激光在焊接电弧高速摄像技术中的应用

激光在焊接电弧高速摄像技术中的应用-标准化文件发布号：（9456-EUATWK-MWUB-WUNN-INNUL-DDQTY-KII激光焊接电弧高速摄像技术中 提要:建立了以激光为背景光源的高速摄像系统, 该系统包括焊接平台、焊接设 备和摄像装置三部分。介绍了电弧高速摄像的关键技术,包括光路的设计、背 景光源的选择和弧光的消除等。利用此系统可在线观测和监控焊接过程。 关键词: 激光应用; 电弧; 高速摄像焊接电弧及熔滴过渡对焊接质量的影响起决定作用, 因此, 对焊接电弧及熔滴 过渡的研究始终是焊接领域的重要课题, 由于电弧燃烧时发出强烈的光,肉眼无 法观察, 必须借助于高速摄像机进行观察。本文建立了一套新的电弧高速摄像 系统,特点是以激光作为背景光源, 使用方便、成本低。重点介绍了高速摄像关 键技术。1 高速摄像系统组成高速摄像系统由三部分组成: 焊接平台: 焊接设备: 摄像装置。1 . 1 焊接平图 1 HGT - 3 ( A, B) 精密焊接工作台焊接平台采用已有的成都电焊机 研究所 的 HG T - 3 ( A,B ) 精密焊接工 作台 , 如 图 1 所示。 该工作台 可与 MI G/ MA G 焊机、 TIG 焊机、 微 束等离子焊机组成全自动环缝焊接系统和圆管纵缝焊接系统。在配备专用夹具 时, 还可以 进行薄板对接焊接。工作台可以对 320 以内 的管子 进行施 焊。 实验管材如图 2 所示, 其结构尺寸为 16 0 14 245。用三爪卡盘和尾座顶 丝将管子对中固定, 调节焊矩 位置。通过 管子的周向转动, 而焊矩位 置 固 定来达到对管子环焊缝进行施焊的目的。图 2 实验管材1 . 2 焊接设备焊接设备采用北京时代科技股份有限 公司的产 品: WSM- 400 ( P NE21 - 40 0P) 数 控 脉 冲 氩 弧 焊 机。该 焊 机 是 基 于 DSP、 模糊控制、 波形 控制及自适应控制技术的全数 字脉冲氩弧/ 直流氩弧焊机。具 有脉冲 氩弧、 直 流氩 弧、 氩弧 点焊、 手工焊 及简易氩弧焊五种焊接方式。可靠性高 , 电流 调节范围广( 1 A 400A) 。在结合焊接平台具体操作时 , 将焊 机的焊 炬夹持在焊接平台的 三维调 节机构 上, 该 调节 机构可 以在 ( x ,y , z ) 三个方向进行调节。这样, 可以通过同心度检 测来调整管子 和焊炬的相互位 置。1 . 3 摄像装置常见的高速 摄像 装置由 四部 分组 成。( 1 ) 光源 部分, 由点光 源 或平 行光源组成。本文采用半导体激光器，波长650nm,功率小于 80mW。 ( 2 ) 扩束部分, 由显微目镜 及凸透镜组成。 ( 3) 成像部分, 包括焊 丝、 成像物 镜、 小孔 光阑、 干涉滤光片 。 ( 4) 摄像部 分, 采用 Ca n a d i a n P hot oni c Labs 的彩 色数 字高速摄像机。高速摄像 机包括 主机和 附件。主机 型号 PLMS25k , 主要技术指标: CMO S 传感器, 触发方式为脉冲、 同步、手动、 连续, 操作环 境为Wi ndo ws 2000 兼容 Wi n98/ X P, 分辨率 400 400( 500f ps ) / 10020( 25000f ps) , 曝光时 间 1 s/ 24ms, 记录时 间 1. 5s - 15s , 电源220VA C。附件包括镜头，图像采集卡，专用驱动软件，计算机等。2 焊接电弧高速摄像的关键技术为了获取高质量的焊接电弧图像， 首先要对焊 接电弧及熔滴过渡行为 有比较 深 入的 了解; 其次， 要 熟悉 高速摄 像技术; 第三， 拍摄 之前要对整个光 路进行仔细的调整 1 。2 . 1 正确选择光路参数 小孔jt爾n.-L 1I图 3 光路设计示意图如图 3 所示， 根据试验经验， a、 c 要尽量的小。 由于激光的相 干性， 光路 中的污物容易在底片上 产生干涉而 形成干涉花纹， 形成较大的光斑， 将严重 破坏所 摄取的图 像质量。 b、 d 为凸透镜的的焦距， 也就是说， 透镜 1 处于 透镜 2 的焦 点上， 小孔光阑处于透镜 3 的焦点上。 c 视情 况而定， 一般情 况下， 放大率选 1 即可， 如果拍摄熔滴过渡， 放大率以 2 3 为宜。2 . 2 选择激光作为背景光源由于电弧是一个高亮度辐射光源, 直接取像 看不到其内部变化过程, 必 须采 用 背光 技术取 像。对于 背光 的要 求是 , 在高速摄像机处所接受 的光的 强 度 必须至 少强 于电 弧本身的弧光。通常 , 可选用的背光光源 有 2 类 , 一 类是以氙 灯、 碘钨灯为代表的点光源背光光源; 另一类 是以激光 为代表的 平行光背光光源。图 4 为两种背光光源下的光路示 意图。图 4 不同背光源下的光路示意图由于背 光光源为 点光 源（ 如氙 灯、 碘 钨灯） , 其自 身光强与距离的 平方成反比, 与电弧类似, 因此, 必须利 用反射和透镜聚焦作用, 使光源收敛 以提高光源的 利用率。同时, 其光谱选择性比不上激光, 难以 利用 滤光 片 衰减 弧光, 滤 除弧光的任务完全 由小孔光 阑来 承担。由 于背光 光源 具 有 一定尺寸 , 不能通过透镜严 格聚焦 于一 点 , 因此光 阑小 孔直 径也不能 太小, 滤除 弧光的 作用是 有限的。加 大背光 功率, 提高背光/ 电弧光的比 值是提高图像效果的 首选途径。 背光光源为平行光源（ 一般为激 光） 时, 由 于 激光 为单色 平行 光源 , 可以通过透镜聚焦成一个很小的点 , 在光强 比的 调节 上具有独特的优越性。 因此, 利 用 扩束 和 聚焦 作用 能 够拍 出视 场 较大的、 清 晰程度 较好的 画面。由于 激光为 单色光 , 使干 涉滤光片 的选择比较容易, 可以使在高速摄像 成像处所 接受的光的强度远高于电弧弧 光, 同时还可以用小 孔光阑调 节弧光与背光的比例。激光为背光不足之处是 由于激 光的相干性, 光路中的污物 （ 如镜头上的灰尘等） 容易 在底片上 产 生干 涉而形成干涉花纹, 形成较 大的光 斑, 将严 重破坏 所摄 取的 图像质 量。因此, 以激光为背光时, 镜头污物的清理尤为重要 2图 5a TIG 电弧图像 （ 无背景激光 ）图 5 b TIG 电弧图像 （ 有背景激 光） 当不用激光作为背景光源时, 拍摄的 图像如 图 5a 所示,此时, 只看到钟罩形的电弧图像, 看不到钨极。当采用激光作为背景光源时, 拍摄的图 像如图 5 b所示,此时 , 除看到钟罩形的电弧图像外, 还可看到钨极的形貌2 . 3 利用小孔光阑滤掉弧光 在熔滴过渡高速摄像中, 弧光与背 光的亮度应 该有一个合 适的比 例, 如 果 背光 太弱, 熔滴 就显示 不出来。仅 靠调整曝光 参数或加滤光片的普 通摄 影方 法无法 满足 两者的 亮度比例 要求, 采用小孔 光阑技 术, 是提 升电 弧 图像 清晰度 的较好办 法。小孔光阑滤掉弧光的原理是 , 电弧 光的波长分 布在从紫外到 红外的很宽范围内, 而 在某 一波长 上其 强度 不一定 高。因 此 , 功率不大的激光器发出的激光亮 度就可能超 过电弧中对应 波长的弧 光。激光为单一波长平行光, 经扩束 后为近似平行 光束, 当投射到 成像物 镜上 时, 透镜将 此平 行光束 在其焦点位置会聚 为一点, 并顺 利地 通过小 孔光 阑; 而电弧 光则是球面光, 在成 像 物镜 的焦 点 处则 形成 一 个一 定大 小 的光斑, 其中仅有小孔部分通过光阑, 其余部分被 阻挡, 从而达到衰 减 弧光的目的。同时弧光是球面波 , 其强度与距 离的平方成反比地迅速 衰减, 激光经 扩束 后是接 近平 行的光 束, 光强几 乎与距 离无关, 增大 拍摄距 离, 可使弧 光消除得 更多。通过上 述措施衰减电弧光, 在摄像机中便 可获 得熔滴 过渡的清晰阴影像。图 6a 是没 用小 孔光 阑的 图像, 电 弧图 像清 晰可见;图 6b 是利用小孔 光阑 的图 像, 电 弧图 像被 滤掉, 清 晰可见钨 极及焊 丝。图 6 c 是 MI G 焊熔 滴过渡, 采用 氩气保 护焊接铜 板, 采用 铜焊丝。由图 6c 可以看出 下方钟 罩形的电 弧,冲向 熔池的熔滴。用小可L光JW的f|j6c: HIG 埠j 电JBL(隸棵护* 1R：3 高速摄像系统的特点高速摄像机采用C MOS传感器。C MO S ( Compl eme nt a ryMe ta l O xi de Se mi co ndu c t or) 即 互补金属氧化物半导体 。它是计 算 机系统内一种重要的芯片 , 保存了 系统引导所 需的大量资料。从技术 的 角 度比 较 , C MO S 与 CCD 相 比较 , 在 信 息读取方 式、 速度和电源及耗 电量三个方面都具有优势。以前的高速摄影, 拍摄参数多、 操作复杂, 必须 请专业人员拍摄和冲洗 才能达到 预期 效果, 做一 次实 验, 需投入 较多的 人力、 物力, 实验 成本很 高。而本高 速摄像 系统一 次成本投入后, 重复 实验的成本很低, 操作简单, 拍摄的图 像直接存储到 计算机里。总之, 建立了以激 光为 背景光 源的 高速 摄像系 统, 该系统包括焊接平 台、 焊接设备和摄像装 置三部分。介 绍了电弧高速摄像的关 键技术, 包括 光路 的设计、 背 景光 源的选 择和弧光 的消除等。得到了清晰的高速摄像 图片, 满足 了焊接试验分 析和判断的需要。