CN103542819A - 一种带钢焊缝表面形貌的检测和质量判定方法 - Google Patents

Abstract

一种带钢焊缝表面形貌的检测和质量判定方法，采用线型激光器对焊缝表面的进行扫描，根据扫描所得到的数据通过计算得到焊缝堆高、凹陷、咬边、错边等数值，根据该数值对焊缝的质量进行判别，实现对焊缝表面形貌质量的连续评判。本发明可快速检测到焊缝表面的形貌，并进行快速的评价，确保酸连轧过程的连续和快速运行，防止带钢断带事故的发生。

Description

一种带钢焊缝表面形貌的检测和质量判定方法

技术领域

本发明涉及带钢表面检测技术，特别涉及一种带钢焊缝表面形貌的检测和质量判定方法。

背景技术

目前带钢焊缝的质量通常由现场的操作工肉眼判断，这一判别方法明显存在操作人员的经验和判别标准上的缺陷，存在效率低和判别不准的问题。

Miebach公司推出的QCDS系统可实现焊缝形貌的自动检测，该系统采用在线的CCD视频观测带钢表面的焊缝形貌，可及时给出焊缝表面的形貌图，并给出焊缝凹陷和错边的曲线供操作人员判断焊缝的质量，实现焊缝表面形貌的实时在线检测，但该系统无法判断严重影响焊缝抗断裂能力的咬边缺陷，判别标准上也存在不足。

中国专利申请号200810229989公开了“一种基于线结构光的焊缝表面质量视觉传感器”，利用该传感器可得到焊缝表面的形貌，但该专利并未提及线型激光器的具体参数，特别是扫描的频率，并且该专利提及的技术并不具备对测试结果的分析功能。

发明内容

本发明的目的在于提供一种带钢焊缝表面形貌的检测和质量判定方法，快速检测到焊缝表面的形貌，并进行快速的评价，确保酸洗和冷轧过程的连续和快速运行，防止带钢断带事故的发生。

为达到上述目的，本发明的技术方案是：

本发明采用线型激光器对焊缝表面的进行扫描，根据扫描所得到的数据绘制出焊缝的表面形貌图，同时根据所得到的扫描数据，通过计算得到焊缝堆高、凹陷、咬边、错边等数值，根据该数值对焊缝的表面形貌质量进行判别，从而实现对焊缝表面形貌质量的连续评判。

在酸轧机组中，为保证轧机的连续运行，前行带钢和后行带钢需要采用焊接的方法将其连接在一起，焊缝的焊接质量是确保焊缝能够顺利通过轧机的先决条件，焊接中的焊接缺陷将直接导致焊缝在拉矫和轧机中断裂，形成断带事故。带钢焊缝在进入到轧机前将承受多次的反复弯曲，在反复弯曲的过程中，焊缝中的应力集中部位会产生疲劳裂纹，这些裂纹的产生将直接降低焊缝的强度，影响焊缝表面应力集中严重程度的焊缝形貌缺陷有：焊缝堆高、焊缝凹陷、焊缝咬边和焊缝错边。

具体地，本发明的一种带钢焊缝表面形貌的检测和质量判定方法，采用线型激光器扫描实时检测焊缝表面的形貌数据，包括焊缝堆高、凹陷、咬边、搭接，计算上述焊缝特征值、统计特征值最大部位和截面特征，建立焊缝形貌评价标准，再实时检测焊缝表面的形貌，得到焊缝表面形貌的特征值，与焊缝形貌评价标准比对，从而实现焊缝表面质量的判定；其中：

a）堆高

焊缝堆高表示焊缝高于母材的数值，堆高当量面积的计算公式为：

$A1=\underset{i=1}{\overset{\mathrm{TT}}{\mathrm{\Σ}}}{h}_1\left(i\right)\×\frac{60\×u}{H}{\mathrm{mm}}^2$

式中：h₁(i)是第i次扫描所得数据的堆高值，mm；H为激光器扫描扫描的频率，Hz，u为焊接速度，mm/s，TT为整条焊缝的扫描次数；

焊缝的堆高会使焊缝处产生应力集中，堆高对焊缝强度的影响用堆高系数表示，堆高系数的计算公式为：

$f_1=1+\frac{3\×h_1\left(i\right)}{t}$

式中：h₁(i)是第i次扫描所得数据的堆高值，t为带钢的厚度，mm；

b）搭接

搭接是指焊缝二边带钢的错边量，搭接当量面积的计算公式为：

$A2=\underset{i=1}{\overset{\mathrm{TT}}{\mathrm{\Σ}}}{h}_2\left(i\right)\×\frac{60\×u}{H}{\mathrm{mm}}^2$

式中：h₂(i)是焊缝的第i次扫描所得数据的搭接值，mm；H为扫描的频率，Hz；u为焊接速度，mm/s；

焊缝的搭接会使焊缝处产生应力集中，搭接对焊缝强度的影响用搭接系数表示，搭接系数的计算公式为：

$f_2=1+\frac{5\×h_2\left(i\right)}{t}$

式中：h₂(i)是第i根焊缝截面线中心线处的搭接值，mm；t为带钢的厚度，mm；

c）凹陷

焊缝凹陷是指焊缝区域的高度低于带钢母材的高度值，考虑到焊缝的搭接将加深凹陷部位的应力集中严重程度，因此在计算凹陷当量面积时将搭接系数考虑在内，凹陷面积的计算公式为：

$A3=\underset{i=1}{\overset{\mathrm{TT}}{\mathrm{\Σ}}}{f}_2\×h_3\left(i\right)\×\frac{60\×u}{H}{\mathrm{mm}}^2$

h₃(i)是第i次扫描所得数据的凹陷值，mm；H为扫描的频率，Hz；u为焊接速度，mm/s；

d）咬边

咬边是指焊缝熔合线左右1mm范围内的最低点作为咬边值，同时考虑到焊缝咬边位置的焊缝堆高和搭接将加重咬边部位应力集中的严重程度，因此在计算咬边面积时将堆高和搭接系数考虑在内，总咬边量的当量面积计算公式为：

$A4=\underset{i=1}{\overset{\mathrm{TT}}{\mathrm{\Σ}}}{f}_1\×f_2\×h_3\left(i\right)\×\frac{60\×u}{H}{\mathrm{mm}}^2;$

焊缝形貌评价标准：

序号	指标名称	门槛值	判断结果，如超出门槛值
				1	堆高最大值（h1）	0.2～0.4	焊缝局部区域存在堆高超标
2	凹陷最大值(h2)	0.2～0.4	焊缝局部区域存在凹陷超标
				3	咬边最大值(h3)	0.2～0.4	焊缝局部区域存在搭接超标
4	搭接最大值(h4)	0.2～0.4	焊缝局部区域存在咬边超标
				5	堆高当量值（A1/A）	0.05～0.2	焊缝堆高过大
6	凹陷当量值（A2/A）	0.05～0.2	凹陷过大
				7	咬边当量值（A3/A）	0.05～0.2	咬边过大
8	搭接当量值（A4/A）	0.05～0.2	搭接过大
				9	综合评价（A3/A+A4/A)	0.1～0.4	焊缝存在严重问题

进一步，线型激光器对焊缝形貌的扫描，扫描宽度范围在3～10mm，高度检测范围在50～150mm，检测精度在0.001～0.005mm，检测到的数据实时发送到上位工控机中，扫描频率不低于30Hz。

又，本发明采用包括线型激光器、触发开关、上位工控机，下位PC机，线型激光器、触发开关、上位工控机固定在焊机上，在检测过程中随焊机移动；上位工控机负责信号的采集和处理，将线型激光器所采集到的数据进行过滤，收集焊缝及焊缝二边3mm范围内的数据，将该数据通过以太网发送到下位PC机，由下位PC机对焊缝检测数据进行分析；触发开关用于控制线型激光器的启动和停止，当触发开关检测到带钢的边缘时，线型激光器开始工作并向上位工控机连续发送检测数据，焊机结束后，触发开关检测到焊机离开带钢后，触发开关通知上位工控机关闭线型激光器，激光器停止工作，触发开关所发出的信号为脉冲信号。

下位PC机承担对焊缝检测数据的分析处理工作。

本发明的有益效果

本发明方法可有效检测出焊缝表面形貌缺陷，评价系统中强大的分析功能可根据检测结果及时评价焊缝的质量，对于存在超标缺陷的焊缝给出实时的提示，该系统对防止带钢焊缝的断带具有重要的作用。

附图说明

图1为本发明焊缝形貌缺陷-堆高的示意图。

图2为本发明焊缝形貌缺陷-凹陷的示意图。

图3为本发明焊缝形貌缺陷-咬边的示意图。

图4为本发明焊缝形貌缺陷-搭接的示意图。

图5为本发明系统实施例的示意图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明做进一步说明。

参见图1~图5，本发明采用线型激光器对焊缝表面的进行扫描，根据扫描焊缝的表面形貌所得到的数据，通过计算得到焊缝堆高、凹陷、咬边、错边等数值，根据该数值对焊缝的表面形貌质量进行判别，从而实现对焊缝表面形貌质量的连续评判。

参见图5，本发明带钢焊缝表面形貌的检测和质量判定方法，采用包括线型激光器1、触发开关2、上位工控机3，下位PC机4，线型激光器、触发开关、工控机固定在焊机上，在检测过程中随焊机移动；上位工控机负责信号的采集和处理，将线型激光器所采集到的数据进行过滤，收集焊缝及焊缝二边3mm范围内的数据，将该数据通过以太网发送到下位PC机，由下位PC机对焊缝检测数据进行分析；触发开关用于控制线型激光器的启动和停止，当触发开关检测到带钢5的边缘时，线型激光器开始工作并向上位工控机连续发送检测数据，焊机结束后，触发开关检测到焊机离开带钢后，触发开关通知上位工控机关闭线型激光器，激光器停止工作，触发开关所发出的信号为脉冲信号。

实施例1

冷轧作业线汽车板的轧制过程。

1）该焊缝检测系统由激光器、触发开关、上位工控机和下位PC机组成，激光器、触发开关、上位工控机固定在焊机上，在检测过程中随焊机移动，下位PC机则放置在操作室，下位机中安装有焊缝评估系统。

2）线型激光器采用美国Bytewise公司的CC3000-30完成对焊缝形貌的扫描，扫描宽度范围10mm，高度检测范围在30mm，检测精度在0.015mm，检测到的数据实时发送到上位工控机中，检测频率为30HZ。上位工控机负责信号的采集和处理，将激光器所采集到的数据进行过滤，采集焊缝及焊缝两边3mm（共10mm）范围内的数据，将该数据通过以太网发送到下位PC，有下位PC对焊缝检测数据进行分析。

3）触发开关采用NPN常关型号，型号ES12－D15C1，当触发开关检测到带钢的边缘时，激光器开始工作并向上位工控机连续发送检测数据，焊机结束后，触发开关检测到焊机离开带钢后，触发开关通知上位工控机关闭激光器，激光器停止工作。

4）下位PC机接收到检测装置发送的数据后，可显示焊缝形貌显示、计算焊缝特征值（堆高、凹陷、咬边、搭接）的计算、统计特征值最大部位和截面特征、给出焊缝质量评价结果功能，所有检测到的数据保持在系统中。

5）下位PC机检测到焊缝信号后，计算焊缝的特征值，总体评判标准见表1。

表1用于汽车板的评价指标

序号

指标名称

门槛值

判断结果，如大于门槛值

1	堆高最大值（h1）	0.4	焊缝局部区域存在堆高超标”
				2	凹陷最大值(h2)	0.4	焊缝局部区域存在凹陷超标
3	咬边最大值(h3)	0.4	焊缝局部区域存在搭接超标
				4	搭接最大值(h4)	0.4	焊缝局部区域存在咬边超标
5	堆高当量值（A1/A）	0.2	焊缝堆高过大
				6	凹陷当量值（A2/A）	0.2	凹陷过大
7	咬边当量值（A3/A）	0.2	咬边过大
				8	搭接当量值（A4/A）	0.2	搭接过大
9	综合评价（A3/A+A4/A）	0.4	焊缝存在严重问题

6）采用表1的控制指标，对汽车板焊缝进行检测和评价，对于焊缝质量较好的焊缝，判断结果合格”。对于焊缝表面存在严重质量问题的焊缝检测判断结果不合格；从检测结果看，该焊缝在中部板形不良，边部存在有明显的凹陷，判断结果为不合格，但该评价结果未引起焊工的重视，放行后在轧机的第2机架发生断带，断带正好发生在存在明显凹陷的边部。

实施例2

系统的组成和实施例1相同，对于低牌号硅钢，由于材料的脆性很大，需要对评价指标进行调整，调整后的指标见表2。采用该指标进行低牌号硅钢焊缝的评价，可将断带率控制在1‰以下。

表2用于低牌号硅钢的评价指标

序号	指标名称	门槛值	判断结果，如大于门槛值，则判定
				1	堆高最大值（h1）	0.3	焊缝局部区域存在堆高超标”
2	凹陷最大值(h2)	0.3	焊缝局部区域存在凹陷超标
				3	咬边最大值(h3)	0.3	焊缝局部区域存在搭接超标
4	搭接最大值(h4)	0.3	焊缝局部区域存在咬边超标
				5	堆高当量值（A1/A）	0.2	焊缝堆高过大
6	凹陷当量值（A2/A）	0.15	凹陷过大
				7	咬边当量值（A3/A）	0.15	咬边过大
8	搭接当量值（A4/A）	0.15	搭接过大
				9	综合评价（A3/A+A4/A）	0.2	焊缝存在严重问题

实施例3

系统的组成和实施例1相同，对于中牌号硅钢，由于材料中的硅含量较高高，材料的脆性较大，需要严格限定缺陷门槛值，调整后的指标见表3。采用该指标进行中牌号硅钢焊缝的评价，可将断带率控制在1‰以下。

表3用于低牌号硅钢的评价指标

序号	指标名称	门槛值	判断结果，如大于门槛值，则判定
				1	堆高最大值（h1）	0.25	焊缝局部区域存在堆高超标”
2	凹陷最大值(h2)	0.20	焊缝局部区域存在凹陷超标
				3	咬边最大值(h3)	0.20	焊缝局部区域存在搭接超标
4	搭接最大值(h4)	0.20	焊缝局部区域存在咬边超标
				5	堆高当量值（A1/A）	0.15	焊缝堆高过大
6	凹陷当量值（A2/A）	0.10	凹陷过大
				7	咬边当量值（A3/A）	0.10	咬边过大
8	搭接当量值（A4/A）	0.10	搭接过大
				9	综合评价（A3/A+A4/A）	0.15	焊缝存在严重问题

实施例4

系统的组成和实施例1相同，对于高牌号硅钢，由于材料中的硅含量高，材料的脆性很大，需要严格限定缺陷门槛值，调整后的指标见表4。采用该指标进行高牌号硅钢焊缝的评价，可将断带率控制在1‰以下。

表4用于低牌号硅钢的评价指标

序号	指标名称	门槛值	判断结果，如大于门槛值，则判定
				1	堆高最大值（h1）	0.2	焊缝局部区域存在堆高超标”
2	凹陷最大值(h2)	0.2	焊缝局部区域存在凹陷超标
				3	咬边最大值(h3)	0.2	焊缝局部区域存在搭接超标
4	搭接最大值(h4)	0.2	焊缝局部区域存在咬边超标
				5	堆高当量值（A1/A）	0.05	焊缝堆高过大
6	凹陷当量值（A2/A）	0.05	凹陷过大
				7	咬边当量值（A3/A）	0.05	咬边过大
8	搭接当量值（A4/A）	0.05	搭接过大
				9	综合评价（A3/A+A4/A）	0.10	焊缝存在严重问题

Claims (3)

1.一种带钢焊缝表面形貌的检测和质量判定方法，采用线型激光器扫描实时检测焊缝表面的形貌数据，检测出焊缝堆高、凹陷、咬边、搭接的焊缝缺陷，计算上述焊缝特征值、统计特征值最大部位和截面特征，建立焊缝形貌评价标准，再实时检测焊缝表面的形貌，得到焊缝表面形貌的特征值，与焊缝形貌评价标准比对；其中：

a）堆高

焊缝堆高表示焊缝高于母材的数值，堆高当量面积的计算公式为：

$A1=\underset{i=1}{\overset{\mathrm{TT}}{\mathrm{\Σ}}}{h}_1\left(i\right)\×\frac{60\×u}{H}{\mathrm{mm}}^2$

式中：h₁(i)是第i次扫描所得数据的堆高值，mm；H为激光器扫描扫描的频率，Hz，u为焊接速度，mm/s，TT为整条焊缝的扫描次数；

堆高系数的计算公式为：

$f_1=1+\frac{3\×h_1\left(i\right)}{t}$

式中：h₁(i)是第i次扫描所得数据的堆高值，mm；t为带钢的厚度，mm；

b）搭接

搭接是指焊缝二边带钢的错边量，搭接当量面积的计算公式为：

$A2=\underset{i=1}{\overset{\mathrm{TT}}{\mathrm{\Σ}}}{h}_2\left(i\right)\×\frac{60\×u}{H}{\mathrm{mm}}^2$

式中：h₂(i)是焊缝的第i次扫描所得数据的搭接值，mm；H为扫描的频率，Hz；u为焊接速度，mm/s；

搭接系数：

$f_2=1+\frac{5\×h_2\left(i\right)}{t}$

式中：h₂(i)是第i根焊缝截面线中心线处的搭接值，mm；t为带钢的厚度，mm；

c）凹陷

焊缝凹陷是指焊缝区域的高度低于带钢母材的高度值，考虑到焊缝的搭接将加深凹陷部位的应力集中严重程度，因此在计算凹陷当量面积时将搭接系数考虑在内，凹陷面积的计算公式为：

$A3=\underset{i=1}{\overset{\mathrm{TT}}{\mathrm{\Σ}}}{f}_2\×h_3\left(i\right)\×\frac{60\×u}{H}{\mathrm{mm}}^2$

h₃(i)是第i次扫描所得数据的凹陷值，mm；H为扫描的频率，Hz；u为焊接速度，mm/s；

d）咬边

咬边是指焊缝熔合线左右1mm范围内的最低点作为咬边值，同时考虑到焊缝咬边位置的焊缝堆高和搭接将加重咬边部位应力集中的严重程度，因此在计算咬边面积时将堆高和搭接系数考虑在内，总咬边量的当量面积计算公式为：

$A4=\underset{i=1}{\overset{\mathrm{TT}}{\mathrm{\Σ}}}{f}_1\×f_2\×h_3\left(i\right)\×\frac{60\×u}{H}{\mathrm{mm}}^2;$

焊缝形貌评价标准：

  序号  指标名称   门槛值   判断结果，如超出门槛值   1  堆高最大值（h1）   0.2～0.4   焊缝局部区域存在堆高超标   2  凹陷最大值(h2)   0.2～0.4   焊缝局部区域存在凹陷超标   3  咬边最大值(h3)   0.2～0.4   焊缝局部区域存在搭接超标   4  搭接最大值(h4)   0.2～0.4   焊缝局部区域存在咬边超标   5  堆高当量值（A1/A）   0.05～0.2   焊缝堆高过大   6  凹陷当量值（A2/A）   0.05～0.2   凹陷过大   7  咬边当量值（A3/A）   0.05～0.2   咬边过大   8  搭接当量值（A4/A）   0.05～0.2   搭接过大   9  综合评价（A3/A+A4/A）   0.1～0.4   焊缝存在严重问题

至此，实现带钢焊缝表面形貌的检测和质量的判定。

2.如权利要求1所述的带钢焊缝表面形貌的检测和质量判定方法，其特征是，线型激光器对焊缝形貌的扫描，扫描宽度范围在3～10mm，高度检测范围在50～150mm，检测精度在0.001～0.005mm，检测到的数据实时发送到上位工控机中，激光器扫描频率不低于30Hz。

3.如权利要求1所述的带钢焊缝表面形貌的检测和质量判定方法，其特征是，采用包括线型激光器、触发开关、上位工控机，下位PC机，线型激光器、触发开关、上位工控机固定在焊机上，在检测过程中随焊机移动；上位工控机负责信号的采集和处理，将线型激光器所采集到的数据进行过滤，收集焊缝及焊缝两边3mm范围内的数据，将该数据通过以太网发送到下位PC机，由下位PC机对焊缝检测数据进行分析；触发开关用于控制线型激光器的启动和停止，当触发开关检测到带钢的边缘时，线型激光器开始工作并向上位工控机连续发送检测数据，焊机结束后，触发开关检测到焊机离开带钢后，触发开关通知上位工控机关闭线型激光器，激光器停止工作，触发开关所发出的信号为脉冲信号。

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