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
在熔滴过渡高速摄像中, 弧光与背光得亮度应该有一个合适得比例, 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得普通摄影方法无法满足两者得亮度比例要求, 采用小孔光阑技术, 就是提升电弧图像清晰度得较好办法。

小孔光阑滤掉弧光得原理就是, 电弧光得波长分布在从紫外到红外得很宽范围内, 而在某一波长上其强度不一定高。

因此 , 功率不大得激光器发出得激光亮度就可能超过电弧中对应波长得弧光。

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; 而电弧光则就是球面光, 在成像物镜得焦点处则形成一个一定大小得光斑, 其中仅有小孔部分通过光阑, 其余部分被阻挡, 从而达到衰减弧光得目得。

同时弧光就是球面波, 其强度与距离得平方成反比地迅速衰减, 激光经扩束后就是接近平行得光束, 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得清晰阴影像。

图 6a 就是没用小孔光阑得图像, 电弧图像清晰可见;图 6b 就是利用小孔光阑得图像, 电弧图像被滤掉, 清晰可见钨极及焊丝。

图 6 c 就是 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 可以瞧出下方钟罩形得电弧,冲向熔池得熔滴。

3 高速摄像系统得特点
高速摄像机采用 C MOS 传感器。

C MO S ( pl eme nt a ryMe t a l O xi de Se mi co ndu c t or) 即互补金属氧化物半导体。

它就是计算机系统内一种重要得芯片, 保存了系统引导所需得大量资料。

从技术得角度比较, C MO S 与 CCD 相比较, 在信息读取方式、速度与电源及耗电量三个方面都具有优势。

以前得高速摄影, 拍摄参数多、操作复杂, 必须请专业人员拍摄与冲洗才能达到预期效果, 做一次实验, 需投入较多得人力、物力, 实验成本很高。

而本高速摄像系统一次成本投入后, 重复实验得成本很低, 操作简单, 拍摄得图像直接存储到计算机里。

总之, 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。

得到了清晰得高速摄像图片, 满足了焊接试验分析与判断得需要。