對接接頭焊件批量缺陷空間位置的可視化

石端虎，吳三孩,，歷長云，沙靜，孫遠，楊峰

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

0 前言

激光焊在國防、軍工、高速列車等重要工業(yè)部門獲得了廣泛應用，而且輕質合金如鋁合金等激光焊件大量應用在高速列車車體結構上，但由于激光焊的固有特點，在焊接工藝參數(shù)波動及保護不良時，極易在焊縫中形成氣孔類缺陷，為保障高速列車等重要裝備的安全，亟需開展鋁合金激光焊件缺陷無損檢測及空間定位研究。而對接接頭焊件應用最廣泛，因此開展對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價值和工程應用背景。

目前國內(nèi)外已開展了焊件缺陷分割、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]，但開展對接接頭焊件內(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報道，盡管作者在文獻[6-8]中已開發(fā)了工字型激光焊件缺陷空間位置可視化程序，尚不能應用到對接接頭上。而且文獻[6]中缺陷可視化采用手工繪制方式實現(xiàn)，每次只能實現(xiàn)單個缺陷的可視化，可視化效率極低，根本無法滿足實際工程的需要。文獻[7-8]中盡管實現(xiàn)了焊件批量缺陷的自動可視化，但在余高和熔合區(qū)輪廓線的可視化繪制方面仍存在一定問題：一是直接做了簡化，沒考慮余高；二是直接用直線代替熔合線的曲線過渡。在常用4種焊接接頭(對接接頭、十字或T形接頭、角接接頭、搭接接頭)中，對接接頭應用最廣泛，因此創(chuàng)建對接接頭焊件缺陷深度和偏移量的數(shù)學模型，確定缺陷的空間位置，并建立余高和熔合區(qū)輪廓線的數(shù)學模型，開展對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)實意義，有著極為重要的理論研究意義和工程應用價值，可為重要焊接結構的焊接缺陷修補、焊接工藝制(修)訂和缺陷空間分布特征研究及結構完整性評價奠定良好基礎。

1 缺陷深度與偏移量數(shù)學模型

在采用無損檢測方法確定對接接頭焊件缺陷空間位置時，為對接接頭焊件添加了輔助塊，將其轉換為T形接頭焊件，其中輔助塊中心線與焊縫中心線重合，且輔助塊材料與對接接頭焊件母材材料相同，輔助塊中無缺陷。采用透明膠帶將兩者固定在一起，射線檢測完成后可拆去透明膠帶，對對接接頭焊件的外觀無影響。轉換后的焊件示意圖如圖1所示。為了確定缺陷的空間位置，對圖1的焊件左右旋轉45°進行了X射線檢測，并獲取了X射線檢測圖像。選用X射線穿透焊件最薄處為定位特征點，建立的缺陷深度和偏移量的數(shù)學模型見式(1)和式(2):

圖1 轉換后的焊件

(1)

(2)

式中：h為缺陷到對接接頭焊件表面(余高側)的距離，即缺陷深度，mm；dl為焊件右轉時缺陷中心點到X射線穿透焊件最薄處的投影距離，mm；dr為焊件左轉時缺陷中心點到X射線穿透焊件最薄處的投影距離，mm；W為輔助塊寬度，mm；δ為對接板厚度，mm；x為缺陷偏移焊縫中心線的距離，即缺陷偏移量，mm。對于對接接頭焊件，其中輔助塊寬度W、對接板厚度δ為已知量，dl和dr2個投影距離可通過對添加輔助塊的焊件左右旋轉后獲得的X射線檢測圖像進行缺陷分割和缺陷細化獲得，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對檢測圖像的缺陷分割獲得，從而缺陷的空間位置可以確定下來，也就實現(xiàn)了缺陷的空間定位。

2 焊縫輪廓線數(shù)學模型創(chuàng)建

圖2為對接接頭焊件，圖2a為焊件示意圖，圖2b為焊件橫斷面圖。

圖2 對接接頭焊件

在焊縫繪制中，為了真實再現(xiàn)余高和熔合區(qū)的過渡曲線，對焊縫余高和熔合區(qū)的弧度曲線構建了橢圓方程。圖3為焊縫(含余高和熔合區(qū))輪廓線數(shù)學模型建立示意圖，圖中標出了余高ρ、熔寬d和熔深δ(全熔透時熔深即板厚)。

圖3 焊縫輪廓線數(shù)學模型

余高輪廓線的曲線方程見式(3)：

(3)

即

(4)

熔合區(qū)輪廓線的曲線方程見式(5)：

(5)

即

(6)

3 焊件缺陷空間位置可視化

3.1 主界面設計

對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)及功能操作區(qū)(主界面右側)等2部分組成；圖像顯示區(qū)可用于任意角度觀察對接接頭焊件缺陷可視化；功能操作區(qū)可調(diào)整對接接頭焊件的參數(shù)設置，實現(xiàn)焊件建模、模型清除、導入自動提取的缺陷數(shù)據(jù)、缺陷清除等功能。此外可設定仰角和方位角，以便于檢測人員觀察，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 主界面設計

3.2 焊件三維建模

基于Matlab構建對接接頭焊件模型，可使用Patch函數(shù)，利用對象的頂點坐標點創(chuàng)建對接接頭焊件結構，同時對象的明亮程度及顏色也可指定。

確定構建對象的頂點數(shù)量、頂點坐標矩陣、頂點聯(lián)接矩陣及創(chuàng)建面的顏色屬性數(shù)據(jù)后可構建對接接頭焊件結構模型。采取的語句如下：figure, patch(‘faces’, f, ‘vertices’, v, ‘FaceVertexcdata’, jet(68),‘FaceColor’,‘flat’);其中：‘faces’為聯(lián)接矩陣；‘vertices’為頂點矩陣；‘FaceVertexcdata’用于說明頂點或聯(lián)接矩陣；‘FaceCol-or’用于控制對象的顏色。圖5為創(chuàng)建的焊件模型，其中余高和熔合區(qū)輪廓線的繪制采用式(3)和式(5)的曲線方程。

圖5 焊件模型

3.3 缺陷可視化

對T形接頭焊件左右旋轉獲取其X射線檢測圖像，建立缺陷深度和偏移量數(shù)學模型，提出左右轉圖像中缺陷分割及缺陷自動對應準則，實現(xiàn)了對接接頭焊件中缺陷空間位置數(shù)據(jù)的自動提取[1]，提取的某對接接頭焊件缺陷空間位置數(shù)據(jù)見表1，表中給出了22個氣孔缺陷的空間位置數(shù)據(jù)。

表1 對接接頭焊件缺陷空間位置數(shù)據(jù)

將表1中自動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)導入建立的焊件三維模型中，可實現(xiàn)對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)整及其他功能實現(xiàn)

4.1 可視角度調(diào)整

該功能主要是通過調(diào)整仰角和方位角實現(xiàn)對接接頭焊件模型觀察角度變化，以達到從任意角度觀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。圖7為可視角度調(diào)整對比。

圖7 可視角度對比

4.2 透明化處理

透明化處理功能主要是設置透明度，以便于檢測人員更清晰地觀察缺陷空間分布。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隨著設定值的減小，焊件模型愈來愈透明。圖8為透明度對比圖。

圖8 透明度對比

4.3 三視圖顯示

為了更清楚地觀察缺陷在對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附近；從圖10可知缺陷主要分布在板厚上表面兩側，說明激光焊接時冷卻速度過快，導致氣體未能有充分時間逸出，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分布。缺陷可視化三視圖可以讓檢測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、焊接工藝制訂和缺陷空間分布特征研究提供有價值的參考。

圖9 缺陷主視圖

圖10 缺陷左視圖

圖11 缺陷俯視圖

5 結論

(1)添加輔助塊將對接接頭焊件轉換為T形接頭焊件，建立了缺陷深度和偏移量的數(shù)學模型，實現(xiàn)了缺陷的空間定位。同時為了真實再現(xiàn)焊縫缺陷在對接接頭焊件中的空間分布，創(chuàng)建了余高與熔合區(qū)輪廓線的數(shù)學模型，實現(xiàn)了余高和熔合區(qū)過渡區(qū)曲線的繪制。

(2)設計了對接接頭焊件缺陷可視化界面，創(chuàng)建了對接接頭焊件三維模型，導入了自動提取的缺陷空間位置數(shù)據(jù)，實現(xiàn)了對接接頭焊件中批量缺陷的空間位置可視化。

(3)開發(fā)的對接接頭焊件缺陷可視化程序可實現(xiàn)焊件參數(shù)設置、缺陷數(shù)據(jù)導入、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，易于實現(xiàn)任意角度觀察，可為重要結構對接接頭激光焊件的快速無損檢測、缺陷修補、焊接工藝制(修)訂、缺陷空間分布特征研究和接頭完整性評價奠定良好基礎，也可為其它接頭類型焊件缺陷空間位置可視化提供有價值的參考，工程應用前景廣闊。