激光在焊接电弧高速摄像技术中的应用

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得高速摄像系统, 该系统包括焊接平台、焊接设备与摄像装置三部分。介绍了电弧高速摄像得关键技术,包括光路得设计、背景光源得选择与弧光得消除等。利用此系统可在线观测与监控焊接过程。

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得影响起决定作用, 因此, 对焊接电弧及熔滴过渡得研究始终就是焊接领域得重要课题, 由于电弧燃烧时发出强烈得光,肉眼无法观察, 必须借助于高速摄像机进行观察。本文建立了一套新得电弧高速摄像系统,特点就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

焊接平台采用已有得成都电焊机研究所得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与圆管纵缝焊接系统。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 以内得管子进行施焊。实验管材如图 2 所示, 其结构尺寸为16 0 14 245。用三爪卡盘与尾座顶丝将管子对中固定, 调节焊矩位置。通过管子得周向转动, 而焊矩位置固定来达到对管子环焊缝进行施焊得目得。

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得产品: WSM- 400 ( P NE21 - 40 0P) 数控脉冲氩弧焊机。该焊机就是基于DSP、模糊控制、波形控制及自适应控制技术得全数字脉冲氩弧/ 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 , 将焊机得焊炬夹持在焊接平台得三维调节机构上, 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与焊炬得相互位置。

1 、 3 摄像装置

常见得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 得彩色数字高速摄像机。高速摄像机包括主机与附件。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 ) / 100 20( 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 焊接电弧高速摄像得关键技术

为了获取高质量得焊接电弧图像, 首先要对焊接电弧及熔滴过渡行为有比较深入得了解; 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得调整 1 。

2 、 1 正确选择光路参数

图 3 光路设计示意图

如图 3 所示, 根据试验经验, a、 c 要尽量得小。由于激光得相干性, 光路中得污物容易在底片上产生干涉而形成干涉花纹, 形成较大得光斑, 将严重破坏所摄取得图像质量。b、 d为凸透镜得得焦距, 也就就是说, 透镜 1 处于透镜 2 得焦点上,小孔光阑处于透镜 3 得焦点上。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

由于电弧就是一个高亮度辐射光源, 直接取像瞧不到其内部变化过程, 必须采用背光技术取像。对于背光得要求就是,在高速摄像机处所接受得光得强度必须至少强于电弧本身得弧光。通常, 可选用得背光光源有 2 类, 一类就是以氙灯、碘钨灯为代表得点光源背光光源; 另一类就是以激光为代表得平行光背光光源。图 4 为两种背光光源下得光路示意图。

图 4 不同背光源下得光路示意图

由于背光光源为点光源( 如氙灯、碘钨灯) , 其自身光强与距离得平方成反比, 与电弧类似, 因此, 必须利用反射与透镜聚焦作用, 使光源收敛, 以提高光源得利用率。同时, 其光谱选择性比不上激光, 难以利用滤光片衰减弧光, 滤除弧光得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, 滤除弧光得作用就是有限得。加大背光功率, 提高背光/ 电弧光得比值就是提高图像效果得首选途径。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得点, 在光强比得调节上具有独特得优越性。因此, 利用扩束与聚焦作用能够拍出视场较大得、清晰程度较好得画面。由于激光为单色光, 使干涉滤光片得选择比较容易, 可以使在高速摄像成像处所接受得光得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得比例。激光为背光不足之处就是由于激光得相干性, 光路中得污物 ( 如镜头上得灰尘等) 容易在底片上产生干涉而形成干涉花纹, 形成较大得光斑, 将严重破坏所摄取得图像质量。因此, 以激光为背光时, 镜头污物得清理尤为重要 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, 拍摄得图像如图 5a 所示,此时, 只瞧到钟罩形得电弧图像, 瞧不到钨极。当采用激光作为背景光源时, 拍摄得图像如图 5 b 所示,

此时 , 除瞧到钟罩形得电弧图像外, 还可瞧到钨极得形貌。

2 、

3 利用小孔光阑滤掉弧光