【摘 要】
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焊接缺陷会导致产品的使用寿命和性能大打折扣,更有甚者会对社会安全和财产安全产生严重的影响。为了确保焊件的可靠性,需要对焊缝或焊点的质量进行监控。若采用破坏性试验对产品进行抽检,会出现漏检、制造成本增加等问题。因此方便可靠的无损检测方法在节约成本、保证质量等方面起着至关重要的作用。常规无损检测主要包括:漏磁检测、渗透检验、磁粉检测、结构光视觉检测、超声检测、涡流检测、红外检测、射线检测等。针对常规无
【基金项目】
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国家自然科学基金项目《不可见焊接缺陷旋转场能堆积磁光成像检测关键问题研究》,项目编号（No.51675104）；
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焊接缺陷会导致产品的使用寿命和性能大打折扣,更有甚者会对社会安全和财产安全产生严重的影响。为了确保焊件的可靠性,需要对焊缝或焊点的质量进行监控。若采用破坏性试验对产品进行抽检,会出现漏检、制造成本增加等问题。因此方便可靠的无损检测方法在节约成本、保证质量等方面起着至关重要的作用。常规无损检测主要包括:漏磁检测、渗透检验、磁粉检测、结构光视觉检测、超声检测、涡流检测、红外检测、射线检测等。针对常规无损检测技术适用范围较窄、检测原理复杂、设备换代迅速、无法实现缺陷可视化等缺点,提出了磁光成像（Magneto-optical imaging,MOI）法。恒定磁场与交变磁场下,磁光成像检测均要求磁场磁极垂直于缺陷;此时对于垂直于焊缝的裂纹就会出现漏检。而点焊检测过程中很难确定磁极与缺陷的相对位置,那么必然会出现漏检。由于励磁装置的掣肘,旋转磁场下,磁光成像的探测深度较浅、适用范围较窄。因此本论文主要针对缺陷位置的未知性及现有常规无损检测方法的不足,研究组合磁场（恒定磁场和交变磁场复合而成）下任意走向焊接缺陷磁光成像无损检测的成像效果及规律。论文首先总结和归纳了常规无损检测技术的特点,并在现有磁光成像检测技术研究的基础上,重点研究新型组合磁场磁光成像技术。在研究现有磁光成像技术的特点时发现:（1）恒定磁场下,磁光图像易饱和;（2）交变磁场以及旋转磁场下,不可见焊接缺陷成像困难等缺点;（3）恒定磁场和交变磁场下,磁光成像检测过程中要求缺陷与磁场方向垂直。而在实际工程中,由于工件材料、焊件工作环境、焊接工艺特点等因素的影响,焊接缺陷的分布具有随机性和任意走向性。例如,缝焊中的裂纹大多沿焊缝方向,但也有部分裂纹垂直于焊缝方向;点焊的径向裂纹、周向裂纹等焊接缺陷的分布则更加随机。因此,论文的主要研究内容有:（1）结合法拉第磁光效应、磁滞回线等,从理论上分析不同磁场下铁磁质焊件的磁化规律。然后采用磁光成像试验探索焊接缺陷在恒定磁场、交变磁场、组合磁场励磁下的成像规律。结果表明,组合磁场励磁有利于实现焊接缺陷自动化检测。（2）基于有限元采用Maxwell建模仿真,分析恒定磁场、交变磁场、旋转磁场、平行组合磁场和垂直组合磁场下十字凹槽的磁化特点。运用仿真试验论证垂直组合磁场励磁下磁光成像方法实现任意走向焊接缺陷检测的可行性。基于垂直组合磁场仿真模型,分析不同磁场参数下十字凹槽漏磁场特点,总结出合适的恒定磁场和交变磁场参数比例,获得最佳组合磁场励磁模型。（3）通过磁光成像试验对比分析恒定磁场、交变磁场、旋转磁场、平行组合磁场和垂直组合磁场下点焊径向裂纹之间的图像差异,观察磁光图像的特征,验证垂直组合磁场励磁的优点,证明组合磁场下的磁光成像检测更易实现任意走向焊接缺陷检测。分别改变垂直组合磁场中恒定磁场或交变磁场的磁场强度,观察焊接缺陷磁光图像的特征,探索组合磁场强度参数对磁光成像效果的影响规律。（4）为了实现不同磁场下获得的磁光图像上焊接缺陷的自动识别及分类,对焊接缺陷磁光图像数据集进行特征分析及检测分类。首先分析磁光图像R、G、B三通道图像频谱图的特征,选择G通道图像进行差分运算,降低不同磁场下磁光图像的明暗差异对识别及分类结果的影响。然后对差分运算后的图像进行高斯低通滤波,降低噪声对图像分类及焊接缺陷识别结果的影响。（5）采用Mask R-CNN目标检测方法分别对原磁光图像数据集和预处理后的磁光图像数据集（数据集中包括无缺陷、未熔合、裂纹、凹坑和焊瘤五类磁光图像）进行目标检测,识别出焊接缺陷的种类并分割出焊接缺陷的轮廓。检测结果证明:由于原磁光图像数据集中凹坑和裂纹较难识别,其准确率较低;预处理后数据集检测的准确率提高了 30%。
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