基于磁光檢測的激光焊接檢測技術(shù)研究

基于磁光檢測的激光焊接檢測技術(shù)研究

0檢測位置的確定激光焊接具有功率密度高、焊接速度快、大深度和輪廓寬、熱影響小等優(yōu)點。在激光焊接過程中，幾種焊接參數(shù)保持不變，由于焊接現(xiàn)場各種干擾因素的影響，焊接過程仍然不穩(wěn)定，直接影響焊接質(zhì)量。事實證明，跟蹤和控制焊接路徑是確保激光焊接質(zhì)量的先決條件。因此，有必要實時、準確地檢測焊接的位置。傳統(tǒng)的焊縫跟蹤方法有電弧傳感器,接觸式傳感器,非接觸傳感器.非接觸傳感器分為電磁、超聲和光電式等,其中最常用的是超聲和光學傳感器.光學傳感器可分為點、線、面三種形式,它以可見光、激光或者紅外線為光源,以光電元件為接受單元,利用光電元件提取反射回來的結(jié)構(gòu)光,從而得到焊縫的信息.常見的光學傳感器包括:紅外光傳感器、光電二級管和光電三級管、CCD(電荷耦合器件)等.傳統(tǒng)的焊縫跟蹤方法對于激光焊接所要求的緊密對接的焊縫,往往不能很好地滿足要求,因此探討一種新的能很好地滿足這些要求的焊縫跟蹤新技術(shù)成為一種很迫切的要求.磁光/脈沖渦流成像檢測技術(shù)目前用于被檢面積大(如飛機機身鋁組件、鋼和鈦合金鋁結(jié)構(gòu))的表層及亞表層缺陷(如腐蝕、靠近鉚釘處的疲勞裂紋)檢測,在目前的實驗條件下,該方法可實現(xiàn)微納米級的精度測量.該技術(shù)未見用于焊縫跟蹤檢測,本文利用磁光成像機理,構(gòu)建成一個檢測系統(tǒng),并把該系統(tǒng)用于微焊縫的檢測.1成像檢測機構(gòu)1.1法拉第效應(yīng)、磁致旋光效應(yīng)及轉(zhuǎn)角法拉第的磁致旋光效應(yīng)為當一束線偏振光通過旋光性介質(zhì)時,如果在介質(zhì)中沿光傳播方向加一磁場感應(yīng)強度為B的外磁場,則光通過介質(zhì)后,光振動的振動面轉(zhuǎn)過一角度θ,這種磁場使介質(zhì)產(chǎn)生旋光性的現(xiàn)象,稱為法拉第效應(yīng)或磁致旋光效應(yīng).轉(zhuǎn)角θ在材料確定的情況下,主要與光的波長、外磁場的磁感應(yīng)強度、光在介質(zhì)中經(jīng)過的路程有關(guān),轉(zhuǎn)角θ的大小為式中B為外磁場磁感應(yīng)強度;L為介質(zhì)中的光程;V為費爾德(Verdet)常數(shù).法拉第磁光效應(yīng)如圖1所示.1.2磁光成像設(shè)備1.2.1建立磁光成像裝置圖2為鐵磁焊件磁化示意圖,鐵磁焊件以速度V向右運動,電流大小可調(diào)的直流電磁鐵固定安放在鐵磁焊件的下方,當焊件經(jīng)過直流電磁鐵的時候,鐵磁焊件就被直流電磁鐵的磁場磁化.在鐵磁焊件的上方,固定放置磁光成像裝置,當鐵磁焊件由于被放置下方的直流電磁鐵磁化后,磁光成像裝置就能產(chǎn)生反映焊縫信息的磁光圖像.1.2.2鐵磁焊件焊縫的可視化實時成像檢測圖3為磁光成像裝置示意圖.LED光源發(fā)出的光線經(jīng)起偏器起偏后變成線偏振光,該偏振光通過磁光介質(zhì)進入光反射面并被反射出來.由于光反射面下方的鐵磁試件被直流電磁鐵磁化,并在焊縫兩側(cè)形成N、S磁極,這兩個磁極所激發(fā)的磁場,進而引起對應(yīng)測試處的垂直磁場分量發(fā)生變化,磁光介質(zhì)在該垂直磁場的作用下會產(chǎn)生旋光效應(yīng),使經(jīng)過的線偏振光的偏振方向發(fā)生一定角度的旋轉(zhuǎn),包含了焊縫信息的線偏振光經(jīng)過檢偏振器檢偏后被CCD攝像頭接收,最終把圖像顯現(xiàn)出來,從而實現(xiàn)了對鐵磁焊件焊縫的可視化實時成像檢測.2試驗結(jié)果及其分析2.1角形鐵磁焊件磁光圖的顯示圖4為鐵磁焊件未帶磁時對應(yīng)的磁光成像試驗圖.圖5左圖為直線型焊縫焊件實物圖,右圖為焊件帶磁后對應(yīng)的磁光圖.從圖4、圖5的鐵磁焊件磁光成像圖可以很明顯看到,如果焊件沒有外加磁場時,由于磁光介質(zhì)中的偏振光沒有旋光效應(yīng),偏振光不旋轉(zhuǎn),因此磁光圖不能顯示焊縫.當焊件帶上恒定磁場后,很清晰地看到,兩塊焊件間存在很明顯的焊縫過渡帶.其形成的原因是在鐵磁焊件縫隙上方,由于漏磁現(xiàn)象,因此在縫隙兩側(cè)會帶上不同極性的磁場,在縫隙中心線的上方,對應(yīng)垂直方向的磁感應(yīng)強度為零,而它的兩側(cè)則為N極和S極,這些磁場能使磁光介質(zhì)中的線偏振光發(fā)生不同方向、不同角度的旋轉(zhuǎn),因此能呈現(xiàn)出明顯的帶焊縫過渡帶的磁光圖像.為進一步驗證磁光圖中過渡部分為焊縫縫隙對應(yīng)的部分,再用三角形焊縫來驗證,見圖6所示.其中圖6中的(a)圖為三角型焊縫實物圖,(b)圖為三角形鐵磁焊件帶磁后測得的磁光圖,從圖中可以很明顯看到,三角形鐵磁焊件的磁光圖中所含焊縫的信息.2.2中值濾波能提供保證圖7為圖5(a)鐵磁焊件帶磁彩色磁光圖即圖5(b)轉(zhuǎn)換為灰度圖時的磁光圖,明顯看到由于測量噪聲、焊件表面鐵銹及并不平整的表面等原因造成的少量噪聲干擾信號.圖8為圖7經(jīng)過中值濾波后所得到灰度圖,從圖8非常清楚看到,中值濾波能非常良好地濾除鐵磁焊件磁光灰度圖的噪聲.圖9為根據(jù)經(jīng)中值濾波后的磁光灰度圖的第80行作灰度值隨行像素變化的規(guī)律分析圖.從圖9可以看出,像素從0到40左右,磁光的灰度圖的灰度值大約在30左右,這部分區(qū)域?qū)?yīng)著灰度圖中磁場的S極區(qū)域;像素從40變到80左右,其灰度值比較迅速地上升,這部分區(qū)域?qū)?yīng)著焊縫的過渡帶;像素在80到90之間時,灰度值在220左右,對應(yīng)著磁光灰度圖中比較明亮的N極區(qū)域;當像素大于90以上,灰度值略有下降,這是由于逐漸遠離焊縫的N極區(qū)域,其對應(yīng)的磁場強度變小,因此,對應(yīng)的亮度值也下降.因此,該焊縫對應(yīng)的過渡帶寬度大約是40個像素左右,其中心即第60個像素左右為對應(yīng)該位置的焊縫的中心.3焊縫上的濾波分析利用磁光傳感器為核心所構(gòu)成的焊縫測量系統(tǒng)能有效地測量鐵磁焊件的焊縫;鐵磁焊件的焊縫兩側(cè)由于直流電磁場的作用,能感應(yīng)出一邊是N極,一邊是S極的區(qū)域,其中N極對應(yīng)著磁光圖中