学 焊接工程研究所, "’上海交通大学 电子信息学院 ("% 所, "%%%&%) 提出了一种以红外光源照射焊缝, 通过计算机对图像进行分析处理, 提取焊缝的长 摘要: **+ 摄取图像,
度、 宽度和偏心距的方法。 该方法检测精度高, 算法速度快, 可以实时运用于对手工电弧焊进行漏焊检测。 主动红外技术; 红外图像处理; 漏焊检测 关键词:

中图分类号: ,-..!’/

文献标识码: 0

文章编号: !%%!1"&%&#"%%.)%.1%%.21%&

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前言
焊接作为快速成形手段之一, 广泛应用于汽车、 造船、 钢结构、 航空、 航天等工业领域中, 并且各种 焊接自动化专机和焊接机器人的运用也愈来愈多。 但在很多情况下, 受到技术可行性和生产成本的制 约, 廉价、 柔性大的手工焊生产仍然不可替代。 与自 动化焊接相比, 由于操作人员的疲劳、 疏忽和其他 因素的影响, 漏焊或焊偏在手工焊接生产中时有发 生, 对产品质量带来重大影响。 在后续的检测中若采 用人工检测, 同样由于操作人员的疲劳、 疏忽和其 \!] 另一解 他因素的影响, 存在可能发生漏检的问题 。 决方法是对可见光下焊缝的彩色图像进行处理, 以 获取焊缝的参数, 但该方法有一个致命的弱点, 即 在可见光下, 图像的光照模型是不稳定的, 是动态 变化的,因此造成了焊缝的图像处理相对比较复 杂, 而且对焊缝图像的分割效果不理想, 也就影响了 故在此采用主动红外技术, 其 对焊缝参数的提取 \"]。 \&] 优点是 : 周围 *2 减少了周围其他辐射的相互影响。 物体的红外辐射相对红外光源可以忽略不计。 32 减 少了自身辐射的红外光影响。 在红外反 射 图 像 中,
收稿日期: "%%&1!%1%2 作者简介: 周 昀 Z!2/[ — ) , 男, 江西进贤人, 在读博士, 主要
从事高效焊接技术以及焊接材料的研究工作。

既有反射红外光, 也有物体自身辐射的红外光谱。 但 自身辐射的红外光亮度要低于红外光源反射红外 光几个数量级, 因此可以忽略自身辐射的红外光影响。

.2 红外图像的光照模型相对比较 稳 定 。
在此开发了焊缝主动红外成像检测系统, 较好 地解决了焊缝的检测问题。

4

系统结构和工作原理
在该实验系统中, 采用主动红外技术, 整个检

测系统的结构图如图 ! 所示。 采 用 -G0M 红 外 发 光 二 极 管 阵 列 作 为 主 动 红 外成像光源, 其优点是: 发光效率高, 成像清晰, 近 红外输出, 不需要加滤光片等。 -G0M 红外发光二极 管工作电压为 & X, 工作电流为 !% ! 0, 光线峰值波 长 2.% 9S, 光束角度为 &.^。 -G0M 红外发光二极管的 光谱特性曲线如图 " 所示。 采用 **+ 获取主动红外反射图像。 为滤去可见

图!

主动红外检测系统结构示意图

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研究与设计

第 E1 卷

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式中

图*

BCDA 红外发光二极管的光谱特性曲线 $E%

光对摄入图像的影响, 在该 !!" 前配置专用滤光镜, 所用红外滤光片的特性曲线如图 # 所示。 可以看出, 该滤光镜能较好地透射近红外光, 截止可见光。

&-$ , %)为权系数。 #)求出新阈值 "#.( "#.(,-!+.!/)!* 。 则结束, 否则 #23#.(, 转步骤 *) 1)如果 " #," #.(, 利用已知模型来匹配, 找出焊缝。 %# 图像匹配。 找出图像大小与实际大小之间的 &# 图像定标。
焊缝参数主要包括焊缝宽 ’# 提取焊缝的特征。

关系。 度、 焊缝长度、 焊缝的偏心距等。

(

试验结果
利用上述试验系统和算法, 对焊缝进行了试验,

所获实验结果如图 14 图 5 所示。 图 1 为焊缝红外图 像。 图 & 为焊缝红外图像分割图, 焊缝非常明显地从 周围的母质中分离出来。图 5 为经过匹配提取的焊
图# 红外滤光片的特性曲线 $#%

缝红外图。 提取出焊缝后, 通过标定, 可以分析和提取 出焊缝的各种参数。 该实验中焊缝宽度为 (675 8 9 、 焊缝长度为 :6;7 89 、 焊缝偏心距为 +67& 89 。检测 精度为 +6( 99 。 在 !<= 时钟频率为 ;++ >?@ , 内存 整个算法中图像的分割速度 为 (*7 > 的 <! 机上, 为 +6+* A。

计算机获取 !!" 的视频输入, 然后对视频进行 分析处理, 将分析结果存入数据库, 最后对整个焊 缝质量进行统计分析, 对不符合要求的焊缝进行报 警, 并形成报表。

!

红外图像的处理及算法

主动红外检测系统的图像处理过程主要步骤 为 & 个部分$’%。 采取中值滤波, 消除一些异样点对 "# 图像滤波。 整个分析处理的影响, 同时不破坏焊缝的边缘。 以迭代法求最佳分割阈值对红外 $# 图像分割。 图像进行分割。 由于在获取图像时就已经减少了各种因素的 干扰, 因此可以采取简单快速的算法来进行图像分 割, 以便在实际生产中采用。 图像分割的算法主要 是采用迭代法求出最佳分割阈值, 其主要步骤是: 令 ()求出图像中的最小和最大灰度值 !( 和 !*,

)

结论
该研究以红外光源照射焊缝, !!" 摄取图像,

通过较为简单的算法对图像进行分析处理, 较好地 提取出了焊缝的边缘图像。 并且该方法具有较高的 检测精度和较快的算法速度, 可以实时运用于对手 工电弧焊进行漏焊检测。

"+,-!(.!*)!* 求出两 *)根据阈值 "# 将图像分成目标和背景, 部分的平均灰度值 !+ 和 !/ %)0&-$, %) !!-$, %()" , !+, !’$,
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图1

焊缝红外图

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研究与设计



昀等: 焊缝的主动红外线成像检测技术

第-期

图*

焊缝红外图像分割图

参考文献:
!"# !&# !)#
林 倪 涛, 赵 军, 林 学, 王 兵$别克轿车副车架总成焊接漏焊的 图1 社, "44*0 提取的焊缝红外图 智能检测方法!%#$上海交通大学学报, &’(", )*+),: -."/-.-0 涛, 陈善本0一种基于彩色图像处理的漏焊检 测系统 !%#0 上海交通大学学报, &((& , )1+增刊 , : 2’/2&0 张敬贤0微光与红外成像技术!3#0北京: 北京理工大学出版

!-#



斌 056789: ;<<数字图像处理 !3#$ 北京: 人民邮电出版

社, &(("$

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制造高速列车铝合金车体的关键问

!

结论
"# 铝合金微剪试验性能参数与拉伸试验参数

题之一, 是选用哪种铝合金的型材, 用什么焊接方 法, 焊接材料和工艺。 为此, 采用了 =:/>?/3@ 合金 系 列的 2((* 和 =:/3@/A6 合金系列的 1((* 两种铝合 金材料、 *)*1 和 -(-) 两种焊丝材料+其化学成分见表 自动 3BC 焊接方法。 研究了 2’’*+ 铝 合 金 ,<*)*1 2,, +焊丝,; 1’’*<*)*1; 1’’*<-’-) 这 ) 种焊接接头的力 学性能 !*#。 表% 焊丝的化学成分
焊丝 % +3@, % +A6, % +>?, % +;8, % +;I,

之间存在对应的数量关系。 剪切强度 !
!

与拉伸强度# ! 之间的关系

# !F"0211 4! D/)’01&" 。 剪切屈服极限 ! ’0& 与拉伸屈服极限# " 的关系 # "F"04&’ . ! ’0&/-40*44。 剪切截面压入率 " 与拉伸断面收缩率$ 的关


[ % +Y6, % +3?, Z’0&’


$ F"0&*- "" <.0-4* 2。
$# 微剪试验能准确测定铝合金焊接接头各狭
窄区域内材料的力学性能及其变化规律, 这为铝合 金结构的焊接材料和生产工艺的选择, 铝合金车体 设计和安全评定提供了可靠的依据。

*)*1 -0-E*0* Z’0&* Z’0"’ Z’0"’ ’0’*E’0& ’0’1E’0& ’0’*E’0& -’-) Z’0’* -0*E10’ Z’0"’ Z’0"’


在评定焊接接头的力学性能研究中采用了微 剪试验, 首先测得焊接接头各区的微剪性能参数 再通过式+",E 式 +), 计算出常规力学性能 ! D、 ! ’0&、 ", 参数# !、 这为结构强度计算、 焊接材料和焊 # "、 $ 。 接工艺的选择提供了可靠的依据。 其试验和计算结 果见表 .。 表&
性能 参数

参考文献:
!"# !&#
雷斌隆, 王 元 良 0微 型 剪 切 试 验 法 及 其 在 焊 接 技 术 中 的 应用 !%#0 西南交通大学学报, "44’ , 2*+", : "-/&’0 雷斌隆, 王元良 0 焊接接头微型剪切试验 !%#0 西 南 交 通 大 学学报, "44& , .)+", : 2/""0

铝合金焊接接头试验结果
1’’*<*)*1 ] ^ W "". "&* "-’ 1* 2. "’& ). -. -& "220. "4’0& &"102 2*0& "’’0& "-10) *10" 1.01 1"0" 1’’*<-’-) ] ^ W "&’ ""1 ")* *. 1" 4. &’ -1 -) "."0- "2-0) &’204 1"0. 120* ").01 ))01 110" 1&0!)#

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雷斌隆 0微型剪切试验与常规试验之间的关系 !%#0 西南交 通大学学报, "44& , .*+), : 12/2)0 王元良, 屈金山, 邓 江 0 铝合金焊接性能及焊接接头性 能 !%#0 中国有色金属学报, "442 , 2+", : 14/2-0

注: ] 为焊缝区; ^ 为热影响区; W 为母材。

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