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铝合金焊缝质量检测

                           发表日期:2022-12-3

铝合金因其质量轻、强度高、抗腐蚀性能强等优异的服役性而被广泛应用。如何获得性能良好、成型完整的焊接接头,铝合金材料的焊前清洗及焊后处理在其中起重要作用。
含有水分子的氧化膜极易分解从而造成焊接气孔;表面的油污在高温下会分解出水、氢等使焊接头产生气孔和氢脆、裂纹等缺陷;灰尘等杂质的存在可能会使焊缝夹杂。因此铝合金材料应在焊接前除去氧化物、油污和灰尘。焊前预处理能有效减少焊缝缺陷,稳定提高接头性能。铝合金材料在焊接后需要处理表面黑灰、氧化色及渗透探伤后探伤液。以上污物将对产品的耐腐蚀性、美观性造成不同程度的损伤,所以焊后需要对产品表面进行细致的处理,去除残余污物。

针对焊缝外观质量的检测工序,当前仍为质检人员通过目视和人工记录的方式,存在周期长、效率低、检测结果主观性强等问题,因此探索一种铝合金焊缝外观质量检测技术很有必要。

焊前焊缝检测

铝合金板材对接后存在坡口,焊前坡口检测的目的是获取坡口的几何信息,包括坡口角度、错边量、对接间隙和坡口深度。获得的坡口信息为实现优化焊接工艺和实时调控焊接工艺参数提供数据支撑。铝合金型材坡口横截面模型示意图如图1所示。焊前坡口检测所需要计算的特征为坡口角度、错边量、对接间隙、坡口深度。

铝合金焊缝质量检测
图1:铝合金型材坡口模型

焊后焊缝检测

目前,焊缝表面质量评估的视觉检测技术分为二维视觉检测技术和三维视觉检测技术,三维视觉检测技术相较于二维视觉检测技术能获得焊缝在高度方向上的准确信息,能准确地检测焊缝缺陷。焊缝外观质量检测可识别焊缝本身及焊缝缺陷的种类。焊缝表面典型缺陷如下图所示:

铝合金焊缝质量检测
图2:焊缝表面典型缺陷

由于实际生产中,机器人的不稳定运动和车身装配精度的变化等因素给焊缝表面截面高度测量带来的潜在影响。基于最小二乘法的数值拟合模型虽然能一定程度上自适应这种变化,但对于焊缝表面形状复杂、截面轮廓斜率变化剧烈的情况下其建模精度难以保证,也无法有效分离缺陷数据。因此新耐视通过对焊缝建模特点的分析,提出一种动态自适应回归算法,能有效对复杂形状的焊缝表面进行高精度建模。部分模型如下图所示:

铝合金焊缝质量检测
图3:焊缝表面典型缺陷模型
  • 咬边缺陷的尺寸定义为咬边的深度h(虽判断咬边缺陷时只关注咬边的深度h,但实际在算法中判断咬边缺陷时也同时需要关注其宽度及长度),焊缝质量要求为B级时不允许咬边的存在,质量等级要求为C级和D级时咬边的深度要求分别为:h≤0.1t,h≤0.2t,其中t为板厚。
  • 焊缝余高的尺寸定义为焊缝表面的堆高h,其对所有余高的尺寸要求均为h≤1.5mm+0.2b,其中b为焊缝余高的宽度。焊缝余高h的阈值应实际生产需求,车顶棚的正面余高h小于2mm,反面余高h小于3mm。
  • 焊瘤的尺寸定义为焊瘤的高度或焊瘤的高度h。焊瘤缺陷在B级和C级的焊缝质量要求下不允许存在,在质量等级为D级是h≤0.2b,其中b为焊缝余高的宽度。
  • 表面塌陷的尺寸定义为塌陷的深度(高度方向的尺寸)h。表面塌陷尺寸阈值在不同焊缝质量等级要求下分别为:h≤0.05t,h≤0.1t,h≤0.2t,其中t为板厚。

焊缝表面缺陷检测

缺陷主要可分为上凸缺陷和下凹缺陷两大类,上凸缺陷包括焊瘤与余高过高,下凹缺陷包括咬边、表面塌陷、裂纹与气孔。焊瘤与余高过高的区别在于焊瘤出现时,焊缝截面轮廓往往不光滑,会产生突变。咬边缺陷与其他缺陷的区别在于咬边缺陷发生的位置往往在焊缝边缘区域,若下凹缺陷在焊缝边缘区域,则可判断其为咬边。裂纹与气孔沿焊缝宽度方向的尺寸相较于表面塌陷一般较小,而裂纹沿焊缝长度方向的尺寸有远大于气孔。下面将对各种典型缺陷的实际检测结果一一进行展示。

气孔

气孔是指残留在焊缝金属中的某些气体形成的大小不一、形状不同、数量不等的空穴,如图4-1所示。扫描检测后输出的高度热点图如图4-2所示,可以直观的看出表面存在较大的气孔缺陷。

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图4-1:气孔缺陷
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图4-2:高度热点图

焊瘤

焊瘤是指焊接过程中金属流溢到加热不足的母材或焊缝上,凝固成金属瘤,这种未能和母材或前道焊缝熔合在一起而堆积的金属瘤叫焊瘤,如图5-1所示。扫描检测后自动输出的焊缝表面形貌高度热点图(图5-2)可以清晰的看出存在三个焊瘤缺陷。

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图5-1:焊瘤缺陷
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图5-2:高度热点图

咬边

咬边是指由于焊接参数选择不当,或操作方法不正确,沿焊趾的母材部位产生的沟槽或凹陷,如图6-1所示。咬边将减少母材的有效截面积、在咬边处可能引起应力集中。咬边缺陷一般表现为焊缝宽度方向起始点和终止点处的异常,产生明显的凹陷,使得焊缝宽度在缺陷处明显减小,如图6-2所示。

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图6-1:咬边缺陷
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图6-2:高度热点图

未熔合

未熔合是指焊缝金属与母材金属,或焊缝金属之间未熔化结合在一起的缺陷。具体表现为焊缝宽度方向起始点和/或终止点处显著的下凹缺陷,如图7-1所示。未熔合缺陷出现处的下凹较为显著,且具有一定的宽度,如图7-2所示。

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图7-1:未熔合缺陷
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图7-2:高度热点图

弧坑

弧坑是指在一般焊接收尾处(焊缝终端)形成低于焊缝高度的凹陷坑,如图8-1所示。弧坑也是典型的下凹缺陷,其缺陷轮廓拟合具有明显的下凹趋势,焊缝轮廓热点图显示缺陷处也有较为明显的高度变化,如图8-2所示。

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图7-1:弧坑缺陷
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图8-2:高度热点图

武汉新耐视开发出的3D焊缝视觉检测系统可有效识别气孔、焊瘤、焊坑、边缘焊、漏焊、飞溅等典型的焊接缺陷,具有99%的缺陷检出率,可提供实时的动态图像和在线诊断,同时可实现焊缝长度、宽度、深度/高度测量,有助于提高车身焊接质量,提高生产效率。

       
   
 

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