钛合金激光填丝焊缝晶粒生长及相变原位观察

熔池的图像处理与特征提取技术是船舶熔化极气体保护焊(gas metal arc welding, GMAW)智能化焊接质量监控的重要内容,针对船体板GMAW焊接过程中的烟雾大、飞溅多等不稳定特性导致熔池图像采集模糊、边缘提取困难等问题,提出一种基于均值漂移(mean shift, MS)优化模糊C均值聚类(fuzzy c-means, FCM)的图像处理算法. 在优化设计焊接动态视觉传感系统中,以最大化保证图像信息采集清晰度的基础上,利用MS算法获取超像素图像以解决FCM算法对噪声的敏感性,同时在FCM算法上引入加权邻域窗口,以增强MS-FCM算法的鲁棒性,来克服烟雾、飞溅、弧光等噪声影响,进而完成图像分割与边缘提取. 最后,设计出关于FCM、空间约束模糊C均值聚类 (fuzzy c-means with spatial constraints, FCM_S)、加强型模糊聚类(enhanced fuzzy c-means, ENFCM)和模糊局部信息C均值聚类(fuzzy local information c-means clustering, FLICM)算法的4种不同图像处理方法,并与MS-FCM优化模型进行边缘分割效果对比,获取几种方法所提取的熔宽,验证熔池几何特征的提取精度. 结果表明,MS-FCM算法在船舶焊接熔池图像处理方面能有效抑制噪声干扰,平滑信息,达到较高的提取精度.

     

基于熔池图像尖端特征规律的焊接偏差测定方法

通过对管道全位置熔化极气体保护焊(gas metal arc welding,GMAW)熔池图像的研究分析,发现并验证了其根焊熔池图像尖端与焊缝坡口中心位置重合的现象,依据此规律性特征,提出了一种基于熔池图像尖端信息的焊接偏差测定方法.该方法的基本原理是,在对焊接过程熔池CCD图像进行中值滤波、小波变换、连通区域分割等图像处理后,以搜索算法测得的根焊熔池图像尖端位置信息作为焊缝坡口中心位置的坐标值,此值与焊丝中心坐标值之差即为焊接偏差量.试验证明,此方法能从根焊熔池图像中实时测定焊接偏差量,为实现机器人自动焊缝跟踪控制提供了可靠依据.     

基于变分立体匹配算法的GMAW熔池形貌三维重建

为实现完整熔池表面形貌三维传感,构建了双棱镜单摄像机立体视觉传感系统.针对熔池图像纹理缺乏造成的立体匹配困难的问题,引入了全局优化的变分立体匹配算法,通过建立包含灰度差异数据项和空间连续性约束项的能量函数的可行性泛函,经过迭代求解获得具有丰富细节的熔池表面稠密视差图.对自制非标准凹面形状进行立体匹配和三维重建,结果表明,宽度误差小于3.16%,深度误差小于4.82%.基于该算法实现了熔化极气体保护焊(gas metal arc welding,GMAW)的堆焊及V形坡口对焊条件下,不同熔透状态熔池稠密视差图计算和表面形貌的三维重建.     

基于红外透过滤光片的P-GMAW熔池图像传感

被动视觉熔池传感技术常采用窄带滤光片使熔池辐射较强而弧光较弱的某波长范围内的光进入摄像机,以抑制弧光干扰获得较清晰的熔池图像.在分析熔池辐射光谱分布、电弧光谱分布和摄像机光谱敏感曲线等影响熔池成像因素基础上,文中提出采用红外透过滤光片拍摄熔池图像,最大程度利用近红外波段熔池辐射能量高而电弧辐射弱的特点,同时透光波长范围的增加也避免了摄像机敏感性不足而导致的成像质量下降问题.P-GMAW熔池传感试验结果表明,红外透过滤光片能够较好的抑制弧光,在脉冲电流峰值和脉冲电流基值期间均可获得清晰和细节丰富的熔池图像.     

基于焊枪轮廓特征提取的焊接偏差测定方法

在熔化极气体保护焊(gas metal welding, GMAW)焊接过程中,由于弧光干扰严重,视觉系统难以同时准确提取焊缝和焊丝尖端,从而影响焊缝跟踪的精度.针对这个问题,提出一种定位焊枪中心来替代定位焊丝尖端的焊接偏差测定方法,并对该方法进行了可行性论证.首先,在增强熔池图像中的焊缝、焊枪边缘轮廓信息后,设置矩形窗获得边缘采样点.然后,使用聚类算法筛选出正确的边缘采样点,根据采样点利用最小二乘法拟合出焊缝直线和焊枪椭圆方程.最后,计算当前图像焊枪中心与焊缝直线的距离,与基准图像中的对应距离进行比较,测定出焊枪位置偏差量和焊枪摆幅偏差量.实际验证结果表明,焊枪中心与焊丝尖端的替代误差在0.2 mm以内,满足跟踪精度要求,具有较强的工程实际意义.     

基于模糊C均值算法的齿轮泵故障诊断技术

以CB-KP63齿轮泵为研究对象,提出了利用小波包频带能量提取齿轮泵的信号特征,用模糊C均值聚类算法得到齿轮泵的故障模式,然后用模糊贴近度进行故障模式的识别.实验结果表明,在此算法下,齿轮泵4种不同工作状态下的振动信号具有明显的可分性,并且该诊断方法对不同类型的齿轮泵故障诊断、维修保养等都具有一定的实用性.     

脉冲熔化极气体保护焊熔池的视觉传感与实时控制

研究对脉冲熔化极气体保护焊（GMAW）熔池过程采用视觉传感与实时控制方法的可行性问题。由于GMAW过程的熔滴过渡现象的复杂性，尝试模拟焊工通过观察熔池变化等因素来调整焊接参数获取满意的焊缝成形的行为。建立了脉冲GMAW过程熔池视觉传感系统，宏观上将熔滴过渡对熔池特征的影响作为黑箱过程处理，根据脉冲GMAW弧光光谱分布和熔池图像特征提取，实现对脉冲GMAW熔池动态过程的实时检测。采用辨识算法建立焊接动态过程的数学模型，进而设计脉冲GMAW熔宽的PID控制器，实现对脉冲GMAW熔池宽度的实时控制。试验表明，建立的视觉传感系统、图像处理算法以及控制器设计检测与控制熔池变化在一定程度上的能够满足脉冲GMAW焊缝宽度的实时性与精度要求。     

活性MAG焊电弧特征及熔池流动分析

提出了活性熔化极气体保护焊新方法,可增加焊接熔深,改善难熔焊接结构的熔合不良,获得高质量的焊接接头.对活性熔化极气体保护焊电弧状态和熔池表面形态进行了采集和分析,用钨粒子示踪法进行试验,分析了电弧形态和熔池流动.结果表明,活性熔化极气体保护焊电弧收缩显著,电弧形态更加集中,熔池内部液态金属的流动方向为从熔池周边向中心流动,熔池流动更为有序.对于钢的活性熔化极气体保护焊方法,熔池流动行为改变是增加焊接熔深的主要因素.     

基于视觉的焊接缺陷熔池图像特征探讨

针对MAG焊电弧光谱特点,采用被动式视觉传感方法,利用CCD摄像机配合近红外复合滤光系统消除弧光干扰,获取MAG焊熔池图像.从MAG焊焊接缺陷产生的机理及熔池流态出发,采用同步对比试验,研究了熔池图像特征与焊接缺陷的映射关系,提取出表面气孔、焊塌、焊穿等焊接缺陷所对应的熔池图像特征.结果表明,一种焊接缺陷往往有多种视觉图像特征,通过熔池图像特征判断表面气孔、焊塌、焊穿等焊接缺陷具有良好可行性,为基于视觉的焊接缺陷自动在线预测提供了技术依据.     

GMAW短路过渡焊接熔池的视觉检测

针对GMAW短路过渡焊接过程的熔池视觉检测,采用普通工业CCD摄像机,通过光谱分析选择窄带复合滤光器。设置了CCD摄像机曝光时间,分析短路过渡电压波形,确定了CCD摄像机采集时刻并设计了短路检测及CCD摄像机外触发电路,准确地将CCD摄像机的曝光时刻定位于短路过渡阶段。提出了正前方小角度和正后方大角度的图像采集方式。结果表明,采用以上图像采集方案,利用普通工业CCD摄像机可拍摄到连续清晰且不失真的熔池图像。并设计了图像处理算法,提取出完整的熔池边缘。     

基于频率域运算的脉冲GMAW熔滴图像的线性处理

通过微距高速摄影系统对脉冲GMAW过程进行拍摄,熔滴图像存在较多的焊接烟尘以及电弧光导致的环境噪声和衍射条纹,对进一步通过图像算法定量计算熔滴尺寸、缩颈变化等特征参数造成困难.因此在保证图像处理前后性质不变的条件下,采用频率域运算方式,设计了针对脉冲GMAW熔滴图像的衰减低通滤波器、高斯低通滤波器,并结合灰度映射和拉普拉斯叠加算法建立起了熔滴图像线性处理结构.结果表明,频率域的运算与线性处理结构的结合能够获得与噪声背景相分离的脉冲GMAW熔滴形态清晰图像,同时保证了图像的真实有效,为高精度定量分析脉冲GMAW过程提供了可能.     

高速电弧焊工艺的研究现状

分析了在实际生产中实现高速焊接的必要性以及常规焊接方法在实现高速焊时断遇到的问题.然后主要从双丝或多丝电弧焊工艺和双焊炬组合焊接工艺两个大的方面着重介绍了纵列式熔化极气体保护焊、等离子弧-熔化极气体保护焊和双电极熔化极气体保护焊等高速弧焊工艺.另外还介绍了其他实现高速焊的方法及其存在的问题,并对高速电弧焊工艺的发展和应用进行了展望.     

脉冲熔化极气体保护焊熔池图像的检测与处理

利用CCD摄像机和复合滤光技术建立了一套熔池图像实时采集系统。利用光谱分析,提出了适合于脉冲熔化极气体保护焊(P-GMAW)熔池成像的滤光光谱窗口,并对中心波长分别为665nm和1064nm滤光系统的成像质量进行了分析。分析了P-GMAW单个脉冲内的不同时刻的熔池图像,研究表明脉冲基值结束期间为最佳的取像时刻。使用中心波长为665nm的滤光系统,从熔池正后方取像,获取了清晰的熔池图像。针对所获取的典型的P-GMAW熔池图像,详细研究了其成像机理。开发了一套熔池图像处理程序,利用该程序提取了完整的熔池轮廓。     

基于人机交互技术的机器人熔化极气体保护焊再制造系统

针对再制造过程中失效零件三维模型重建难的问题,通过采用"三维建模—模型分层—逐层堆积"的零件再制造思想,提出基于人机交互技术的机器人熔化极气体保护焊再制造系统,并对该系统的人机交互模式进行了分类研究。同时,详细阐述人机交互式机器人熔化极气体保护焊再制造系统软硬件结构的组成及设计思路,并基于OpenGL开放式图形库开发了相应的人机交互界面,界面环境友好,功能强大,且便于用户实时操作。     

GMAW焊接熔池形状和表面变形的数值模拟

采用双椭球体热源分布模式,把过热熔滴带入熔池的热焓量处理为特定区域的均匀热源,建立了运动电弧下GMAW焊接热过程的数值分析模型.利用Visual For-tran编写数值计算程序,预测了从电弧引燃到准稳态过程中焊接熔池形状和熔池自由表面变形的动态演变,并进行了对比试验.基于数值模拟和工艺试验结果,可以看出达到宏观准稳态时计算所得的焊缝形状尺寸与试验结果基本吻合,因此验证了所建模型和采用的计算方法是正确、可靠的.     

保护气体对实心焊丝气体保护焊性能的影响

通过采用不同的保护气体,确定了保护气体成分对实心焊丝气体保护焊的工艺性能、焊缝金属化学成分、力学性能等的影响。对锅炉、压力容器不锈钢附件气体保护焊选材作了论证,将不锈钢附件实心焊丝气体保护焊与焊条电弧焊的性能作了综合比较,间接论证了不锈钢附件实心焊丝气体保护焊气体的可行性,并确定了不同工作环境下不锈钢附件气体保护焊保护气体的选择。获得了各种保护气体下实心焊丝气体保护焊化学成分、工艺性能的差异,对指导实心焊丝气体保护焊生产,提升产品外观、内在质量具有重要的指导意义。     

基于ANSYS的GMAW温度场计算

根据传热学、流体力学、物理冶金等理论，建立了运动电弧下熔化极气体保护焊(GMAW)的三维非稳态熔池的数学模型。在数学模型的基础上建立了GMAW堆焊的有限元模型，并使用通用有限元软件ANSYS对熔池温度场进行了计算，在计算的过程对有限元模型进行了非均匀网格划分，加入了熔滴对熔池的能量和表面变形的影响，采用了双高斯热源叠加的双峰热源分布模型，应用有限元生死单元的处理方法。并通过不同工艺参数下的工艺试验的熔宽和熔深的测量值与ANSYS计算值进行了比较，熔池的熔宽和熔深的误差均控制在8％以内。结果表明，使用ANSYS和使用双峰分布的热流来计算GMAW温度场均是可靠和可行的。     

铝合金脉冲MIG焊参数对熔池视觉传感效果的影响

利用建立的铝合金脉冲MIG焊熔池CCD视觉传感系统,通过焊接工艺试验研究了脉冲电流模式、熔滴过渡形式、焊丝伸出长度、焊枪位置和焊接电压等焊接参数对熔池视觉传感效果的影响规律.结果表明,熔滴过渡形式对视觉传感效果影响最大,在合适的脉冲电流模式下,通过调整焊接工艺参数使熔滴过渡为小颗粒自由过渡,配合短弧焊接既可得到良好的焊缝质量和成形,又可保证视觉传感效果.     

基于LabVIEW的焊接过程多信息分析平台

基于焊接多信息同步采集系统,采用LabVIEW图形化语言,以熔化极气保焊的焊接电流、电弧电压、电弧光谱为信号源,构建了包括电信号参数设置、电信号数据分析模块、光信号参数设置与自动选择、光信号数据分析的焊接过程多信息分析平台。可实时显示焊接电流波形、电弧电压波形、电弧辐射光谱等;系统还通过数据分析处理得到U-I相图、焊接电流和电弧电压概率密度、短路时间频次图、电弧辐射光强与波长对应图、计算焊接温度的玻尔兹曼图等,通过上述信息分析,检测电弧状态和信息,可用于焊接过程诊断和焊接电弧物理研究等。     

GMAW根部间隙及焊枪对中信息的视觉检测

焊缝跟踪是焊接质量控制的一个重要内容。采用普通CCD摄像机配合窄带复合滤光器,拍摄出了GMAW根部间隙图像,根据对图像中根部间隙的特征分析,设计了图像处理算法,提取出了根部间隙边缘,获得了根部间隙的大小和焊枪对中信息,为下一步实现GMAW的焊缝跟踪奠定了基础。