利用磁光成像技术在可控旋转磁场下对焊接缺陷进行混合数据与机制驱动的3D重建系统

《Optics & Laser Technology》：Hybrid data and mechanism driven 3D reconstruction system of welding defects using magneto optical imaging under a controllable rotating magnetic field

焊接缺陷的3D重建方法及系统设计。提出可控旋转磁场磁光成像结合3D块匹配去噪、时空双流特征提取与自适应加权融合的缺陷检测新方法，实现亚1%误差的三维形态重建。实验验证了该方法在焊接缺陷检测中的高精度和自动化优势。

　　

何国华|高向东|张彦曦

广东省焊接工程技术研究中心，广东工业大学，广州，中国

摘要

准确检测焊接缺陷对于确保焊接部件的结构完整性和安全性至关重要。为了提高磁光成像在焊接缺陷检测中的性能，本文提出了一种在可控旋转磁场下运行的数据驱动和机制驱动的3D重建系统。该系统使用可控旋转磁场磁光成像系统获取焊接缺陷的多角度图像序列，并通过3D块匹配算法进行去噪处理。利用这些数据，一个并行特征提取框架将基于机制的时间流与基于显著性的空间流相结合。随后，通过像素级自适应加权融合生成缺陷特征图。利用磁光传感的物理特性、自适应阈值分割和形态学分析来实现二维缺陷轮廓的精确重建。然后通过多角度磁光梯度偏差算法利用这些2D轮廓重建缺陷的3D深度轮廓。实验结果表明，重建的2D轮廓与3D深度之间的相对偏差均低于1%。此外，对实际焊接样品的消融研究和测试结果证实了该方法能够准确恢复3D缺陷形态。因此，所提出的方法提供了一种高精度、全自动的3D视觉解决方案，用于焊接缺陷的无损检测和评估，具有重要的工程价值。

引言

焊接是现代设备制造中的主要连接技术，其质量直接决定了结构强度和安全性[1]、[2]、[3]。然而，在焊接过程中，材料、工艺和环境条件的变化可能导致诸如未熔合、气孔和裂纹等缺陷，这些缺陷在服役过程中可能成为潜在的故障点[4]、[5]。因此，在制造过程中实施精确的无损检测以发现和定位这些隐藏的缺陷，并支持质量评估、工艺优化和产品认证，对于安全可靠的运行至关重要[6]。三维（3D）重建对于理解缺陷形成机制、客观评估其严重程度以及制定有针对性的修复策略具有很高的价值[7]、[8]。

已经开发了许多用于焊接缺陷检测的技术，这些技术通常根据它们针对的缺陷类型进行分类。对于表面或近表面缺陷，常用的传统方法包括视觉检测（VT）、渗透检测（PT）和磁粉检测（MT）。这些方法成本低廉且易于操作，但它们严重依赖于检测人员的经验，并且仅限于表面或近表面的缺陷检测[9]、[10]。内部缺陷通常通过射线检测（RT）或超声波检测（UT）进行检查。RT可以提供清晰的二维图像，但存在辐射危害且效率较低；而UT对平面缺陷（如裂纹）非常敏感，但其结果难以解释且容易受到人为错误的影响[11]、[12]。涡流检测（ET）提供快速检测，但其穿透深度有限[13]、[14]。尽管这些方法各有优势，但它们都存在一些共同的缺点，包括消耗品的污染、耦合剂处理、辐射防护要求以及定量程序引入的低效率。

由于对更高效率、直观性和实时反馈的需求，磁光检测（MOT）作为一种先进的无损评估技术受到了持续关注。MOT结合了磁粉检测的磁场扰动原理和现代光学成像[15]。通过在磁光薄膜中的法拉第效应或克尔效应，外部磁场激励下含缺陷的铁磁材料的泄漏通量被转换成与缺陷几何形状直接相关的清晰光学图像[16]、[17]。该方法具有非常高的检测速度，支持大面积、非接触式、实时成像，并对微小的表面和次表面缺陷具有高灵敏度。这些特性显著提高了检测的直观性、效率和自动化潜力，为焊接质量控制提供了强大的新工具[18]、[19]。由于其高分辨率、实时能力和非接触式特性，MOT被应用于多个领域。在材料科学中，它可以揭示磁性材料的磁畴结构、磁化过程和内部应力分布[6]、[20]；在数据存储技术中，它可以检测和分析硬盘等磁性介质中的缺陷和记录状态[21]、[22]；在金融防伪领域，它可以验证钞票和信用卡上的磁条或墨水[23]、[24]；在焊接领域，它可以在线或离线检测裂纹、气孔和未熔合现象，以及进行焊缝跟踪[25]、[26]。

尽管MOT在焊接检测方面显示出巨大的潜力，但其实际应用仍受到激励设计、图像处理和定量缺陷评估方面的瓶颈限制。大多数当前的MOT系统继承了磁通量泄漏硬件，并使用恒定直流电、交流电或传统的交流旋转磁场进行激励[27]。由于传感器对垂直于磁场的缺陷最为敏感，因此常常会遗漏平行或倾斜的缺陷。为了丰富缺陷信息，研究人员在正交或平行排列中叠加了交流电和直流电场[28]。然而，基于线圈的激励仍然受到工件几何形状、方向灵敏度和穿透不足的限制，无法实现对复杂焊缝的均匀磁化和深度缺陷的可靠检测。

旋转磁场可以感知多个方向的缺陷，并对复杂几何形状具有高度敏感性。然而，在这种激励下产生的原始磁光图像包含多方向信息，经常受到噪声、低对比度和多种缺陷形态的影响，导致特征较弱且信噪比较差[29]。由于缺陷识别和量化完全依赖于对这些图像的解释，上述缺点阻碍了准确评估。一些学者使用在小样本上训练的生成对抗网络来提高图像对比度并促进阈值分割[30]。其他人则通过快速引导滤波融合多角度磁场图像来增强视觉清晰度[31]。直方图均衡化、伽马校正等相关技术也被结合使用以优化视觉增强[32]。此外，还构建了一个基于旋转场的缺陷模型，并应用了正则化共轭梯度算法来实现三维重建[17]。为了与传统的检测方法竞争，MOT仍需克服激励设计和图像处理方面的瓶颈。解决这些问题将扩展检测能力，简化结果解释，并推动MOT向更高的效率、智能和可靠性发展。

尽管引入旋转磁场有效地克服了传统单向激励固有的检测盲点，实现了对任何方向缺陷的全面激励，但这种激励方法也带来了新的挑战。旋转场引起的动态磁畴运动会在图像中引入复杂的随机斑点噪声，使得微小缺陷的弱特征信号容易被背景纹理掩盖，从而显著降低信噪比。现有的单图像处理方法难以在保留微弱缺陷边缘的同时抑制这种动态噪声。此外，当前的3D焊接缺陷评估技术依赖于高计算成本或复杂的迭代反演算法。缺乏一个将磁光响应特性与三维几何形态直接联系起来的有效分析模型，限制了磁光成像技术在自动化定量评估中的工程应用。

因此，本研究提出了一种基于可控旋转场磁光成像的数据和机制驱动的3D重建方法。整个技术工作流程如图1所示。首先，可控旋转场磁光成像系统获取多角度图像序列，然后使用3D块匹配算法进行降噪以抑制纹理干扰。接下来并行进行核心特征提取，采用混合方法：机制驱动的时间流利用数字相位敏感检测从序列中提取周期性物理响应幅度，而数据驱动的空间流利用显著性模型隔离突出的视觉统计区域。这两个互补的流在像素级别通过自适应加权融合，生成稳健的缺陷特征图。基于该特征图，应用自适应阈值分割和形态学分析来重建2D轮廓。最后，通过使用机制驱动的磁光梯度偏差算法融合多角度图像，精确重建焊接缺陷的直观三维深度轮廓。

部分摘录

可控旋转磁场磁光成像焊接缺陷检测系统

图2概述了使用磁光成像（MOI）检测焊接缺陷的原理，该方法依赖于磁光效应以及磁场与材料不连续性之间的相互作用。首先，将外部磁场施加到铁磁工件上；磁通线在完整的焊缝中平滑通过，但裂纹或气孔等缺陷由于磁导率较低，会偏转磁通量并产生表面泄漏场。接下来，磁光传感器

基于时空双流特征的磁光图像融合方法

使用图4(a)和(b)中指示的测试点，我们模拟了有无缺陷时磁通密度Z分量的时间依赖性；结果如图5(a)所示。当没有缺陷时，Z分量遵循激励信号的三角波形。然而，在存在缺陷的情况下，曲线发生扭曲，因为缺陷降低了局部磁导率，使磁通线变形并放大了场波动的幅度。

图5(b)绘制了

多角度磁光梯度偏差算法

如图8所示，不同深度缺陷的泄漏场的法向磁感应强度发生变化。结合图6可以看出，缺陷越靠近中心线位置，泄漏场的磁感应强度变化越快，即磁光图像对应的像素值变化越大。因此，缺陷磁光图像中的像素梯度值被用作评估缺陷深度的指标。

结果与讨论

• (1)
  过滤和去噪效果分析

如图10所示，未经处理的图像包含大量噪声，强度分布不均匀，颜色过渡突然。经过BM3D过滤后，噪声显著减少；强度分布变得更加平滑，红色区域更加集中，蓝色区域更加均匀，表明BM3D有效抑制了噪声。原始灰度轮廓显示高频波动较大

结论

本研究提出了一种基于数据和机制驱动的焊接缺陷三维重建方法，该方法利用可控旋转场磁光成像来提高无损评估的准确性和可靠性。根据结果和讨论，得出以下结论：

(1)

通过结合机制驱动的时间流和数据驱动的空间流，我们开发了一种时空双流融合方法。融合后的图像优于单一流

CRediT作者贡献声明

何国华：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，可视化，验证，监督，软件，方法论，调查，正式分析，数据管理，概念化。高向东：验证，监督，软件，资源，方法论，调查，资金获取。张彦曦：撰写 – 审稿与编辑，监督，项目管理，方法论，调查，资金获取，概念化。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文报告的工作。

致谢

本工作部分得到了国家自然科学基金（项目编号52275317）、广东省自然科学基金（项目编号2023A1515012172）以及广州市科技创新与发展专项资金（项目编号2023B03J1326）的支持。