激光拼焊焊缝质量自动检测技术研究及应用现状
Welding Technology Vol．43No．9Sep.2014
激光拼焊由于其高速度、高精度等优点被广泛应用于航空、航天、汽车、造船等领域，尤其在汽车生产制造过程中，以激光拼焊为代表的新一代焊接技术成为汽车生产企业提升产品质量、降低生产成本、增加产品竞争力的有力工具［1－3］。为了确保激光拼焊板材的高质量要求，焊缝质量检测技术成为激光拼焊质量保证的关键技术之一。
焊缝质量自动化检测技术可以在焊接过程中实时检测焊缝质量，也可以在焊接完成后设定特定工位即时对焊缝质量进行检测，在线直接给出判断结果，质量合格或不合格，可以满足激光拼焊的高效率要求。目前，应用于实际激光拼焊生产线中的在线质量检测技术主要包括结构光视觉焊缝质量检测技术、电磁超声焊缝质量检测技术和漏磁无损检测技术等。
本文简要介绍了广泛应用于激光拼焊的焊缝质量自动检测技术，分别对各技术的工作原理进行了阐述，综述了各技术的研究现状及应用情况，并在此基础上指出了当前存在的问题及未来的发展趋势。
1激光拼焊焊缝质量检测标准
激光拼焊焊缝质量检测标准主要依据ISO13919－1—1996《焊接电子束和激光焊接接头缺陷的质量分数指南第1部分钢》。在激光拼焊中，工件的焊接质量标准必须达到或高于ISO13919－1—1996标准中的B级要求。在该标准的基础上，结合已有的激光拼焊焊缝质量检测企业标准，归纳出常见的激光拼焊焊缝表面几何形貌缺陷主要包括：错边量、咬边、焊缝凹度/凸度、过度烧穿等，如图1所示。其中，h，h1，h2为缺陷尺寸，mm；T2为待拼焊板材中薄板的厚度，mm。
2结构光视觉焊缝质量检测技术
结构光视觉由于具有采集信息量大、识别精度高、速度快等优点，被广泛应用于焊缝表面质量在图1主要焊缝缺陷示意图及检测标准要求
激光拼焊焊缝质量自动检测技术研究及应用现状
邹媛媛1，2，赵明扬1，2
（1．中国科学院沈阳自动化研究所，辽宁沈阳110016；2．中国科学院沈阳自动化研究所扬州工程技术研究中心，江苏扬州225000）
摘要：激光拼焊由于其高速度、高精度等优点被广泛应用于航空、航天、汽车、造船等领域。为了确保激光拼焊板的高质量要求，焊缝质量检测技术成为激光拼焊质量保证的关键技术之一。本文简要介绍了广泛应用于激光拼焊的焊缝质量自动检测技术，主要包括结构光视觉焊缝质量检测技术、电磁超声波焊缝质量检测技术和漏磁无损检测技术等，分别对各技术的工作原理进行了阐述，综述了各技术的研究现状及应用情况，并在此基础上指出了当前存在的问题及未来的发展趋势。
关键词：焊缝质量检测；在线检测；激光拼焊
中图分类号：TG409文献标志码：B
文章编号：1002－025X(2014)09-0063-04
收稿日期：2013-12-22
基金项目：江苏省自然科学基金项目（BK2011453）
（a）错边量（要求h≤0．1T2）（b）咬边（要求h≤0．1T2）
（c）凹度（要求h≤0．1T2）（d）凸度（要求h≤0．2＋0．15T2）（e）过度烧穿（要求h≤0．2＋0．15T2）
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DOI:10.13846/https://www.360docs.net/doc/2c4274675.html,12-1070/tg.2014.09.018
焊接技术第43卷第9期2014年9月
线检测［4－6］。在检测焊缝质量的同时还可以依据质量缺陷判断焊接工艺是否合理，进而实现焊接过程的反馈控制，可以有效地保证加工质量，提高焊接的稳定性和可靠性。
2．1结构光视觉焊缝检测原理
结构光视觉焊缝质量检测技术是基于结构光三
角测量原理，检测示意图如图2所示。
采用结构光视觉技术进行激光拼焊焊缝检测时，将视觉传感器集中安装在焊接头后面，可在焊接后即时对焊缝进行检测。在检测过程中，一字线型激光器发出特定波长的线状结构光，投射到焊缝表面，该线状光经焊缝表面反射或散射后，由处于另一位置的摄像机获得，即将反映焊缝表面形状的三维图像转换为线状光的二维畸变图像。线状光的畸变程度取决于激光器和摄像机之间的相对位置及焊缝的三维形状，当激光器和摄像机的相对位置固定时，由畸变的线状光图像便可获得焊缝三维轮廓信息。依据焊缝质量标准中的各缺陷指标，通过图像处理算法提取相应特征点，计算获得质量缺陷信息，最后将计算值与焊缝质量标准对比，获得焊缝质量信息。
2．2国内外研究及应用现状
国外相关研究机构及公司针对结构光视觉焊缝
质量检测技术，开展了大量研究并取得了突出成果。
Chang-Hyun Kim 等人设计了用于焊接机器人的结构
光视觉传感系统，通过测量焊缝剖面获得焊缝的三维形貌信息［7］。美国爱迪生焊接研究所研制了基于结
构光视觉的焊缝质量检测系统，能够在线检测激光拼焊板的质量，其识别的项目包括焊缝宽度、凸度、凹度、未熔合等，当空间分辨率足够高时，能够识别焊缝表面小孔缺陷，当待拼接的板厚相近或相等时，焊缝几何形貌由于结构光特征点不明显而较难测量［8］。
加拿大、德国、法国、瑞士等都有用于激光拼焊的基于结构光视觉的焊缝质量检测商业化产品。加拿大Servo-Robot 公司开发的高分辨率结构光视觉焊缝质量检测系统如图3所示［9］，可用于激光拼焊的质量检测与控制，检测的最大速度达10m /min ，可检测的项目包括焊缝宽度、凸度、凹度、错边量、焊缝坡角、咬边、过度熔穿、焊缝小孔等。
德国Precitec 公司的激光焊缝质量检测系统
SGM 可实现激光拼焊的焊缝质量检测，可在线提供
焊缝几何形状的质量相关信息，在焊接结束后，立即检测表面上的焊缝，通过集成在焊接头中，可直接在焊接工位上进行监控。焊缝质量检测系统SOU-
VIS
R
5000可以实现焊缝三维形貌参数与焊缝表面
均匀性参数同步检测。SOUVIS R
5000检测系统可广
泛应用于焊接机、机械手和龙门式高架设备［10］。
在国内，哈尔滨工业大学焊接国家重点实验室开发了基于结构光视觉的焊后检测系统，该系统能够实现对接焊缝和角接焊缝的外观尺寸和连续性检测，所开发的算法可靠性好，从而为精确地计算焊缝宏观尺寸信息奠定了基础［11］。中国科学院沈阳自动化研究所研发了全自动激光拼焊成套装备，并针对激光拼焊的质量检测需求研究了基于结构光视觉的激光拼焊焊缝质量检测系统，包括焊缝正面和背面的质量检测，该系统能实现焊缝宽度、错配、凸度和凹度等项目的检测。
图2结构光视觉焊缝质量检测示意图
图3
加拿大Servo-R obot 焊缝质量检测系统［8］
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3电磁超声焊缝质量检测技术
3．1电磁超声检测原理
电磁超声检测技术也称为涡流－声检测（英文缩写EMAT）是近年来国际上快速发展的一项新的检测技术［12］，检测示意图如图4所示。
EMAT探头由一块磁铁和一个线圈组成，利用电磁感应产生弹性波。通过洛仑兹力和磁致伸缩，利用EMAT和金属表面相互作用，从而可方便地在被检测工件中激发出各种形式的超声波，能实时有效地检测金属的表面及内部缺陷。
采用EMAT进行激光拼焊质量检测时，将探头安装在焊接线的固定检测工位，当焊接完成后，拼焊板被送至检测工位进行检测。通过用超声导波对焊缝进行快速自动化扫描，依据不同缺陷对声波的反射特性的差异，从而检测出焊缝的各种缺陷，包括裂纹、未熔合和气孔等。
3．2国内外研究及应用现状
由于EMAT能够稳定地在高温下运行，因而被成功地用于焊接质量的在线检测中。近年来，将电磁超声应用于激光拼焊板质量检测已经取得了长足发展，相关领域的学者在该方面也开展了广泛的研究。
H J Salzburger等人采用EMAT产生水平剪切波实现了激光拼焊板焊缝质量的自动检测。绝大多数声波都会因焊接的两板厚度不同而在焊接处发生反射并淹没了由焊接缺陷产生的回波，而水平剪切波由于在不同厚度的钢板中声阻近似相同，所以不存在这一问题，可以实现焊缝未熔合、错配、小孔等焊缝质量缺陷的检测［12］。
美国Innerspec Technologies公司的激光拼焊板电磁超声全自动检测系统temate R Si－WB已经应用于多条激光拼焊生产线，检测的缺陷包括内部孔洞、表面小孔、错配、凸度、凹度、未熔合等［13］。
在国内，高会栋介绍了电磁超声技术用于激光拼焊的实例，美国Innerspec Technologies公司的激光拼焊板电磁超声全自动检测系统用导波能够检测激光拼焊板的焊缝，分别检测了人工模拟的点缺陷和面缺陷，9个人工缺陷都得到了有效地检测［4］。
4漏磁焊缝质量检测技术
4．1焊缝漏磁检测原理
漏磁检测（MFL）原理是利用铁磁性材料的高磁导率特性，通过检测铁磁性材料中由于缺陷所引起的磁导率变化来检验缺陷。工作时，铁磁性材料在外磁场感应作用下被磁化，若材质是连续、均匀的，则磁力线将被约束在材料内部，几乎没有磁力线从材料的表面穿出。由于钢板上焊缝的存在，导致材质的不连续，磁力线将会改变路径，以及当焊缝的表层或内部存在缺陷时，由于缺陷的磁导率小，磁阻很大，磁力线也将改变路径，使得附近磁场发生畸变，磁力线发生弯曲并有一部分磁力线溢出，形成漏磁通，可用磁敏元件（传感器）对该区域漏磁场进行检测，之后建立检测到的MFL信号和焊缝缺陷之间的关系，实现焊接质量缺陷的识别［15］。
采用MFL进行激光拼焊质量检测时，将探头安装在焊接线的固定检测工位，当拼焊板完成焊接后，经过检测工位时进行检测，通常检测的焊接缺陷包括孔隙、未熔合、错配等。
4．2国内外研究及应用现状
漏磁检测技术在储罐底板和管道的裂纹及腐蚀检测方面已发挥了重要的作用。在激光拼焊焊缝质量检测方面，相关领域的学者也开展了广泛的研究。
S O’Connor等人将漏磁检测技术应用于自动激光拼焊的焊缝质量评估，测试证明可以检测出真实的焊接缺陷，例如凹度、小孔、咬边等，检测速度可以达到4m/s，能够满足激光拼焊的焊接速度要求［16］。A Montgomery 等人基于漏磁检测技术开发了激光拼焊质量检测实验室系统，通过量化相关参
图4电磁超声焊缝质量检测示意图
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数优化了检测系统的性能，提高了系统的鲁棒性［17］。
加拿大INSPECTECH公司专门设计用于激光拼焊板焊缝的自动漏磁检测系统。其漏磁探头可检测表面和内部缺陷，并区分未熔合、未焊透等缺陷［18］。
在国内，戴光等人研究了钢板对接焊缝包含的裂纹、气孔、未熔合和未焊透等缺陷时所产生的漏磁场分布特征，通过仿真试验表明，漏磁法适用于钢板对接焊缝缺陷的识别研究，根据漏磁场磁感应强度分量的曲线特征，能实现对焊缝缺陷的分类［19］。
5结论
激光拼焊焊缝质量自动化检测是焊接领域研究的热点问题之一。如何实现焊缝质量自动检测技术在实际应用中的稳定性、可靠性以及检测指标的全面性是重点研究内容。结构光视觉焊缝质量检测技术应用于激光拼焊在线检测，能够将检测传感器集成安装于焊接头上，实现焊缝表面质量缺陷检测，但对于内部缺陷的检测需要由其他传感器实现。电磁超声检测技术和漏磁检测技术应用于激光拼焊在线检测，通过将检测传感器安装在特定工位，实现焊缝质量缺陷检测，这2种检测技术由于获得的检测信号成分复杂，噪声和干扰比较强，导致有用信号相对较弱，需要有效的信号处理方法来保证在实际检测的稳定性和可靠性。
焊接质量检测的最终目的是可以有效地保证焊接质量，因此智能化的焊缝质量检测技术也是未来的研究方向。目前，对激光拼焊质量检测技术的研究虽然已广泛开展，并且已有焊缝缺陷检测产品应用于生产，但还不能完全实现焊接质量检测的智能化，如何通过焊缝质量检测实现焊接过程的智能化反馈控制，进而提高焊接质量，且能够推进试验研究并把成果应用于实际生产是需要重点关注的方面。
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作者简介：邹媛媛（1981—），女，博士，副研究员，硕士研究生导师，主要从事激光拼焊焊缝跟踪与质量检测方面的科研工作，已发表论文10余篇.
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焊接技术第43卷第9期2014年9月Ⅱ·英文标题、摘要及关键词·
Effect of technology parameters on rate of dilution of Stellite coating deposited by plasma arc surfacing
ZHU Kai1，QUE Mei-fu3，ZHU Zhi-yuan1，2，DAI An-lun1，2，CHEN Hui1，NIU Wen-ming1
（1．School of Materials Science and Engineering，Jiangsu University of Science and Technology，Zhenjiang212003，Jiangsu pro．，China；2．Jiangsu Province Key Laboratory of Advanced Welding Technology，Zhenjiang212003，Jiangsu pro．，China；3．KSB Changzhou Valve Co．，Ltd．，Changzhou213000，Jiangsu pro．，China）P37－40 Abstract：The effect of process parameters on dilution rate of Stellite coating deposited by plasma arc surfacing was studied by orthogonal test method．Microstructure and hardness of the coatings were investigated using optical micrograph and vickers hardness tester．The results showed that the effect degree of main process parameters on dilution rate had been ranked：powder feeding rate＞transferred arc current＞spray welding speed．The optimum parameters：powder feeding rate was31g/min，transferred arc current was142A，spray welding speed was151 mm/min．The rate of dilution of Stellite coating deposited by optimum process was2．2％．The typical microstructure of the coating consist of celluar structure and dendrites ofα－Co，in the solid solution phase，with interdendritic carbides．The surface hardness was about HV440．
Key words：plasma arc surfacing，Stellite alloy，orthogonal test，technology，dilution rate
Research and current application situation on quality inspection of laser welding of tailored blanks
ZOU Yuan-yuan1，2，ZHAO Ming－yang1，2
（1．Shenyang Institute of Automation，Chinese Academy of Sciences，Shenyang110016，Liaoning pro．，China；2．Yangzhou Engineering Research Center，Shenyang Institute of Automation，Chinese Academy of Sciences，Yangzhou225127，Jiangsu pro．，China）P63－66
Abstract：Laser welding of tailored blank is widely used in aerospace industry，automotive industry，shipbuilding etc．due to its high speed and high precision．Quality inspection technology is becoming one of the key technologies for guaranteeing the high quality requirements of laser tailor welded blanks．This paper introduced the major quality inspection technologies applied in laser welding of tailored blank，including structured light vision，electro magnetic acoustic transducers and leakage magnetic．It also respectively expounded their working principles，research and current application situation．Finally，current problems and future development of quality inspection of laser welding of tailored blank were also presented．
Key words：quality inspection of weld，on-line inspection，laser welding of tailored blanks
Welding technique of steel casting G20Mn5QT and Q345GJB
WANG Jun-song，SHI Wei，WANG Xu，TANG Zhong-jing，ZHANG Ze-zhong，JIN Tao
（China Construction Steel Structure CORP LTD．，Shenzhen518040，Guangdong pro．，China）P76－79 Abstract：This paper has determined the proper welding parameters，the preheating temperature as well as the temperature for post-weld heat treatment by analyzing the weldability of steel casting G20Mn5QT＆Q345GJB，and conducting welding procedure qualification test．It has obtained good welding quality by selecting reasonable preheating temperature，welding method and welding material，as well as strictly controlling the weld heat input and post-weld heat treatment since these can reduce the welding residual stress and avoid cracks．This technique has accumulated experience for future similar engineering constructions．
Key words：steel casting，weldability，welding technology