大功率盤型激光焊熔池形態(tài)在線識別及焊縫成形預(yù)測模型.pdf

1、大功率盤形激光焊接是典型的激光深熔焊技術(shù)之一，具有激光功率大、光束優(yōu)良、焊接熱影響區(qū)小、能夠?qū)崿F(xiàn)不同材料的連接且連接強(qiáng)度更好等優(yōu)點(diǎn)，成為激光焊接領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。熔池形態(tài)變化是激光深熔焊中的重要現(xiàn)象，受到越來越多的關(guān)注。近年來，關(guān)于熔池的研究主要集中在熔池的紅外特征、匙孔特征等方面。由于熔池的形態(tài)變化劇烈，且難以進(jìn)行直接測量，極大地限制了對于焊接過程中熔池的形態(tài)和行為的研究。
　　大功率盤型激光焊接過程中熔池的形態(tài)隨著激光焊接狀態(tài)的

2、不同而變化。本文通過高速攝影技術(shù)獲取大功率盤型激光焊接過程中熔池的動態(tài)信息，提出基于直方圖分段線性拉伸、LoG邊緣檢測、形態(tài)學(xué)組合運(yùn)算和模板運(yùn)算方法組合的熔池圖像分割算法，結(jié)合焊接過程中熔池的光照模型，采用從明暗恢復(fù)陰影的方法，簡化三維重建的反射方程，并對不同焊接速度下熔池形態(tài)進(jìn)行三維重建和分析;通過定義熔池的投射陰影的二維特征來實(shí)現(xiàn)對熔池三維形態(tài)的動態(tài)測量，采用相關(guān)分析方法和線性擬合方法對熔池投射陰影的特征進(jìn)行分析;最后建立了基于熔池

3、投射陰影的焊后焊縫寬度的BP和RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測模型，并通過引入遺傳算法改進(jìn)BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)基于熔池投射陰影特征的焊縫外觀預(yù)測模型。論文主要包括以下研究工作:
　　(1)以激光功率為10kW的平板堆焊為研究對象，試驗(yàn)分析大功率盤型激光焊接過程中熔池形態(tài)視覺檢測方法:采用采用二極管激光器作為輔助光源，通過在攝像機(jī)前加裝窄帶濾波片，濾除焊接過程中激光束、熔池、飛濺和等離子體的輻射干擾，進(jìn)行熔池及其陰影圖像的獲取;在不同焊接速度下，且

4、其它焊接參數(shù)保持不變的情況下，進(jìn)行了多組焊接試驗(yàn)并獲得了相應(yīng)的熔池形態(tài)圖像。
　　(2)結(jié)合輔助光源下熔池圖像的特點(diǎn)，提出了組合直方圖分段線性拉伸增強(qiáng)、LoG邊緣檢測、形態(tài)學(xué)處理、模板運(yùn)算的熔池及其陰影的圖像分割算法，實(shí)現(xiàn)了熔池及其陰影區(qū)域的分割。該算法具有批處理功能，無需人工干預(yù)，自動實(shí)現(xiàn)熔池的批處理分割，為基于熔池形態(tài)的焊接過程的自動化檢測提供了基礎(chǔ)。
　　(3)在熔池圖像分割的基礎(chǔ)上，結(jié)合焊接試驗(yàn)過程中熔池的實(shí)際光照模

5、型，采用從明暗恢復(fù)陰影的方法，簡化其反射方程并采用最小化能量泛函的方法求解熔池形態(tài)的三維重建，對不同焊接速度下熔池形態(tài)進(jìn)行三維重建和分析。
　　(4)針對大功率盤形激光焊接中難以直接測量熔池形態(tài)及熔池三維重建計(jì)算量大的問題，應(yīng)用二極管激光器作為輔助光源并以一定的角度照射熔池產(chǎn)生熔池投射陰影，通過投射陰影的變化間接地對熔池的形態(tài)變化進(jìn)行分析和測量。
　　通過定義熔池投射陰影的形態(tài)特征，并將其與實(shí)際焊接樣品的焊縫寬度、焊縫外觀等

6、焊接質(zhì)量特征進(jìn)行對比，借助于相關(guān)性分析和對各個特征的統(tǒng)計(jì)分析，得到的主要研究結(jié)果如下:
　　1)熔池投射陰影的面積變化趨勢與焊后焊縫寬度的變化具有相關(guān)性，對焊接質(zhì)量有顯著影響。熔池投射陰影的面積、長度和寬度的變化間接的反映了焊接過程中熔池的體積變化，而熔池體積的變化是焊接母材吸收激光束能量變化的最直接結(jié)果。焊接過程中熔池的擺角與焊后焊縫上的節(jié)瘤、堆積的形成有密切關(guān)系。以上這些非線性因素共同反映出焊接過程的狀態(tài)變化情況，為焊接過程的

7、可監(jiān)控性提供了新的思路。
　　2)通過對熔池投射陰影的各個特征進(jìn)行線性擬合和10次方擬合發(fā)現(xiàn)，二者所形成的跨度與焊接質(zhì)量密切相關(guān)。為了對這種相關(guān)進(jìn)行定量分析，定義了跨度的跨距L和偏距D，以及跨距和偏距的乘積L×D。通過對這些指標(biāo)的定量分析，發(fā)現(xiàn)焊接過程中的質(zhì)量的變化情況與檢測到的熔池投射陰影形態(tài)的變化相關(guān)，能夠?qū)崿F(xiàn)焊接質(zhì)量的監(jiān)控和分析。
　　(5)建立了基于熔池投射陰影特征的焊縫寬度BP和RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測模型，通過對比發(fā)現(xiàn)