基于熔池特征的激光填絲焊熔透預測技術研究

陳鵬，馮英超，羅瑞強，劉金平，李松洋，閆燦燦，李竹淵，姜佳成，潘國偉

1.中國核工業二三建設有限公司 北京 101300

2.核工業工程研究設計有限公司 北京 101300

3.中核集團高效能化焊接重點實驗室 北京 101300

1 序言

激光焊具有能量密度高、焊接效率高、焊后變形小、熱影響區窄及不與工件接觸等特點[1，2]，當前應用領域覆蓋汽車工業、船舶制造和石油化工等。激光焊接也有如下不足：①由于能量集中，光斑直徑小，熔池覆蓋面積小，所以對工件組對（間隙、錯邊）提出了較高的要求。②在焊接不銹鋼、鋁等表面光澤的金屬材料時激光能量會被反射掉一部分，從而降低能量的轉化率，進而影響焊縫質量。③母材受激光加熱部分熔化或氣化后迅速凝固形成匙孔，孔中的氣體因較難逸出而產生氣孔、縮孔等缺陷。其中，焊縫質量是影響焊接產品使用性能和壽命的重要因素[3]。

在熔透預測方面，觀測熔池獲取其信息是關鍵。國內外學者對熔池信息傳感進行了大量研究[4]。如山東大學的李傳宗[5]針對預留間隙TIG薄板焊接熔透預測問題，以正面熔孔熔池圖像為輸入，熔透狀態為輸出，建立了熔透預測模型，取得了98%的預測精度。哈爾濱工業大學的李海超等[6]以被動視覺采集到的熔池二維圖像為輸入數據集，建立了CNN背面熔透預測模型，通過優化學習率、batch-size、迭代次數等網絡參數，在測試集上取得了高于96%的預測準確率。大阪大學的N O M U R A等[7]針對GMAW熔深預測問題，利用熔池頂部圖像作為輸入創建了一個CNN模型，結果表明，超過95%的熔深預測誤差小于1mm。隨著計算機行業的不斷興起，焊接質量在線監測已成為控制焊接質量較為普遍的方式，針對激光焊接關于焊縫熔透性問題方面必須在焊接過程中對熔透狀態進行實時監測，進而通過及時調整焊接參數來避免缺陷的產生[8]。因此，本文采用316L不銹鋼薄板進行激光填絲焊，通過改變焊接參數得到不同熔透狀態的焊縫成形，并采用Xiris熔池相機獲取焊接過程中的熔池上方圖像，觀察不同熔透狀態下的熔池及等離子體區域變化[9-11]。通過圖像處理技術將圖像轉化為8位灰度圖，在此基礎上，對得到的灰度圖像進行讀取，提取出ROI區域的平均灰度值，進而間接判斷焊縫的熔透性。利用此方式能夠做到在焊接過程中及時判斷熔透性，維護了激光焊接不銹鋼焊縫質量的穩定性[9]。

2 試驗材料及方法

采用316L奧氏體不銹鋼進行激光填絲焊熔透性試驗，采用V形坡口，如圖1所示。焊絲材質為ER316L，化學成分見表1。采用控制變量法，分別選用激光功率為1100W、1500W、1900W進行試驗。為了避免試驗結果的偶然性，每組焊接參數重復3次，焊后觀察焊縫背部成形情況，并在焊接過程中使用Xiris熔池相機進行實時采集，如圖2所示。在焊接過程中每秒鐘采集30張熔池照片，觀察不同工藝參數下熔池及等離子體區域變化，通過圖像處理技術提取ROI區域內像素點的灰度值，ROI區域如圖3所示，進而反映該區域內的亮度變化，以預測焊縫的熔透情況。

表1 焊絲ER316L化學成分要求（質量分數） （%）

圖1 316L奧氏體不銹鋼坡口示意

圖2 熔池相機實時采集相對位置

圖3 ROI區域

3 試驗結果及分析

3.1 熔透試驗

當焊接功率為1100W、送絲速度為2mm/s時，重復3組試驗，焊縫的背部成形情況及亮度曲線如圖4所示。

圖4 1100W焊縫背面成形情況及亮度曲線

從圖4可看出，當使用1100W激光功率進行焊接時，由于功率較小，單位面積內能量密度小，由于焊絲的加持，部分能量被焊絲吸收，集中在母材上的能量沒有達到熔透的閾值，熔池熔深未能超出試板厚度，導致整條焊縫的背部均未熔透。

使用Xiris熔池相機實時拍攝焊接過程熔池形貌，亮度曲線如圖5所示，橫軸表示焊接過程中拍攝的熔池照片數量，縱軸為經圖像處理ROI區域后提取出的熔池照片的灰度值。由圖5可看出，當拍攝初期即焊接時間在0～1.7s時，作用于試板上的激光束處于不穩定狀態，亮度曲線波動范圍較大，不能作為熔透判斷依據。1.7～5.8s后激光束穩定作用于試板上，亮度曲線較為平緩，灰度值在50～70內小幅度變化，整體趨于水平。約4s時激光束穩定后的熔池圖像如圖6所示。

圖5 激光束作用于試板初期熔池圖像及曲線

圖6 約4s時激光束穩定后的熔池圖像

焊接速度、送絲速度、氣體流量及離焦量保持不變，改變焊接功率至1500W，重復3次試驗，焊縫背面成形情況及亮度曲線如圖7所示。

從圖7可看出，焊縫背面部分區域為熔透狀態，這是因為將激光功率增加至1500W后，焊絲完全熔化的同時，作用在母材上的光斑也可以將母材熔化，但此工藝參數剛好接近試件熔透的閾值，因此試件部分區域仍處于未焊透狀態。

在進行第1組試驗時，處于部分熔透狀態的熔池及等離子體區域亮度變化不穩定，0～1.7s內由于激光束不穩定，灰度值呈斷崖式變化，1s后亮度曲線也并未趨于穩定，其灰度值在60～115之間大范圍內波動。

其余兩組試驗和預期結果相同，0～1.7s焊接初期，拍攝到的熔池照片灰度值出現斷崖式變化，隨后1.7～5.8s灰度值穩定在50～74之內，亮度曲線整體趨于水平，并未出現明顯波動，拍攝到的約4s時激光束穩定后的熔池圖像如圖8所示。

圖8 約4s時激光束穩定后的熔池圖像

將焊接功率增大至1900W，重復3組試驗，焊縫背面成形情況及亮度曲線如圖9所示。

圖9 1900W焊縫背面成形情況及亮度曲線

功率增大至1900W，焊絲熔化的同時，額外打在試板上的能量足以超過母材熔化閾值，整條焊縫背部均為熔透狀態。

拍攝到的約4s時激光束穩定后的熔池圖像如圖10所示。由圖10可看到，熔池上方等離子體火焰相比未熔透狀態的等離子體火焰波動劇烈。通過圖像處理提取ROI區域的灰度值后發現在該組工藝參數下焊接，亮度變化明顯，約1.7s后激光束處于穩定狀態，熔透狀態下的灰度值相較于未熔透及部分熔透的灰度值變化范圍明顯增大，灰度值波動范圍為48～100。

圖10 約4s時激光束穩定后的熔池圖像

3.2 熔透預測

由上述分析可知，當焊縫處于熔透狀態時，熔池上方等離子體火焰波動劇烈，通過熔池相機實時拍攝到的熔池照片亮度值變化幅度大。當焊縫處于未熔透狀態時，熔池上方等離子體火焰相較于熔透狀態下穩定，實時提取到的熔池照片亮度變化幅度平緩，整體趨于水平分布。因此，針對焊接穩定后的熔池圖像，提取熔池及等離子體區域的灰度值，并求取焊接過程熔池及等離子體區域的灰度值方差，以灰度值方差反映熔池及等離子體區域的亮度變化。不同熔透狀態下的灰度值方差見表2。

表2 不同熔透狀態下的灰度值方差

針對低功率條件下的激光焊接，分析熔池圖像與熔透間的對應關系可以發現，低功率下熔池尺寸較小且由于等離子體的影響，采用旁軸拍攝難以獲取熔池形貌，進而難以判斷焊縫熔透狀態。因此，提出了一種低功率激光焊接條件下判斷焊縫熔透狀態的方法，針對熔池及等離子體區域亮度的變化，采用像素點灰度值方差來反映該區域內的亮度變化，并以此來判斷焊縫熔透狀態。

針對9組數據亮度變化進行統計并分析其熔透關系，9組數據亮度變化曲線如圖11所示，灰度值方差變化柱狀圖如圖12所示。由圖11、圖12可知，光束穩定后未熔透模型的最大灰度值為70.26，最小灰度值為55.12；部分熔透模型的最大灰度值為79.49，最小灰度值為54.12；熔透模型的最大灰度值為99.51，最小灰度值為48.23。對整條焊縫中熔池及等離子體區域像素點灰度值方差進行提取，然后基于灰度值方差進行判斷，若滿足灰度值方差＞75，則判斷為熔透狀態，然后進一步判斷灰度值方差是否＜35，若滿足該條件則判斷為未熔透狀態，不滿足則判斷為部分熔透狀態。采用該方法對該9組試驗的全部熔池圖像進行判斷，發現采用該方法判斷的準確率為88%。

圖11 模型驗證亮度變化曲線

圖12 灰度值方差變化柱狀圖

4 結束語

1）當焊縫處于熔透狀態時，熔池上方等離子體火焰波動劇烈，通過熔池相機實時拍攝到的熔池照片亮度值變化幅度大。當焊縫處于未熔透狀態時，熔池上方等離子體火焰相較于熔透狀態下穩定，實時采集到的熔池照片亮度變化幅度小，整體區域水平分布。

2）處于部分熔透狀態的熔池及等離子體區域亮度變化上的穩定程度不一致，原因臨界狀態的焊縫具有熔透區域和未熔透區域，當焊縫中未熔透區較多時，亮度值趨于平穩，當熔透區較多時結果相反。

3）通過上述試驗結果及驗證表明，本文設計的方法能夠有效判斷激光焊接316L奧氏體不銹鋼的熔透性，為激光焊在熔透性研究方面提供了實施基礎和理論依據，對激光焊熔透性預測具有指導意義。