安全氣囊發生器激光焊接在線監測技術探究

肖輝，張朝林，張浩軍，高夢娜，畢開斌，朱李寧，解建峰，王平

1.湖北航鵬化學動力科技有限責任公司 湖北襄陽 441103

2.應急救生與安全防護湖北省重點試驗室 湖北襄陽 441103

1 序言

氣體發生器是安全氣囊的核心部件，而激光焊接是發生器生產中的一個特殊過程，焊接質量的好壞直接影響發生器起爆時的安全性。傳統的焊接主要是人工作業，目視檢測焊縫表面質量，這種方法不但效率低、主觀性強，而且不能滿足自動化線連續不停歇生產的需要。

在線質量檢測技術是通過焊接在線質量監測系統LWM（Laser Welding Monitor）和焊接表面質量檢測系統（機器視覺）二者共同來完成的。LWM系統由LWM傳感器、監視器、ASLR放大器及控制柜等組成，集成在焊接頭上。焊接過程中產生的劇烈物理變化會造成輻射，而輻射直接關系到焊縫質量，因此可通過輻射測量值分析焊縫質量。這些信號與焊接過程的穩定狀態密切相關，通過監測這些信號來分析焊接過程是否穩定，可間接判斷焊縫質量的好壞。機器視覺是利用圖像攝取裝置，將被攝取的目標轉換成圖像信號并傳送給專用的處理系統后，根據像素分布和亮度、顏色等信息，轉變成數字化信號，在此基礎上進行缺陷等級的判定[1，2]。

本文通過采購的LWM和機器視覺設備，利用其工作原理制定方案，通過大量試驗驗證獲得最終控制參數，從而實現焊接在線質量監控能力。

2 焊縫質量在線檢測技術

2.1 焊接在線質量監測（LWM）

LWM系統通過配置的激光等離子體、背反射、溫度及功率探測器采集信號進行檢測與分析，通過試驗建立4種輻射信號與熔深、焊縫形貌的定量關系，并監視激光焊接過程中傳輸的信號，通過將信號與合格部件中的信號序列進行比較，評估焊接結果的好壞。

（1）LWM系統設計 為了設計LWM系統各指標的判定范圍，用正常生產參數（功率1.9kW、轉速140°/s、角度10°）焊接200個工件（編號為N1~N200），系統自動記錄并將這200個曲線添加到數據庫中。

人工判斷焊后工件表面質量，其中編號為N5、N20的工件表面質量異常；再對表面質量合格的工件進行破壞性切割，合格工件的切割顯影圖如圖1所示，檢測其熔深（要求1.95~2.6mm）和偏移量（要求－0.3~0.3mm），其中編號為N31的工件熔深不滿足要求，在LWM系統中將編號為N5、N20、N31不合格工件的焊接曲線刪除，系統僅保留其余197個合格工件的曲線，如圖2所示。

在參數設置界面設置生成曲線范圍，系統自動計算曲線最低值、最高值的擬合曲線，得到各指標的上下限范圍，如圖3所示。

圖1 合格工件切割檢測顯影圖

圖2 合格工件的焊接曲線

圖3 焊接曲線各指標上下限

（2）LWM系統的應用 LWM在發生器焊接過程中能夠實現焊接保護氣流量錯誤、焊縫熔深偏移量錯誤、產品工況錯誤及焊縫完整性錯誤等檢測。

當出現焊接保護氣流量錯誤時，工件焊后表面不平，LWM系統中背光反射值受到影響，背光反射指標會出現異常，如圖4所示。

圖4 焊接保護氣流量錯誤

在焊接過程中，若出現工件內部熔深錯誤，工件未熔透到要求的熔深值，則等離子體狀態和溫度能直接反應小孔的熔透狀態，當工件熔深在1.79~1.95mm時，LWM系統判定等離子體和溫度曲線異常，如圖5所示。

圖5 焊縫熔深錯誤

等離子體信號波動反映了焊接過程中小孔的穩定情況，而小孔的異常波動又是產生氣孔缺陷的起因，也是決定氣孔生成的主要因素之一，因此等離子體信號波動與焊接氣孔缺陷存在一定的關聯性。LWM系統判定的焊縫表面氣孔缺陷如圖6所示。

圖6 產品表面氣孔缺陷

焊接時激光作用在工件表面，工件溫度會升高，熱輻射探測器接收熱信號。若焊縫出現缺焊，熱輻射值會明顯波動，因此可以根據熱輻射判定焊縫的完整性。而且缺焊時，工件沒有發生熔透反應，無等離子體產生，等離子體曲線也會出現異常。當焊接過程中卡盤出現異常或停止轉動時，LWM系統會判定焊縫缺焊，如圖7所示。

圖7 焊縫缺焊

2.2 焊縫表面缺陷質量檢測（機器視覺）

機器視覺是指在焊接完成后，利用圖像攝取裝置，將被攝取的目標轉換成圖像信號，對焊縫的外形尺寸如同心度，以及對焊縫表面凹坑、飛濺、氣孔等表面缺陷進行外觀檢測[4]。

（1）同心度檢測 為了精準提取孔的邊緣，在基準圖像上調整曝光時間為4.9ms，亮度+3，使其他區域干擾像素過曝，再使用趨勢邊緣位置工具設定檢測段數值為72，邊緣敏感度值為20，測量工件內圓孔圓心。以工件內圓孔圓心值作為基準值，測量焊縫圓心值，使用趨勢邊緣位置工具設定邊緣敏感度值為30，排除邊緣干擾值為31，段大小值為15，可以檢測出焊縫圓心。將兩者圓心值對比實現缺陷檢測，追加數值比對工具，利用范數公式即可求得兩點的距離，公差設定為0.2mm為同心度合格。當卡盤圓跳動不合格時，視覺系統判定的同心度不合格，如圖8所示。

圖8 同心度檢測錯誤

（2）表面凹坑或氣孔檢測 合格的焊縫表面平滑，近似鏡面，輔助光照射后會與母材形成較大反差，可提取出焊縫檢測范圍，若焊縫有凹坑或氣孔缺陷，則不會形成鏡面反射，一定范圍的灰度值會發生變化。利用相機3D投影檢測瑕疵工具實現缺陷檢測，有凹坑或氣孔則呈現黑色面積。首先執行基本圖像處理工具，增加圖像特征對比度和灰度系數，并選定焊縫檢測范圍藍色圓環內。通過分析像素在該區域的灰度變化，提取相關的信息。將灰度值相差大于100像素區域判定為凹坑或氣孔缺陷，如圖9所示[5]。

圖9 焊接表面質量凹坑或氣孔

2.3 試驗驗證

對以上方法及參數設定是否有效開展試驗驗證并進行統計分析。連續焊接300發合格產品進行檢測，符合正態分布，說明過程穩定受控，CPK為4.2，過程能力合格，說明在線質量檢測功能準確可靠。

3 結束語

焊縫缺陷的準確識別是焊縫質量檢測的關鍵，而在線質量檢測技術改變了傳統焊接無法在線檢測的難點，通過大量的試驗找到了與焊縫缺陷直接關聯的特征參數。

在發生器自動化焊接中，采用LWM系統和機器視覺的在線質量檢測方法進行焊縫的質量檢測，解決了依靠人員目視主觀判斷效率低、檢測標準規范難確定、檢測數據不易統計與查詢的難題。目前，該檢測系統已成功投入發生器生產中，極大地提高了發生器焊接的生產效率，實現了每發產品的實時焊接質量追溯，保證了產品的質量可靠性。